RU2154320C1

RU2154320C1 - Current transducer with extended frequency range

Info

Publication number: RU2154320C1
Application number: RU99108863A
Authority: RU
Inventors: Ф.А. Зыкин; К.Е. Тряпкин
Original assignee: Ульяновский государственный технический университет
Priority date: 1999-04-27
Filing date: 1999-04-27
Publication date: 2000-08-10

Abstract

FIELD: electric measurements in ac circuits. SUBSTANCE: transducer has ferromagnetic core, primary winding and negative-feedback secondary winding, and amplifier; ferromagnetic core has gap accommodating Hall- effect sensor whose input terminals are connected to DC supply, one output terminal, to amplifier input, and other output terminal, to neutral bus. EFFECT: improved precision of non-sinusoidal current conversion at slight dependence of gain on frequency. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области электрических измерений, в частности к измерениям переменных токов, и может быть использовано при контроле режимов электрических цепей переменного тока. The invention relates to the field of electrical measurements, in particular to measurements of alternating currents, and can be used in monitoring modes of electrical circuits of alternating current.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи, заключающейся в повышении точности измерения переменных несинусоидальных токов. The invention is aimed at solving the problem of improving the accuracy of measuring alternating non-sinusoidal currents.

Известны устройства трансформаторы тока, которые преобразуют большие переменные токи (десятки и тысячи) в стандартные вторичные токи до 1 или 5А. Known devices are current transformers that convert large alternating currents (tens and thousands) into standard secondary currents up to 1 or 5A.

Однако точность преобразования таких устройств, во многих случаях недостаточна, особенно, когда трансформаторы перегружены. Кроме того, значение выходных токов не согласовываются с входными параметрами современных измерительных электронных устройств, в которых требуются аналоговые сигналы до 5-10 мА или до 10 мВ. However, the conversion accuracy of such devices is in many cases insufficient, especially when the transformers are overloaded. In addition, the value of the output currents is not consistent with the input parameters of modern measuring electronic devices that require analog signals up to 5-10 mA or up to 10 mV.

Наиболее близким устройством к заявляемому изобретению по совокупности признаков является трансформатор тока с обратной связью. The closest device to the claimed invention in terms of features is a current transformer with feedback.

Это устройство принято за прототип. This device is taken as a prototype.

В структуру этого устройства входит ферромагнитный сердечник, первичная обмотка W1, к которой подключается преобразуемый сигнал в виде тока, усилитель, две вторичные обмотки W2 и W3, причем обмотка W3 является обмоткой отрицательной обратной связи. Первый зажим вторичной обмотки W2 подключен ко входу усилителя, а второй зажим вторичной обмотки W2 - к нулевой шине. Выход усилителя подключен к первому зажиму вторичной обмотки отрицательной обратной связи W3, а второй зажим обмотки отрицательной обратной связи W3 является выходным. Измеряемый аналоговый сигнал пропорциональный преобразуемому току может быть в виде тока и напряжения. The structure of this device includes a ferromagnetic core, a primary winding W1, to which a converted signal in the form of current is connected, an amplifier, two secondary windings W2 and W3, and the winding W3 is a negative feedback winding. The first terminal of the secondary winding W2 is connected to the input of the amplifier, and the second terminal of the secondary winding W2 is connected to the zero bus. The output of the amplifier is connected to the first terminal of the secondary negative feedback winding W3, and the second terminal of the negative feedback winding W3 is output. The measured analog signal proportional to the converted current can be in the form of current and voltage.

К причинам, препятствующим достижению указанные ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за протoтип, относится то, что в известном устройстве ограничен диапазон измеряемых частот. For reasons that impede the achievement of the following technical result when using the known device adopted as a prototype, the known device has a limited range of measured frequencies.

Вo-первых, при снижении частот точность преобразования снижается, а при частоте, равной нулю (постоянном токе), коэффициент преобразования равен нулю, что меняет форму кривой выходного сигнала по сравнению с преобразуемым. Firstly, with decreasing frequencies, the conversion accuracy decreases, and at a frequency equal to zero (direct current), the conversion coefficient is zero, which changes the shape of the output signal curve compared to the converted one.

Во-вторых, в известном устройстве довольно узкий диапазон частот устойчивой работы, что отмечается в указанном источнике. Технический результат-увеличение точности преобразования несинусоидальных токов, что достигается улучшением частотной характеристики устройства, т.e. достижением слабой зависимости коэффициента передачи от частоты (от постоянного тока до предельной частоты). Secondly, in the known device a rather narrow frequency range of stable operation, which is noted in the specified source. The technical result is an increase in the accuracy of conversion of non-sinusoidal currents, which is achieved by improving the frequency response of the device, i.e. achieving a weak dependence of the transmission coefficient on the frequency (from DC to the limiting frequency).

Указанный технический результат изобретения достигается тем, что в преобразователе тока с расширенным диапазоном частот содержится ферромагнитный сердечник, первичная обмотка, которая подключена последовательно в цепь измеряемого тока, усилитель, вторичная обмотка отрицательной обратной связи, причем выход усилителя подключен к первому зажиму вторичной обмотки отрицательной обратной связи, а второй зажим обмотки отрицательной обратной связи подключен к нагрузке. The specified technical result of the invention is achieved by the fact that the current converter with an extended frequency range contains a ferromagnetic core, a primary winding that is connected in series to the measured current circuit, an amplifier, a secondary negative feedback winding, the amplifier output being connected to the first terminal of the secondary negative feedback winding and the second terminal of the negative feedback winding is connected to the load.

Вторичная обмотка отрицательной обратной связи необходима для сведения результирующего магнитного потока в ферромагнитном сердечнике к минимуму и возможности применения датчика Холла. Отрицательная обратная связь осуществляется между обмотками преобразователя посредством магнитного потока. The secondary winding of negative feedback is necessary to minimize the resulting magnetic flux in the ferromagnetic core and the possibility of using a Hall sensor. Negative feedback is carried out between the transformer windings by means of magnetic flux.

Существенным отличием заявляемого устройства от прототипа является то, что в ферромагнитном сердечнике имеется зазор, куда помещается датчик Холла, входные зажимы которого соединены с источником постоянного тока, а один выходной зажим датчика Холла присоединен ко входу усилителя, второй же выходной зажим датчика Холла - к нулевой шине. A significant difference between the claimed device and the prototype is that in the ferromagnetic core there is a gap where the Hall sensor is placed, the input terminals of which are connected to a DC source, and one output terminal of the Hall sensor is connected to the input of the amplifier, and the second output terminal of the Hall sensor is connected to zero to the bus.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно - техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "НОВИЗНА". An analysis of the prior art by the applicant, including a search by patent and scientific and technical sources of information, and identification of sources containing information about analogues of the claimed invention, allowed to establish that the applicant did not find an analogue characterized by features identical to all the essential features of the claimed invention. Therefore, the claimed invention meets the condition of "NEW".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИЙ УРОВЕНЬ" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата, в частности, заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:
- Дополнение известного средства какой-либо известной частью (частями), присоединяемой (присоединяемыми) к нему по известным правилам для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений;
- Замена какой-либо части (частей) известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены,
- Исключение какой-либо части (элемента) средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата (упрощение, уменьшение массы, габаритов, материалоемкости, повышение надежности и пр.);
- Увеличение количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов;
- Выполнение известного средства или его части (частей) из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами этого материала;
- Создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связи между ними.To verify the compliance of the claimed invention with the condition "INVENTIVE LEVEL", the applicant conducted an additional search for known solutions to identify signs that match the distinctive features of the prototype of the claimed device. The search results showed that the claimed invention does not derive explicitly from the prior art for the specialist, since the influence of the transformations provided for by the essential features of the claimed invention on the achievement of the technical result is not revealed from the prior art determined by the applicant, in particular, the following transformations are not provided for by the claimed invention:
- Supplementation of a known product with any known part (s) attached to it (s) by known rules to achieve a technical result in respect of which the effect of such additions is established;
- Replacement of any part (s) of a known product with another known part to achieve a technical result, in respect of which the influence of such a replacement is established,
- The exclusion of any part (element) of the product with the simultaneous exclusion of the function due to its presence and the achievement of the usual result for such exclusion (simplification, reduction of mass, dimensions, material consumption, increased reliability, etc.);
- Increasing the number of elements of the same type to enhance the technical result due to the presence in the tool of just such elements;
- The implementation of a known tool or part (s) of a known material to achieve a technical result due to the known properties of this material;
- Creating a tool consisting of well-known parts, the choice of which and the relationship between them are based on known rules, recommendations, and the technical result achieved in this case is due only to the known properties of the parts of this tool and the relationship between them.

Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака (признаков), представлении таких признаков во взаимосвязи, либо изменении ее вида. Имеется в виду случай, когда известен факт влияния каждого из указанных признаков на технический результат, и новое значение этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены, исходя из известных зависимостей, закономерностей. The described invention is not based on a change in the quantitative characteristic (s), the presentation of such signs in relationship, or a change in its form. This refers to the case when the fact of the influence of each of the indicated features on the technical result is known, and a new value of these features or their relationship could be obtained on the basis of known dependencies and patterns.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИЙ УРОВЕНЬ". Therefore, the claimed invention meets the condition "INVENTIVE LEVEL".

Признаки данного изобретения могут быть многократно использованы в измерительной технике с получением технического результата, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ". The features of this invention can be repeatedly used in measuring technique to obtain a technical result, which allows us to conclude that the invention meets the criterion of "INDUSTRIAL APPLICABILITY".

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема устройства, которое содержит ферромагнитный сердечник 1, первичную обмотку 2, вторичную обмотку отрицательной обратной связи 3, датчик Холла 4 расположенный в зазоре сердечника, источник тока 5, усилитель 6, нагрузку 7. The invention is illustrated in the drawing, which shows a schematic diagram of a device that contains a ferromagnetic core 1, a primary winding 2, a secondary negative feedback winding 3, a Hall sensor 4 located in the core gap, a current source 5, an amplifier 6, a load 7.

Устройство работает следующим образом. Обмотка 2 с количеством витков W1 включается в цепь измеряемого тока. В ферромагнитном сердечнике 1 создается магнитный поток, которым пронизывается датчик Холла, возбуждает в нем ЭДС на выходных зажимах. Эта ЭДС подается на усилитель с коэффициентом усиления К. К выходу усилителя подключается вторичная обмотка отрицательной обратной связи 3. Ко второму зажиму вторичной обмотки отрицательной обратной связи подключается нагрузка 7. Ток обратной связи, он же является выходным информативным аналоговым сигналом. Информативным аналоговым сигналом могут служишь и напряжения с сопротивления нагрузки R2 или с выхода усилителя, так как напряжение на вторичной обмотке отрицательной обратной связи практически будет очень мало (только падение напряжения па активном сопротивлении и индуктивности рассеивания). The device operates as follows. Winding 2 with the number of turns W1 is included in the circuit of the measured current. In the ferromagnetic core 1, a magnetic flux is created, which penetrates the Hall sensor, excites EMF in it at the output terminals. This EMF is supplied to an amplifier with a gain K. The negative winding secondary winding 3 is connected to the output of the amplifier. A load 7 is connected to the second terminal of the secondary negative winding. Feedback current is an informative analog output signal. The voltage from the load resistance R2 or from the output of the amplifier can also serve as an informative analog signal, since the voltage on the secondary winding of the negative feedback will be practically very small (only the voltage drop across the active resistance and dissipation inductance).

Мгновенное значение тока нагрузки устанавливается пропорциональным измеряемому току. Это следует из следующих выводов. The instantaneous value of the load current is set proportional to the measured current. This follows from the following conclusions.

Из закона полного тока следует

или

где l1 и l2-длина средней линии ферромагнитного сердечника и величина зазора сердечника соответственное;
μ, μ0 - абсолютная магнитная проницаемость сердечника и магнитная постоянная соответственно.From the law of total current follows

or

where l1 and l2 are the length of the midline of the ferromagnetic core and the size of the core gap, respectively;
μ, μ0 are the absolute magnetic permeability of the core and the magnetic constant, respectively.

Учитывая что B = η•Ex, а также ток нагрузки

Получим

где E_x- ЭДС Холла;
R2 - сопротивление нагрузки.Given that B = η • Ex, as well as the load current

We get

where E _x - EMF Hall;
R2 is the load resistance.

При большом коэффициенте усиления К соотношение токов определяется уравнением:

Представленный вывод показывает, что коэффициент преобразования определяется по мгновенным значениям токов, а следовательно, не зависит от частоты. Система срабатывает так, что магнитный поток сердечника должен быть близок к нулю.With a large gain K, the ratio of currents is determined by the equation:

The presented conclusion shows that the conversion coefficient is determined by the instantaneous values of the currents, and therefore, does not depend on the frequency. The system operates so that the magnetic flux of the core should be close to zero.

Литература:
См. Андреев Ю.А., Абрамзон Г.В. Преобразователи тока для измерений без разрыва цепи.- Л.: Энергия. Ленингр.отд-ние, 1979, с.48.Literature:
See Andreev Yu.A., Abramzon G.V. Current transducers for measurements without breaking the circuit.- L .: Energy. Leningrad branch, 1979, p. 48.

Claims

An extended frequency range current converter comprising a ferromagnetic core, a primary winding that is connected in series with the measured current circuit, an amplifier, a negative feedback secondary winding, the amplifier output being connected to a first terminal of a secondary negative feedback winding, and a second terminal of a negative feedback winding is an output, characterized in that in the ferromagnetic core there is a gap where the Hall sensor is located, the input terminals of which are connected to the source nick DC, and one output of the Hall sensor clip attached to the amplifier input, the second output terminal of the Hall sensor - to a zero bus.