УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ И ФАЗОЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТОКОВЫХ ШУНТОВ
DEVICE TO DEFINE AMPLITUDE-FREQUENCY AND PHASE-FREQUENCY CHARACTERISTICS OF CURRENT SHUNTS

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано для контроля и определения динамических метрологических характеристик при производстве и эксплуатации токовых шунтов.
Известен измеритель относительных амплитудно-частотных характеристик [RU 2291452 C2, МПК G01R27/28 (2006.01), опубл. 01.11.2001], содержащий генератор качающейся частоты, выход которого подключен к входу измеряемого объекта, выход которого подключен к входам амплитудного детектора и формирователя опорного сигнала, выполненного в виде последовательно соединенных преобразователя частоты в код, дешифратора и блока хранения и выборки, выход которого является выходом формирователя опорного сигнала, а второй вход соединен с входом преобразователя частоты в код, являющегося входом формирователя опорного сигнала, последовательно соединенные преобразователь частоты в напряжение, дифференциатор, компаратор и согласующий блок, выход которого подключен к второму входу индикатора, вход преобразователя частоты в напряжение подключен к выходу генератора качающейся частоты, а второй вход компаратора соединен с общей шиной. Последовательно соединены масштабный усилитель, амплитудный селектор, временной селектор, декадный счетчик и второй дешифратор, выход которого подключен к третьему входу индикатора, первый вход которого соединен с первым входом амплитудного селектора и выходом делителя, второй вход которого соединен с выходом амплитудного детектора, а первый соединен с выходом формирователя опорного сигнала и входом масштабного усилителя. Второй вход временного селектора соединен с входной шиной.
Недостатками этого устройства являются невозможность определения фазочастотной характеристики и ограниченный частотный диапазон измерения, зависящий от характеристик масштабного усилителя.
Известно устройство для определения амплитудно-частотных характеристик токовых шунтов [Cherbaucich C., Crotti G., Kuljaca N., Novo M. Evaluation of the dynamic behaviour of heavy current shunts //Metrology in the 3rd Millennium: Proc. XVII IMEKO World Congress. - 22-27 June, 2003. - Dubrovnik, Croatia, 2003. - P. 586-589], содержащее источник импульсного тока, в котором последовательно соединены резисторный ограничитель тока заряда, накопитель энергии из коаксиального кабеля и коммутатор (газоразрядное устройство), к которому подключен эталонный трансформатор тока и тестируемый шунт. Источник импульсного тока подключен к источнику постоянного напряжения. Амплитудно-частотную характеристику шунта определяют как отношение односторонней функции спектральной плотности сигнала с выхода трансформатора тока к односторонней функции спектральной плотности сигнала с выхода шунта на заданной частоте. Результаты визуализируют в виде графической зависимости.
Недостатки данного устройства заключаются в невозможности определения фазочастотной характеристики шунта и в уменьшении точности определения амплитудно-частотной характеристики из-за погрешности квантования аналого-цифрового преобразователя цифрового осциллографа.
Известно устройство для определения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик токовых шунтов [Заревич А.И., Муравьев С.В., Бедарева Е.В., Карпенко С.Р. Импульсный метод определения частотных характеристик сильноточных шунтов //Известия Томского политехнического университета. - 2012. - Т. 321. - №4. - С. 137-140], выбранное в качестве прототипа (фиг. 1), содержащее источник импульсного тока 1 (ИИТ), в котором к первому выводу вторичной обмотки повышающего сетевого трансформатора 2 подключен однополупериодный выпрямитель 3, к которому через резисторный ограничитель тока заряда 4 подключен накопитель энергии 5, соединенный со вторым выводом вторичной обмотки повышающего сетевого трансформатора 2. Накопитель энергии 5 выполнен на конденсаторах. К резисторному ограничителю тока заряда 4 подключен первый электрод коммутатора 6 (газоразрядное устройство). Первичная обмотка повышающего сетевого трансформатора 2 подключена к промышленному источнику напряжения переменного тока 7 с действующим значением выходного напряжения 220 В. Через контактные клеммы 8 тестируемый шунт 9 подключен ко второму электроду коммутатора 6 и второму выводу вторичной обмотки повышающего сетевого трансформатора 2. Эталонный трансформатор тока 10 размещен между тестируемым шунтом 9 и контактными клеммами 8. Блок регистрации и обработки сигнала 11 (БРОС) содержит первый аналого-цифровой преобразователь 12 (АЦП1), к которому подключен первый блок быстрого преобразования Фурье 13 (БПФ1). Второй аналого-цифровой преобразователь 14 (АЦП2) соединен с вторым блоком быстрого преобразования Фурье 15 (БПФ2), который соединен с блоком функционального преобразования 16 (БФП). Вычислительное устройство 17 (ВУ), первый блок быстрого преобразования Фурье 13 (БПФ1), блок функционального преобразования 16 (БФП) и дисплей 18 (Д) связаны через общую шину данных 19. Первый аналого-цифровой преобразователь 12 (АЦП1) подключен к выходу тестируемого шунта 9, а второй аналого-цифровой преобразователь 14 (АЦП2) - к выходу эталонного трансформатора тока 10.
Недостатком указанного устройства является влияние на определяемые амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики шунта погрешности квантования аналого-цифровых преобразователей. Это влияние проявляется в виде искажения спектра преобразуемых сигналов и в виде возрастания погрешности численных преобразований над спектрами на частотах, соответствующих высоким гармоникам спектров.
Задачей изобретения является расширение арсенала средств аналогичного назначения.
Поставленная задача решена за счет того, что устройство для определения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик токовых шунтов также, как в прототипе, содержит источник импульсного тока, в котором к первому выводу вторичной обмотки повышающего сетевого трансформатора подключен однополупериодный выпрямитель, к которому через резисторный ограничитель тока заряда подключен накопитель энергии, соединенный со вторым выводом вторичной обмотки повышающего сетевого трансформатора. К резисторному ограничителю тока заряда подключен первый электрод коммутатора, первичная обмотка повышающего сетевого трансформатора подключена к промышленному источнику напряжения переменного тока. Через контактные клеммы тестируемый шунт подключен ко второму электроду коммутатора и второму выводу вторичной обмотки повышающего сетевого трансформатора. Эталонный трансформатор тока размещен между тестируемым шунтом и контактными клеммами. Блок регистрации и обработки сигнала содержит первый аналого-цифровой преобразователь, к которому подключен первый блок быстрого преобразования Фурье, а второй аналого-цифровой преобразователь соединен со вторым блоком быстрого преобразования Фурье, причем вычислительное устройство, первый блок быстрого преобразования Фурье, блок функционального преобразования и дисплей связаны через общую шину данных. Первый аналого-цифровой преобразователь подключен к выходу тестируемого шунта, а второй аналого-цифровой преобразователь соединен с выходом эталонного трансформатора тока.
Согласно изобретению в блоке регистрации и обработки сигнала к первому блоку быстрого преобразования Фурье подключен первый блок умножения, а ко второму блоку быстрого преобразования Фурье подключен второй блок умножения, соединенный с первым блоком функционального преобразования. В первом блоке определения идеализированных коэффициентов обратной передачи аналого-цифровых преобразователей третий блок быстрого преобразования Фурье соединен с третьим блоком умножения, а четвертый блок быстрого преобразования Фурье соединен со вторым блоком функционального преобразования, который соединен с третьим блоком умножения, который соединен с первым блоком умножения. Во втором блоке определения идеализированных коэффициентов обратной передачи аналого-цифровых преобразователей пятый блок быстрого преобразования Фурье соединен с четвертым блоком умножения, а шестой блок быстрого преобразования Фурье соединен с третьим блоком функционального преобразования, который соединен с четвертым блоком умножения, который соединен со вторым блоком умножения. Первый блок функционального преобразования сигнала, первый блок умножения, второй, третий, четвертый, пятый и шестой блоки быстрого преобразования Фурье связаны через общую шину данных.
Предложенная конструкция за счет формирования тестовых сигналов в форме дельта-функции на основе спектров сигналов с выхода тестируемого шунта и эталонного трансформатора тока позволяет определить идеализированные коэффициенты обратной передачи первого и второго аналого-цифровых преобразователей. Поэлементное умножение массивов данных этих коэффициентов и спектров сигналов с выходов тестируемого шунта и эталонного трансформатора тока повышает эквивалентную разрядность этих сигналов и, таким образом, осуществляется снижение влияние погрешности квантования первого и второго аналого-цифровых преобразователей на определяемые амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики тестируемого шунта.
На фиг. 1 представлена схема устройства-прототипа.
На фиг. 2 показана схема заявляемого устройства для определения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик токовых шунтов.
Устройство для определения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик токовых шунтов (фиг. 2) содержит источник импульсного тока 1 (ИИТ), в котором к первому выводу вторичной обмотки повышающего сетевого трансформатора 2 подключен однополупериодный выпрямитель 3, к которому через резисторный ограничитель тока заряда 4 подключен накопитель энергии 5, соединенный со вторым выводом вторичной обмотки повышающего сетевого трансформатора 2. Накопитель энергии 5 выполнен на конденсаторах. К резисторному ограничителю тока заряда 4 подключен первый электрод коммутатора 6 (газоразрядное устройство). Первичная обмотка повышающего сетевого трансформатора 2 подключена к промышленному источнику напряжения переменного тока 7 с действующим значением выходного напряжения 220 В. Через контактные клеммы 8 тестируемый шунт 9 подключен ко второму электроду коммутатора 6 и второму выводу вторичной обмотки повышающего сетевого трансформатора 2. Эталонный трансформатор тока 10 размещен между тестируемым шунтом 9 и контактными клеммами 8.
Блок регистрации и обработки сигнала 11 (БРОС) содержит первый аналого-цифровой преобразователь 12 (АЦП1), к которому подключен первый блок быстрого преобразования Фурье 13 (БПФ1), к которому подключен первый блок умножения 20 (БУ1). Второй аналого-цифровой преобразователь 14 (АЦП2) соединен со вторым блоком быстрого преобразования Фурье 15 (БПФ2), к которому подключен второй блок умножения 21 (БУ2), соединенный с первым блоком функционального преобразования 22 (БФП1).
Первый аналого-цифровой преобразователь 12 (АЦП1) подключен к выходу тестируемого шунта 9, а второй аналого-цифровой преобразователь 14 (АЦП2) - к выходу эталонного трансформатора тока 10.
Вычислительное устройство 17 (ВУ), первый блок быстрого преобразования Фурье 13 (БПФ1), второй блок быстрого преобразования Фурье 15 (БПФ2), первый блок умножения 20 (БУ1), первый блок функционального преобразования сигнала 22 (БФП1) и дисплей 18 (Д) связаны через общую шину данных 19.
Предлагаемое устройство содержит два блока определения идеализированных коэффициентов обратной передачи аналого-цифровых преобразователей 23 (БОИК1) и 24 (БОИК2).
Эти блоки идентичны и каждый из них содержит по два блока быстрого преобразования Фурье 25 (БПФ3), 26 (БПФ4) и 27 (БПФ5), 28 (БПФ6), по одному блоку функционального преобразования 29 (БФП2) и 30 (БФП3) и по одному блоку умножения 31 (БУ3) и 32 (БУ4). Блоки быстрого преобразования Фурье 25 (БПФ3), 26 (БПФ4) и 27 (БПФ5), 28 (БПФ6) связаны через общую шину данных 19.
В первом блоке определения идеализированных коэффициентов обратной передачи аналого-цифровых преобразователей 23 (БОИК1) третий блок быстрого преобразования Фурье 25 (БПФ3) соединен с третьим блоком умножения 31 (БУ3). Четвертый блок быстрого преобразования Фурье 26 (БПФ4) соединен со вторым блоком функционального преобразования 29 (БФП2), который соединен с третьим блоком умножения 31 (БУ3), который соединен с первым блоком умножения 20 (БУ1).
Во втором блоке определения идеализированных коэффициентов обратной передачи аналого-цифровых преобразователей 24 (БОИК2) пятый блок быстрого преобразования Фурье 27 (БПФ5) соединен с четвертым блоком умножения 32 (БУ4). Шестой блок быстрого преобразования Фурье 28 (БПФ6) соединен с третьим блоком функционального преобразования 30 (БФП3), который соединен с четвертым блоком умножения 32 (БУ4), который соединен с вторым блоком умножения 21 (БУ2).
Первый аналого-цифровой преобразователь 12 (АЦП1) и второй аналого-цифровой преобразователь 14 (АЦП2) реализованы с помощью аналого-цифровых преобразователей AD6649. Блоки быстрого преобразования Фурье 13 (БПФ1), 15 (БПФ2), 25 (БПФ3), 26 (БПФ4), 27 (БПФ5), 28 (БПФ6) реализованы с помощью цифровых сигнальных процессоров ADSP-21991. Блоки умножения 20 (БУ1), 21 (БУ2), 31 (БУ3), 32 (БУ4) реализованы с помощью микроконтроллеров ADSP-TS201S. Блоки функционального преобразования 22 (БФП1), 29 (БФП2), 30 (БФП3) реализованы с помощью цифровых сигнальных процессоров ADSP-21467. Вычислительное устройство 17 (ВУ) реализовано с помощью микропроцессора ADSP-BF523.
Схемотехнические решения всех блоков устройства ориентированы на применение интегральной микроэлектронной элементной базы и возможность их дальнейшей более глубокой интеграции.
Устройство работает следующим образом.
Вход тестируемого шунта 9 подключают к выходным клеммам 8 источника импульсного тока 1 (ИИТ); источник импульсного тока 1 (ИИТ) подключают к источнику напряжения переменного тока 7, напряжение которого повышают сетевым трансформатором 2 до напряжения, на 50 % превышающего напряжение срабатывания коммутатора (газоразрядного устройства) 6. Выходное напряжение сетевого трансформатора 2 выпрямляют однополупериодным выпрямителем 3 и через резисторный ограничитель тока заряда 4 заряжают им накопитель энергии 5. При достижении напряжением на накопителе энергии 5 значения пробоя газоразрядного устройства 6, оно срабатывает, при этом на выходных клеммах источника импульсного тока 8 развивается напряжение, и накопитель энергии 5 разряжается через тестируемый шунт 9.
ш, i
т, i
Сигналы с выходов тестируемого шунта 9 и эталонного трансформатора тока 10 поступают на входы блока регистрации и обработки сигнала 11 (БРОС) и с помощью аналого-цифровых преобразователей 12 (АЦП1) и 14 (АЦП2) переводят в массив чисел в двоичном формате, а с помощью блоков быстрого преобразования Фурье 13 (БПФ1) и 15 (БПФ2) подвергают быстрому преобразованию Фурье. Таким образом, получают два массива чисел, соответствующих спектрам сигналов с выходов тестируемого шунта {S} и эталонного трансформатора тока {S}, где i - номер числа в массиве.
ш, i
т, i
т, i
Преобразованные таким образом в массив чисел сигналы подают на входы блоков умножения 20 (БУ1) и 21 (БУ2), получая на выходе массивы чисел {S2 } и {S2 }. Массив чисел, соответствующий сигналу, полученному с выхода эталонного трансформатора тока 10, после блока умножения 21 (БУ2) {S2 } дополнительно, подают на вход блока функционального преобразования сигнала 22 (БФП1). Данный блок выполняет поэлементное обратно пропорциональное преобразование поступившего на его вход массива чисел:
т, i
т, i
{S3 }={1 /S2 }.
ш, i
т, i
т, i
Далее, массивы чисел с выходов блоков быстрого преобразования Фурье 13 (БПФ1) {S} и 15 (БПФ2) {S} и блока функционального преобразования сигнала 22 (БФП1) {S3 } подают в вычислительное устройство 17 (ВУ).
ш
т
ш
т
Вычислительное устройство 17 (ВУ) для каждого из массивов чисел с выходов блоков быстрого преобразования Фурье 13 (БПФ1) и 15 (БПФ2) по известному критерию [Гутников В.С. Фильтрация измерительных сигналов. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. - 192 с.] определяет ширину спектров сигналов с выходов тестируемого шунта 5 Δf и эталонного трансформатора тока 2 Δf. Далее вычислительное устройство 17 (ВУ) формирует два тестовых сигнала в форме дельта-функции. Амплитуды этих дельта-функций равны верхним границам динамического диапазона аналого-цифровых преобразователей 12 (АЦП1) и 14 (АЦП2) соответственно, а их длительность обратно пропорциональна определенным значениям ширины спектров сигналов с выходов тестируемого шунта 9 Δf и эталонного трансформатора тока 10 Δf. Тестовые сигналы сохраняют в памяти вычислительного устройства 17 (ВУ) в виде массивов данных с максимальной для вычислительного устройства 17 (ВУ) разрядностью. Далее, для каждой из дельта функций вычислительное устройство 17 (ВУ) выполняет понижение разрядности до разрядности соответствующего аналого-цифрового преобразователя: 12 (АЦП1) и 14 (АЦП2). Результаты этих операций также сохраняют в памяти вычислительного устройства 17 (ВУ) в виде массивов данных.
Далее соответствующие массивы данных с максимальной разрядностью подают на входы блоков быстрого преобразования Фурье 26 (БПФ4) и 28 (БПФ6), а массивы данных с пониженной разрядностью - на входы блоков быстрого преобразования Фурье 25 (БПФ3) и (БПФ5). Сигналы, полученные с выходов блоков быстрого преобразования Фурье 26 (БПФ4) и 28 (БПФ6), дополнительно подают на входы блоков функционального преобразования сигналов 29 (БФП2) и 30 (БФП3). Данные блоки выполняют поэлементное обратно пропорциональное преобразование поступивших на входы массивов чисел. Сигналы с выходов блоков функционального преобразования сигналов 29 (БФП2) и 30 (БФП3) и с выходов блоков быстрого преобразования Фурье 25 (БПФ3) и 27 (БПФ5) поступают на входы блоков умножения 31 (БУ3) и 32 (БУ4).
Массивы чисел, сформированные с использованием блоков определения идеализированных коэффициентов обратной передачи аналого-цифровых преобразователей 23 (БОИК1) и 24 (БОИК2) подают на входы блоков умножения 20 (БУ1) и 21 (БУ2). В результате поэлементного умножения массивов данных идеализированных коэффициентов обратной передачи аналого-цифровых преобразователей 12 (АЦП1) и 14 (АЦП2) и спектров сигнала с выходов тестируемого шунта 9 и эталонного трансформатора тока 10 достигается повышение эквивалентной разрядности спектров сигнала с выходов тестируемого шунта 9 и эталонного трансформатора тока 10 и таким образом происходит снижение погрешности квантования аналого-цифровых преобразователей 12 (АЦП1) и 14 (АЦП2).
После чего вычислительное устройство 17 (ВУ) определяет массив данных, соответствующих комплексному коэффициенту передачи шунта 9. Для этого вычислительное устройство 17 (ВУ) реализует поэлементное умножение массивов, определение значений частот быстрого преобразования Фурье (на основе шага квантования по времени аналого-цифровых преобразователей 12 (АЦП1) и 14 (АЦП2)) и разделение комплексного коэффициента передачи шунта 9 на модуль и аргумент. При этом модуль комплексного коэффициента передачи шунта 9 является его амплитудно-частотной характеристикой шунта, а аргумент - фазочастотной характеристикой шунта. Визуализацию амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик шунта 9 производят посредством дисплея 18 (Д).