Устройство для измерения дифференциального тока
DEVICE FOR MEASURING DIFFERENTIAL CURRENT

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения токов утечки с объектов, подключенных к источникам электрического напряжения, например для измерения токов утечки, в квартирных сетях, а также для измерения токов утечки отдельных бытовых электроприборов.
Известно устройство защитного отключения (см. В.К. Монаков, В.С. Розанов, А.В. Трубицын. Безопасность жизнедеятельности. М.: МГТУ МИРЭА, 2014, стр. 30-33). Это устройство содержит дифференциальный трансформатор тока, пусковой орган, исполнительный механизм и блок для тестирования. Дифференциальный трансформатор с помощью двух первичных обмоток, подключается к электроприемнику (нагрузке) и источнику переменного тока. Вторичная обмотка трансформатора соединена с пусковым органом, который в свою очередь подключается к исполнительному механизму.
При отсутствии дифференциального тока - тока утечки, по первичным встречно включенным обмоткам трансформатора протекают равные по величине токи, определяющие характер нагрузки. Равные токи во встречно включенных обмотках, наводят в магнитном сердечнике трансформатора векторно встречно направленные магнитные потоки. Результирующий магнитный поток равен нулю, ток во вторичной обмотке дифференциального трансформатора также равен нулю.
При появлении тока утечки равенство токов в обмотках нарушается и возникает разностный ток, благодаря чему наступает небаланс магнитных потоков и, как следствие, возникновение во вторичной обмотке трансформатора э.д.с., пропорциональной току утечки. Сигнал с выхода вторичной обмотки через пусковой орган воздействует на исполнительный механизм, который обеспечивает размыкание электрической цепи.
Недостатком этого известного устройства является низкая точность при преобразовании э.д.с. вторичной обмотки трансформатора.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятое автором за прототип (RU 41374 U1, 20.04.2004), содержащее блок измерения, включающий дифференциальный трансформатор тока и элемент для подключения к измеряемой цепи, и фильтр низких частот, усилитель сигнала, блок питания, микроконтроллер, блок индикации, интерфейс, блок измерения температуры и внешнее устройство.
Принцип действия данного устройства основан на измерении разностного тока нулевой последовательности фаз, возникающего при появлении в сети некомпенсированного тока утечки через проводимость изоляции фаз на землю. При отсутствии повреждения изоляции геометрическая сумма магнитных потоков, наведенных в сердечнике линейными токами, равна нулю, следовательно, во вторичной обмотке э.д.с. не индуктируется. При повреждении изоляции появляются токи нулевой последовательности, вызывающие в сердечнике дифференциального трансформатора возникновение некомпенсированного магнитного потока, который наводит э.д.с. во вторичной обмотке, значение которой пропорционально значению тока утечки.
Устройство работает следующим образом. Блок измерения подключается в рассечку фазных и нулевого проводов. С помощью фильтра низких частот производится выделение необходимого сигнала, этот сигнал усиливается в усилителе сигнала с высоким входным сопротивлением, усиленный сигнал поступает на аналоговый вход микроконтроллера, с помощью встроенного АЦП микроконтроллера полученный сигнал преобразуется в цифровое значение. С помощью заложенной в микроконтроллер градировочной кривой входной сигнал преобразуется в ток утечки, одновременно производится измерение окружающей температуры и вносится корректировка в значение тока утечки. Полученное значение отображается на цифровом индикаторе блока индикации, одновременно эти значения могут быть переданы на внешнее устройство по интерфейсу.
Недостатком этого известного устройства является сложность процедуры преобразования э.д.с. вторичной обмотки тороидального трансформатора, пропорциональной току утечки.
Техническим результатом заявляемого технического решения является упрощение процедуры преобразования сигнала вторичной обмотки дифференциального трансформатора.
Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения дифференциального тока, содержащее чувствительный элемент в виде тороидального трансформатора с двумя первичными и одной вторичной обмотками, источник переменного тока, усилитель, блок индикации и блок питания, введены преобразователь переменного напряжения в постоянное напряжение, фотодиод и источник светового потока, причем вход чувствительного элемента соединен с источником переменного тока, выход чувствительного элемента через преобразователь переменного напряжения в постоянное напряжение подключен к первому плечу фотодиода, второе плечо которого соединено с выходом источником светового потока, вход светового потока подключен к блоку питания, третье плечо фотодиода через усилитель соединено с входом блока индикации.
Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что преобразованная э.д.с. вторичной обмотки тороидального трансформатора воздействует на освещенный световым потоком фотодиод и по величине фототока фотодиода измеряется значение дифференциального тока.
Наличие в заявляемом устройстве совокупности перечисленных существующих признаков позволяет решить задачу измерения дифференциального тока на основе измерения фототока фотодиодам с желаемым техническим результатом, т.е. упрощением процесса преобразования сигнала вторичной обмотки тороидального трансформатора (чувствительного элемента).
На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства.
Данное устройство содержит источник переменного тока 1, подключенный к входу чувствительного элемента 2, преобразователь переменного напряжения в постоянное напряжение 3, фотодиод 4, источник светового потока 5, блок питания 6, усилитель 7, подключенный выходом к входу блока индикации 8.
Устройство работает следующим образом. Отсутствие дифференциального тока в сети приводит к тому, что на выходе чувствительного элемента наблюдается нулевой сигнал. Появившийся на выходе чувствительного элемента 2 сигнал, отличный от нулевого значения, и соответствующий току утечки, поступает на вход преобразователя переменного напряжения в постоянное напряжение 3. После выпрямления этого сигнала в этом преобразователе, его постоянное напряжение подают на фотодиод 4. При этом согласно предлагаемому техническому решению в данном случае используется фотодиодный режим (приложение к фотодиоду запирающее напряжение) фотодиода. При освещении фотодиода световым потоком источника светового потока 5 через фотодиод протечет фототок. Предварительно с выхода блока питания 6 подают напряжение на источник светового потока для выработки светового излучения. Как правило, величина этого фототока, возникающего в этом случае, зависит от приложенного к фотодиоду напряжения и интенсивности светового потока. В рассматриваемом случае принимается интенсивность светового потока постоянной величиной. Тогда фототок данного фотодиода (при постоянном значении светового потока) будет являться функцией приложенного к диоду напряжения. Другими словами по величине возникающего в этом случае фототока можно судить о токе утечки в сети. Далее фототок усиливается усилителем 7 и предается в блок индикации 8. Здесь отображается информация, позволяющая измерить величину дифференциального тока.
Таким образом, согласно предлагаемому техническому решению на основе измерения фототока фотодиода, освещенного постоянной величиной светового потока и управляемого напряжением преобразователя переменного напряжение в постоянное напряжение, можно обеспечить упрощение процедуры преобразования сигнала вторичной обмотки дифференциального трансформатора.
Предлагаемое устройство успешно может быть использовано в качестве технического средства предупреждения о возникновении тока утечки в электропроводке и электрооборудовании.