ЦИФРОВОЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Полезная модель относится к средствам измерения действующего значения переменного тока сетевой частоты и может быть использована для контроля энергопотребления промышленных устройств и силового оборудования.
Известно устройство для измерения переменного тока, содержащее измерительный трансформатор тока, подключенный к входу аналого-цифрового преобразователя, цифровое устройство, реализующее вычисление времени задержки и измерения периода колебаний измеряемого тока, а также цифроаналоговый преобразователь для получения выходного сигнала, совпадающего по фазе с измеряемым током (Патент РФ №2408891, МПК G01R 19/25, опубликован в 2011 г.).
Недостатком данного устройства является то, что точность измерения тока ограничена инструментальными погрешностями применяемых функциональных узлов: влиянием напряжения начального смещения аналого-цифрового преобразователя и его температурного дрейфа, а также количеством разрядов его выходного кода, увеличение числа которых приводит к повышению потребляемой мощности и стоимости устройства. Применение метода прямого аналого-цифрового преобразования в данном устройстве также обуславливает возрастание погрешности измерения при изменении внешних условий и времени эксплуатации устройства.
X
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой модели является цифровой датчик переменного тока, содержащий измерительный трансформатор тока, резистор нагрузки, компаратор с однополярным питанием, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, контроллер, блок интерфейса, источник опорного напряжения, балластный резистор и светодиод, катод которого подключен к общей шине, а анод подключен к первому выводу вторичной обмотки измерительного трансформатора тока и через балластный резистор подключен к напряжению питания, выводы первичной обмотки измерительного трансформатора тока последовательно включены в цепь измеряемого тока I и являются входами устройства, а вторичная обмотка трансформатора тока зашунтирована резистором нагрузки и включена между первым и вторым входами компаратора с однополярным питанием, которые соединены с первым и вторым входами коммутатора, третий вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, вход которого подключен к напряжению питания, выход коммутатора через аналого-цифровой преобразователь подключен к первому входу контроллера, второй вход которого соединен с выходом компаратора с однополярным питанием, первый и второй выводы питания которого подключены к напряжению питания и к общей шине, первый и второй выходы контроллера подключены к управляющим входам коммутатора и аналого-цифрового преобразователя, а третий выход контроллера соединен с первым входом блока интерфейса, первый выход которого является выходом устройства, а второй выход соединен с третьим входом контроллера (Патент РФ на полезную модель №166723, МПК G01R 19/25, опубликован в 2016 г.).
Недостатком данного устройства является ограниченная точность измерения, приводящая к повышенному температурному и временному дрейфу результата измерения, необходимости частой (с периодом не более нескольких десятков миллисекунд) автокалибровки измерительного тракта, повышенной чувствительности результата измерения к флуктуациям напряжения питания, в том числе к наводкам по цепям питания.
Технической задачей полезной модели является повышение точности измерения.
X
Эта задача решена тем, что в цифровой датчик переменного тока, содержащий измерительный трансформатор тока, резистор нагрузки, компаратор с однополярным питанием, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, контроллер, блок интерфейса, источник опорного напряжения, причем выводы первичной обмотки измерительного трансформатора тока последовательно включены в цепь измеряемого тока I и являются входами устройства, а вторичная обмотка зашунтирована резистором нагрузки и включена между первым и вторым входами компаратора с однополярным питанием, которые соединены с первым и вторым входами коммутатора, третий вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, вход которого подключен к напряжению питания, выход коммутатора через аналого-цифровой преобразователь подключен к первому входу контроллера, второй вход которого соединен с выходом компаратора с однополярным питанием, второй вывод питания которого подключен к общей шине, первый и второй выходы контроллера подключены к управляющим входам коммутатора и аналого-цифрового преобразователя, а третий выход контроллера соединен с первым входом блока интерфейса, первый выход которого является выходом устройства, а второй выход соединен с третьим входом контроллера, согласно полезной модели, дополнительно введены первый и второй прецизионный резистор с одинаковым температурным коэффициентом сопротивления, причем первый прецизионный резистор включен между выходом источника опорного напряжения и первым входом компаратора с однополярным питанием, который через второй прецизионный резистор соединен с общей шиной, первый вывод питания компаратора с однополярным питанием подключен к выходу источника опорного напряжения.
Технический результат данной полезной модели заключается в повышении точности измерения тока за счет снижения случайной составляющей погрешности, а также температурного и временного дрейфа результата измерения, достигаемых в результате:
формирования начального напряжения посредством прецизионного, термостабильного резистивного делителя, присоединенного к выходу источнику опорного напряжения;
питания компаратора выходным напряжением источника опорного напряжения.
Структурная схема предлагаемого датчика приведена на рисунке.
X
10
оп
Цифровой датчик переменного тока содержит измерительный трансформатор 1 тока, причем выводы первичной обмотки измерительного трансформатора тока последовательно включены в цепь измеряемого тока I и являются входами устройства, а вторичная обмотка зашунтирована резистором 2 нагрузки и включена между входами компаратора 3 с однополярным питанием, а также подключена к первому и второму входам коммутатора 4. Выход коммутатора 4 через аналого-цифровой преобразователь 5 соединен с первым входом контроллера 6. Первый и второй выходы контроллера 6 подключены к управляющим входам коммутатора 4 и аналого-цифрового преобразователя 5, а третий выход контроллера 6 соединен с первым входом блока 7 интерфейса, первый выход которого является выходом устройства, а второй выход соединен с третьим входом контроллера 6. Третий вход коммутатора 4 соединен с выходом источника 8 опорного напряжения, вход которого подключен к напряжению питания. Первый вход компаратора 3 подключен к источнику начального напряжения U, сформированного резистивным делителем напряжения на прецизионных резисторах 9 и 10 с одинаковым температурным коэффициентом сопротивления, подключенным к цепи опорного напряжения U с одной стороны и к нулевой шине с другой стороны. Выход компаратора 3 соединен со вторым входом контроллера 6. Питание компаратора 3 осуществляется выходным напряжением источника 8 опорного напряжения.
Цифровой датчик переменного тока работает следующим образом.
X
T
I
X
T
2
2
X
2
T
10
оп
3
2
10
2
10
CM
К
5
10
CM
К
X
2
К
T
При протекании измеряемого тока I по первичной обмотке измерительного трансформатора 1 тока на его вторичной обмотке, имеющей большее число витков n, формируется ток I=I/n, который протекает через резистор 2 нагрузки с сопротивлением R и преобразуется в напряжение U=I⋅R/n. Для работы компаратора 3 с однополярным напряжением питания на линейном участке характеристики на его первый (неинвертирующий) вход подается начальное напряжение U, равное примерно половине U, и сформированное резистивным делителем напряжения на прецизионных резисторах 9 и 10 с одинаковым температурным коэффициентом сопротивления. При этом выходное напряжение U компаратора 3 скачкообразно изменяется в каждом периоде колебаний при переходе напряжения U через начальное значение U, т.е. компаратор 3 формирует импульсы, которые подаются на вход контроллера 6 и указывают на начало каждого периода колебаний измеряемого тока. Кроме того, напряжение U через коммутатор 4 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 5, на выходе которого с учетом начального напряжения U, напряжения смещения U и ступени квантования ΔU аналого-цифрового преобразователя 5 формируется цифровой код N=(U+U)/ΔU+I⋅R/(ΔU⋅n).
X
2
10
CM
НАЧ
10
CM
К
НАЧ
X
Для получения цифрового кода, соответствующего измеряемому току I, в начале цикла преобразования по командам контроллера 6 выполняется автоматическая коррекция аддитивной и мультипликативной погрешностей устройства. При срабатывании компаратора 3 в момент перехода напряжения U через нулевое значение перекидной контакт коммутатора 4 устанавливается в нижнее положение и аналого-цифровым преобразователем 5 кодируется значение начального напряжения U. При этом на выходе аналого-цифрового преобразователя 5 формируется код, соответствующий сумме его собственного напряжения смещения U и начального напряжения: N=(U+U)/ΔU. Полученные значения кодов N записываются в блок памяти контроллера 6 и затем используются для коррекции результатов преобразования измеряемого тока I.
10
CM
2k
5k
5k
НАЧ
П
O
ОП
O
ОП
k
5k
НАЧ
П
X
2
К
T
k
ИЗМ
ИЗМ
X
Практически значения начального напряжения U и напряжения смещения U аналого-цифрового преобразователя 5 сравнительно медленно изменяются во времени, поэтому кодирование данных напряжений выполняется по командам контроллера 6 не чаще одного раза в секунду. При этом мгновенные значения U выходного напряжения измерительного трансформатора 1 тока кодируются М раз аналого-цифровым преобразователем 5 в каждом периоде колебаний входного тока и формируются коды N. Контроллер 6 из значения каждого кода N вычитает запомненный начальный код поправки N для компенсации аддитивной составляющей погрешности преобразования. Кроме того, в контроллере 6 выполняется расчет поправочного коэффициента K=N/N по отношению образцового N и измеренного N кодов, на который выполняется умножение разности измеренного и начального напряжений и формируется скорректированный код N=(N-N)⋅K=I⋅R/ΔUn, значение которого возводится в квадрат. Затем контроллер 6 суммирует все М мгновенных значений квадратов кода N в течение длительности цикла измерения Т, равной одному или нескольким периодам колебаний измеряемого тока, а полученный результат преобразования  полностью соответствует среднеквадратическому значению тока на интервале измерения Т. Результирующий код N выводится контроллером 6 на выход устройства через блок 7 интерфейса либо периодически, либо только по внешнему запросу.
Повышение точности в предложенном цифровом датчике переменного тока, по сравнению с прототипом, достигается за счет питания компаратора 3 от источника 8 опорного напряжения, а также замены источника 8 начального напряжения на светодиоде схемой формирования начального напряжения на основе источника 8 опорного напряжения и прецизионного термостабилизированного делителя опорного напряжения на резисторах 9 и 10, что обеспечивает:
снижение температурного и временного дрейфа начального напряжения;
повышение коэффициента стабилизации начального напряжения и напряжения питания компаратора и, как следствие, снижение случайной составляющей погрешности, вызванной флуктуациями напряжения питания, в том числе наводками по цепям питания;
возможность увеличения минимум в 10 раз интервала времени между калибровками измерительного тракта, а, следовательно, - увеличения числа отсчетов измеряемого тока на интервале между калибровками, что при их усреднении в процессе вычисления СКЗ тока приводит к снижению случайной составляющей погрешности минимум в квадратный корень из 10-ти (приблизительно в 3,16) раз.
-6
При экспериментальном моделировании цифрового датчика переменного тока применялся измерительный трансформатор тока на магнитопроводе из нанокристаллического сплава типа Т11С класса 0,05, выпускаемый ВП "Аист", компаратор на основе дифференциального усилителя LMC7101 с однополярным напряжением питания, имеющий напряжение смещения менее 100 мкВ, микроконтроллер типа STM32F030F4P6, в состав которого входят коммутатор, аналого-цифровой преобразователь с источником опорного напряжения, блок памяти и управляющий контроллер, а в блоке интерфейса использован приемопередатчик RS-485 типа ADM3485EARZ. Для формирования опорного напряжения применен интегральный формирователь опорного напряжения LM385Z-2.5G. Резисторы формирователя начального напряжения (прецизионного термостабилизированного делителя опорного напряжения) и высокоточный резистор нагрузки, подключенный к вторичной обмотке измерительного трансформатора тока для получения напряжения, использованы типоразмера 0805 с допуском 1% и температурным коэффициентом сопротивления <100*10 1/°С.