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 аналого-цифрового преобразования переменного тока, содержащее масштабный преобразователь, коммутатор, выпрямитель для преобразования переменного напряжения в постоянное, аналого-цифровой преобразователь и цифровой блок управления, реализующий трехтактный цикл измерения суммо-разностным методом для компенсации погрешностей преобразования (Авторское свидетельство СССР №1363459, МПК Н03M 1/00. Опубликовано в 1987 г.).
Точность этого устройства ограничена нелинейностью вольт-амперных характеристик диодов, применяемых в выпрямителе переменного напряжения, а также влиянием формы входного сигнала на значения выходного кода из-за предварительного преобразования переменного напряжения в постоянное перед аналого-цифровым преобразованием сигнала. Кроме того, в составе данного устройства используется большое количество аналоговых функциональных узлов, что приводит к его сравнительно высокому энергопотреблению.
Известно также 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 цифроана-логовый преобразователь для получения выходного сигнала, совпадающего по фазе с измеряемым током (Патент РФ №2408891. МПК G01R 19/25. Опубликован в 2011 г.).
Точность измерения тока в данном устройстве 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 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.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой модели (прототипом) является электронный датчик тока, содержащий измерительный модуль с токовым трансформатором, соединенный с аналого-цифровым преобразователем, коммуникационный модуль и контроллер (Патент РФ №2525581, МПК G01R 19/25. Опубликован в 2014 г.).
Точность данного устройства ограничена аддитивной и мультипликативной составляющими погрешности измерения в применяемых функциональных узлах. При этом изменение условий эксплуатации приводит к возрастанию погрешности преобразования, а повышение точности аналого-цифрового преобразования обуславливает возрастание потребляемой мощности датчика.
Задачей полезной модели является создание цифрового датчика, позволяющего повысить точность измерения действующего значения переменного тока при одновременном уменьшении энергопотребления устройства.
Эта задача решена тем, что в цифровом датчике переменного тока, содержащем измерительный трансформатор тока, подключенный к аналого-цифровому преобразователю, контроллер и блок интерфейса, согласно полезной модели, в него дополнительно введены источник опорного напряжения, коммутатор и компаратор с однополярным питанием и источник начального напряжения на последовательно соединенных резисторе и светодиоде, включенных между источником питающего напряжения и нулевой цепью, к средней точке которого подключен один вывод вторичной обмотки измерительного трансформатора тока, которая зашунтирована резистором нагрузки и включена между входами компаратора, которые соединены с первым и вторым входами коммутатора, третий вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а выход коммутатора через аналого-цифровой преобразователь подключен к первому входу контроллера, второй вход которого соединен с выходом компаратора, причем два выхода контроллера подключены к управляющим входам коммутатора и аналого-цифрового преобразователя, а третий выход контроллера через блок интерфейса соединен с выходом устройства.
Технический результат данной полезной модели заключается в повышении точности цифровых приборов, служащих для измерения переменного тока, за счет вычисления истинного среднеквадратического (действующего) значения тока промышленной частоты даже при искажениях его формы.
Структурная схема предлагаемого датчика приведена на рисунке.
10
ПИТ
Цифровой датчик переменного тока содержит измерительный трансформатор 1 тока, вторичная обмотка которого 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. Выходы контроллера 6 подключены к блоку интерфейса 7 и к управляющим входам аналого-цифрового преобразователя 5 и коммутатора 4, третий вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения 8. Неинвертирующий вход компаратора 3 подключен к источнику начального напряжения U, образованного резистором 9, подключенным к цепи питающего напряжения U с одной стороны и последовательно соединенным с анодом светодиода 10, катод которого подключен к нулевой шине. Выход компаратора 3 соединен со вторым входом контроллера 6, который через блок интерфейса 7 соединен с выходом устройства.
Цифровой датчик переменного тока работает следующим образом.
X
T
1
X
T
2
2
X
2
T
При протекании измеряемого тока I по первичной обмотке измерительного трансформатора 1 тока на его вторичной обмотке, имеющей большое 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.
10
10
ПИТ
10
9
9
3
2
10
2
10
СМ
К
5
10
СМ
К
X
2
К
Т
Для работы компаратора 3 с однополярным напряжением питания на линейном участке характеристики на его неинвертирующий вход подается начальное напряжение U≈1,5 В, которое формируется на светодиоде 10 при протекании через него тока накачки I=(U-U)/R, ограничиваемого сопротивлением R резистора 9. 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 на светодиоде 10, напряжения смещения U и ступени квантования ΔU аналого-цифрового преобразователя 5 формируется цифровой код N=(U+U)/ΔU+I·R/(ΔU·n).
Х
2
10
СМ
НАЧ
10
СМ
К
ОП
ОП
ОП
К
НАЧ
ОП
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, снимаемого со светодиода 10. При этом на выходе аналого-цифрового преобразователя 5 формируется код, соответствующий сумме его собственного напряжения смещения U и начального напряжения: N=(U+U)/ΔU. Затем контакт коммутатора 4 по команде контроллера 6 переводится в верхнее положение, и аналого-цифровой преобразователь 5 кодирует опорное напряжение U, поступающее от источника опорного напряжения 8, и формирует выходной код N=U/ΔU. Полученные значения кодов N и N записываются в блок памяти контроллера 6 и затем используются для коррекции результатов преобразования измеряемого тока I.
10
СМ
2k
5k
5k
НАЧ
П
О
ОП
O
ОП
k
5k
НАЧ
П
Х
2
К
T
k
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 1 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, который возводит в квадрат. Затем контроллер 6 суммирует все М мгновенных значений квадратов кода N в течение длительности цикла измерения 7изм>равной одному или нескольким периодам колебаний измеряемого тока, а полученный результат преобразования  полностью соответствует среднеквадратическому значению тока на интервале измерения T. Результирующий код N выводится контроллером 6 на выход устройства через блок 7 интерфейса либо периодически, либо только по внешнему запросу.
АЦП
Повышение точности в предложенном цифровом датчике переменного тока обеспечивается за счет усреднения квадратов мгновенных значений измеряемого тока в цикле преобразования. Применение такого усреднения, согласно результатам теоретических исследований (Волович Г. Аналого-цифровое измерение переменного напряжения и теорема Котельникова / Компоненты и технологии, №7, 2010. - С. 145), эквивалентно увеличению количества эффективных разрядов аналого-цифрового преобразования переменного тока до уровня . Это позволяет применять аналого-цифровой преобразователь 5 с небольшим числом разрядов N и обеспечивать минимальную погрешность кодирования переменного тока при высокой частоте его дискретизации  по сравнению с частотой колебаний тока .
ЭФФ
КВ
Nэфф
Например, усреднение мгновенных значений переменного тока сетевой частоты  Гц при кодировании простым 10-разрядным аналого-цифровым преобразователем с частотой дискретизации  кГц эквивалентно увеличению числа эффективных разрядов до значения N=14,77, при котором погрешность квантования уменьшается до уровня γ=100/2≤0,004%. Кроме того, повышение точности в предложенном цифровом датчике переменного тока достигается за счет автоматической коррекции аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности преобразования, реализуемой контроллером 6. Это позволяет исключить влияние нестабильности начального напряжения, напряжения смещения аналого-цифрового преобразователя и изменение его коэффициента преобразования на результаты измерений средне-квадратического значения переменного тока. При этом за счет большой частоты дискретизации входного сигнала резко ослабляется влияние формы переменного тока на результаты кодирования его действующего значения, так как при частоте дискретизации  в устройстве кодируются его спектральные составляющие вплоть до частоты 750 Гц (по теореме Котельникова).
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 получения начального напряжения применен светодиод типа АЛ307 с токоограничивающим резистором типа С33, и высокоточный резистор нагрузки типа С2-29В с допуском 0,05% подключен к вторичной обмотке измерительного трансформатора тока для получения напряжения.