УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА И БЛОК ОБРАБОТКИ, СОДЕРЖАЩИЙ ОДНО ТАКОЕ УСТРОЙСТВО
DEVICE FOR CURRENT MEASUREMENT AND PROCESSING UNIT THAT COMPRISES ONE SUCH DEVICE

Область техники
Изобретение относится к устройству измерения тока, содержащему:
- измерительный резистор для приема измеряемого тока от датчика тока, и
- усилитель сигнала, имеющий вход, подключенный к упомянутому измерительному резистору, и выход для обеспечения сигнала измерения, представляющего ток, подлежащий измерению.
Уровень техники
Известные устройства измерения тока, например, представленное на фиг.1, в общем случае, содержат измерительный резистор 1 низкого значения для приема тока, подлежащего измерению. Для значительного снижения значения измерительного резистора, устройства с широким динамическим диапазоном измерения также содержат усилитель 2 сигнала, подключенный к измерительному резистору, для усиления сигнала, слабого значения по причине очень низкого значения измерительного резистора. Аналого-цифровой преобразователь сигнала, подключенный к выходу усилителя, обеспечивает цифровой сигнал, представляющий ток, протекающий через измерительный резистор. В общем случае, измерительный резистор и вход усилителя защищены ограничителем 4 скачка напряжения. Когда устройство измерения используется для измерения больших переменных токов, трансформатор 5 тока содержит первичную цепь, в которой течет ток, подлежащий измерению, и вторичную обмотку для подачи измеряемого тока на резистор 1.
Использование измерительных резисторов слабых значений препятствует расстройке цепей, в которых измеряется ток. В частности, при использовании трансформатора тока, слабый измерительный резистор во вторичной цепи препятствует насыщению магнитной цепи упомянутого трансформатора.
Однако низкие значения сопротивления требуют использования усилителей сигнала с высоким коэффициентом усиления. Можно расположить несколько каскадов усиления, пригодных для разных уровней тока, протекающего в резисторе, на резисторе 1. Большие коэффициенты усиления также приводят к усилению шума и паразитных сигналов, которые, в частности, присутствуют в индустриальных средах. Увеличение коэффициента усиления также ведет к чрезмерному усилению отклонения усилителя или других электронных схем. Существуют схемы автоматической регулировки коэффициента усиления усилителей. Однако эти сложные и не очень надежные схемы также вносят большие ошибки измерения.
Сущность изобретения
Задачей изобретения является обеспечение устройства измерения тока, имеющего широкий динамический диапазон измерения, низкое входное полное сопротивление и простую и надежную конструкцию. Еще одной задачей изобретения является обеспечение блока обработки, содержащего одно такое устройство измерения.
Устройство измерения тока, согласно изобретению, содержит:
- первый измерительный резистор для приема измеряемого тока,
- первый усилитель сигнала, имеющий вход, подключенный к упомянутому первому измерительному резистору, и выход для обеспечения первого сигнала измерения,
- второй измерительный резистор, подключенный последовательно с упомянутым первым измерительным резистором, и
- первое средство ограничения напряжения, подключенное параллельно с первым измерительным резистором, для отделения первого тока шунта, когда первое предельное напряжение достигается на упомянутом первом измерительном резисторе,
причем значение первого измерительного резистора больше значения второго измерительного резистора.
В предпочтительном варианте осуществления, устройство измерения содержит второе средство ограничения напряжения, подключенное параллельно со вторым измерительным резистором, для отделения второго предельного тока, когда второе предельное напряжение достигается на втором измерительном резисторе.
В конкретном варианте осуществления, устройство измерения содержит второй усилитель сигнала, подключенный ко второму измерительному резистору, для обеспечения второго сигнала измерения, причем упомянутый первый усилитель имеет более высокий коэффициент усиления, чем коэффициент усиления упомянутого второго усилителя.
Первое средство ограничения, предпочтительно, имеет предельное напряжение менее 1 В для тока шунта менее 1 А. Предпочтительно, первое средство ограничения содержит два диода, подключенных встречно-параллельно друг другу.
Второе средство ограничения, предпочтительно, имеет предельное напряжение менее 2 В для тока шунта менее 2 А. Предпочтительно, второе средство ограничения содержит две группы из двух последовательно подключенных диодов, подключенных встречно-параллельно друг другу.
Предпочтительно, отношение между первым каналом усиления, состоящим из первого измерительного резистора, второго измерительного резистора и усиления упомянутого первого усилителя, и вторым каналом усиления, состоящим из второго измерительного резистора и усиления упомянутого второго усилителя, приблизительно равно квадратному корню из динамического диапазона измерения, определенного максимальным значением тока, подлежащего измерению, в сравнении с минимальным значением тока, подлежащего измерению.
Предпочтительно, отношение между значением упомянутого первого измерительного резистора и значением упомянутого второго измерительного резистора составляет от 5 до 15.
Предпочтительно, отношение между усилением упомянутого первого усилителя и усилением второго усилителя или второго канала усиления составляет от 5 до 20.
Блок обработки, согласно изобретению, содержит:
- по меньшей мере, один трансформатор тока, содержащий первичную цепь для приема первичного тока, подлежащего измерению, и вторичную обмотку для подачи вторичного измеряемого тока, представляющего упомянутый первичный ток, подлежащий измерению,
- по меньшей мере, одно устройство измерения тока, подключенное к вторичной обмотке упомянутого трансформатора тока, для измерения упомянутого вторичного тока и для обеспечения сигнала измерения, представляющего вторичный ток,
- средство обработки, подключенное к упомянутому устройству измерения, для приема упомянутого сигнала измерения, причем, по меньшей мере, одно упомянутое устройство измерения является устройством измерения, определенным выше, принимающим вторичный измеряемый ток, и обеспечивающим:
- первый сигнал измерения, представляющий ток, протекающий в первом измерительном резисторе, и
- второй сигнал измерения, представляющий ток, протекающий во втором измерительном резисторе.
Краткое описание чертежей
Другие преимущества и признаки станут более ясны из нижеследующего описания конкретных вариантов осуществления изобретения, приведенных исключительно в качестве неограничительных примеров и представленных в прилагаемых чертежах, где:
- фиг.1 - схема устройства измерения тока согласно уровню техники,
- фиг.2 - первая схема устройства измерения тока согласно варианту осуществления изобретения,
- фиг.3 - вторая схема устройства измерения тока согласно варианту осуществления изобретения,
- фиг.4 - участки кривых каналов усиления устройства измерения тока согласно варианту осуществления изобретения.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Устройство измерения тока согласно варианту осуществления изобретения, описанное на фиг.2, содержит первый измерительный резистор 1A для приема измеряемого тока IsA, и первый усилитель 2A сигнала, имеющий вход, подключенный к упомянутому первому измерительному резистору 1A, и выход для обеспечения первого сигнала SA измерения. Согласно этому варианту осуществления изобретения, устройство, предпочтительно, содержит второй измерительный резистор 1B, подключенный последовательно с упомянутым первым резистором 1A, причем значение первого измерительного резистора 1A больше значения второго измерительного резистора 1B. Первый измерительный резистор 1A предназначен для измерения слабых токов, тогда как резистор 1B очень низкого значения предназначен для измерения сильных токов. Первый ограничитель 6A напряжения подключен параллельно с первым измерительным резистором 1A более высокого значения для отделения тока IL1 шунта для второго измерительного резистора 1B в случае превышения первого порога напряжения VL1.
В устройстве, представленном на фиг.2, для очень слабых токов, почти весь измеряемый ток Is протекает через первый резистор 1A и через второй резистор 1B очень низкого значения. Таким образом, на первом резисторе 1A создается первое напряжение V1A, и на втором резисторе 1B создается второе напряжение V1B. Поскольку значение резистора 1A больше значения резистора 1B, напряжение V1A выше напряжения V1B. Когда измеряемый ток возрастает, напряжение V1A возрастает пропорционально. Затем, в случае превышения порога VL1 первого ограничителя напряжения, ток IL1 отделяется от первого резистора 1A и поступает непосредственно на второй резистор 1B. В этом случае, ток Is делится между током Is1, текущим в резисторе 1A, и током IL1, текущим через первый ограничитель 6A напряжения, причем эти два тока, Is1 и IL1, сумма которых соответствует току Is, текут во втором измерительном резисторе 1B. На этом уровне тока, напряжение на резисторе 1A ограничено, и канал измерения тока является каналом, который использует только второй резистор 1B. Возврат тока Is осуществляется через среднюю линию 14.
Такое устройство улучшает:
- измерение слабых токов с помощью резистора 1A промежуточного значения или последовательного соединения резисторов 1A и 1B, в сочетании с усилителем с промежуточным коэффициентом усиления,
- ограничение напряжения на первом измерительном резисторе, чтобы преимущественный ток протекал во второй измерительный резистор 1B, и для ограничения входного полного сопротивления устройства измерения в случае сильных токов, и
- измерение сильных токов только на втором измерительном резисторе 1B, имеющем низкое значение.
Устройство, показанное на фиг.2, также содержит второй ограничитель 6B напряжения, подключенный параллельно со вторым измерительным резистором 1B, для ограничения напряжения VB1 на втором измерительном резисторе 1B вторым предельным значением VL2 для очень сильных токов Is, способных превышать динамический диапазон измерения. Этот второй ограничитель 6B дополнительно улучшает слабое полное сопротивление, делая его низким для любого значения тока. Таким образом, когда напряжение VL2 на резисторе 1B превышено, ток IL2 протекает в ограничитель 6B напряжения. Полное напряжение Vs на последовательно соединенных резисторах 1A и 1B ограничивается суммой предельных напряжений VL1 и VL2 ограничителей 6A и 6В напряжения даже для очень высоких токов, превышающих диапазон измерения.
Предпочтительно, второй усилитель 2B сигнала, подключенный ко второму измерительному резистору, позволяет обеспечивать второй усиленный сигнал измерения, причем упомянутый первый усилитель 2A имеет более высокий коэффициент усиления, чем коэффициент усиления упомянутого второго усилителя 2B.
Выходные сигналы SA и SB от первого и второго усилителей 2A и 2B, предпочтительно, поступают на входы преобразователей, соответственно 3A и 3B, для аналого-цифрового преобразования. Цифровые сигналы на выходах от преобразователей поступают на схему 7 обработки. Схема 7 может, в частности, представлять собой микропроцессор, микроконтроллер или гибридную схему которая может быть выполнена по заказу.
Первый ограничитель напряжения, предпочтительно, имеет предельное напряжение менее 1 В для тока шунта менее 1 А. Согласно фиг.3, первый ограничитель напряжения содержит два диода 8 и 9, подключенные встречно-параллельно друг другу. В этом варианте осуществления, предельное напряжение соответствует напряжению постоянного тока на диоде. Встречное соединение обеспечивает двустороннее действие в цепях переменного тока.
Второй ограничитель напряжения, предпочтительно, имеет предельное напряжение менее 2 В для тока шунта менее 2 А. Согласно варианту осуществления, показанному на фиг.3, второй ограничитель напряжения содержит две группы из двух последовательно подключенных диодов 10, 11 и 12, 13, подключенных встречно-параллельно друг другу. Тогда предельное напряжение соответствует сумме двух напряжений постоянного тока диода, способных к двустороннему действию в цепях переменного тока.
Согласно варианту осуществления, показанному на фиг.2 и 3, существуют первый канал усиления, соответствующий значению первого резистора, к которому прибавляется значение второго измерительного резистора, зависящее от используемой схемы, и значению усиления первого усилителя, и второй канал усиления, соответствующий значению второго резистора и значению второго усилителя, если он используется. Предпочтительно, отношение между первым каналом усиления, состоящим из первого измерительного резистора, второго измерительного резистора и усиления упомянутого первого усилителя, и вторым каналом усиления, состоящим из второго измерительного резистора и усиления упомянутого второго усилителя, приблизительно равно квадратному корню из динамического диапазона измерения, определенного максимальным значением тока, подлежащего измерению, в сравнении с минимальным значением тока, подлежащего измерению.
Например, если максимальное значение тока, подлежащего измерению, в 40 раз больше номинального тока In, если минимальное значение тока, подлежащего измерению, в 0,1 раз больше номинального тока, и если датчики тока, например трансформаторы, относятся к одноамперному и пятиамперному типам, то динамический диапазон измерения равен (40/0,1)*(5/1)=2000. Для оптимального использования преобразователей, каждый преобразователь должен обрабатывать динамический диапазон, равный квадратному корню из динамического диапазона измерения, т.е., в этом примере, около 45. Отношение между каналами усиления можно распределить между отношением амплитуд усилителя и отношением между резисторами или группами резисторов (1A + 1B) и значением самого слабого резистора 1B. В случае, когда второй канал усиления, образованный резистором 1B со вторым усилителем 2B, имеющим коэффициент усиления 1, или без усилителя, имеет коэффициент усиления 1, первый канал, образованный резисторами 1A и 1B и усилителем 2A, имеет коэффициент усиления 45. Этот коэффициент усиления 45 предпочтительно распределяется между значениями резисторов 1A и 1B и усилением усилителя 2A. В этом примере, если эталонный резистор 1B имеет сопротивление 1 Ом, резистор 1A может иметь 6,5 Ом, и усиление первого усилителя может быть равно 6.
Первый канал имеет коэффициент усиления ((1+6,5)*6)=45 и позволяет преобразователю обрабатывать слабые сигналы относительного уровня от 1 до 45 с точностью с полезным динамическим диапазоном 45. Второй канал имеет коэффициент усиления (1*1)=1 и позволяет преобразователю обрабатывать сильные сигналы относительного уровня от 45 до 2000 с полезным динамическим диапазоном 45.
В этих вариантах осуществления изобретения, отношение между значением упомянутого первого измерительного резистора 1B и значением упомянутого второго измерительного резистора 1A составляет от 5 до 15. Предпочтительно, отношение между усилением первого усилителя 2A и усилением второго канала усиления составляет от 5 до 20. Второй канал усиления может иметь усилитель, но с коэффициентом усиления 1, он может быть освобожден от усиления.
Согласно вариантам осуществления, показанным на фиг.2 и 3, опорные значения каналов усиления можно рассматривать, начиная с суммы двух резисторов 1A и 1B. В этом случае, первый канал усиления соответствует усилению, обеспечиваемому первым усилителем, и второй канал усиления соответствует ослаблению, обусловленному резистивным делителем, образованным резисторами 1A и 1B, подключенными последовательно, и общей средней точкой, и выходу для второго сигнала, подлежащего подаче на второй усилитель 2B, если он применим. В примере, идентичном вышеприведенному примеру, первый канал усиления имеет значение 6 усиления, и второй канал усиления является ослаблением делительного моста, т.е. (1B/(1A+1B)=(1/(1+6.5))=1/7,5, отношение между двумя каналами усиления также равно 6/(1/7,5)=45.
На фиг.4 показаны участки каналов усиления устройства измерения тока согласно варианту осуществления изобретения. На этой фигуре показаны интервалы CONV преобразования преобразователей 3A и 3B между минимальным количеством точек MIN преобразования и максимальным количеством точек MAX преобразования, соответствующим максимальному входному сигналу преобразователя. В этих интервалах преобразования, первый канал 20A усиления имеет высокий коэффициент усиления и действует между минимальным пределом L тока, подлежащего измерению, и точкой C переключения, и второй канал 20B усиления имеет низкий коэффициент усиления или ослабление и действует между точкой C переключения и максимальным пределом H тока, подлежащего измерению.
Вышеописанное устройство измерения, в частности, пригодно для блоков обработки для мониторинга или защиты электрического коммутационного оборудования. В этом случае, блок обработки содержит, по меньшей мере, один трансформатор 5 тока, содержащий первичную цепь для приема первичного тока Ip, подлежащего измерению, и вторичную обмотку для подачи вторичного измеряемого тока Is, представляющего упомянутый первичный ток, подлежащий измерению. Устройство измерения тока подключено ко вторичной обмотке упомянутого трансформатора тока для измерения упомянутого вторичного тока и для обеспечения сигнала измерения, представляющего вторичный ток Is. Схема обработки подключена к упомянутому устройству измерения для приема упомянутого сигнала измерения и обработки функций управления/мониторинга и защиты. Преобразователи 3A и 3B сигнала для аналого-цифрового преобразования можно интегрировать в схему обработки 7.
Для коммутационного оборудования высокого или среднего напряжения и/или сильного тока, трансформатор тока может быть каналом с двумя или тремя трансформаторами тока. Токи, подлежащие измерению, могут быть токами, текущими в фазных проводниках или нейтральном проводнике, или однофазными токами, например, токами замыкания на землю. В этом случае, диапазоны измерения могут различаться.
Устройства, согласно изобретению, могут работать с очень разными токами измерения Is, которые могут составлять, например, от нескольких миллиампер до нескольких ампер переменного или постоянного тока.
Согласно вышеописанным вариантам осуществления, последовательно подключенные измерительные резисторы образуют такую конфигурацию, в которой второй резистор 1B слабого значения подключен к средней линии 14. Порядок резисторов относительно средней линии, естественно, можно изменить на противоположный. Два резистора также можно сделать независимыми, используя, в частности, дифференциальные усилители для усиления сигналов.