Электроизмерительные клещи

Заявляемая полезная модель относится к области измерения электрических величин, а именно, к электроизмерительным клещам, позволяющим измерять электрический ток, не разрывая цепь, по которой он протекает.
Асинхронные двигатели широко применяются для приведения в действие различных механизмов: вентиляторов, редукторов и т.п. Своевременное выявление отказов, возникающих время от времени в этих механизмах, является достаточно важной задачей для процесса их эксплуатации.
Так, например, возникновение межвиткового замыкания в обмотках статора асинхронного двигателя ведет к его местному перегреву, а в конечном итоге - к тому, что электродвигатель довольно скоро перестанет быть работоспособным. Обрыв хотя бы одного из стержней в обмотке его ротора (типа «беличья клетка») станет причиной появления механических вибраций в электрической машине, что начнет расшатывать ее подшипники и также способствовать преждевременному выходу двигателя из строя.
К нежелательным вибрациям будет приводить механическое повреждение самих его подшипников или, если применимо, крыльчатки вентилятора, как и поломка, хотя бы одного из зубьев шестерни в редукторе, который приводится электродвигателем во вращение.
Отметим, что все приведенные выше примеры отказов в элементах механизма будут сопровождаться появлением (изменением амплитуд и/или фаз) высших гармоник в токе, потребляемом электроприводом из сети.
Другими словами, в различных элементах контролируемого механизма возможен целый ряд отказов, возникновение которых будет сопровождаться появлением в потребляемом им из сети токе новых, ранее отсутствовавших высших гармонических составляющих либо существенным изменением каких-то их параметров (фаз и/или амплитуд). Возможность отслеживать подобные изменения, не отключая работающий электропривод и не вскрывая его, могла бы оказать существенную помощь в решении задач диагностики механизма в процессе его эксплуатации.
Диагностика исправности механизма в данном случае могла бы строиться следующим образом. Если в ходе текущего замера потребляемого тока (не отключая электропривод от сети) не было выявлено изменений по сравнению с предыдущим либо принятым в качестве эталонного спектром высших гармоник, можно полагать, что контролируемый механизм продолжает работать в "штатном" режиме. Если же такие изменения появились, эксплуатирующему механизм персоналу следует предпринять такие меры, которые позволили бы выяснить, какими причинами указанные изменения стали обусловлены.
Известны цифровые электроизмерительные клещи:
- модель М266С 57767 фирмы "Mastech" (Токовые цифровые клещи Mastech М266С 57767. Инструкция по эксплуатации, https://img.vseinstrumenti.ru/instruction/mastech-m266c-57767-712289.pdf);
- модель MM 200К фирмы "Elitech" (Мультиметр - клещи Elitech ММ 200К. Руководство по эксплуатации, https://www.vseinstrumenti.ru/instruction/elitech-mm-200k-760769.pdf);
- модель "26048 6" фирмы "Duwi" (Клещи токоизмерительные 26048 6. Руководство по эксплуатации, https://cdn.vseinstrumenti.ru/instruction/duwi-m266-profi-26048-6-961156.pdf). Имеющиеся в открытом доступе описания перечисленных аналогов, как и других подобных им приборов дают представление об их функциональных возможностях, но не содержат сведений о компонентах, которые в них применены, а также о связях между такими компонентами.
Существенным же недостатком всех перечисленных приборов является отсутствие у них функциональной возможности определять параметры, как-то амплитуду и фазу высших гармонических составляющих измеряемого тока и/или напряжения.
В качестве прототипа заявляемого технического решения были выбраны электроизмерительные клещи (патент RU 2103694 С1, опубл. 27.01.1999). Эти клещи содержат раздвижной магнитопровод, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, который в дальнейшем будет называться как «первый аналого-цифровой преобразователь», дисплей, а также ряд других компонентов.
Недостатком данного прибора также является невозможность с его помощью контролировать наличие, амплитуды и фазы высших гармоник.
Задача, решаемая заявляемым техническим решением, состоит в расширении функциональных возможностей электроизмерительных клещей за счет определения ими амплитуды и фазы первой, а также последующих гармоник тока и (или) напряжения, потребляемых электроприводом из сети.
Поставленная задача решается следующим образом.
Электроизмерительные клещи содержат раздвижной магнитопровод, усилитель, первый аналого-цифровой преобразователь и дисплей. Данные компоненты технического решения - прототипа дополнены датчиком магнитного поля, первым и вторым входами по напряжению, делителем напряжения, датчиком напряжения, вторым аналого-цифровым преобразователем, микроконтроллером и модулем беспроводной связи. При этом раздвижной магнитопровод соединен с датчиком магнитного поля. Выход датчика магнитного поля соединен с входом усилителя. Выход усилителя соединен с входом первого аналого-цифрового преобразователя. Первый и второй входы по напряжению соединены с делителем напряжения, выход которого соединен с входом датчика напряжения. Выход датчика напряжения соединен с входом второго аналого-цифрового преобразователя. Выходы первого и второго аналого-цифровых преобразователей соединены с соответствующими входами микроконтроллера, а соответствующие выходы микроконтроллера соединены с входом дисплея и входом модуля беспроводной связи.
Более подробно техническое решение раскрыто в приведенном ниже примере реализации, и иллюстрируется фигурой, на которой представлена функциональная схема электроизмерительных клещей.
Электроизмерительные клещи (см. фиг. 1) включают в себя раздвижной магнитопровод 1, который через датчик магнитного поля 2 и усилитель 3 соединен с входом первого аналого-цифрового преобразователя 8, первый и второй входы по напряжению 4 и 5 соединены с делителем напряжения 6, а его выход соединен с входом датчика напряжения 7, выход которого соединен с входом второго аналого-цифрового преобразователя 9, выходы первого аналого-цифрового преобразователя 8 и второго аналого-цифрового преобразователя 9 соединены с соответствующими входами микроконтроллера 10, а соответствующие его выходы соединены с входом дисплея 11 и входом модуля беспроводной связи 12.
В качестве первого и второго входов по напряжению 4 и 5 могут быть использованы стандартные гнезда для штекеров, подобно тому, как это сделано в описанных выше устройствах-аналогах. В качестве модуля беспроводной связи 12 может быть использована соответствующая микросхема для передачи сигналов WiFi и (или) Bluetooth.
Причиной для появления высших гармоник в измеряемом токе может стать не только упоминавшийся выше отказ, возможно возникший в механизме. Высшие гармоники в потребляемом электроприводом токе могут оказаться следствием наличия таких же гармоник в питающем его напряжении. Поэтому для корректной работы прибора в режиме контроля высших гармоник его первый и второй входы по напряжению 4 и 5 следует электрически соединить с источником напряжения, вызвавшего ток, интересующий лицо, работающее с данным прибором (далее - оператора).
Определение параметров высших гармоник следует проводить в установившемся режиме работы электропривода.
В рассматриваемом режиме определения параметров высших гармоник электроизмерительные клещи работают следующим образом.
Как только первый и второй входы по напряжению 4 и 5 оказались электрически соединены с источником напряжения, благодаря делителю напряжения 6 и датчику напряжения 7 на выходе второго аналого-цифрового преобразователя 9 появляется отличный от нуля сигнал по напряжению.
В начале каждого цикла измерений микроконтроллер 10 с помощью второго аналого-цифрового преобразователя 9 определяет положительную или отрицательную полярность (знак) подаваемого напряжения, записывая его в соответствующую ячейку своей памяти. Многократно считывая полярность данного сигнала и сравнивая предыдущий знак с вновь поступившим, микроконтроллер 10 определяет продолжительность периода подаваемого напряжения Tc путем подсчета числа запросов, которые потребовалось осуществить между соседними сменами знака данного сигнала, например, с плюса на минус.
Если продолжительность периода подаваемого напряжения Tc будет выражена в [с], то соответствующая ей частота ƒс может быть определена в [Гц], как:
ƒс=1/Tc.
Эта частота будет являться частотой первой гармоники. Микроконтроллером 10 она может быть выведена на дисплей 11 как в инициативном порядке, так и по специальному запросу (команде) оператора.
Частота любой последующей (k-той) гармоники может быть определена по формуле:
ƒk=k/Tc.
Как только проводник, по которому протекает подлежащий измерению ток, оказывается охвачен раздвижным магнитопроводом 1, становится ненулевым еще один сигнал, сигнал по току. Он фиксируется датчиком магнитного поля 2 и через усилитель 3 поступает на вход первого аналого-цифрового преобразователя 8. Наличие ненулевого значения на выходе первого аналого-цифрового преобразователя 8 становится для микроконтроллера 10 основанием для перехода к следующему этапу измерений.
На данном этапе измерений микроконтроллером 10 отсчеты должны сниматься в течение, по крайней мере, одного полного периода подаваемого напряжения Tc, попеременно, по каналу тока (раздвижной магнитопровод 1 - датчик магнитного поля 2 - усилитель 3 - первый аналого-цифровой преобразователь 8), чередуясь с каналом напряжения (первый и второй входы по напряжению 4 и 5 - делитель напряжения 6 - датчик напряжения 7 - второй аналого-цифровой преобразователь 9).
Значения сигналов по току и по напряжению, снимаемые поочередно с выходов первого аналого-цифрового преобразователя 8 и второго аналого-цифрового преобразователя 9, должны фиксироваться в соответствующих ячейках памяти микроконтроллера 10.
Промежутки времени между соседними запросами значений сигналов по току/по напряжению (то есть обращениями микроконтроллера 10 к первому/второму аналого-цифровому преобразователю 8/9) должны быть не меньше, чем время, необходимое для осуществления аналого-цифрового преобразования любой из соответствующих микросхем.
По завершении полного периода Tc микроконтроллер 10 может переходить к следующему этапу своего функционирования - вычислению амплитуд и фаз первой, а также последующих гармоник тока и напряжения, наблюдаемых в контролируемой цепи.
Данная задача может быть решена с помощью так называемого дискретного преобразования Фурье, в соответствии с которым амплитуда (Am) и фаза (Phase) k-той гармоники могут быть определены по следующим формулам:
Если применимо, постоянная составляющая сигнала может быть вычислена по следующему выражению:
где:
ƒ(n) - значение n-ного отсчета сигнала по току или по напряжению из общего числа N отсчетов, зафиксированных в ячейках памяти микроконтроллера 10 за период времени Tc.
По запросу оператора либо с помощью отдельной программы значения постоянной составляющей, как и номера соответствующих гармоник, а также их амплитуды и фазы могут быть выведены микроконтроллером 10 на дисплей 11.
Для обеспечения возможности визуализации полученных в ходе замеров результатов (кривых тока и напряжения, амплитуд и фаз первой, а также последующих гармоник и т.п.), как и для обеспечения возможности их сравнения с предыдущим либо принятым в качестве эталонного спектром гармоник микроконтроллер 10 по соответствующей команде оператора с помощью модуля беспроводной связи 12 передает эти данные на смартфон или какое-либо другое устройство, где установлено соответствующее программное обеспечение и подключен аналогичный модуль.
Использование подобного устройства должно существенно облегчить оператору определение того, появились или нет новые гармоники, изменились или нет их параметры по сравнению со спектром гармоник, предыдущим либо принятым в качестве эталонного. Если указанные изменения появились, оператору либо эксплуатирующему механизм персоналу следует предпринять такие меры, которые позволят определить, какими причинами данные изменения стали обусловлены.
Среди возможных причин появления подобных изменений следует рассмотреть возможность отказа в одном из элементов контролируемого электропривода.