Цифровой преобразователь тока компенсационного типа
DIGITAL TRANSDUCER OF CURRENT OF COMPENSATORY TYPE

Техническое решение относится к устройствам измерения электрического тока, в частности к цифровым преобразователям тока компенсационного типа, и может быть использовано для бесконтактного преобразования измеряемого тока в цифровой код, что может найти применение в системах автоматического управления, в устройствах заряда аккумуляторов автомобилей и мобильной техники, а также в счетчиках электрической энергии.
Известен преобразователь типа [1], Авторское свидетельство СССР 496498. Преобразователь содержит компенсационную обмотку, гальваномагнитный элемент Холла, размещенный внутри компенсационной обмотки, усилитель выходного напряжения элемента Холла, соединенный с компенсационной обмоткой, измерительный прибор протекающего в компенсационной обмотке тока. При расположении преобразователя над токоведущей шиной ее магнитное поле вызывает на выходах элемента Холла напряжение. Это напряжение после усиления и подачи на компенсационную обмотку создает магнитное поле, направленное встречно магнитному полю токоведущей шины. За счет отрицательной обратной связи магнитное поле тока в компенсационной катушке уравновешивает магнитное поле тока токоведущей шины и является мерой измеряемого тока. Недостатком преобразователя является малая чувствительность.
Известен датчик тока компенсационного типа [2], US 4939449. Датчик содержит магнитопровод, на котором намотана компенсационная обмотка, а внутри расположен токопровод, в зазоре магнитопровода установлен элемент Холла, соединенный с операционным усилителем, выход которого соединен с усилителем мощности питания компенсационной обмотки, ток в цепи питания компенсационной обмотки пропорционален протекающему по токопроводу току и измеряется миллиамперметром. Использование в датчике магнитопровода уменьшает влияние внешнего магнитного поля и повышает чувствительность датчика. Недостатком датчика является невозможность измерения малых токов, поскольку токопровод внутри магнитопровода создает достаточное магнитное поле в магнитопроводе только при больших токах, кроме того, датчик имеет погрешность тока компенсации из-за остаточного напряжения датчика Холла с его температурной зависимостью.
Известен датчик тока компенсационного типа [3], US 8698485. Датчик содержит магнитопровод, на котором намотана компенсационная обмотка, а внутри расположен токопровод, в зазоре магнитопровода установлен элемент Холла, выполненный в виде специализированной ИС с компенсацией остаточного напряжения элемента Холла и его температурной зависимости, соединенный с операционным усилителем, выход которого соединен с мостовым ШИМ усилителем мощности питания компенсационной обмотки. Усилитель мощности в этом случае работает в режиме D, который обладает лучшими энергетическими характеристиками, чем линейные усилители класса А или АВ. Последовательно с компенсационной катушкой включен нагрузочный резистор, падение напряжения на котором является выходным аналоговым сигналом датчика. Датчик позволяет измерять тысячиамперные токи при меньших потерях. Недостатками датчика являются отсутствие цифрового выхода, а также неполная компенсация магнитного поля в магнитопроводе из-за аналоговой обратной связи, поскольку для ее работы необходимо наличие смещения в цепи компенсации.
Известен датчик тока компенсационного типа [4] US 5565765, выбранный в качестве прототипа. Датчик содержит магнитопровод, на котором расположены токовая катушка и компенсационная катушка, в зазоре магнитопровода расположен элемент Холла, выходное напряжение с которого подается на инструментальный усилитель, соединенный с мостовым усилителем мощности питания секции компенсационной катушки. В середине компенсационной катушки включен нагрузочный резистор, напряжение с которого, пропорциональное измеряемому току, подается на выход датчика. Техническое решение за счет использования токовой катушки позволяет измерять малые токи, а использование мостовой схемы питания компенсационной катушки позволяет использовать однополярный источник питания. Недостатком датчика является отсутствие цифрового выхода, погрешность от смещения нуля усилителя и остаточного напряжения элемента Холла, зависящие от температуры, а также неполная компенсация магнитного поля в магнитопроводе из-за аналоговой обратной связи в цепи компенсации, что приводит к наличию вихревых токов и нагреву магнитопровода с увеличением амплитуды и частоты измеряемого тока.
Задачей технического решения является компенсация смещения нуля усилителя и остаточного напряжения датчика Холла, а также их температурной погрешности, обеспечение цифрового выхода датчика тока и устранение вихревых токов в магнитопроводе.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в цифровом преобразователе тока компенсационного типа, содержащем магнитопровод, на котором расположены токовая катушка и компенсационная катушка, в зазоре которого установлен элемент Холла, выход которого соединен со входами инструментального усилителя, выход инструментального усилителя соединен с мостовым усилителем питания компенсационной катушки, предусмотрены следующие отличия: введены дополнительный элемент Холла со своим инструментальным усилителем и вычитатель, по цепи питания элементы Холла соединены последовательно по продольным и поперечным контактам, а соответствующие выходы элементов Холла соединены с инструментальными усилителями, выходы инструментальных усилителей соединены с вычитателем, также в преобразователь дополнительно введены формирователь счетных импульсов, реверсивный счетчик, ЦАП, нормирующий усилитель и блок цифрового интерфейса, вход формирователя соединен с выходом вычитателя, выходы формирователя соединены со входами инкрементирования и декрементирования реверсивного счетчика, шина выходного кода счетчика соединена с ЦАП и с блоком цифрового интерфейса, выход ЦАП соединен с мостовым усилителем питания компенсационной катушки и с нормирующим усилителем аналогового выхода преобразователя.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого цифрового преобразователя тока компенсационного типа и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно, в предложенном техническом решении вычитатель дает разностное напряжение, в котором устранено смещение нуля инструментальных усилителей и остаточное напряжение элементов Холла, а формирователь счетных импульсов, реверсивный счетчик и ЦАП образуют следящую цифровую обратную связь формирования компенсационного тока, которая работает при нулевом магнитном поле в магнитопроводе, что исключает его намагничивание и вихревые токи в нем.
Техническая сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, на которых на фиг. 1 содержит схему цифрового преобразователя тока компенсационного типа, фиг. 2 - схему варианта исполнения формирователя счетных импульсов.
Фиг. 1 содержит:
1 - магнитопровод;
2 - токопроводник;
3 - компенсационную катушку;
4, 5 - элементы Холла;
6, 7 - инструментальные усилители;
8 - вычитатель;
9 - формирователь счетных импульсов;
10 - реверсивный счетчик;
11 - ЦАП;
12 - мостовой усилитель;
13 - нормирующий усилитель аналогового выхода преобразователя;
14 - блок цифрового интерфейса преобразователя.
Измеряемый ток подается на токопровод 2, проходящий через магнитопровод 1 или выполненный в виде катушки. На магнитопроводе 1 также расположена компенсационная катушка 3. Магнитопровод 1 выполнен с зазором, в котором установлены элементы Холла 4 и 5.
Элементы Холла 4 и 5 по цепи питания соединены последовательно перекрестно. Соответствующие холловские выводы элементов Холла 4, 5 соединены с инструментальными усилителями 6, 7, выходы которых соединены с вычитателем 8.
Выход вычитателя 8 соединен с формирователем счетных импульсов 9. Выходы формирователя 9 соединены со счетными входами инкремента и декремента реверсивного счетчика 10. Выходной код счетчика 10 подается на ЦАП 11, выход которого соединен с мостовым усилителем 12 питания компенсационной катушки 3, а также с нормирующим усилителем 13. Выход счетчика 10 также соединен с блоком цифрового интерфейса 14.
Согласно [5] выходное напряжение элемента Холла кроме холловского напряжения Ux от магнитного поля содержит остаточное напряжение Uo. При этом остаточное напряжение элемента Холла велико и существенно зависит от температуры, кроме этого в инструментальном усилителе его выходное напряжение содержит смещение нуля усилителя Uc, что в совокупности приводит к некорректной компенсации магнитного потока в магнитопроводе.
Выходное напряжение элемента Холла 4 на выходе усилителя 6 определяется формулой
Выходное напряжение элемента Холла 5 на выходе усилителя 7 определяется формулой
Выходное напряжение вычитателя 8 определяется формулой
Таким образом, разностное напряжение ΔU вычитателя 8 зависит только от удвоенного холловского напряжения Ux, в котором исключено остаточное напряжение Uo и смещение нуля усилителя Uc.
Разностное напряжение ΔU подается на формирователь счетных импульсов 9 реверсивного счетчика 10. Выход счетчика 10 управляет цифро-аналоговым преобразователем 11, выход которого поступает на мостовой усилитель 12, подающий ток в компенсационную катушку.
Таким образом, предложенное решение образует следящий АЦП тока, в котором в качестве разностного элемента, формирующего сигнал рассогласования, выступают магнитные поля токовой и компенсационной катушек и элементы Холла.
За счет обратной связи на компенсационной катушке поддерживается такой ток, который удерживает разностное магнитное поле токовой и компенсационной катушек близкое к нулю. В отличие от аналоговой обратной связи, для которой необходимо наличие смещения магнитного поля, в предложенном техническом решении разностное поле токовой катушки и компенсационной катушки определяется ценой младшего разряда ЦАП.
Для преобразования сигнала ошибки в код счетчика используется формирователь счетных импульсов 9. Вариант схемы приведен на фиг. 2.
Формирователь счетных импульсов 9 содержит компараторы 15 и 16, на которые подается разностное напряжение ΔU и половина порогового напряжения l/2Uth.
Выходы компараторов 15, 16 соединены с мультивибраторами 17, 18 и 19, 20 соответственно, которые содержат в обратной связи элементов 18, 19 транспортную задержку сигнала из элементов 21, 22.
При превышении разностного напряжения ΔU половины порогового напряжения l/2Uth срабатывает соответствующий компаратор, сигнал с которого запускает мультивибратор, на выходе которого формируется счетный импульс длительностью, определяемой элементами задержки. Счетный импульс поступает на реверсивный счетчик 10.
В предложенном техническом решении код счетчика 10 пропорционален компенсационному току. Следовательно, код счетчика является выходным цифровым кодом преобразователя тока, а вся предложенная система представляет собой цифровой следящий преобразователь тока.
Техническое решение обеспечивает компенсацию остаточного напряжения элементов Холла и смещения нуля инструментальных усилителей с их температурной зависимостью, обеспечивает получение цифрового кода измеряемого тока, а также поддерживает практически нулевое магнитное поле в токопроводе, что исключает вихревые токи в магнитопроводе и его нагрев при измерении переменного тока.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 496498;
2. Патент США 4939449;
3. Патент США 8698485;
4. Патент США 5565765 – прототип;
5. А.А. Голубев, В.К. Игнатьев. Цифровой нанотеслометр, Изв. Вузов. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, №1, с. 49-54.