АМПЕРМЕТР

Настоящая полезная модель относится к электроизмерительной техники, в частности, к амперметрам переменного тока, основанным на преобразовании измеряемого электрического сигнала переменного тока в постоянный ток с последующим измерением постоянного тока.
Известны амперметры переменного тока, основанные на преобразовании переменного тока в постоянный с последующим измерением постоянного тока. Такие приборы содержат выпрямитель, выполненный на полупроводниковых диодах, на выходе выпрямителя включен амперметр (миллиамперметр) постоянного тока, например, магнитоэлектрической системы, (см. Волгин Л.И., Линейные электрические преобразователи для измерительных приборов и систем, М. "Советское Радио", 1971, стр.136-137, рис.3.1). В таких приборах измеряемый сигнал переменного тока, поступающий на вход амперметра, преобразуется с помощью выпрямителя в постоянный ток, который затем измеряется амперметром (миллиамперметром) постоянного тока.
Недостатки упомянутых выше приборов состоят в узком динамическом диапазоне измеряемых сигналов, который ограничен в сторону малых значений нелинейной характеристикой выпрямительных диодов, а в сторону больших сигналов - ограниченным диапазоном измерения миллиамперметра постоянного тока.
Известны также амперметры переменного тока, в которых для расширения динамического диапазона измеряемых сигналов применяют выпрямитель, выполненный на основе операционного усилителя. При этом выпрямитель включают в цепь обратной связи усилителя, чем и обеспечивается расширение динамического диапазона в сторону малых сигналов (см. Авторское свидетельство СССР №1201992, Бюллетень изобретений №48, 30.12.85).
Такое техническое решение не решает задачи расширения динамического диапазона измеряемых сигналов в сторону больших сигналов, так как усилитель при больших сигналах заходит в область насыщения и, кроме того, такой амперметр нуждается во внешнем источнике питания для усилителя, что часто неприемлемо для щитовых приборов.
Наиболее близким к заявленному является амперметр, содержащий трансформатор тока, первичная обмотка которого служит входом амперметра, а вторичная присоединена ко входу выпрямителя. Выход выпрямителя подключен к измерительному прибору постоянного тока - амперметру или миллиамперметру со стрелочным указателем, см. Арутюнов В.О., Электрические измерительные приборы и измерения, Госэнергоиздат, 1958 г., стр.162-163, рис.8-8,в.
Преимущества таких приборов состоят в том, что они позволяют измерять в номинальном режиме большие токи, а также обеспечивают электрическую изоляцию между первичной цепью, в которой протекает значительный ток и имеется опасное электрическое напряжение, от вторичных цепей.
Недостатки таких приборов проявляются при измерении пусковых токов электрических машин. В этих условиях прибор должен достаточно точно измерять ток в установившемся режиме и, в тоже время, обеспечивать измерение всплеска тока в момент включения машины. В таком приборе шкала должна быть расширена в начале диапазона измерения и сжата в конце диапазона измерения.
Диапазон измерения прототипа в сторону малых сигналов ограничен разрешающей способностью миллиамперметра (ценой деления). Реально на шкале щитового прибора можно разместитиь 50-100 делений, поэтому разрешающая способность прибора равна 1:100=0.01 от максимального измеряемого тока.
Динамический диапазон прототипа в сторону больших сигналов
ограничен диапазоном измерения измерительного прибора постоянного тока, т.е. максимальные показания могут соответствовать 100 делениям шкалы.
Целью настоящего технического решения является расширение динамического диапазона измеряемых сигналов.
Поставленная цель достигается тем, что амперметр, содержащий трансформатор тока, первичная обмотка которого служит входом амперметра, а вторичная подключена к входу выпрямителя, а также содержащий измерительный прибор постоянного тока, имеющий вход измерения тока, дополнительно снабжен переключателем и преобразователем тока в напряжение. Выход выпрямителя подключен ко входу переключателя, первый выход переключателя соединен со входом измерения тока измерительного прибора.
Измерительный прибор дополнительно снабжен входом измерения напряжения, который подключен ко второму выходу переключателя. Преобразователь тока в напряжение включен между входом измерения напряжения измерительного прибора и его общей шиной.
В предложенном амперметре измерительный прибор выполнен в виде амперметра (миллиамперметра) постоянного тока, вход которого служит входом измерения тока, а между входами измерения тока и напряжения включен резистор.
В предложенном амперметре переключатель выполнен в виде кнопки, контакты которой включены между входом и первым выходом переключателя, а также порогового устройства, включенного между входом и вторым выходом переключателя.
В предложенном амперметре преобразователь тока в напряжение может быть выполнен в виде резистора, включенного между клеммами преобразователя, и управляемого напряжением нелинейного сопротивления, включенного параллельно резистору.
Предложенное выполнение амперметра позволяет расширить
динамический диапазон измерения в сторону малых значений сигналов за счет того, что при замыкании контактов кнопки переключателя миллиамперметр постоянного тока подключается непосредственно к выходу выпрямителя. При этом коэффициент передачи измерительного тракта - трансформатор тока, выпрямитель, миллиамперметр может быть установлен так, что при входом сигнале, равном, например, 10% от максимального измеряемого сигнала, стрелка (указатель) миллиамперметра отклоняется до конечного значения шкалы прибора. При этом появляется возможность создания так называемой "растянутой" шкалы, когда измеряемый сигнал, равный всего 10% от максимального, обеспечивает отклонение стрелки на всю шкалу. Этим и обеспечивается расширение диапазона измеряемых сигналов в сторону малый сигналов.
При разомкнутом контакте кнопки переключателя измеряемый сигнал с выхода выпрямителя поступает на преобразователь тока в напряжение и на вход измерения напряжения измерительного прибора.
В этом режиме коэффициент передачи измерительного тракта - трансформатор тока, выпрямитель, преобразователь тока в напряжение, измеритель напряжения может быть установлен так, что при максимальном измеряемом токе стрелка (указатель) измерительного прибора также отклоняется до конечного значения шкалы, при этом вторая шкала градуируется до значений 100% измеряемого сигнала. Этим обеспечивается расширение диапазона измеряемых сигналов в сторону больших значений.
Кроме того, при выполнении преобразователя тока в напряжение в виде резистора, параллельно которому подключено управляемое напряжением нелинейное сопротивление, возникает возможность дополнительно расширить диапазон измеряемых сигналов в сторону больших значений, за счет создания на шкале измерительного прибора дополнительного нелинейного участка, позволяющего отсчитывать
показания амперметра при значениях, превышающих 100% номинального сигнала, например, до 500%.
На фиг.1 показана схема предложенного амперметра, на фиг.2 - возможный вариант исполнения преобразователя тока в напряжение, входящего в состав амперметра.
Амперметр содержит трансформатора тока 1 (см. фиг.1), выпрямитель 2, переключатель 3, измерительный прибор 4, преобразователь 5 тока в напряжение.
Первичная обмотка трансформатора тока 1 служит входом амперметра, вторичная обмотка трансформатора тока 1 соединена с входом выпрямителя 2, выход которого подключен к входу переключателя 3. Первый выход 6 переключателя 3 соединен с токовым входом 8 измерительного прибора 4. Второй выход 7 переключателя 3 соединен с входом 9 измерения напряжения измерительного прибора 4. Вход 10 измерительного прибора 4 служит общим входом (общей клеммой) для входов 8 и 9 измерительного прибора 4 и соединен с общей шиной амперметра.
Трансформатор тока 1 представляет собой стандартный измерительный трансформатор тока с двумя обмотками. Первичная обмотка трансформатора тока служит входом трансформатора, а вторичная обмотка - его выходом.
Трансформатор тока 1 может быть выполнен также в виде тороидального трансформатора с одной вторичной обмоткой. В этом случае проводник (шина), в котором необходимо измерить ток, пропускается в отверстие тороидального трансформатора и, таким образом, этот проводник выполняет функции первичной обмотки трансформатора тока.
Выпрямитель 2 может быть выполнен по одной из стандартных схем, например, в виде мостового выпрямителя, собранного на полупроводниковых
диодах. Одна из диагоналей мостового выпрямителя 2 служит входом выпрямителя, вторая - его выходом.
Переключатель 3 содержит кнопку (тумблер), контакт 13 которой включен между входом переключателя 3 и его выходом 6, а также пороговое устройство 14, включенное между входом переключателя 3 и его выходом 7.
Пороговое устройство 14 может быть выполнено в виде последовательно включенных в прямом направлении полупроводниковых диодов, число диодов определяет порог срабатывания порогового устройства. Кроме того, пороговое устройство 14 может быть выполнено в виде стабилитрона, напряжение пробоя (стабилизации) которого определяет порог срабатывания устройства.
Измерительный прибор 4 представляет собой прибор постоянного тока, имеющий два входа. Токовый вход (клеммы 8 и 10) предназначен для измерения тока, клеммы 9 и 10 служат входом измерения напряжения.
В качестве измерительного прибора 4 может быть использован стандартный ампервольтметр магнитоэлектрической системы. В частности, измерительный прибор 4 может быть выполнен в виде миллиамперметра 15 постоянного тока, входы которого соединены соответственно с клеммами 8 и 10 измерительного прибора, а между клеммами 8 и 9 включен резистор 16. В качестве миллиамперметра 15 может быть использован миллиамперметр магнитоэлектрической системы, изменение чувствительности которого может выполняться, например, размагничиванием магнитной системы. Для изменения чувствительности измерительного прибора по напряжению резистор 16 может быть выполнен регулируемым.
Преобразователь 5 тока в напряжение может быть выполнен в виде резистора 17, включенного между клеммами 11 и 12 преобразователя 5. Для изменения коэффициента передачи преобразователя 5 резистор 17 может быть выполнен регулируемым.
Преобразователь 5 может быть выполнен также согласно фиг.2. В этом варианте исполнения он содержит резистор 17, подключенный к клеммам 11 и 12, и управляемое напряжением нелинейное сопротивление 18, включенное параллельно резистору 17.
Управляемое напряжением нелинейное сопротивление 18 содержит транзистор 19, эмиттер которого соединен с клеммой 12, а коллектор через резистор 20 подключен к клемме 11. Между коллектором транзистора и его базой включен стабилитрон 21, а между базой транзистора 19 и его эмиттером включен резистор 22.
Управляемое напряжением нелинейное сопротивление может быть выполнено также в виде последовательно включенных резистора и стабилитрона.
Амперметр работает следующим образом. Измеряемый сигнал переменного тока поступает на первичную обмотку трансформатора тока 1 (см. фиг.1). Вторичный ток трансформатора тока выпрямляется выпрямителем 2. Если контакт 13 переключателя 3 разомкнут, то выпрямленный ток от выпрямителя 2 через пороговое устройство 14 переключателя 3 поступает на клемму 11 преобразователя 5, где проходит через резистор 17 на клемму 12 (общая шина). Падение напряжения на резисторе 17 является выходным напряжением преобразователя 5. Это напряжение поступает на вход 9 измерения напряжения измерительного прибора 4, который и индицирует результат измерения с учетом коэффициентов передачи трансформатора тока 1, преобразователя 5 и номинального значения сопротивления резистора 16 измерительного прибора 5.
Если оператор замкнет контакт 13 переключателя 3, то выпрямленный ток от выпрямителя 2 через замкнутый контакт 13 и выход 6 переключателя 3 поступает на токовый вход 8 измерительного прибора 4. При этом миллиамперметр 15 индицирует результат измерения с учетом
коэффициента передачи трансформатора тока 1 и выбранного тока полного отклонения миллиамперметра 15
Порог срабатывания порогового устройства 14 переключателя 3 выбирается выше, чем падение напряжения на миллиамперметре 15. Поэтому при замкнутом контакте 13 пороговое устройство 14 разрывает цепь между входом переключателя 3 и его выходом 7, т.е. вход 9 измерительного прибора 4 оказывается отключенным от выхода выпрямителя 2.
Выбором номинальных значений резистора 17 в преобразователе 5, резистора 16 в измерительном приборе 4, а также номинального тока полного отклонения миллиамперметра 15 измерительного прибора 4 можно установить определенное соотношение между показаниями амперметра при двух положениях контакта 13 переключателя 3. Например, при измерении тока 5 А можно установить коэффициент передачи так, что при разомкнутом положении контакта 13 отклонение указателя миллиамперметра 15 будет равно конечному значению диапазона измерения миллиамперметра, при этом соответствующая шкала этого миллиамперметра будет отградуирована на ток 5 А.
При замкнутом контакте 13 можно установить коэффициент передачи так, что полное отклонение указателя миллиамперметра 15 будет при значении измеряемого тока 0.5 А. При этом другая шкала миллиамперметра 15 будет отградуирована на ток 0.5 А.
При выполнении амперметра согласно фиг.1 ифиг.2 он работает следующим образом.
При замкнутом контакте 13 переключателя 3 амперметр работает так, как описано выше при рассмотрении варианта исполнения по фиг.1.
При разомкнутом контакте 13 переключателя 3 амперметр работает так же, как и в варианте исполнения согласно фиг.1 до тех пор, пока измеряемый ток не превысит номинального значения, например 5 А.
При настройке амперметра номинальное значение резистора 17 преобразователя 5 выбирается так, чтобы при номинальном измеряемом токе (например, 5 А) падение напряжения на этом резисторе было равно напряжению пробоя стабилитрона 21 преобразователя 5 (см. фиг.2). При увеличении измеряемого тока свыше 5 А, напряжение на резисторе 15 превышает порог пробоя стабилитрона 21, который начинает пропускать часть тока через резистор 20 в базовую цепь транзистора 19. Транзистор 19 начинает открываться, вследствие чего резистор 17 шунтируется резистором 20 и сопротивлением перехода коллектор-эмиттер транзистора 19. Чем больше измеряемый ток превышает номинальное значение 5 А, тем больше шунтирующее действие этой цепи. Так как элементы 19 и 21 преобразователя 5 имеют нелинейную вольтамперную характеристику, то отклонение указателя миллиамперметра 15 при измерении токов в диапазоне от нуля до номинального значения (5 А) происходит по линейному закону, а при измерении токов свыше номинального значение - по нелинейному закону, при этом соответствующая шкала миллиамперметра 15 выполняется в виде двух участков. Один участок (рабочий) в виде линейной шкалы, второй участок (перегрузочный) в виде нелинейной шкалы. Выбором номинальных значений резисторов 17, 20 преобразователя 5, а также выбором порогового напряжения стабилитрона 21 можно регулировать начало нелинейного участка на шкале, а также величину (протяженность) этого участка на шкале. Обычно на практике для перегрузочных приборов выбирается коэффициент перегрузки 5, т.е. при номинальном токе 5 А конечная отметка перегрузочной части шкалы прибора соответствует 25 А.
В остальном работа амперметра при выполнении его согласно фиг.1 и фиг.2 не отличается от его работы в исполнении согласно фиг.1.
Преимущества заявленного амперметра связаны с тем, что в нем реализовано разделение трактов измерения токов в области малых значений и в области больших значений. При измерении малых значений токов замкнут контакт 13 переключателя 3, при этом измеряемый ток после выпрямителя поступает непосредственно на вход миллиамперметра 15. Выбором параметров миллиамперметра 15 можно изменять значение измеряемого тока, вызывающего максимальное отклонение указателя миллиамперметра 15.
При измерении в области больших токов измеряемый ток после выпрямителя преобразуется в напряжение, которое затем измеряется измерительным прибором постоянного тока (вольтметром). Изменением номинального сопротивления резистора 16, а также изменением коэффициента передачи преобразователя 5 тока в напряжение, можно изменять значение измеряемого тока, вызывающего максимальное отклонение указателя миллиамперметра 15.
При измерении малых токов, когда измеряемый ток от выпрямителя поступает непосредственно на вход миллиамперметра, пороговое устройство 14 разрывает цепь между выходом выпрямителя и входом преобразователя 5 и исключает тем самым влияние тракта измерения больших токов на результат измерения.
При измерении больших токов контакт 13 переключателя 3 разомкнут, т.е. исключено влияние тракта измерения малых токов на результат измерения.
Введение в преобразователь 5 управляемого напряжением нелинейного сопротивления 18 (см. фиг.2), дополнительно расширяет область измерения токов в сторону больших значений за счет шунтирующего действия этого нелинейного сопротивления относительно резистора 17.
На практике был реализован амперметр с числом делений шкалы 100,
с пределом измерения 5 А, с перегрузочной частью шкалы от 5 до 50 А, с растянутой частью шкалы 0-1 А.
Если амперметр, выполненный по схеме прототипа, измеряет ток в диапазоне 0-5 А и имеет число делений шкалы 100, то,следовательно, диапазон измерения прототипа составляет 0.05 А - 5 А.
Предложенный амперметр измеряет по шкале 1 А в диапазоне от 0.01 А до 1 А, по шкале 5 А от 0.05 до 5 А и по перегрузочной шкале от 5 до 50 А, т.е. диапазон измерения составляет 0.01-50 А в сравнении с 0.05-5 А у прототипа.
Погрешность измерения прототипа составляет 1% от 5 А или 0.05 А, т.е. при измерении сигнала 1 А погрешность измерения прототипа составит (0.05:1)×100%=5%, а при измерении сигнала 0.1 А погрешность составит (0.05:0.1)×100%=50%.
У заявленного амперметра погрешность измерения составляет 1% как на шкале 5 А, так и на шкале 1 А (благодаря растянутому начальному участку шкалы), т.е. погрешность измерения составит при измерении сигнала 5 А - 1% или 0.05 А, сигнала 1 А - 1% или 0.01 А, сигнала 0.1 А - (0.01:0.1)×100%=10%.
Таким образом, заявленный амперметр обеспечивает расширение диапазона измеряемых токов с одновременным увеличением точности измерения.
Предложенное выполнение переключателя 3 обеспечивает надежную и безопасную эксплуатацию амперметра. Известно, что при эксплуатации амперметров с трансформатором тока во входной цепи, в особенности при измерении больших токов в первичной обмотке трансформатора (десятки килоампер), вторичная обмотка трансформатора должна быть постоянно подключена к нагрузке (к измерительному прибору). Даже кратковременный разрыв вторичной цепи трансформатора тока может привести к возникновению значительных бросков напряжения, вызывающих пробой изоляции трансформатора. В предложенном
выполнении переключателя при коммутации контакта 13 не происходит разрыва цепи вторичной обмотки трансформатора тока (при замкнутом контакте 13 трансформатор тока 1 нагружен на миллиамперметр 15, при разомкнутом контакте 13 - на резистор 17 преобразователя 5). Этим и обеспечивается безопасность эксплуатации амперметра.
Дополнительное преимущество предложенного амперметра состоит в том, что контакт 13 переключателя 3 находится в токовой цепи, поэтому переходное сопротивление контакта, а также сопротивления проводников, соединяющих контакт 13 с другими элементами схемы амперметра, не вносят погрешности в результат измерения. Благодаря этому, контакт 13 (кнопка) может быть вынесен за пределы амперметра на достаточно большое расстояние (например, на пульт оператора).