УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ И ФАЗОЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТОКОВЫХ ШУНТОВ
DEVICE FOR DETERMINING AMPLITUDE-FREQUENCY AND PHASE-FREQUENCY CHARACTERISTICS OF CURRENT SHUNTS

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано для контроля и определения динамических метрологических характеристик при производстве и эксплуатации токовых шунтов.
Известен измеритель относительных амплитудно-частотных характеристик [RU 2291452 C2, МПК G01R 27/28 (2006.01), опубл. 01.11.2001], содержащий генератор качающейся частоты, выход которого подключен к входу измеряемого объекта, выход которого подключен к входам амплитудного детектора и формирователя опорного сигнала, выполненного в виде последовательно соединенных преобразователя частоты в код, дешифратора и блока хранения и выборки, выход которого является выходом формирователя опорного сигнала, а второй вход соединен с входом преобразователя частоты в код, являющегося входом формирователя опорного сигнала, последовательно соединенные преобразователь частоты в напряжение, дифференциатор, компаратор и согласующий блок, выход которого подключен к второму входу индикатора, вход преобразователя частоты в напряжение подключен к выходу генератора качающейся частоты, а второй вход компаратора соединен с общей шиной. Последовательно соединены масштабный усилитель, амплитудный селектор, временной селектор, декадный счетчик и второй дешифратор, выход которого подключен к третьему входу индикатора, первый вход которого соединен с первым входом амплитудного селектора и выходом делителя, второй вход которого соединен с выходом амплитудного детектора, а первый соединен с выходом формирователя опорного сигнала и входом масштабного усилителя. Второй вход временного селектора соединен с входной шиной.
Недостатками этого устройства являются невозможность определения фазочастотной характеристики.
Известно устройство для определения амплитудно-частотных характеристик токовых шунтов [Cherbaucich С., Crotti G., Kuljaca N., Novo M. Evaluation of the dynamic behaviour of heavy current shunts // Metrology in the 3rd Millennium: Proc. XVII IMEKO World Congress. - 22-27 June, 2003. - Dubrovnik, Croatia, 2003. - P. 586-589], содержащее источник импульсного тока, в котором последовательно соединены резисторный ограничитель тока заряда, накопитель энергии из коаксиального кабеля и коммутатор (газоразрядное устройство), к которому подключен эталонный трансформатор тока и тестируемый шунт. Источник импульсного тока подключен к источнику постоянного напряжения. Амплитудно-частотную характеристику шунта определяют как отношение односторонней функции спектральной плотности сигнала с выхода трансформатора тока к односторонней функции спектральной плотности сигнала с выхода шунта на заданной частоте. Результаты визуализируют в виде графической зависимости.
Недостатки данного устройства заключаются в невозможности определения фазочастотной характеристики шунта и в уменьшении точности определения амплитудно-частотной характеристики из-за погрешности квантования аналого-цифрового преобразователя цифрового осциллографа.
Известно устройство для определения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик токовых шунтов [Заревич А.И., Муравьев С.В., Бедарева Е.В., Карпенко С.Р. Импульсный метод определения частотных характеристик сильноточных шунтов // Известия Томского политехнического университета. - 2012. - Т. 321. - №4. - С.137-140], выбранное в качестве прототипа (фиг. 1), содержащее источник импульсного тока 1 (ИИТ), в котором к первому выводу вторичной обмотки повышающего сетевого трансформатора 2 подключен однополупериодный выпрямитель 3, к которому через резисторный ограничитель тока заряда 4 подключен накопитель энергии 5, соединенный со вторым выводом вторичной обмотки повышающего сетевого трансформатора 2. Накопитель энергии 5 выполнен на конденсаторах. К резисторному ограничителю тока заряда 4 подключен первый электрод коммутатора 6 (газоразрядное устройство). Первичная обмотка повышающего сетевого трансформатора 2 подключена к промышленному источнику напряжения переменного тока 7 с действующим значением выходного напряжения 220 В. Через контактные клеммы 8 тестируемый токовый шунт 9 подключен ко второму электроду коммутатора 6 и второму выводу вторичной обмотки повышающего сетевого трансформатора 2. Эталонный трансформатор тока 10 размещен между тестируемым токовым шунтом 9 и контактными клеммами 8. Блок регистрации и обработки сигнала 11 (БРОС) содержит первый аналого-цифровой преобразователь 12 (АЦП1), первый блок быстрого преобразования Фурье 13 (БПФ1), второй аналого-цифровой преобразователь 14 (АЦП2), второй блок быстрого преобразования Фурье 15 (БПФ2), блок функционального преобразования 16 (БФП), вычислительное устройство 17 (ВУ), дисплей 18 (Д), который подключены к общей цифровой шине данных 19. Первый аналого-цифровой преобразователь 12 (АЦП1) подключен к потенциальному выходу тестируемого токового шунта 9, а второй аналого-цифровой преобразователь 14 (АЦП2) - к выходу эталонного трансформатора тока 10. Первый аналого-цифровой преобразователь 12 (АЦП1) подключен к первому блоку быстрого преобразования Фурье 13 (БПФ1). Второй аналого-цифровой преобразователь 14 (АЦП2) подключен к второму блоку быстрого преобразования Фурье 15 (БПФ2), который соединен с блоком функционального преобразования 16 (БФП).
Недостатком указанного устройства является влияние на определяемые амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики шунта неидентичности аналого-цифровых преобразователей. Это влияние проявляется в виде искажения спектра преобразуемых сигналов и в виде возрастания погрешности численных преобразований над спектрами на частотах, соответствующих высоким гармоникам спектров.
Задачей изобретения является расширение арсенала средств аналогичного назначения.
Поставленная задача решена за счет того, что устройство для определения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик токовых шунтов так же, как в прототипе, содержит источник импульсного тока, в котором к первому выводу вторичной обмотки повышающего сетевого трансформатора подключен однополупериодный выпрямитель, к которому через резисторный ограничитель тока заряда подключен накопитель энергии, соединенный со вторым выводом вторичной обмотки повышающего сетевого трансформатора, к резисторному ограничителю тока заряда подключен первый электрод коммутатора, первичная обмотка повышающего сетевого трансформатора подключена к источнику напряжения переменного тока, через контактные клеммы тестируемый токовый шунт подключен ко второму электроду коммутатора и второму выводу вторичной обмотки повышающего сетевого трансформатора, эталонный трансформатор тока размещен между тестируемым токовым шунтом и контактными клеммами, блок регистрации и обработки сигнала содержит первый и второй аналого-цифровые преобразователи, первый и второй блоки быстрого преобразования Фурье, блок функционального преобразования, вычислительное устройство, дисплей, которые подключены к общей цифровой шине данных, при этом первый аналого-цифровой преобразователь подключен к потенциальному выходу тестируемого токового шунта, а второй аналого-цифровой преобразователь подключен к выходу эталонного трансформатора тока, первый аналого-цифровой преобразователь подключен к первому блоку быстрого преобразования Фурье, второй аналого-цифровой преобразователь подключен к второму блоку быстрого преобразования Фурье, который соединен с блоком функционального преобразования.
Согласно изобретению блок регистрации и обработки сигнала дополнительно содержит блок формирования треугольного импульса и блок сравнения спектров, которые подключены к общей цифровой шине данных. Блок формирования треугольного импульса подключен к входам первого и второго аналого-цифровых преобразователей, а блок сравнения спектров подключен к выходам первого и второго блоков быстрого преобразования Фурье.
Предложенная конструкция за счет формирования тестовых сигналов в форме треугольных импульсов с последующим сравнением их спектров и определением выравнивающих коэффициентов позволяет скомпенсировать неодинаковость аналого-цифровых преобразователей, проявляющуюся в относительном искажении спектров сигналов. Таким образом, осуществляется снижение влияния искажения спектра преобразуемых сигналов на определяемые амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики тестируемого шунта и уменьшение погрешности численных преобразований над спектрами на частотах, соответствующих высоким гармоникам спектров.
На фиг. 1 представлена схема устройства-прототипа.
На фиг. 2 показана схема заявляемого устройства для определения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик токовых шунтов.
Устройство для определения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик токовых шунтов (фиг. 2) содержит источник импульсного тока 1 (ИИТ), в котором к первому выводу вторичной обмотки повышающего сетевого трансформатора 2 подключен однополупериодный выпрямитель 3, к которому через резисторный ограничитель тока заряда 4 подключен накопитель энергии 5, соединенный со вторым выводом вторичной обмотки повышающего сетевого трансформатора 2. Накопитель энергии 5 выполнен на конденсаторах. К резисторному ограничителю тока заряда 4 подключен первый электрод коммутатора 6 (газоразрядное устройство). Первичная обмотка повышающего сетевого трансформатора 2 подключена к промышленному источнику напряжения переменного тока 7 с действующим значением выходного напряжения 220 В. Через контактные клеммы 8 тестируемый токовый шунт 9 подключен ко второму электроду коммутатора 6 и второму выводу вторичной обмотки повышающего сетевого трансформатора 2. Эталонный трансформатор тока 10 размещен между тестируемым токовым шунтом 9 и контактными клеммами 8. Блок регистрации и обработки сигнала 11 (БРОС) содержит первый аналого-цифровой преобразователь 12 (АЦП1), первый блок быстрого преобразования Фурье 13 (БПФ1), второй аналого-цифровой преобразователь 14 (АЦП2), второй блок быстрого преобразования Фурье 15 (БПФ2), блок функционального преобразования 16 (БФП), вычислительное устройство 17 (ВУ), дисплей 18 (Д), которые подключены к общей цифровой шине данных 19. Блок регистрации и обработки сигнала 11 (БРОС) дополнительно содержит блок формирования треугольного импульса 20 (ФТИ), блок сравнения спектров 21 (БСС), которые также подключены к общей цифровой шине данных 19. Первый аналого-цифровой преобразователь 12 (АЦП1) подключен к потенциальному выходу тестируемого токового шунта 9, а второй аналого-цифровой преобразователь 14 (АЦП2) - к выходу эталонного трансформатора тока 10. Первый аналого-цифровой преобразователь 12 (АЦП1) подключен к первому блоку быстрого преобразования Фурье 13 (БПФ1). Второй аналого-цифровой преобразователь 14 (АЦП2) подключен к второму блоку быстрого преобразования Фурье 15 (БПФ2), который соединен с блоком функционального преобразования 16 (БФП). Блок формирования треугольного импульса 20 (ФТИ) подключен к входам первого и второго аналого-цифровых преобразователей 12 (АЦП1) и 14 (АЦП2). Блок сравнения спектров 21 (БСС) подключен к выходам первого и второго блоков быстрого преобразования Фурье 13 (БПФ1) и 15 (БПФ2).
Первый аналого-цифровой преобразователь 12 (АЦП1) и второй аналого-цифровые преобразователи 14 (АЦП2) реализованы с помощью аналого-цифровых преобразователей AD6649. Блоки быстрого преобразования Фурье 13 (БПФ1), 15 (БПФ2) реализованы с помощью цифровых сигнальных процессоров ADSP-21991. Блок функционального преобразования 16 (БФП) реализован с помощью цифрового сигнального процессора ADSP-21467. Вычислительное устройство 17 (ВУ) реализовано с помощью микропроцессора ADSP-BF523. Блоки формирования треугольного импульса 20 (ФТИ) и сравнения сигналов 21 (БСС) реализованы с помощью микроконтроллеров ADSP-TS201S.
Схемотехнические решения всех блоков устройства ориентированы на применение интегральной микроэлектронной элементной базы и возможность их дальнейшей более глубокой интеграции.
Устройство работает следующим образом.
i
i
В начале блок формирования треугольного импульса 20 (ФТИ) формирует тестовый сигнал в форме треугольного импульса с амплитудой, равной динамическому диапазону первого и второго аналого-цифровых преобразователей 12 (АЦП1) и 14 (АЦП2). С помощью аналого-цифровых преобразователей 12 (АЦП1) и 14 (АЦП2) этот сигнал переводят в массив чисел в двоичном формате, а с помощью блоков быстрого преобразования Фурье 13 (БПФ1) и 15 (БПФ2) подвергают быстрому преобразованию Фурье. Таким образом, получают два массива чисел, соответствующих спектрам сигналов с выходов первого аналого-цифрового преобразователя 12 (АЦП1) {S1} второго аналого-цифрового преобразователя 14 (АЦП1) {S2}, где i - номер числа в массиве.
i
Полученные массивы чисел поступают на входы блока сравнения спектров 21 (БСС), который определяет поэлементную разницу между ними и формирует массив выравнивающих коэффициентов {K}:
i
i
i
{K}={S1/S2}.
Результаты этих операций сохраняют в памяти вычислительного устройства 17 (ВУ) в виде массивов данных.
Далее вход тестируемого шунта 9 подключают к выходным клеммам 8 источника импульсного тока 1 (ИИТ); который подключают к источнику напряжения переменного тока 7, напряжение которого повышают сетевым трансформатором 2 до напряжения, на 50% превышающего напряжение срабатывания коммутатора (газоразрядного устройства) 6. Выходное напряжение сетевого трансформатора 2 выпрямляют однополупериодным выпрямителем 3 и через резисторный ограничитель тока заряда 4 заряжают им накопитель энергии 5. При достижении напряжением на накопителе энергии 5 значения пробоя газоразрядного устройства 6 оно срабатывает, при этом на выходных клеммах источника импульсного тока 8 развивается напряжение, и накопитель энергии 5 разряжается через тестируемый шунт 9.
Ш,i
Т,i
Сигналы с выходов тестируемого шунта 9 и эталонного трансформатора тока 10 подают на входы блока регистрации и обработки сигнала 11 (БРОС) и с помощью аналого-цифровых преобразователей 12 (АЦП1) и 14 (АЦП2) переводят в массив чисел в двоичном формате, а с помощью блоков быстрого преобразования Фурье 13 (БПФ1) и 15 (БПФ2) подвергают быстрому преобразованию Фурье. Таким образом, получают два массива чисел, соответствующих спектрам сигналов с выходов тестируемого шунта {S} и эталонного трансформатора тока {S}, где i - номер числа в массиве.
Т,i
i
ТВ,i
Массив чисел, соответствующий спектру сигнала с выхода эталонного трансформатора тока {S}, подают на вход блока функционального преобразования 16 (БФП), где поэлементно умножают на массив выравнивающих коэффициентов {K}, получая, таким образом, выравненный спектр сигнала с выхода эталонного трансформатора тока {S}:
ТВ,i
i
T,i
{S}={K*S}.
Ш,i
Ш,i
ТВ,i
После чего вычислительное устройство 17 (ВУ) определяет массив данных, соответствующих комплексному коэффициенту передачи токового шунта 9 {K}. Для этого вычислительное устройство 17 (ВУ) реализует поэлементное деление массивов {S} и {S}:
Ш,i
Ш,i
ТВ,i
{K}={S / S}.
Модуль комплексного коэффициента передачи токового шунта 9 является его амплитудно-частотной характеристикой, а аргумент - фазочастотной характеристикой.
Результаты расчета комплексного коэффициента передачи шунта 9 также сохраняют в памяти вычислительного устройства 17 (ВУ) в виде массивов данных.
Визуализацию амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик токового шунта 9 производят посредством дисплея 18 (Д).