УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ВЕБЕР-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЛЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
WEBER-AMPERE CHARACTERISTICS MEASURING DEVICE FOR ELECTRICAL DEVICES

Изобретение относится к магнитным измерениям и предназначено для измерения вебер-амперных характеристик электротехнических устройств.
Известно устройство для измерения характеристик магнитомягких материалов без нанесения измерительной обмотки [Испытание магнитных материалов и систем. / Е.В. Комаров, А.Д. Покровский, В.Г. Сергеев, А.Я. Шихин. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - С. 243-244], которое содержит последовательно соединенные источник питания, намагничивающую обмотку, нанесенную на испытуемый образец, измерительный шунт, к выходу источника питания последовательно присоединены масштабирующее устройство, первый вход интегросуммирующего усилителя, первый вход регистрирующего устройства, к выходу измерительного шунта присоединен вход усилителя, к выходу которого присоединен второй вход регистрирующего устройства и второй вход интегросуммирующего усилителя.
Напряжение на выходе источника питания определяется выражением:
н
где I - ток, протекающий через намагничивающую обмотку; R - активная составляющая сопротивления намагничивающей обмотки; dФ - изменение магнитного потока, пронизывающего намагничивающую обмотку за время dt; k - коэффициент, определяемый количеством витков намагничивающей обмотки, длиной магнитной линии, площадью сечения испытуемого образца.
н
Перенеся IR в левую часть уравнения и проведя интегрирование по времени обеих частей уравнения, получим формулу, по которой интегросумматор рассматриваемого устройства вычисляет магнитный поток:
Выражение (2) реализуется при соблюдении условия:
1
2
му
у
ш
н
где R - сопротивление резистора, определяющего коэффициент передачи по первому входу интегросумматора; R - сопротивление резистора, определяющего коэффициент передачи по второму входу интегросумматора; k - коэффициент передачи масштабирующего устройства; k - коэффициент усиления усилителя; R - сопротивление шунта. Активную составляющую R сопротивления намагничивающей обмотки предварительно определяют и потом используют при вычислении магнитного потока.
н
Недостатком устройства является то, что в процессе измерения, вследствие протекания по намагничивающей обмотке тока, происходит ее нагрев, а увеличение температуры намагничивающей обмотки вызывает увеличение активной составляющей R ее сопротивления, что приводит к нарушению условия (3).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа «Устройство для измерения характеристик магнитомягких материалов» (патент РФ. №2390789, 01.04.2009, G01R 33/12), содержащее последовательно соединенные источник питания, намагничивающую обмотку, нанесенную на испытуемый образец, измерительный шунт, к выходу источника питания последовательно присоединены масштабирующее устройство, первый вход интегросуммирующего усилителя, первый вход регистрирующего устройства, к выходу измерительного шунта присоединен вход усилителя, к выходу которого присоединен второй вход регистрирующего устройства, дифференциатор, вход которого соединен с выходом усилителя, делитель, первый вход которого соединен с выходом масштабирующего устройства, нуль-орган, вход которого соединен с выходом дифференциатора, аналого-цифровой преобразователь, первый вход которого соединен с выходом делителя, а второй - с выходом нуль-органа, регистр, первый вход которого соединен с первым выходом аналого-цифрового преобразователя, а второй - со вторым выходом аналого-цифрового преобразователя, цифроаналоговый преобразователь, первый вход которого соединен с выходом регистра, а второй - с выходом усилителя, выход цифроаналогового преобразователя соединен со вторым входом интегросуммирующего усилителя.
Недостатком данного устройства является следующее.
Определение потока в испытуемом образце осуществляется по выражению:
.
н
Результат измерения представляет собой массив пар значений магнитного потока и тока, что не удобно при хранении данных и их обработке. Кроме того, в процессе измерения, вследствие протекания по намагничивающей обмотке тока, происходит ее нагрев, что вызывает увеличение активной составляющей ее сопротивления R, что приводит к появлению погрешности в результатах измерения магнитного потока.
В [Горбатенко Н.И., Ланкин М.В., Ланкин A.M. Решение обратной задачи гармонического баланса методом натурно-модельных испытаний электротехнических устройств // В сборнике: Пром-Инжиниринг труды международной научно-технической конференции. ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет). Челябинск, 2015. С. 242-244, Ланкин A.M., Ланкин М.В. Решение обратной задачи гармонического баланса в натурно-модельном эксперименте определения вебер-амперных характеристик электротехнических изделий. - М.: ООО "Книжный перекресток", 2015. - 127 с.] вебер-амперные характеристики (ВАХ) электротехнических устройств, подключенных к источнику синусоидального напряжения  - амплитуда напряжения, ω - угловая частота), предлагается определять не как массив пар значений магнитного потока и тока, а в виде аппроксимирующей вебер-амперную характеристику кривой вида:
,
(2m-1)
(2m-1)
где ψ - значение магнитного потокосцепления, k - коэффициенты аппроксимирующего ВАХ выражения, n - количество слагаемых в аппроксимирующем выражении, i - сила тока через электротехническое изделия, , I - амплитуда (2m+1)-й гармоники тока.
Активное сопротивление [Евсюков А.А. Электротехника - М.: Просвещение, 1979. - С. 22-25] в цепи, содержащей активное и реактивное сопротивления, можно определить по формуле:
max
Imax
где I - максимальное значение тока, U - напряжение при максимальном значении тока.
С учетом этого факта и известных законов изменения тока и напряжения уравнение (1) можно записать в следующем виде:
.
(2m-1)
Выбрав значения аргументов из интервала [0; π/2], составляется система из n линейных уравнений и решается, в результате получаем коэффициенты k аппроксимирующего ВАХ выражения:
.
где  - коэффициенты (рассчитываются заранее), зависящие от номера учитываемой гармоники тока (2n-1) и номера коэффициента аппроксимирующего ВАХ выражения (2m-1) [Ланкин A.M., Ланкин М.В., Гречихин В.В., Шайхутдинов Д.В. Определение гистерезисных магнитных характеристик методом решения обратной задачи гармонического баланса // Фундаментальные исследования. 2015. №8-2. С. 303-306].
(2m-1)
Таким образом, измеряя амплитуды: нечетных гармоник тока (обычно не более трех) и подводимого к намагничивающей обмотке напряжения, а также определяя значение подводимого к намагничивающей обмотке напряжения в момент, когда ток в намагничивающей обмотке принимает максимальное значение, можно определить коэффициенты k аппроксимирующего ВАХ выражения. Из расчета устранена активная составляющая сопротивления обмотки электротехнического изделия, а значит, отсутствует температурная погрешность, вносимая изменением активного сопротивления цепи обмотки электротехнического изделия, учтен несинусоидальный характер формы тока и исключена операция интегрирования, приводившая к накапливанию этой погрешности.
Технической задачей изобретения является повышение точности измерений вебер-амперных характеристик за счет снижения погрешности, вызванной изменением активной составляющей сопротивления намагничивающей обмотки.
Указанная техническая задача достигается с помощью устройства измерения вебер-амперных характеристик электротехнических устройств, содержащего последовательно соединенные источник питания, намагничивающую обмотку, нанесенную на испытуемый образец, измерительный шунт, к выходу источника питания последовательно присоединен вход масштабирующего устройства, а к выходу измерительного шунта подключен вход усилителя, кроме того, устройство содержит дифференциатор, вход которого соединен с выходом усилителя, нуль-орган, вход которого соединен с выходом дифференциатора, аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи, кроме того, согласно изобретению оно дополнительно снабжено четырьмя амплитудными детекторами, коммутатором, многополосным фильтром, первым и вторым устройствами выборки и хранения, персональным компьютером, вход первого амплитудного детектора, соединен с выходом масштабирующего устройства, выход первого амплитудного детектора подключен к первому входу коммутатора, к выходу усилителя присоединен вход многополосного фильтра, первый выход которого соединен с входом второго амплитудного детектора, выход которого подключен со вторым входом коммутатора, второй выход которого соединен с входом третьего амплитудного детектора, выход которого подключен с третьим входом коммутатора, третий выход которого соединен с входом четвертого амплитудного детектора, выход которого подключен с четвертым входом коммутатора, выход ноль-органа соединен с первыми входами первого и второго устройств выборки и хранения, вторые входы первого и второго устройств выборки и хранения соединены с выходами усилителя и масштабирующего устройства соответственно, а выходы первого и второго устройств выборки и хранения присоединены к пятому и шестому входам коммутатора соответственно, выход коммутатора подключен к входу аналогово-цифрового преобразователя, выход аналогово-цифрового преобразователя присоединен к входу персонального компьютера, к первому выходу которого подключен вход цифроаналогового преобразователя, выход цифроаналогового преобразователя присоединен к входу источника питания, второй выход персонального компьютера соединен со вторыми входами четырех амплитудных детекторов и третьими входами первого и второго устройств выборки и хранения.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых элементов: два устройства выборки и хранения, коммутатор, персональный компьютер, четыре амплитудных детектора, многополосный фильтр и их связи с другими элементами.
Следовательно, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения «новизна».
На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства измерения вебер-амперной характеристики электротехнического устройства.
Устройство для измерения вебер-амперных характеристик электротехнических устройств содержит последовательно соединенные источник питания 1, намагниченную обмотку 2, нанесенную на испытуемый образец 3, измерительный шунт 4, к выходу которого подключен вход усилителя 6, к выходу источника питания 1 присоединен вход масштабирующего устройства 5. Кроме того, устройство содержит дифференциатор 7, вход которого соединен с выходом усилителя 6, нуль-орган 8, вход которого соединен с выходом дифференциатора 7, аналого-цифровой 9 и цифроаналоговый преобразователи 10. Предлагаемое устройство также снабжено четырьмя амплитудными детекторами 11, 12, 13, 14, коммутатором 15, многополосным фильтром 16, первым и вторым устройствами выборки и хранения 17, 18, персональным компьютером 19. Вход первого амплитудного детектора 11 соединен с выходом масштабирующего устройства 5, выход первого амплитудного детектора 11 подключен к первому входу коммутатора 15, к выходу усилителя 6 присоединен вход многополосного фильтра 16, первый выход которого соединен с входом второго амплитудного детектора 12, выход которого подключен со вторым входом коммутатора 15, второй выход многополосного фильтра 16 соединен с входом третьего амплитудного детектора 13, выход которого подключен с третьим входом коммутатора 15, третий выход многополосного фильтра 16 соединен с входом четвертого амплитудного детектора 14, выход которого подключен с четвертым входом коммутатора 15, выход нуль-органа 8 соединен с первыми входами первого и второго устройств выборки и хранения 17, 18, вторые входы первого и второго устройств выборки и хранения 17, 18 соединены с выходами усилителя 6 и масштабирующего устройства 5 соответственно, а выходы первого и второго устройств выборки и хранения 17, 18 присоединены к пятому и шестому входам коммутатора 15 соответственно, выход коммутатора 15 подключен к входу аналогово-цифрового преобразователя 9, выход аналогово-цифрового преобразователя 9 присоединен к входу персонального компьютера 19, к первому выходу которого подключен вход цифроаналогового преобразователя 10, выход цифроаналогового преобразователя 10 присоединен к входу источника питания 1, второй выход персонального компьютера 19 соединен со вторыми входами четырех амплитудных детекторов 11, 12, 13, 14 и третьими входами первого и второго устройств выборки и хранения 17, 18.
Устройство работает следующим образом.
1
1
11
11
2
2
6
17
16.1
16.2
16.3
12
13
14
6
2
7
7
2
8
7
max
Imax
(2р-1)
a
С первого выхода персонального компьютера 19 на вход цифроаналогового преобразователя 10 поступает цифровой код, соответствующий по форме синусоидальному напряжению заданной амплитуды. Цифроаналоговый преобразователь 10 преобразует этот цифровой код в управляющее работой источника питания 1 напряжение. С выхода источника питания 1 на намагничивающую обмотку 2, нанесенную на испытуемый образец 3, подается напряжение U (фиг. 2). Одновременно напряжение U поступает на вход масштабирующего устройства 5, где изменяется по амплитуде до приемлемого для подачи на вход первого амплитудного детектора 11 уровня U и управляется процессом запоминания второго устройства выборки и хранения 18. Амплитудный детектор 11 выделяет максимальный сигнал напряжения U и подает его на первый вход коммутатора 15. В обмотке 2 протекает ток I, форма которого определяется видом магнитной характеристики испытуемого образца 3. С выхода измерительного шунта 4 напряжение, пропорциональное току I (см. U) в намагничивающей обмотке 2, поступает на вход усилителя 6 и усиливается до уровня, необходимого для работы многополосного фильтра 16 и первого устройства выборки и хранения U. Многополосный фильтр 16 выделяет напряжения, пропорциональные первой U, третьей U и пятой U гармоникам тока. Амплитудные детекторы 12, 13, 14 выделяют максимальные значения этих гармоник U, U, U и передают их на второй, третий и четвертый входы коммутатора 15. Так же напряжение U подается на вход дифференциатора 7, которым вычисляется производная напряжения, пропорционального току I (см. U), нуль-орган 8 определяет момент перехода напряжения U через нулевое значение, что соответствует максимуму тока I. С выхода ноль-органа 8 сигнал U поступает на вторые входы устройств выборки и хранения 17, 18, в результате чего происходит запоминание ими напряжения, пропорционального максимальному току, U и напряжения с выхода масштабирующего устройства 5. Эти напряжения подаются на пятый и шестой входы коммутатора 15. Коммутатор 15 поочередно подключает 1-6 входы, через свой выход, к входу аналого-цифрового преобразователя 9, где преобразуют аналоговые сигналы в цифровой код, который передается на вход персонального компьютера 19. Персональный компьютер 19 вычисляет, используя эти коды, коэффициенты аппроксимирующего ВАХ выражения по формуле , где I - максимальное значение тока, U - напряжение при максимальном значении тока,  - коэффициенты (рассчитываются заранее), зависящие от номера учитываемой гармоники тока (2n-1) и номера коэффициента аппроксимирующего ВАХ выражения (2m-1),  - коэффициенты (рассчитываются заранее), зависящие от номера учитываемой гармоники тока, I - амплитуда (2р-1)-й гармоники тока, U - амплитуда напряжения, ω - угловая частота, m - количество слагаемых в аппроксимирующем выражении.
19.2
По завершении вычисления на втором выходе персонального компьютера 19 вырабатывается сигнал сброса U и начинается новый цикл измерения.
Устройство, например, может быть выполнено следующим образом:
- измерительный шунт 4, масштабирующее устройство 5, усилитель 6, дифференциатор 7, нуль-орган 8, аналого-цифровой преобразователь 9, цифроаналоговый преобразователь 10, как в прототипе;
- амплитудные детекторы 11, 12, 13, 14, согласно [Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Том 1. - М.: Москва, 1986 г. - 369 с.];
- многополосный фильтр 16 согласно [Джонсон Д., Джонсон Дж., Мур. Г. Справочник по активным фильтрам. - М.: Энергоатомиздат. 1983. -125 с.];
- устройства выборки и хранения 17, 18, например, на микросхеме LF398N [Герт Шонфелдер, Корнелиус Шнайдер, Измерительные устройства на базе микропроцессора, 4Tmega. - СПб.: БХВ - Петербург, 2012 г. - 288 с.];
- коммутатор 15, например, на микросхеме К590КН5 [О.Е. Аверченков, Основы схемотехники аналогово-цифровых устройств. - М.: Москва, 2012 г. - 79 с.];
- источник питания 1 представляет собой усилитель мощности [Е.Ф. Турута, Микросхемы усилителей мощности низкой частоты и их аналоги. - М.: Патриот. 1997 г. - 192 с.].
Исследования аналогов заявляемого устройства показали, что по сравнению с устройством аналогичного назначения (прототипом) заявляемое устройство обеспечивает повышение точности измерений ВАХ за счет снижения погрешности, вызванной изменением активной составляющей сопротивления намагниченной обмотки 2.
Предлагаемое изобретение наиболее целесообразно использовать на участке выходного контроля при производстве электротехнических устройств, что приведет к повышению выхода годной продукции.