УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ ЗНАЧЕНИЙ ТОКОВ
DEVICE FOR MEASURING SMALL CURRENT VALUES

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами.
Известно устройство, реализующее электромагнитный способ измерения тока (см. Информационно-измерительная техника и электроника, учебник: под ред. Г.Г. Раннева, М.: Издательский центр «Академия», 2007, стр. 298). Для перемещения подвижной части измерительного механизма в этом устройстве используется энергия системы, состоящей из плоской катушки (неподвижная часть) и сердечника (подвижная часть). Измеряемый ток подают в цепь плоской катушки и в результате этого сердечник, выполненный из пермаллоя, втягивается в зазор плоской катушки. Все это приводит к тому, что стрелка, жестко связанная с осью сердечника, отклоняется и в отсчетном устройстве измеряется величина тока.
Недостатком этого устройства можно считать низкую точность измерения, связанную со стрелочным отсчетом и эффектом параллакса.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип устройство, реализующее способ цифрового измерения электрических величин (RU 2567441 С1, 10.11.2015). Это устройство содержит первичный преобразователь, плоскую пластину, вогнутую пластину, элемент ввода электромагнитных колебаний, соединенный с выходом микроволнового генератора, элемент вывода электромагнитных колебаний, подключенный к входу детектора, и измеритель амплитудно-частотных характеристик. По принципу действия данного устройства, сначала измеряемую электрическую величину с помощью электромагнитной системы (первичный преобразователь) преобразовывают и потом этим преобразованным сигналом перестраивают резонансную частоту открытого резонатора. После этого измерением резонансной частоты перестроенного по частоте открытого резонатора осуществляют отсчет электрического сигнала в цифровом виде.
Недостатком этого известного технического решения является погрешность, связанная с изменением геометрических размеров плоской и вогнутой пластин из-за температурного влияния окружающей среды.
Техническим результатом заявляемого технического решения является повышение точности измерения малых значений токов.
Технический результат достигается тем, устройство содержит первичный преобразователь, выполненный в виде неподвижной катушки и подвижного сердечника, микроволновой генератор, детектор и источник измеряемого сигнала, введены отрезок прямоугольного волновода с прорезью по широкой стенке, перемещаемый по прорези вдоль волновода металлический штырь, усилитель и измеритель тока, причем выход источника измеряемого сигнала соединен с неподвижной катушкой, подвижной сердечник жестко связен со штырем, который электрически подключен к входу детектора, выход детектора через усилитель соединен с входом измерителя тока, выход микроволнового генератора соединен с волноводом.
Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, измерение амплитуды стоячей волны, возникающей в полости отрезка прямоугольного волновода с прорезью по широкой стенке, дает возможность измерить малое значение тока.
Наличие в заявляемом способе совокупности перечисленных существующих признаков позволяет решить задачу измерения малых значений токов на основе измерения амплитуды стоячей волны, возникающей в полости отрезка прямоугольного волновода с прорезью по широкой стенке с желаемым техническим результатом, т.е. повышением точности измерения.
На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства.
Данное устройство содержит источник измеряемого сигнала 1, первичный преобразователь 2, отрезок прямоугольного волновода 3, микроволновой генератор 4, детектор 5, соединенный с входом усилителя 6, и измеритель тока 7.
Устройство работает следующим образом. С выхода микроволнового генератора 4 сигнал подают на вход отрезка прямоугольного волновода 3. Выход отрезка волновода для образования в полости волновода режима стоячей волны закрыт металлической пластинкой. После этого с источника измеряемого сигнала 1 сигнал подают на неподвижную катушку первичного преобразователя 2. При прохождении тока через катушку подвижной сердечник первичного преобразователя, выполненный, например, из пермаллоя, втягивается в зазор неподвижной катушки. В результате, ввиду того, что подвижной сердечник жестко связан с металлическим штырем, последний будет перемещаться по прорези вдоль прямоугольного волновода 3. Металлический штырь в данном случае служит одновременно как элементом вывода электромагнитного сигнала из полости отрезка прямоугольного волновода, так и элементом передачи сигнала на вход детектора 5. При этом одна часть длины металлического штыря (другая часть длины штыря связана жестко с сердечником и электрически с детектором), опушенная перпендикулярно в полость волновода, должна соответствовать половине геометрического размера (высоты) узкой стенки отрезка прямоугольного волновода (пространство в полости волновода с максимальными значениями напряженностей электрических полей волн в волноводе). В рассматриваемом случае распространяющаяся по волноводу электромагнитная волна из-за того, что выход волновода закрыт пластинкой, отразится от металлической пластинки и в полости волновода образуется режим стоячей волны. Учитывая, что в данном случае металлический штырь под воздействием подвижного сердечника синхронно будет перемещаться по прорези вдоль волновода, по сигналу, снимаемому с помощью металлического штыря, можно судить о величине измеряемого тока.
Работа данного устройства основывается на использовании амплитуды стоячей электромагнитной волны в волноводе, образованной между входом и выходом волновода при распространении прямой волны по волноводу и отраженной (обратной) от металлической пластинки волны.
1
1
2
2
2
1
Как известно амплитуда стоячей волны в определенных точках имеет узлы и пучности. При известной длине 1 прямоугольного волновода в точках l=nλ/4, где n=1, 3, 5 и и.т. и λ - длина электромагнитной волны, амплитуда стоячей волны будет иметь максимумы, а в точках l=nλ/2, где n=0, 2, 4 и и.т. - минимумы. В соответствии с этим, если прорезь на поверхности вдоль волновода по его широкой стенке сделать так, чтобы началом прорези была точка l=nλ/2, а концом прорези -l=nλ/4, то при перемещении металлического штыря по прорези от ее начала до ее конца амплитуда стоячей волны однозначно изменится соответственно от минимального значения до максимального.
Таким образом, перемещение штыря по прорези вдоль волновода посредством сердечника даст возможность получить информацию об измеряемом токе. Для этого, как уже было отмечено выше, штырь подключается к входу детектора. В устройстве выходной сигнал последнего усиливается усилителем 6 и далее поступает на вход измерителя тока 7, где отражается информация о токе.
Таким образом, согласно предлагаемому техническому решению на основе использования втягивания подвижного сердечника в зазор неподвижной катушки и перемещения металлического штыря по прорези прямоугольного волновода, и вычислением амплитуды стоячей волны, можно обеспечить повышение точности измерения малых значений токов.
Предлагаемое устройство успешно может быть использовано в учебном процессе во многих технических вузах при проведении лабораторных работ по метрологии и измерительной технике.