Устройство для измерений силы электрического тока

Область техники
Полезная модель относится к измерительной технике и может найти применение для измерений силы электрического тока в электрических цепях и установках.
Уровень техники
Для измерений силы электрического тока без разрыва контролируемой цепи обычно применяют измерительные приборы, включающие измерительный блок и подключаемый к нему с помощью разъема датчик тока, выполненный на основе электромагнитного трансформатора или датчика Холла, в том числе с разъемным магнитопроводом (так называемые токоизмерительные клещи). Датчик тока содержит масштабный преобразователь тока в пропорциональное значение тока, обычно меньшей величины или в пропорциональное значение напряжения. Измерительный блок может содержать цепи нормализации аналогового сигнала, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифровое вычислительное устройство (ЦВУ), выполненное на основе, например, микроконтроллера. Для повышения точности измерений измерительные приборы с ЦВУ во время производства проходят программную юстировку, при которой происходит измерение данным прибором силы эталонного тока и вычисляется поправочный коэффициент, который затем записывается в энергонезависимое постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) ЦВУ и в дальнейшем используется при обработке результатов измерений. Такая методика описана, в частности, в патенте US 11327139B2.
Для расширения диапазона измерений тока к измерительному блоку могут подключаться через разъем токоизмерительные клещи с разными пределами измерений. Токоизмерительные клещи в силу их конструктивных особенностей обладают сравнительно невысокой точностью, поэтому для повышения точности измерений силы тока каждые клещи индивидуально настраиваются совместно с конкретным измерительным блоком для обеспечения установленной точности. Так, в частности, делается на предприятии, изготавливающем эталонные средства измерений, ООО «НПП Марс-Энерго», https://www.mars-energo.ru/home/pribory-kontrolya-kachestva-i-ucheta-elektroenergii/tokovyie-kleshhi1.html. В этом случае, замена клещей, вышедших из строя, на исправные должна производиться на предприятии-изготовителе измерительного блока с соответствующей его программной юстировкой, что неудобно. Кроме того, для трехфазных измерителей тока, каждый измерительный канал (каждая фаза) настраивается на свои клещи и их соединение не со своей фазой измерительного блока приводит к снижению точности измерений.
Наиболее близким техническим решением, принятым в качестве прототипа, является устройство измерений тока по патенту CN105388356A (Китай). Это устройство содержит в своем составе датчик тока, цепи нормализации аналогового сигнала, АЦП, процессор и накопитель данных, причем АЦП, процессор и накопитель данных могут быть объединены в одной микросхеме. Процессор вычисляет измеренное значение тока по формуле:
Y=(k⋅X - b),
где X - текущее значение измеряемой величины, Y - текущее значение цифрового кода после пересчета, k и b - параметры компенсации погрешностей коэффициента передачи и постоянного смещения сигнала датчика, которые хранятся в накопителе данных. Недостатком известного устройства является увеличение погрешности измерения устройства при замене датчика тока на другой, аналогичный или имеющий другой предел измерения.
Раскрытие существа полезной модели
Технический результат полезной модели - повышение точности измерения силы тока и снижение трудоемкости эксплуатации устройства.
Предметом полезной модели, обеспечивающим получение указанного результата, является энергонезависимое ПЗУ, включенное в состав датчика тока и связанное через разъем с ЦВУ устройства.
Осуществление полезной модели
Структуру устройства иллюстрирует фиг. 1.
Датчик тока 1, содержащий масштабный преобразователь тока 3 и ПЗУ 4, присоединен к измерительному блоку 2 через разъем 5. Измерительный блок 2 содержит цепь нормализации аналогового сигнала 6, АЦП 7 и ЦВУ 8, причем цепь нормализации аналогового сигнала 6 подключена входом через разъем 5 к масштабному преобразователю 3, а выходом - к аналоговому входу АЦП 7, цифровой выход которого подключен к ЦВУ 8. ПЗУ 4 через разъем 5 также связано с ЦВУ 8.
Заявленное устройство работает следующим образом.
Y
После изготовления, в процессе наладки и юстировки на вход измерительного блока 2 через разъем 5 подаются сигналы Х от источника эталонного тока или напряжения (калибратора), амплитуд, соответствующих пределам входного диапазона измерительного блока 2. ЦВУ 8 принимает соответствующий выходной цифровой код АЦП 7 и преобразует его в выходную величину (цифровой код), соответствующую измеренному значению сигнала калибратора в вольтах или амперах, и поступающую на вход ЦВУ 8. Эта величина (обозначим ее ) может быть записана в виде соотношения
причем a- мультипликативная составляющая погрешности измерительного блока, a b - аддитивная.
0
0
m
=
При подаче на вход измерительного блока 2 сигнала Х равного нулю, из уравнения (1) можно определить постоянное смещение устройства: bY. При подаче от калибратора сигнала X, соответствующего пределу измерения устройства, можно вычислить мультипликативную составляющую, используя уравнение (1),
m
0
m
a=(Y - Y)/X,
m
m
где Y - показания устройства при Х=X.
Определим параметры коррекции, множитель k и слагаемое с, такие, что
Подставим Y, найденное из (1) в (2). Получим
При
уравнение (3) обращается в тождество.
При использовании формулы (2) с числамиk и с, найденными из (4), для расчета в ЦВУ 8 результата измерения, получим точный результат измерения. Эти числа записываются в энергонезависимое ПЗУ ЦВУ 8.
Присоединив датчик тока 1 через разъем 5 к измерительному блоку 2, пропустим через него эталонное значение тока I от калибратора. На выходе масштабного преобразователя тока 3 появится сигнал
причемd - мультипликативная составляющая погрешности датчика тока 1, g - аддитивная, а m - номинальный коэффициент передачи масштабного преобразователя тока 3.
0
0
m
При силе токе I равной нулю, из уравнения (5) можно определить постоянное смещение схемы g=X. При подаче от калибратора тока I, соответствующего пределу измерения датчика тока 1, можно вычислить мультипликативную составляющую погрешности, используя уравнение (5),
m
0
m
d=(X - X)/m⋅I,
m
m
где X - сигнал на выходе датчика тока при I=I.
T
Определим параметры коррекции, множитель k и слагаемое e, такие, что
X
Подставим , найденное из (5) в (6). Получим
При
уравнение (7) обращается в тождество.
T
Вычисленные в ЦВУ 8 значения k и e, а также m - номинальный коэффициент передачи масштабного преобразователя тока 3, ЦВУ 8 записывает через разъем 5 в энергонезависимую ПЗУ 4 датчика тока 1. Сюда же может быть записана информация о роде тока (переменный или постоянный), для измерения которого предназначен данный датчик тока.
T
После включения питания устройства ЦВУ 8 считывает из ПЗУ 4 датчика тока значения k, e и mи в дальнейшем использует их для расчета значений измеряемого тока.
Y
При проведении измерений силы тока предлагаемым устройством ЦВУ 8 преобразует цифровой код , поступающий на его вход по формуле
T
При замене датчика тока на другой (также прошедший предварительную юстировку, описанную выше) ЦВУ 8 при включении аналогично считывает данные k, e и mиз ПЗУ 4 нового датчика тока и поэтому точность измерений не ухудшается.