УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА УЧАСТКЕ ЦЕПИ

Полезная модель относится к технике измерения электрических величин, в частности характеристик электрического тока на участке цепи, в том числе - на высоковольтных импульсных установках.
Принципиально величину электрического тока можно измерять с помощью измерительного элемента - шунта, включенного последовательно в электрическую цепь на том ее участке, на котором необходимо провести измерения, либо с помощью трансформатора тока, например, пояса Роговского. Воздушный трансформатор тока - пояс Роговского - представляет собой тороидальную катушку, которая охватывает провод основного тока (Богатенков И.М., Бочаров Ю.Н., Гумерова Н.И. и др. Техника высоких напряжений. СПб, Энергоатом издат, 2003, с.560÷563). Фактически измеряется величина ЭДС, возникающая во вторичной цепи трансформатора, которая при соблюдении ряда условий пропорциональна величине магнитного поля генерируемого измеряемым током, которая в свою очередь пропорциональна производной тока. Величина тока получается как результат интегрирования.
Основным недостатком трансформатора является то, что с его помощью невозможно измерить ток на коаксиальном участке цепи, например, в коаксиальном кабеле. Трансформатор принципиально не позволяет измерять постоянную составляющую тока. Кроме того, для размещения трансформатора нужен достаточно длинный прямой участок проводника, что нежелательно особенно в импульсных установках, т.к. такой участок существенно увеличивает индуктивность измеряемой цепи и является источником электромагнитного излучения (помех), что снижает точность измерений.
Шунт - это калиброванное сопротивление, с которого снимается сигнал пропорциональный величине протекающего по шунту тока (Спектор С.А. Электрические измерения физических величин. Л. Энергоатомиздат, 1987, с 44, 45). Конструктивно шунты могут быть выполнены по-разному, например, в виде полос из высокоомного материала (манганина) и могут иметь четыре зажима. Включение шунта в цепь осуществляется с помощью токовых
зажимов, а падение напряжения на шунте снимается с потенциальных зажимов. Для измерения импульсных токов используются специальные бифилярные и коаксиальные шунты (Богатенков И.М., Бочаров Ю.Н., Гумерова Н.И. и др. Техника высоких напряжений. СПб, Энергоатомиздат, 2003, с.558÷560), конструкция которых позволяет снизить индуктивность шунта.
Одним из недостатков шунта является наличие прямой гальванической связи измеряемой и измерительной цепей, что создает опасность для аппаратуры и персонала, особенно в высоковольтных цепях, является источником электромагнитных помех.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для измерения электрического тока с помощью шунта, в котором для электрического разделения измерительной и измеряемой цепи используется оптическая линия развязки (Спектор С.А. Электрические измерения физических величин. Л. Энергоатомиздат, 1987, с 70, 71). Устройство состоит из шунта, включенного последовательно в цепь измеряемого тока, светодиода, включенного параллельно шунту, оптического канала связи - световода между светодиодом и приемником оптического излучения, узла измерения выходного сигнала приемника.
Измерение тока с помощью шунта - это прямое измерение тока, и при соблюдении ряда условий такие измерения более точны и достоверны, чем измерения с помощью трансформатора. В устройстве-прототипе исключена гальваническая связь измеряемой и измерительной цепи.
Недостатками прототипа являются вносимое шунтом возмущение в измеряемую цепь, что снижает точность измерений, необходимость разрывать измеряемую цепь для установки шунта, что технически не всегда возможно, и усложнение конструкции цепи вследствие установки шунта, что приводит к снижению надежности, особенно в высоковольтных цепях.
Предлагаемое устройство решает задачи повышения точности измерения электрического тока на участке любой цепи и надежности конструкции электрической цепи.
Задача решается устройством для измерения электрического тока на участке цепи, включающем шунт и светодиод, включенный параллельно шунту, приемник излучения светодиода, узел измерения выходного сигнала
приемника, электрически соединенный с приемником, и оптический канал связи между светодиодом и приемником, причем в качестве шунта используют часть проводника упомянутого участка цепи, и последовательно с упомянутым светодиодом дополнительно включены гальванический элемент и регулировочное сопротивление.
Использование в качестве шунта части проводника участка цепи позволяет не разрывать измеряемую цепь, не вносить в нее искажения, неизбежно вызываемые при установке нового узла - шунта, и, таким образом, повысить точность измерения тока на различных участках любых электрических цепей, например, коаксиальных кабелях, шинах, шинопроводах и т.п., повысить надежность конструкции цепи, а также упростить процесс измерения тока.
Гальванический элемент необходим для создания напряжения смещения, величина которого должна быть больше, чем ожидаемая величина напряжения полезного сигнала, снимаемого с шунта. Это обеспечивает возможность измерения электрического тока любого направления (как прямого, так и обратного) и позволяет вести измерения на линейном участке характеристики светодиода для обеспечения точности измерений.
Регулировочное сопротивление необходимо для того, чтобы при отсутствии в измеряемой цепи электрического тока величина тока светодиода могла бы соответствовать средней части линейного участка его вольтамперной характеристики. Это надежно обеспечивает повышение точности измерений, а также наибольший диапазон токов, измеряемых без искажения.
На Фиг. схематически изображено предлагаемое устройство, в данном примере измеряющее ток на участке коаксиального кабеля, где:
1 - центральная жила коаксиального кабеля;
2 - изолятор;
3 - внешняя оплетка коаксиального кабеля (точками отмечены места подключения устройства);
4 - внешняя изоляция кабеля (в местах подключения устройства внешняя изоляция снята);
5 - гальванический элемент;
6 - регулировочное сопротивление;
7 - светодиод;
8 - приемник излучения светодиода и узел измерения выходного сигнала приемника.
В качестве шунта выступает участок коаксиального кабеля. Параллельно участку цепи кабеля присоединены последовательно включенные гальванический элемент 5, регулировочное сопротивление 6, светодиод 7, сигнал с которого поступает на приемник излучения и узел измерения выходного сигнала приемника 8.
Устройство работает следующим образом.
При его подключении к участку цепи и при отсутствии тока в измеряемой цепи через светодиод 7 течет ток от гальванического элемента 5, и приемник оптического излучения 8 дает сигнал, соответствующий нулевому значению тока. При протекании в измеряемой цепи тока в том или ином направлении падение напряжения на участке проводника складывается, либо вычитается из напряжения гальванического элемента 5, соответственно, ток через светодиод 7 падает или растет, и, соответственно, падает или растет пропорционально току выходной сигнал устройства, снимаемый с приемника оптического излучения 8. Рабочий диапазон выбирается на линейном участке характеристики светодиода 7. Регулировка выходного сигнала может осуществляться изменением длины участка цепи, к которому присоединено устройство, и регулировочным сопротивлением 6.
Пример конкретного исполнения.
Решалась задача измерения электрического тока по длине ствола коаксиальной плазменной пушки. При подаче газа в пушку между стволом и центральным электродом происходит разряд, который под действием электромагнитных сил разгоняется вдоль ствола пушки и выбрасывает плазму. Обратный ток по стволу пушки позволяет изучать характеристики разряда. Поскольку система коаксиальная, использовать трансформатор тока затруднительно, а разрезать ствол и установить шунт значило бы внести практически неустранимые искажения в устройство. По длине ствола были размещены три заявляемых устройства. Ствол изготовлен из тонкостенной трубки из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т, толщина ствола 0,5 мм,
диаметр 40 мм. К стволу оловянным припоем припаяны измерительные контакты. Расстояние между контактами 20 мм, к контактам проводами припаяны последовательно включенные: светодиод 7 марки СДК-К624-7-20, сопротивление 6 типа ОЛМТ 1 Вт 500 Ом, гальванический элемент 5 - аккумулятор СА 12131212 В, 1.3 А/Н. Полярность батареи 5 выбирается таким образом (в соответствии со схемой Фиг.), чтобы в цепи через светодиод 7 протекал ток, и светодиод излучал свет. Светодиод 7 световодом соединен с фотоумножителем 8 ФЭУ-36, сигнал с которого выводится на осциллограф.
-5
Обоснуем выбор параметров заявляемого устройства. Расстояние между измерительными контактами выбирается исходя из конкретной задачи измерения тока. В нашем случае необходимо было измерять ток в конкретных точках контура. Соответственно, расстояние между измерительными контактами должно быть много меньше, чем расстояние между устройствами, измеряющими ток, но больше размера контактов. Длина ствола 400 мм, расстояние между устройствами 100 мм, т.е. расстояние между измерительными контактами не более 20 мм. Размер контактов (1÷2) мм, поэтому оптимальное расстояние между измерительными контактами 20 мм. Ожидаемая величина тока разряда не более ±100 кА. Расчетное электрическое сопротивление участка ствола между электродами 3·10 Ом, при этом напряжение на этом участке ±3 В. Если бы это напряжение, с учетом необходимости измерения токов малой величины и недостаточной чувствительности измерительного тракта, было мало, следовало бы увеличить расстояние между измерительными контактами, а если слишком велико - уменьшить. ЭДС гальванического элемента должна быть больше, чем величина ожидаемого напряжения измеряемого участка, т.е больше 3 В. Мы выбрали элемент с ЭДС=12 В, с тем, чтобы обеспечить необходимый запас по величине измеряемого тока, и с тем, чтобы обеспечить работу светодиода заведомо на линейном участке его характеристики. Мы использовали светодиод большой яркости, с тем, чтобы расширить диапазон измеряемых токов. Ток светодиода составляет 40 мА, а ток 20 мА соответствует середине линейного участка вольтамперной характеристики светодиода. Электрическое сопротивление светодиода ~50 Ом, т.о. для обеспечения в измерительной цепи тока такой величины необходимо, чтобы суммарное сопротивление измерительной цепи
4
было 550 Ом, что обеспечивается дополнительным сопротивлением 500 Ом. Измеряемый ток имел амплитуду 50 кА, и длительность первого полупериода тока составляла 20 мкс (частота 2,5·10 Гц). Т.о. амплитуда сигнала лежала в нужном диапазоне. В данном примере осуществлялась калибровка измерительной системы. Ствол пушки присоединялся к источнику питания пушки и по нему пропускался ток, амплитуда и длительность которого примерно соответствовали характеристикам измеряемого сигнала. Ток измерялся калиброванным трансформатором тока (поясом Роговского), а сигналы выводились на двулучевой осциллограф и сравнивались. После калибровки измерительная система позволила получить осциллограммы тока на разных участках ствола пушки в разных режимах разряда.
5
Следует заметить, что используя линейный участок характеристики светодиода (10÷30)мА, можно измерять ток амплитудой до 200 кА любой полярности. При частоте измеряемого тока выше 10 Гц необходимо учитывать скин-эффект, т.к. толщина скин-слоя в стволе газовой пушки становится порядка толщины ствола (Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике для инженеров и студентов Вузов. М. Наука, 1977, с 460, 461). Если необходимо измерять ток большей амплитуды, следует увеличить ограничительное сопротивление. Для измерения тока небольшой амплитуды можно уменьшить ограничительное сопротивление, а также увеличивать чувствительность измерительного тракта исходя из того, что все элементы измерительной схемы обладают высокой стабильностью, а уровень помех может быть существенно снижен.
Поскольку параметры всех элементов предлагаемого устройства: ток гальванического элемента, электрическое сопротивление, излучение светодиода, выходной сигнал ФЭУ обладают высокой стабильностью, а уровень помех существенно снижен, т.к. не применяются длинные провода и кабели, устройство обеспечивает высокую точность измерений, а отсутствие шунта, встроенного в цепь, повышает надежность конструкции.
Заявляемое устройство позволяет измерять как большие (кило- и мегаамперные), так и относительно небольшие (до нескольких ампер) величины постоянного, переменного и импульсного тока, в любом сочетании, в том числе, на коаксиальном участке цепи. На практике часто бывает
технически невозможно выполнить разрыв цепи для установки шунта, а измерение с помощью трансформатора также невозможно, в частности, на коаксиальных кабелях. Благодаря предлагаемому устройству появляется возможность не разрывать измеряемую цепь, что упрощает процесс измерений и позволяет повысить надежность конструкции контура, особенно в высоковольтных сильноточных цепях, и фактически исключить возмущения, вносимые измерительной цепью в измеряемый контур, т.е. повысить точность измерений.