Устройство для измерения переменного тока
ALTERNATING CURRENT MEASURING DEVICE

Предлагаемое устройство относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения малых токов инфранизких частот бесконтактным способом. Устройство ориентировано на использование в составе системы пофидерного контроля токов утечки в электрических сетях.
Известно устройство измерения переменного тока компенсационного действия [Лейтман В.Б., Мелик-Шахназаров A.M. Компенсационные измерительные преобразователи электрических величин. - М.: Энергия, 1978, стр. 103, рис. 4-9 в.]. Устройство содержит трансформатор тока с первичной обмоткой, измерительной обмоткой и компенсационной обмоткой, первый усилитель, преобразователь ток-напряжение, содержащий второй усилитель и резистор обратной связи. Измерительная обмотка подключена к входу первого усилителя, выход которого подключен к первому выводу компенсационной обмотки, второй вывод компенсационной обмотки подключен к преобразователю ток-напряжение.
Недостаток устройства связан с тем, что повышение точности ограничено наличием напряжения смещения нуля первого усилителя УС1. Это проявляется в том, что для повышения точности необходимо повышать коэффициент усиления первого усилителя УС1, а при повышении коэффициента усиления за счет смещения нуля возрастает постоянная составляющая на выходе усилителя, что приводит к неработоспособности устройства.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству (прототипом) является устройство измерения переменного тока (измерительный узел), входящий в состав электронного трансформатора тока [Пат. 2555524 РФ, МПК G01R 19/00. Электронный трансформатор тока / Рожнов Е.И. - Опубл. 10.07.2015, Бюл. №19.]. Измерительный узел устройства содержит трансформатор тока с первичной обмоткой, измерительной обмоткой и компенсационной обмоткой, предварительный усилитель (операционный усилитель), преобразователь напряжение-ток, состоящий из операционного усилителя и резистора, измерительная обмотка подключена ко входу операционного усилителя, выход операционного усилителя соединен с входом преобразователя напряжение-ток, выход преобразователя напряжение-ток подключен к компенсационной обмотке, полезный сигнал снимается с выхода операционного усилителя.
Прототип имеет следующий недостаток. Чем больше коэффициент усиления операционного усилителя, тем более точно будет происходить компенсация. Для повышения точности следует повышать коэффициент, но это сопряжено с возникновением проблемы, связанной с напряжением смещения нуля операционного усилителя. При очень большом коэффициенте на выходе операционного усилителя появляется постоянная составляющая, которая поступает на вход преобразователя напряжение-ток. В результате компенсирующий ток будет иметь постоянную составляющую, что приведет к несимметричной работе сердечника трансформатора или к его насыщению. Если же использовать усилитель переменного тока, то он будет иметь искажения амплитудно-частотной характеристики в области низких частот, что приводит к существенным искажениям сигнала на низких частотах. Таким образом, повышение точности ограничено наличием напряжения смещения нуля операционного усилителя.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение точности, в том числе снижение фазовых погрешностей при работе на инфранизких частотах.
Технический результат заключается в том, что за счет введенных блоков операционный усилитель может работать без местной отрицательной обратной связи, то есть с очень большим коэффициентом усиления, что приводит к повышению точности.
Поставленная задача достигается устройством для измерения переменного тока, содержащим трансформатор тока с первичной обмоткой, измерительной обмоткой и компенсационной обмоткой, операционный усилитель, преобразователь напряжение-ток, измерительная обмотка подключена к входу операционного усилителя, выход операционного усилителя соединен с входом преобразователя напряжение-ток, выход преобразователя напряжение-ток подключен к компенсационной обмотке, дополнительно введены цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), делитель, блок микроконтроллера, содержащий аналого-цифровой преобразователь (АЦП), измерительная обмотка одним выводом подключена к общему проводу, другим выводом подключена к первому входу операционного усилителя, выход операционного усилителя подключен к входу АЦП, информационный выход блока микроконтроллера соединен с входом ЦАП, а другой информационный выход блока микроконтроллера является выходом устройства, выход ЦАП соединен с входом делителя, выход делителя соединен со вторым входом операционного усилителя.
На фиг. приведена структурная схема устройства. Устройство содержит трансформатор тока 1 с первичной обмоткой 2, измерительной обмоткой 3 и компенсационной обмоткой 4, операционный усилитель 5, преобразователь напряжение-ток (ПНТ) 6, делитель 7, ЦАП 8, блок микроконтроллера 9, в состав которого входит АЦП 10. Измерительная обмотка 3 одним выводом подключена к общему проводу, другим выводом подключена к первому входу операционного усилителя 5. Выход операционного усилителя 5 соединен с входом преобразователя напряжение-ток бис входом АЦП 10, выход преобразователя напряжение-ток 6 подключен к компенсационной обмотке 4. Начало и конец компенсационной обмотки 4 подключены таким образом, что через нее реализуется отрицательная обратная связь по переменному току. Один информационный выход блока микроконтроллера 9 подключен к входу ЦАП 8, а другой информационный выход блока микроконтроллера является выходом устройства. Выход ЦАП 8 соединен с входом делителя 7, выход которого подключен ко второму входу операционного усилителя 5.
Устройство работает следующим образом.
1
2
2
Измеряемый переменный ток I поступает на первичную обмотку 2 трансформатора тока 1. На компенсационную обмотку 4 поступает компенсирующий ток I. За счет неидеальности компенсации возникает незначительное перемагничивание сердечника трансформатора тока 1. В результате на измерительной обмотке 3 появляется переменное напряжение, которое усиливается операционным усилителем 5. Операционный усилитель 5 не имеет местной отрицательной обратной связи, поэтому его коэффициент усиления равен собственному коэффициенту усиления, как правило, от 200000 до нескольких миллионов. Напряжение на измерительной обмотке 3 настолько мало, что операционный усилитель 5 работает в линейном режиме, то есть на его выходе формируется переменное напряжение, не достигающее значений питающего напряжения. С выхода операционного усилителя 5 переменное напряжение поступает на вход преобразователя напряжение-ток 6, на выходе которого формируется переменный ток I, который пропорционален входному напряжению.
Операционный усилитель 5 работает в линейном режиме, то есть амплитуда на его выходе не становится слишком большой за счет действия отрицательной обратной связи по переменному току через трансформатор тока 1. Амплитуда напряжения на выходе операционного усилителя 5 автоматически устанавливается такой, чтобы наступила компенсация измеряемого тока компенсирующим током. То обстоятельство, что коэффициент усиления операционного усилителя 5 очень большой, приводит не к тому, что на его выходе увеличивается амплитуда, а к тому, что на его входе амплитуда напряжения уменьшается, то есть наступает более точная компенсация.
1
2
2
1
За счет большого коэффициента усиления операционного усилителя 5 достигается точная компенсация измеряемого тока I компенсирующим током I. Так как выходное напряжение операционного усилителя 5 пропорционально компенсирующему току I, выходное напряжение операционного усилителя 5 пропорционально измеряемому току I.
Любой операционный усилитель имеет параметр - напряжение смещения нуля, поэтому операционные усилители практически никогда не могут работать без отрицательной обратной связи по постоянному току. Для устранения этого недостатка в предлагаемом устройстве реализована автоматическая коррекция напряжения смещения нуля, которая работает периодически. Следует отметить, что любая корректировка смещения нуля непрерывного действия вносит искажения общей амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик устройства, особенно в области низких частот. В предлагаемом устройстве автоматическая корректировка нуля периодического действия реализуется с помощью блока микроконтроллера 9, ЦАП 8 и делителя 7.
С выхода операционного усилителя 5 сигнал поступает на вход АЦП 10, который входит в состав блока микроконтроллера 9. Блок микроконтроллера 9 выполнен с возможностью осуществления многократного измерения мгновенных значений напряжения, поступающего на вход АЦП. В блоке микроконтроллера 9 выделяется постоянная составляющая измеряемого напряжения, в соответствии с этим вырабатывается корректирующее значение для компенсации напряжения смещения нуля операционного усилителя 5. Корректирующее значение передается в ЦАП 8. Важным является то, что коррекция производится периодически, изменения корректирующего напряжения происходят в промежутках между измерениями переменного тока, а в процессе измерения переменного тока корректирующее напряжение остается неизменным.
Кроме этого, в блоке микроконтроллера производится вычисление параметров измеряемого тока, например, действующего (среднеквадратичного) значения тока. Все это осуществляется по одному из известных алгоритмов. Например, с помощью метода наименьших квадратов или с помощью преобразования Фурье. Результат передается на второй информационный выход блока микроконтроллера 9.
Связь информационного выхода блока микроконтроллера 9 с входом ЦАП 8 осуществляется по одному из известных интерфейсов, это может быть, например, SPI, I2C или любой другой. На выходе ЦАП 8 формируется постоянное напряжение, которое пропорционально требуемому корректирующему значению напряжения смещения нуля. Диапазон возможных значений напряжения на выходе ЦАП 8 исчисляется вольтами, например, от -5 В до +5 В. Это напряжение поступает на делитель, на выходе которого формируется напряжение, соизмеримое с напряжением смещения нуля операционного усилителя 5. Например, максимальное напряжение смещения нуля для операционного усилителя типа ОР07 составляет 75 мкВ, при использовании этого операционного усилителя выходное напряжение делителя должно меняться в пределах от -75 мкВ до +75 мкВ. Исходя из конкретных цифр рассчитываются резисторы R1 и R2 делителя.
Следует отметить, что существуют современные операционные усилители с очень малым напряжением смещения нуля. Но, каким бы ни был операционный усилитель, напряжение смещения нуля всегда есть, это означает, что он не может работать при полном отсутствии отрицательной обратной связи по постоянному току. Например, если операционный усилитель имеет напряжение смещение нуля 1 мкВ, а коэффициент усиления 1000000, то на его выходе будет постоянная составляющая напряжения 1 В. Этого вполне достаточно чтобы за счет постоянной составляющей тока компенсирующей обмотки сердечник трансформатора вошел в насыщение.
Также существуют операционные усилители с коррекцией смещения нуля. Они не подходят для работы в таких измерительных схемах из-за большого шума на его выходе. Кроме того, типичное значение напряжения смещения для операционного усилителя с автокоррекцией нуля - порядка 1 мкВ, то есть смещение все равно есть.
Таким образом, за счет совокупности работы описанных блоков и их связей достигается возможность работы операционного усилителя 5 без местной обратной связи и при этом решается проблема наличия напряжения смещения нуля. То есть появляется возможность увеличивать коэффициент усиления и при этом смещение нуля не будет мешать. Большой коэффициент усиления операционного усилителя 5 обеспечивает точную компенсацию измеряемого тока компенсирующим током, в результате повышается точность измерения.