ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ШУНТ ДЛЯ ИМПУЛЬСНЫХ ТОКОВ
MEASUREMENT SHUNT FOR PULSE CURRENTS

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к конструкциям измерительных шунтов, предназначенных для измерения токов.
Широко известны измерительные шунты [1], которые имеют в конструкции резистивный элемент из манганина, выполняемый обычно в виде плоской пластины, или цилиндрической шины, или нескольких пластин (шин), расположенных параллельно. Этот элемент оконцовывается токовыми наконечниками, обычно выполняемыми из меди или латуни. Токовые наконечники подсоединяются к цепи, в которой необходимо измерить ток. Снятие сигнала напряжения, пропорционального протекаемому току, производится с помощью потенциальных выводов, установленных на токовых наконечниках. Функцию этих выводов, как правило, выполняют винты.
6
7
Существенными недостатками этой конструкции являются ограниченный частотный диапазон и, при измерении импульсных токов, искажение формы напряжения, снимаемого с датчика (по сравнению с измеряемым током). Это объясняется наличием собственной индуктивности шунта, которая начинает влиять на измерения при высоких скоростях нарастания тока - от 10…10 А/с и более.
Известные конструкции шунтов [1] являются прототипом изобретения.
Задачей изобретения является повышение технических характеристик измерительного токового шунта и расширение области его применения.
Техническим результатом, который обеспечивает изобретение, является расширение частотного диапазона и увеличение точности при измерении тока.
Технический результат достигается тем, что в заявляемом измерительном шунте параллельно потенциальным выводам устанавливается последовательная корректирующая RC-цепочка, а сигнал снимается с выводов конденсатора С.
Анализ заявляемого устройства показывает, что по сравнению с прототипом в устройстве изменена конструкция - появляется новый элемент, что соответствует критерию "новизна". В сравнении с аналогами этот элемент является отличительным, что дает основания считать, что изобретение имеет изобретательский уровень.
Предлагаемое изобретение поясняется графическими материалами:
на фиг.1 изображена электрическая схема замещения цепи шунта RC-цепью при измерении тока;
на фиг.2 изображены диаграммы тока 1, измеренного с помощью поверенного средства измерения, тока 2, измеряемого по шунту-прототипу, тока 3, измеряемого по шунту с RC-цепочкой, абсолютной погрешности 4 измерений между поверенным средством и шунтом с RC-цепочкой.
Шунт работает следующим образом.
ш
ш,
вых
Ток от внешнего источника J (см. фиг.1) протекает по шунту с параметрами цепи замещения L, R при этом напряжение U, снимаемое с элемента C в параллельно установленной RC-цепочке, является пропорциональным измеряемому току J.
вых
Используя теорию электрических цепей, можно установить связь между измеряемым током J и напряжением U на конденсаторе С. Для этого рассмотрим эквивалентную схему замещения шунтового датчика с RC-цепью (см. фиг.1).
ш
Пусть R>>R. Тогда ток нагрузки J в основном будет протекать через шунт, и можно записать:
<mrow><msub><mi>U</mi><mi>ш</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mi>ш</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>J</mi><mo>+</mo><msub><mi>L</mi><mi>ш</mi></msub><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>J</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow>
.
То же в операторном виде:
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>U</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>ш</mi></msub><mo>=</mo><mover accent="true"><mi>J</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>L</mi><mi>ш</mi></msub><mi>p</mi><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mi>ш</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
вых
ш
При установке RC-цепи параллельно шунту связь U на конденсаторе C с U
<mrow><msub><mi>U</mi><mi>ш</mi></msub><mo>=</mo><mi>R</mi><mo>⋅</mo><mi>C</mi><mfrac><mrow><mi>d</mi><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow>
.
То же в операторном виде:
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>U</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mi>ш</mi></msub><mo>=</mo><msub><mrow><mover accent="true"><mi>U</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>R</mi><mi>C</mi><mi>p</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>U</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>J</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
Подставляя (1) в (2) и выражая
через
, получим:
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>U</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mover accent="true"><mi>J</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mi>ш</mi></msub><mi>p</mi><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mi>ш</mi></msub></mrow><mrow><mi>R</mi><mi>C</mi><mi>p</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mover accent="true"><mi>J</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mi>R</mi><mfrac><mrow><mfrac bevelled="true"><mrow><msub><mi>L</mi><mi>ш</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mi>ш</mi></msub></mrow></mfrac><mi>p</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mi>R</mi><mi>C</mi><mi>p</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
вых
ш
ш
ш
Таким образом, для получения пропорциональности между измеряемым током J и выходным напряжением U необходимо, чтобы постоянные времени шунта L/R и корректирующей цепочки RС были равны. Тогда динамическое влияние тока J не будет проявляться ошибкой напряжения на L-составляющей шунта.
ш
ш
Для проверки работоспособности описанного шунта был проведен эксперимент, при котором по шунту пропускался однополярный импульс тока. Ток измерялся поверенными средствами измерения и сравнивался с сигналом, снимаемым с шунта и конденсатора RС-цепочки. Результаты представлены на фиг.2, на которой измеряемый ток 1 имеет однополярную форму, при этом измеряемый шунтом 75ШСМ300 этот же ток имеет форму 2. На рисунке видно резкое отличие этих сигналов по амплитуде, фазе и форме. Применение корректирующей цепи с параметрами R=1 кОм, С=80 нФ (что соотносится с постоянной времени, определяемой собственными параметрами шунта R=0,25 мОм, L=20 нГн) позволило измерить ток в виде сигнала 3. На фиг.2 видно, что скорректированная кривая 3 гораздо ближе к истинному току 1, чем нескорректированная кривая 2. Абсолютная погрешность измерения 4 показывает хорошую для практики точность предлагаемого способа корректировки.
Данное изобретение является промышленно применимым, так как может быть использовано при измерении импульсных токов, например, в технике магнитно-импульсной обработки металлов или в импульсных электромагнитных приводах сейсмоисточников. Проведенные опыты подтверждают работоспособность изобретения.
Известно множество других шунтов, имеющих более сложные резистивные элементы, чем у [1], например выполненные в виде коаксиальных цилиндров или в виде спиралей с целью уменьшения собственной индуктивности и увеличения частотного диапазона. Для их коррекции тоже может быть использована дополнительная RC-цепь. Таким образом, с помощью дополнительной RC-цепи можно расширить частотные характеристики любого измерительного шунта.
Использованная литература
1. Технические условия на шунты 75ШСМ ТУ25-04-3104-76.