АМПЕРМЕТР

Полезная модель относится к области измерения электрических величин, в частности к амперметрам, предназначенным для измерения силы переменного тока.
Широко распространены подобного рода амперметры, например, электромагнитной системы, содержащие подвижный измерительный механизм со стрелочным указателем и шкалой, по которой производится отсчет значения измеряемого тока, см. например, Арутюнов В.О. Расчет и конструирование электроизмерительных приборов, Госэнергоиздат, М-Л, 1956, с. 389-398, рис. 9-5.
Подвижный измерительный механизм в этом аналоге выполняет ту же функцию, что и схема измерения в предложенной полезной модели, а стрелочный указатель со шкалой выполняет функцию схемы отображения в заявленном амперметре.
Достоинства таких приборов состоят в простоте конструкции и дешевизне, а также в том, что такие приборы приводятся в действие непосредственно измеряемым током и не требуют внешнего источника питания.
Недостатки такого рода приборов состоят в том, что они имеют низкую точность измерения тока, длительная эволюция аналоговых (стрелочных) приборов позволила достичь точности измерения применительно к щитовым (панельным) приборам порядка 1.5%.
Дальнейшее повышение точности измерения было достигнуто применением электронных приборов с цифровым отсчетом, для которых обычной точностью являются значения (0.5-0.05) %. Такие цифровые амперметры содержат на входе измерительный преобразователь переменного тока в напряжение постоянного тока, которое поступает на вход аналого-цифрового преобразователя и отображается на цифровом индикаторе, см. патент США №4157501, кл. G01R 15/12, G01R 19/22, опубликован 5.06.1979 г.
Этот аналог, как и заявленный амперметр, содержит измерительный преобразователь и схему отображения, включающую в себя аналого-цифровой преобразователь и цифровой индикатор (дисплей).
Достоинства таких приборов состоят как в высокой точности измерения, так и в повышенной дальности отсчета показаний за счет применения цифровых индикаторов с соответствующими размерами цифр (знаков).
Недостатки таких приборов связаны с тем, что для их нормального функционирования необходим внешний источник питания в виде электрической сети переменного тока, или необходим источник питания постоянного тока (аккумулятор или батарея). Эти недостатки приводят не только к увеличению габаритов приборов и к их удорожанию, но главный недостаток состоит в том, что для надежной работы приборов необходимо обеспечить бесперебойное электропитание приборов. Поэтому на электростанциях, на электросетевых предприятиях создаются источники оперативного питания, представляющие собой сложные электротехнические устройства, обеспечивающие надежное бесперебойное энергоснабжение контрольно-измерительной аппаратуры и аппаратуры автоматики. Требования к источникам оперативного питания включают в себя такие специфические нормы как устойчивость к провалам и перерывам питающего напряжения, к выбросам напряжения, а также устойчивость к воздействию различного рода электромагнитных помех.
Все это приводит к существенному удорожанию контрольно-измерительной аппаратуры и, тем самым, ограничивает возможности по замене стрелочных приборов на более точные и с большими функциональными возможностями электронные приборы, которым требуется оперативное питание.
Наиболее близким аналогом к заявленному является амперметр переменного тока, питание электронных схем которого производится от источника измеряемого тока (self-powered - самопитаемый амперметр), см. патент США №4422039, кл. G01R 19/22, опубликован 20.12.1983 г.
Ближайший аналог содержит измерительный резистор, предназначенный для преобразования измеряемого тока в напряжение переменного тока, схему измерения, реагирующую на напряжение переменного тока на измерительном резисторе и формирующую на выходе напряжение постоянного тока, пропорциональное величине измеряемого переменного тока, а также схему отображения, реагирующую на упомянутое напряжение постоянного тока и визуально отображающую (индицирующую) значение измеряемого переменного тока.
Кроме того, аналог содержит трансформатор тока, первичная обмотка которого через измерительный резистор соединена с входом амперметра, а также схему источника питания, вход которой соединен с вторичной обмоткой трансформатора тока, на выходе схемы источника питания формируется стабилизированное напряжение постоянного тока, которое используется для питания схемы измерения и схемы отображения.
Ближайший аналог содержит общие признаки с заявленным амперметром -наличие схемы измерения, схемы источника питания, схемы отображения, трансформатора тока, вторичная обмотка которого подключена к входу схемы источника питания, выход источника питания соединен с шинами питания схемы отображения, выход схемы измерения подключен к входу схемы отображения.
Признаки аналога, не совпадающие с заявленным амперметром.
Схема измерения выполнена в виде преобразователя напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока и содержит последовательно соединенные усилитель, выпрямитель и сглаживающий фильтр, выход которого служит выходом схемы измерения. Вход усилителя служит входом схемы измерения и подключен к измерительному резистору, который через первичную обмотку трансформатора тока подключен к источнику измеряемого сигнала. Выход схемы источника питания соединен с цепями питания схемы измерения.
Амперметр (аналог) работает следующим образом.
Измеряемый переменный ток поступает на последовательно соединенные измерительный резистор и первичную обмотку трансформатора тока. Измеряемый ток, протекающий по измерительному резистору, преобразуется измерительным резистором в напряжение переменного тока. Это напряжение переменного тока поступает на вход схемы измерения, усиливается усилителем, выпрямляется выпрямителем, сглаживается сглаживающим фильтром, далее в виде напряжения постоянного тока, пропорционального значению измеряемого переменного тока, поступает на вход схемы отображения, где преобразуется в цифровой код и отображается в виде цифрового значения на дисплее. Схема измерения в аналоге выполнена в виде преобразователя напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока.
Одновременно измеряемый переменный ток поступает на первичную обмотку трансформатора тока, с вторичной обмотки которого сигнал переменного тока поступает на вход схемы источника питания, где выпрямляется выпрямителем. Выпрямленный постоянный ток заряжает конденсатор, напряжение с которого через регулятор напряжения поступает на выход схемы источника питания и далее на цепи питания схемы измерения и цепи питания схемы отображения.
Таким образом, обеспечивается питание электронных элементов амперметра от источника измеряемого сигнала.
Недостатки ближайшего аналога состоят в следующем.
Применение измерительного резистора для преобразования силы измеряемого переменного тока в напряжение переменного тока, с последующим усилением сигнала, снимаемого с указанного резистора, увеличивает мощность, потребляемую от измеряемого сигнала. Это связано с тем, что на измерительном резисторе рассеивается некоторая мощность, и усилитель, необходимый для усиления сигнала, снимаемого с измерительного резистора, также потребляет некоторую мощность от источника питания.
Недостатки аналога наиболее полно проявляются при необходимости создания амперметра, измеряющие значительные по величине токи - 100 и более ампер. Так как мощность, рассеиваемая на измерительном резисторе, пропорциональна квадрату протекающего через него тока, то увеличение тока, приводит к разогреву измерительного резистора. Это, в свою очередь, вызывает необходимость в увеличении размеров измерительного резистора и заставляет принимать меры по отводу тепла из корпуса прибора. В конечном счете, увеличиваются габариты прибора, усложняется его конструкция и стоимость прибора.
Целью настоящей полезной модели является снижение мощности, потребляемой амперметром от измеряемого сигнала.
Поставленная цель достигается в полезной модели тем, что амперметр переменного тока, включающий в себя схему измерения, схему отображения, вход которой соединен с выходом схемы измерения, схему источника питания, выход которой соединен с шинами питания схемы отображения, а также трансформатор тока, вторичная обмотка которого подключена к входу схемы источника питания, дополнительно снабжен вторым трансформатором тока, вторичная обмотка которого соединена с входом схемы измерения, первичные обмотки первого и второго трансформаторов тока соединены последовательно и служат входом амперметры, причем схема измерения выполнена в виде преобразователя силы переменного тока в напряжение постоянного тока.
Техническим результатом, достигаемым приведенной совокупностью признаков полезной модели, является снижение мощности, потребляемой амперметром от источника измеряемого сигнала. Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана схема предложенного амперметра.
На фиг. 2 приведен возможный вариант выполнения схемы измерения амперметра.
На фиг. 3 показан другой возможный вариант выполнения схемы измерения амперметра.
Предложенный амперметр содержит трансформаторы тока ТТ1 и ТТ2 (см. фиг. 1), первичные обмотки которых включены последовательно и служат входом 3 амперметра. Кроме того, амперметр включает в себя схему измерения 4, схему отображения 5, схему источника питания 6.
Вторичная обмотка трансформатора тока ТТ1 соединена с входом схемы измерения 4, выход которой подключены к измерительному входу схемы отображения 5.
Вторичная обмотка трансформатора тока ТТ2 подключена к входу схемы источника питания 6, выход схемы источника питания 6 соединен с соответствующими шинами питания схемы отображения 5.
Схема измерения 4, в отличие от схемы измерения в аналоге, выполняет функцию преобразования силы переменного тока в напряжение постоянного тока (в аналоге схема измерения выполняет функцию преобразования напряжения переменного тока в напряжении е постоянного тока).
Схема отображения 5, как и в аналоге, выполняет функцию преобразования напряжения постоянного тока, поступающего с выхода схемы измерения, в цифровой код, значение которого отображается на дисплее, входящем в состав схемы отображения.
Схема источника питания 6, также как и в аналоге, представляет собой преобразователь силы переменного тока, поступающего с вторичной обмотки трансформатора тока ТТ2, в стабилизированное напряжение постоянного тока. Полученное напряжение постоянного тока используется для питания схемы отображения 5.
В качестве трансформаторов тока ТТ1 и ТТ2 могут быть использованы стандартные измерительные трансформаторы тока (ТТ), выполненные на тороидальных сердечниках из аморфных сплавов, например, могут быть использованы ТТ типов Т05АС, Т03-120 и др.
Схема измерения 4, выполняющая функцию преобразования силы переменного тока в напряжение постоянного тока, может быть выполнена согласно фиг. 2.
В этом варианте исполнения схема измерения содержит двухполупериодный выпрямитель 7 мостового типа на полупроводниковых диодах. Одна диагональ моста служит входом схемы измерения 7, вторая диагональ моста служит выходом выпрямителя 7 и нагружена на конденсатор 8, выполняющий функцию преобразования силы постоянного (выпрямленного) тока в напряжение постоянного тока. Выводы конденсатора 8 служат выходом схемы измерения 4.
Регулируемый резистор 9 включен параллельно конденсатору 8 и служит для масштабного преобразования выходного напряжения схемы измерения 4. (для целей калибровки амперметра).
Другой возможный вариант выполнения схемы измерения 4 показан на фиг. 3 В этом варианте исполнения схема измерения 4 содержит однополупериодный выпрямитель на диоде 10, который нагружен на конденсатор 11, параллельно которому включен регулируемый резистор 12.
Кроме того, схема измерения 4 содержит второй однополупериодный выпрямитель 13, нагруженный на конденсатор 14, параллельно которому включен регулируемый резистор 15.
Входы выпрямителей 10 и 13 соединены между собой и служат одним их входных выводов схемы измерения 4. Шина 16 объединяет выводы конденсаторов 11,14 и резисторов 12,15 и служит вторым входным выводом схемы измерения 4 и общей шиной схемы измерения.
Общая точка соединения диода 10 и конденсатора 11 служит одним из выходных выводов схемы измерения 4, а общая точка соединения диода 13 и конденсатора 14 служит вторым выходным выводом схемы измерения 4.
Отличия выпрямителей 10 и 13 состоят в том, что они выполнены разнополярными, если диод 10 подключен к входному выводу схемы измерения 4 положительным электродом (анодом), то диод 13 подключен к этому же выводу отрицательным электродом (катодом).
По существу, элементы 10,11,12 выполняют функцию преобразования силы переменного тока в напряжение постоянного тока положительной полярности, а элементы 13,14,15 выполняют функцию преобразования силы переменного тока в напряжение постоянного тока отрицательной полярности, а шина 16 выполняет функцию общей шины схемы измерения 4, относительно которой формируются разнополярные напряжения постоянного тока.
Возможны и другие варианты исполнения схемы измерения 4 по известным схемам, важно лишь то, чтобы схема измерения выполняла функцию преобразования силы переменного тока в напряжение постоянного тока.
Схема отображения 5, также как и в аналоге, содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП), выполненный в виде стандартной микросхемы, например ICL7136, включенной по схеме, рекомендуемой изготовителем микросхемы. Измерительный вход АЦП служит входом схемы отображения, выводы питания микросхемы служат шинами питания схемы отображения, а цифровые выходы АЦП соединены с дисплеем. Предпочтительно в качестве дисплея использовать жидкокристаллический индикатор (ЖК-индикатор), например, стандартный индикатор типа EDS 816, включенный по схеме, рекомендуемой изготовителем индикатора.
В схеме отображения 5 могут быть использованы микросхемы АЦП других типов (ICL7106, max 7129 и др.), в качестве дисплея возможно использование не только цифровых индикаторов, но и символьных индикаторов, отображающих значения выходного кода АЦП как в виде цифровых показаний, так и в виде линейной шкалы. Для этих целей можно применить, например, символьный дисплей типа LCD 1602.
Схема источника питания 6 может быть выполнена, как и в аналоге, в виде выпрямителя тока, нагруженного на конденсатор, напряжение постоянного тока на котором через стабилизатор напряжения поступает на выход схемы источника питания.
Амперметр работает следующим образом (см. фиг. 1)
Измеряемый сигнал в виде силы переменного тока поступает на вход 3 амперметра и далее протекает по последовательно соединенным первичным обмоткам трансформаторов ТТ1 и ТТ2. Сигнал в виде силы переменного тока с вторичной обмотки ТТ1 поступает на вход схемы измерения 4, которая формирует на выходе напряжение постоянного тока, пропорциональное силе измеряемого переменного тока на входе амперметра. Это напряжение приложено к входу схемы отображения 5. Далее это напряжение постоянного тока поступает на измерительные входы АЦП, входящего в состав схемы отображения 5, преобразуется в цифровой код, значение которого отображается на дисплее, подключенном к выходу АЦП.
Одновременно сигнал в виде силы переменного тока с вторичной обмотки ТТ2 поступает на вход схемы источника питания 6, где выпрямляется и преобразуется в стабилизированное напряжение постоянного тока на выходе схемы источника питания, которое поступает на шины питания схемы отображения 6.
Работа схемы отображения 5 и схемы источника питания 6 по существу не отличается от работы этих же блоков в аналоге.
Работа амперметра в случае выполнения схемы измерения в варианте исполнения согласно фиг. 2 происходит следующим образом.
Измеряемый сигнал в виде силы переменного тока, поступающий вход 3 амперметра (см. фиг. 1 и фиг. 2), протекает по первичным обмоткам ТТ1 и ТТ2. Масштабированный сигнал силы переменного тока с вторичной обмотки ТТ1 поступает на вход схемы измерения 4, далее этот сигнал выпрямляется мостовым выпрямителем 7 и преобразуется в напряжение постоянного тока конденсатором 8, подключенным к выходу выпрямителя 7. Напряжение постоянного тока на конденсаторе 8 регулируется резистором 9 так, чтобы величина этого напряжения была пропорциональна значению измеряемого сигнала на входе 3 амперметра с учетом коэффициента трансформации трансформатора тока ТТ1.
Далее это напряжение поступает на вход схемы отображения 5, затем на измерительный вход АЦП схемы отображения 5 и отображается (индицируется) на дисплее.
В варианте выполнения схемы измерения 4 в соответствие с фиг. 3 амперметр работает следующим образом.
Измеряемый сигнал в виде силы переменного тока поступает на вход 3 амперметра (см. фиг. 1 и фиг. 3), далее протекает по первичным обмоткам ТТ1 и ТТ2. Масштабированный сигнал силы переменного с вторичной обмотки ТТ1 поступает на вход схемы измерения 4, преобразуется выпрямителем 10, конденсатором 11 и резистором 12 в напряжение постоянного тока положительной полярности (относительно общей шины 16) на одном из выходных выводов схемы измерения 4.
Этот же сигнал преобразуется выпрямителем 13, конденсатором 14, резистором 15, в напряжение постоянного тока отрицательной полярности относительно общей шины 16, и далее поступает на второй выходной вывод схемы измерения 4.
Полученные разнополярные сигналы постоянного напряжения поступают на входы схемы отображения 5 и далее на измерительные входы АЦП схемы отображения, и индицируются на дисплее.
Стандартные микросхемы АЦП (ICL7136 ,ICL7106, max7129 и др.) характеризуются тем, что в зависимости от соединения их внешних выводов согласно рекомендациям изготовителя, обладают свойством преобразования сигналов в виде напряжения постоянного тока одной полярности либо могут работать с двухполярными относительно общей шины сигналами. Это свойство стандартных микросхем АЦП и использовано в амперметре при выполнении схемы измерения 4 согласно фиг. 2 или фиг. 3.
Относительно вариантов выполнения схемы измерения необходимо отметить, что эта схема может быть выполнена в других вариантах. Она может быть снабжена на выходе сглаживающим однозвенным или многозвенным RC-фильтром, регулируемый резистор на выходе схемы измерения может быть перенесен в состав схемы отображения, так как функция изменения масштаба может выполняться изменением коэффициента преобразования АЦП, и т.д.
С точки зрения реализации заявленного амперметра важно лишь то, что схема измерения должна выполнять функцию преобразования силы переменного тока в напряжение постоянного тока.
2
Наиболее полно недостатки аналога проявляются в тех случаях, когда необходимо измерять значительные по величине токи (100 и более ампер). Как известно, величина мощности, выделяемой на измерительном резисторе, пропорциональна квадрату силы тока (I), умноженному на сопротивление (R) резистора (I R). Поэтому увеличение измеряемого тока при использовании аналога приводит к значительному увеличению мощности, выделяемой на измерительном резисторе, что вызывает разогрев резистора и приводит к усложнению конструкции амперметра в связи с необходимостью увеличения размеров измерительного резистора, а также с необходимостью применения различного рода радиаторов для отвода тепла из корпуса прибора.
Попытки снижения мощности, выделяемой на измерительном резисторе, путем уменьшения номинального сопротивления резистора и, соответственно, путем уменьшения падения напряжения на этом резисторе, во-первых, малоэффективны из-за квадратичной зависимости между значением измеряемого тока и выделяемой мощностью на измерительном резисторе, во-вторых, приводят к необходимости пропорционального увеличения коэффициента усиления усилителя в схеме измерения, что отрицательно сказывается на помехоустойчивости аналога, так как усилитель одинаково усиливает как полезный сигнал, так паразитные сигналы, вызванные внешними электромагнитными помехами, воздействующими на схему измерения.
Таким образом, возможности снижения мощности потребления у аналога весьма ограничены.
В предложенном амперметре измеряемый сигнал приложен только к первичным обмоткам ТТ. В цепи измеряемого сигнала, в отличие от аналога, нет измерительных резисторов, предназначенных для преобразования измеряемого тока в напряжение, поэтому мощность потребления от источника сигнала ниже в сравнении с аналогом.
Мощность, потребляемая трансформатором тока от измеряемого сигнала (по первичной цепи ТТ), как известно, зависит от мощности, потребляемой нагрузкой вторичной обмотки ТТ и от коэффициента полезного действия (КПД) используемого трансформатора. Современные трансформаторы тока, выполненные на тороидальных магнитопроводах из нанокристаллических сплавов, характеризуются весьма малыми потерями и высоким КПД (более 90%).
По изложенным причинам, мощность, потребляемая предложенным амперметром от источника измеряемого тока, практически зависит только от величины мощности, потребляемой схемой измерения от вторичной цепи ТТ, и от КПД измерительного трансформатора. При необходимости измерять большие токи (100 и более ампер) нужно только правильно выбрать измерительный ТТ на соответствующий первичный (измеряемый) ток с соответствующим коэффициентом трансформации тока. При этом амперметры, изготовленные на различные диапазоны измерения силы тока, будут иметь практически одинаковую мощность потребления от измеряемого сигнала.
В предложенном амперметре, в отличие от аналога, в составе схемы измерения нет усилителя, и нет связи между выходом источника питания и схемой измерения. Это дополнительно снижает мощность, потребляемую от источника питания, который в свою очередь, подключен к цепи измеряемого сигнала.
Экспериментально определенное значения потребляемой мощности для аналога с пределом измерения 100 А, с измерительным резистором сопротивлением 0.001 Ом равно 10 Вт.
Для предложенного амперметра с таким же пределом измерения 100 А, с ТТ типа Т03-120 потребляемая мощность равна 0.4 Вт, т.е. заявленный амперметр потребляет от источника сигнала мощность в 25 раз меньшую в сравнении с аналогом.
Таким образом, заявленный амперметр решает задачу снижения потребляемой мощности от источника измеряемого сигнала без усложнения конструкции прибора.