Устройство поверки измерительных трансформаторов тока

Полезная модель относится к области изучения свойств электрического оборудования, в частности к устройствам тестирования трансформаторов тока и может быть использована при проведении метрологических исследований.
Известно устройство измерения характеристик продольной изоляции силовых трансформаторов, содержащее персональный компьютер, генератор синусоидальных высокочастотных импульсов и усилитель синусоидальных высокочастотных импульсов, подключенный к усилителю синусоидальных высокочастотных импульсов и выполненный с возможностью подключения к тестируемому силовому трансформатору [RU 2245559, дата публикации: 27.01.2005 г., МПК: G01R 31/14].
Известно устройство измерения характеристик продольной изоляции силовых трансформаторов тока, которое содержит контроллер, преобразователь напряжения и генератор синусоидального сигнала с усилителем мощности, подключенным к нагрузочному трансформатору тока [CN 210119537, дата публикации: 28.02.2020 г., МПК: G01R 31/12, G01R 31/62, G01R 31/72].Общим недостатком известных технических решений является их ограниченная область применения, которая ограничивается измерением электрических характеристик только силовых трансформаторов, при этом ввиду высокой погрешности, допускаемой при проведении замеров характеристик в устройствах подобного типа, становится невозможным применение таких технических решений при проведении поверки измерительных трансформаторов тока.
В качестве прототипа выбрано устройство поверки измерительных трансформаторов тока, которое содержит эталонный и поверяемый измерительные трансформаторы тока, средство измерения сигнала от поверяемого и эталонного измерительных трансформаторов тока, средство обработки сигналов и генератор синусоидальных полуволн, при этом генератор синусоидальных полуволн подключен к эталонному и поверяемому измерительным трансформаторам тока, а трансформаторы тока, в свою очередь, подключены к средству измерения сигнала поверяемого и эталонного измерительных трансформаторов тока, которое подключено к средству обработки сигналов [CN 105699818, дата публикации: 22.06.2016 г., МПК: G01R 31/00].
Преимуществом прототипа является возможность проведения поверки электрических характеристик измерительных трансформаторов за счет более низких погрешностей в измерениях электрических характеристик тока, обеспечиваемых устройствами такого типа. Однако недостатком прототипа также является высокая погрешность измерений при проведении поверки измерительных трансформаторов тока, что обусловлено высокой сложностью синхронизации частоты тока, протекающего в устройстве поверки трансформаторов тока, с частотой тока, протекающего через контур поверяемого и эталонного трансформаторов тока, а также из-за погрешностей, которые возникают при установке частоты синусоидальных сигналов генератора пользователем вручную, вследствие чего в значительной степени ухудшается точность устройства поверки трансформаторов тока.
Техническая проблема, на решение которой направлена полезная модель, заключается в улучшении эксплуатационных характеристик устройства поверки измерительных трансформаторов тока.
Технический результат, на достижение которого направлена полезная модель, заключается в повышении точности устройства поверки измерительных трансформаторов тока.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
Устройство поверки измерительных трансформаторов тока содержит средство вывода данных, средство измерения сигнала от поверяемого и эталонного измерительных трансформаторов тока, выполненное с возможностью подключения эталонного и поверяемого измерительных трансформаторов тока, средство обработки сигналов и генератор синусоидальных сигналов. В отличие от прототипа устройство содержит корпус, средство обработки сигналов, представленное микроконтроллером с аналого-цифровым преобразователем (АЦП), а генератор синусоидальных сигналов установлен в корпус, при этом вход генератора синусоидальных сигналов подключен к выходу микроконтроллера, а его выход подключен ко входу АЦП.
Средство измерения сигнала от поверяемого и эталонного измерительных трансформаторов тока обеспечивает возможность получения характеристик тока от трансформаторов и их преобразования для передачи в средство обработки сигналов. Для этого средство измерения сигнала может содержать схему преобразования сигнала, представленную в виде понижающего или повышающего трансформатора с подключенным к его выходу многокаскадным усилителем, а на входе содержащего средство для разъемного подключения поверяемого и/или эталонного трансформаторов тока.
Средство обработки сигналов содержит микроконтроллер и АЦП. Аналого-цифровой преобразователь обеспечивает оцифровывание сигналов, полученных от средства измерения сигнала от поверяемого и эталонного измерительных трансформаторов тока, в дискретные последовательности и передачу оцифрованного набора сигналов в микроконтроллер. Микроконтроллер обеспечивает анализ полученных дискретных последовательностей от АЦП и с помощью дискретного преобразования Фурье и разложения сигнала на квадратурные составляющие вычисляет амплитудную и угловую погрешности поверяемого трансформатора тока.
Генератор синусоидальных сигналов задает тактовую частоту тока в контуре эталонного и поверяемого трансформаторов тока. Для этого генератор может содержать средство разъемного подключения к токовому контуру, содержащему измерительные эталонный и поверяемый трансформаторы тока. Вход генератора синусоидальных сигналов подключен к выходу микроконтроллера, что обеспечивает возможность задания микроконтроллером тактовой частоты в генераторе синусоидальных сигналов и сохранения выбранной частоты в его внутренней памяти, что позволяет исключить необходимость ручной подстройки устройства под частоту тока, протекающего в измерительных эталонном и поверяемом трансформаторах тока, исключая возможную ошибку пользователя и уменьшая риск снижения точности устройства поверки измерительных трансформаторов тока. Выход генератора синусоидальных сигналов подключен к АЦП, что обеспечивает возможность синхронизации тактовой частоты АЦП с частотой тока, протекающего в контуре измерительных эталонного и поверяемого трансформаторов тока, повышая таким образом точность устройства поверки измерительных трансформаторов тока. Генератор синусоидальных сигналов может быть представлен схемой, содержащей кварцевый вибратор с умножителем частот, цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП) и операционным усилителем, согласующим низковольтный выход ЦАП с усилителем мощности синусоидальных сигналов. При этом частота генерируемых синусоидальных сигналов может варьироваться в диапазоне от 40 до 10000 Гц, что обеспечивает соответствие устройства поверки трансформаторов стандартам, применяемым при изготовлении трансформаторов. Также генератор может содержать внутреннюю память для хранения данных синусоидального сигнала.
Дополнительно средство обработки сигналов может содержать мультиплексор, подключенный к средству измерения сигнала от поверяемого и эталонного измерительных трансформаторов тока и к АЦП. При этом для получения частоты тока, протекающего в контуре эталонного и поверяемого измерительных трансформаторов тока, вход мультиплексора может быть подключен к выходу генератора синусоидальных сигналов, что также уменьшает риск ухудшения точности устройства поверки трансформаторов тока.
Средство вывода данных обеспечивает возможность получения информации о величине отклонения электрических характеристик поверяемого трансформатора тока от эталонного трансформатора тока и может быть подключено к микроконтроллеру. Средство вывода данных может быть представлено в виде устройств вывода графических, цифровых данных или в виде разъема для подключения таких устройств.
Дополнительно средство обработки сигналов может содержать средство ввода данных, обеспечивающее возможность изменения тактовой частоты генератора синусоидальных сигналов, которое может быть подключено к микроконтроллеру, что повышает точность настройки устройства поверки измерительных трансформаторов тока. Также средство обработки сигналов может дополнительно содержать средство регулирования коэффициента усиления синусоидального сигнала генератора, что дополнительно повышает точность настройки устройства поверки трансформаторов тока на рабочий ток поверяемого трансформатора тока. Эти средства могут быть представлены в виде сенсорного экрана, кнопок, реостата или разъемов.
Корпус обеспечивает несущие и защитные свойства устройства и может иметь такую форму и размер, которые будут обеспечивать возможность размещения внутри него электронных компонентов устройства. Корпус преимущественно может быть выполнен из материалов, обладающих электроизолирующими свойствами, таких как пластик или композиционные материалы. При этом корпус может содержать средство для разъемного подключения эталонного и/или понижающего трансформаторов, а также средство для разъемного подключения нагрузочного устройства к узлу обработки сигналов, которые также для снижения вероятности возникновения переходных сопротивлений могут быть выполнены в виде зажимных клемм. Закрепление компонентов устройства в корпусе может обеспечиваться любыми известными разъемными и/или неразъемными способами.
Используемые в устройстве средства для разъемного подключения могут быть представлены в виде разъема, гнездового или штыревого контакта. При этом наиболее предпочтительным является выполнение средства для разъемного подключения генератора в виде зажимных клемм, обеспечивающих наиболее низкую вероятность возникновения переходного сопротивления, негативно сказывающегося на точности устройства поверки измерительных трансформаторов тока.
Полезная модель может быть выполнена из известных материалов и при помощи известных технологий, что свидетельствует о ее соответствии критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Полезная модель характеризуется ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, заключающейся в том, что устройство для поверки измерительных трансформаторов тока содержит корпус, средство обработки сигналов, представленное микроконтроллером с аналого-цифровым преобразователем, а генератор синусоидальных сигналов установлен в корпус, при этом вход генератора синусоидальных сигналов подключен к выходу микроконтроллера, а его выход подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя, за счет чего обеспечивается возможность включения генератора синусоидальных сигналов в виде схемы в состав устройства поверки измерительных трансформаторов тока, установки микроконтроллером тактовой частоты тока в генераторе синусоидальных сигналов, последующей передачи синхронизирующего импульса генератором в АЦП для точной оцифровки разностного сигнала, получаемого от поверяемого и эталонного измерительных трансформаторов тока, и исключения, таким образом, несогласованности в характеристиках тока, протекающего во внутренних компонентах устройства поверки измерительных трансформаторов тока с характеристиками токового контура, содержащего поверяемый и эталонный трансформаторы тока.
Благодаря этому обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении точности устройства поверки трансформаторов тока, тем самым улучшаются эксплуатационные характеристики устройства поверки трансформаторов тока.
Полезная модель характеризуется ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, что свидетельствует о ее соответствии критерию патентоспособности «новизна».
Для иллюстрации возможности реализации и более полного понимания сути полезной модели ниже представлен вариант ее осуществления, который может быть любым образом изменен или дополнен, при этом настоящая полезная модель ни в коем случае не ограничивается представленным вариантом.
Полезная модель поясняется следующими фигурами.
Фиг. 1 - Схема устройства поверки измерительных трансформаторов тока.
Фиг. 2 - Схема устройства поверки измерительных трансформаторов тока с подключенным к нему контуром.
Устройство поверки трансформаторов тока содержит корпус 1; средство измерения разностного сигнала эталонного и поверяемого измерительных трансформаторов тока, включающее трансформатор 2 тока с резистором, четырехкаскадный усилитель 3, зажимные клеммы 4 для подключения поверяемого трансформатора, трансформатор 5 с резистором, трехкаскадный усилитель 6, зажимные клеммы 7 для подключения эталонного трансформатора и зажимные клеммы 8 для подключения компенсационной обмотки эталонного трансформатора; зажимные клеммы 9 для подключения магазина нагрузок; средство обработки сигналов, содержащее микроконтроллер 10, аналого-цифровой преобразователь 11 (АЦП), мультиплексор 12, дисплей 13 и средство 14 ввода, содержащее клавиатуру и регулятор тактовой частоты генератора синусоидальных сигналов; генератор 15 синусоидальных сигналов с зажимными клеммами 16 для подключения усилителя мощности синусоидальных сигналов. Электронные компоненты устройства электрически соединены согласно схеме, отображенной на фиг. 1.
Полезная модель работает следующим образом:
Для создания токового контура в соответствии со схемой на фиг. 2 к зажимным клеммам 16 генератора 15 синусоидальных сигналов подключается усилитель 17 мощности синусоидальных сигналов с нагрузочным трансформатором 18 тока, эталонным трансформатором 19 тока и поверяемым трансформатором 20 тока. Трансформатор 19 подключается к зажимным клеммам 7, при этом компенсационной обмоткой он подключается к зажимным клеммам 8. Трансформатор 20 тока подключается к зажимным клеммам 4. К зажимным клеммам 9 в соответствии с характеристиками поверяемого трансформатора 20 тока подключается нагрузка 21.
В основу работы устройства положен дифференциальный метод, основанный на сравнении вторичных токов поверяемого измерительного трансформатора 20 и эталонного измерительного трансформатора 19 тока. Посредством клавиатуры через микроконтроллер 10 задается тактовая частота генератора 15 синусоидальных сигналов в диапазоне от 40 до 10000 Гц. Посредством регулятора устанавливается необходимый коэффициент усиления операционного усилителя (не показан на схеме) генератора 15. Генератор 15 задает значение частоты синусоидального сигнала на выходе усилителя 17 и в токовом контуре, образованном трансформаторами 18, 19 и 20. Также генератор 15 задает тактовую частоту для АЦП 11 и мультиплексора 12 путем передачи им синхронизирующего импульса. Сигнал с компенсационной обмотки эталонного измерительного трансформатора 19 тока, а также сигнал, пропорциональный разности вторичных токов измерительных эталонного и поверяемого трансформаторов 19 и 20 тока, преобразовываются и усиливаются средством измерения разностного сигнала эталонного и поверяемого измерительных трансформаторов тока, поступают в мультиплексор 12, а затем с помощью АЦП 11 с учетом синхронизирующего импульса, полученного от генератора 15, преобразуются в дискретные последовательности. Микроконтроллер 10 анализирует полученные от АЦП 11 дискретные последовательности, выбирает по каждому средству измерения оптимальный каскад усиления, а затем с помощью дискретного преобразования Фурье и разложения сигнала на синфазную и квадратурную составляющие вычисляет амплитудную и угловую погрешности поверяемого трансформатора 20 тока. Разность сигналов эталонного и поверяемого трансформаторов 19 и 20 тока как по коэффициенту преобразования, так и по углу фазового сдвига выводятся на дисплей 13. При этом за счет импульса, который отправляется с генератора 15 на АЦП 11 и мультиплексор 12, обеспечивается синхронизация тактовой частоты сигнала в токовом контуре, образованном усилителем 17 и трансформаторами 18, 19 и 20.
Таким образом достигается технический результат, заключающийся в повышении точности устройства поверки измерительных трансформаторов тока, тем самым улучшаются эксплуатационные характеристики устройства поверки измерительных трансформаторов тока.