РАЗДЕЛ 2
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ
БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПОСТОЯННЫХ ТОКОВ
2.1. Разработка новых методов бесконтактного
измерения постоянных токов
При контроле и диагностике радиоэлектронной аппаратуры в промышленных условиях наиболее целесообразно применять магнитомодуляционный метод с широтно-импульсной модуляцией [5, 6, 10], основанный на охвате проводника с измеряемым током магнитопроводом, состоящим из двух тороидальных трансформаторов 2, 3 (рис. 2.1). Через внутренние окна тороидальных трансформаторов, расположенных взаимно параллельно, проходит проводник с током. Обмотки питания и обратной связи трансформаторов 2, 3 включены на выходы операционного усилителя 1 таким образом, чтобы была реализована положительная обратная связь. Поэтому, если на выходе усилителя 1 имеется какое-либо напряжение, оно увеличивается до максимальной величины. Под воздействием максимального выходного напряжения в трансформаторах 2,3 начнет линейно возрастать магнитный поток. То есть устройство, реализующее этот метод, представляет собой релаксационный генератор, вырабатывающий на выходе операционного усилителя 1 прямоугольные импульсы (рис. 2.2) с длительностью периода, зависящей от измеряемого тока I [5].
, (2.1)
где W - число витков первичной обмотки; ФS - поток насыщения; U - максимальное выходное напряжение; I - величина измеряемого тока; RM - магнитное сопротивление магнитопровода, определяемое его геометрическими параметрами и магнитной проницаемостью.
Рис. 2.1. Образно-знаковая модель устройства для бесконтактного измерения постоянных токов, основанного на охвате проводника магнитопроводом, состоящим из двух тороидальных трансформаторов
Рис. 2.2. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу
устройства
Предложенный метод из-за использования широтно-импульсной модуляции обладает высокой помехозащищенностью и может найти широкое применение как в автоматических системах контроля электронной аппаратуры, так и при ручном контроле и диагностике указанной аппаратуры оператором.
При реализации этого метода возможны усовершенствования образно-знаковых моделей бесконтактного измерителя постоянных токов (см. рис. 2.1) путем: включения тороидальных трансформаторов по дифференциальной схеме для уменьшения температурной погрешности [5]; использования магнитопровода с одним тороидальным трансформатором для упрощения его конструкции и уменьшения массогабаритных характеристик [8]; включения элементов встроенного контроля для повышения надежности и достоверности получаемых устройством результатов [8]; выполнения магнитопровода с регулируемым воздушным зазором для расширения диапазона измеряемых постоянных токов [6, 8, 11]; выполнения устройства многоканальным для расширения функциональных возможностей [12, 14, 15].
Предложен также компенсационный метод, дающий возможность расширить диапазон измеряемых токов І и отличающийся от предыдущего тем, что на магнитопроводе 1 дополнительно размещают обмотку компенсации, по которой пропускают ток Iк от регулируемого источника питания 4, а измерение выполняют по компенсационному принципу (рис.2.3).
Магнитные потоки, создаваемые измеряемым ( І ) и компенсационным (Iк) токами, направлены встречно, что достигается выбором направления тока Iк. При их равенстве нуль-индикатор 7 фиксирует отсутствие сигнала на выходе электронной схемы 2. В этом случае ампер-витки Іn уравновешиваются ампер-витками Iкnк, а поскольку количество витков проводника 6 n=1, тогда
І = nкIк, (2.2)
где nк - число витков компенсационной обмотки; Iк - компенсационный ток, регистрируемый амперметром 5.
Бесконтактный измеритель постоянных токов, реализующий этот метод, имеет следующие преимущества по сравнению с устройствами, описанными в
Рис. 2.3. Образно-знаковая модель БИПТ, реализующего
компенсационный метод
Рис. 2.4. Статистические характеристики БИПТ,
реализующего компенсационный метод
работах [92-94]: абсолютная линейность статических характеристик; отсутствие ограничения верхнего предела измерения; уменьшение погрешности, которая обусловлена выполнением магнитопровода разъемным.
На рис. 2.4. представлены статические характеристики устройства, подтверждающие его преимущества.
Основным недостатком устройства является необходимость ручной компенсации измеряемого тока специальным регулятором тока с использованием нуль-индикатора и отсчета измеряемого значения по образцовому миллиамперметру. Это, в свою очередь, затрудняет оперативность измерения, особенно в промышленных условиях.
Для устранения указанного недостатка предложена образно-знаковая модель устройства с автоматизацией процесса компенсации (рис. 2.5), в которое дополнительно введен усилитель постоянного тока (УПТ) 3, соединенный с измерительной схемой 2 и компенсационной обмоткой 4, также расположенной на магнитопроводе 1 датчика. В цепь обмотки компенсации включен последовательно миллиамперметр 5, непосредственно измеряющий компенсационный ток.
Для расширения пределов измерения устройства на компенсационной обмотке сделаны отводы, позволяющие изменять рабочее число витков.
Предложенные методы бесконтактного измерения тока и образно-знаковые модели реализующих их устройств могут найти широкое применение в системах контроля и управления.
2.2. Разработка бесконтактных измерителей постоянного тока, основанных на применении магнитомодуляционного метода с широтно-импульсной модуляцией
Для обеспечения помехоустойчивости при измерении постоянных токов необходимо использовать устройства, у которых выходная информация представляется изменениями ширины импульсов выходного сигнала, т.е. в канале связи используется широтно-импульсная модуляция. С этой целью предлагаются бесконтактные измерители постоянных токов, основанные на применении
Рис. 2.5. Образно-знаковая м