Измерительный преобразователь электрических величин
Полезная модель относится к области электрических измерений, а именно, для измерения токов и напряжений, и может быть использована в электроэнергетике для учета электрической энергии, релейной защиты и контроля качества электрической энергии.
Задача, на решение которой направлена заявленная полезная модель, заключается в обеспечении возможности выполнения синхронных измерений с привязкой результатов измерений к внешнему источнику временной синхронизации, гальванической изоляции первичного преобразователя от блока сбора данных, повышении точности измерения и надежности.
Поставленная задача решается за счет того, что в измерительном преобразователе, включающем первичный преобразователь, состоящий из первичного датчика измеряемой величины, аналого-цифрового преобразователя и передающего трансивера, регулятора напряжения, а также каналы передачи данных и энергии питания, связывающие первичный преобразователь с блоком сбора данных, содержащем модуль данных и источник питания. В отличие от прототипа, в первичном преобразователе между выходом аналого-цифрового преобразователя и входом передающего трансивера включен модуль цифровой обработки, а к каналу передачи энергии питания подключен модуль синхронизации, выход которого соединен с модулем цифровой обработки, причем импульсы синхронизации передаются по каналу передачи энергии питания от блока сбора данных, в котором к модулю данных подключены модуль коммуникационного интерфейса и источник питания, а вход синхронизации модуля данных, соединен с внешним источником временной синхронизации.
Предлагается в качестве первичного датчика тока использовать катушку Роговского, выполненную в виде двух последовательно соединенных, зеркально симметричных печатных обмоток, а на катушке Роговского разместить датчик температуры, выход которого подключить к модулю цифровой обработки. Для передачи данных и энергии питания между первичным преобразователем и блоком сбора данных предлагается использовать волоконно-оптические линии связи, при этом информационный выход регулятора напряжения подключить к модулю цифровой обработки, а цепи синхронизации, управления и контроля источника лазерного излучения соединить с модулем данных блока сбора данных.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к области электрических измерений и может быть использована при решении задач по учету электрической энергии, релейной защите и контролю качества электрической энергии.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известен оптико-электронный датчик тока, (патент на полезную модель 
75887, МПК G01R 19/00, G01R 19/04 приоритет от 16.04.2008), содержащий первичный преобразователь, кодирующий блок, оптический канал связи между стороной высокого напряжения и потенциалом земли, приемный блок и блок питания, при этом, для питания кодирующего блока, находящегося на стороне высокого напряжения, применен канал передачи энергии со стороны потенциала земли, состоящий из батареи светоизлучателей, силовых оптических каналов, батареи фотоприемников и стабилизатора напряжения.
Недостатком такого устройства является отсутствие контроля за мощностью оптического излучения, передаваемого по каналу передачи энергии и, как следствие, сокращение срока службы светоизлучателей и фотоприемников.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство измерения и обработки электрических величин в цепях с полной гальванической развязкой, (патент на полезную модель 100284, МПК G01R 19/00, приоритет от 30.07.2010), содержащее устройства для аналогового измерения тока - трансформатор тока или токовый шунт и напряжения - емкостный делитель напряжения, аналого-цифровое устройство и устройство обработки электрических величин, в котором трансформатор тока или токовый шунт, емкостный делитель напряжения и аналого-цифровое устройство расположены на потенциале цепи с измеряемыми величинами, устройство обработки электрических величин располагается на потенциале цепей измерения, а для гальванической развязки между аналого-цифровым устройством и устройством обработки электрических величин введен оптический канал передачи данных, а для питания аналого-цифрового преобразователя применена световая батарея, которая постоянно освещена световым потоком от внешнего светоизлучателя через воздушный промежуток или оптическое волокно.
Недостатком такого устройства также является сокращенный срок службы светоизлучателей и световой батареи из-за отсутствия контроля за мощностью светового потока.
В указанной полезной модели, измерение, обработка и передача измеряемых величин по оптическому каналу приводит к временной задержке, возникающей между моментом измерения величины на входе первичного датчика и моментом появления данных, соответствующим этой величине сигнала на выходе устройства. При измерении переменного тока или напряжения наличие временной задержки соответствует появлению дополнительной угловой погрешности, что не допускает совместное использование выходного сигнала от измерительного преобразователя с сигналами от других устройств, имеющих достаточно небольшую и нормированную величину угловой погрешности.
Задача, на решение которой направлена заявленная полезная модель, заключается в расширении функциональных возможностей, снижении погрешностей измерения, обеспечении возможности выполнения синхронности измерений и гальванической изоляции первичного преобразователя от блока сбора данных, находящегося на потенциале земли.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Поставленная задача решается за счет того, что в измерительном преобразователе, включающем первичный преобразователь, состоящий из первичного датчика измеряемой величины, аналого-цифрового преобразователя и передающего трансивера, регулятора напряжения, а также каналы передачи данных и энергии питания, связывающие первичный преобразователь с блоком сбора данных, содержащем модуль данных и источник питания. В отличие от прототипа, в первичном преобразователе между выходом аналого-цифрового преобразователя и входом передающего трансивера включен модуль цифровой обработки, а к каналу передачи энергии питания подключен модуль синхронизации, выход которого соединен с модулем цифровой обработки, причем импульсы синхронизации передаются по каналу передачи энергии питания от блока сбора данных, в котором к модулю данных подключены модуль коммуникационного интерфейса и источник питания, а вход синхронизации модуля данных, соединен с внешним источником временной синхронизации.
Синхронизация модуля данных и модуля цифровой обработки от внешнего источника временной синхронизации позволяет осуществить привязку по времени измеренных преобразователем данных, что обеспечивает синхронизацию каналов измерения и возможность группового объединения результатов измерений, поступающих от нескольких измерительных преобразователей.
Использование в качестве первичного датчика измеряемой величины катушки Роговского, выполненной в виде двух последовательно соединенных, зеркально симметричных печатных обмоток, подключенных в противоположных направлениях, позволяет удвоить величину выходного напряжения катушки и устранить воздействие внешних электрических полей и токов, протекающих в близлежащих проводниках. Включение между выходом аналого-цифрового преобразователя и входом модуля цифровой обработки цифрового интегратора, обеспечивает формирование на его выходе реальных значений тока, поскольку сигнал с катушки Роговского представляет собой производную по времени тока в первичной цепи.
Цифровой интегратор не содержит аналоговых компонентов, что исключает погрешности связанные с влиянием смещения нуля операционных усилителей и нестабильностью характеристик компонентов. Кроме того, угловые и амплитудные характеристики интегратора определяются исключительно алгоритмом интегрирования, что обеспечивает хорошую стабильность его характеристик.
Размещение на катушке Роговского датчика температуры, позволяет повысить точность измерения за счет компенсации в модуле цифровой обработки погрешности, связанной с изменением площади сечения печатных обмоток, пропорциональной температурному коэффициенту линейного расширения материала печатной платы.
Передача данных и энергии питания по оптическому каналу связи обеспечивает необходимый уровень гальванической развязки между первичным преобразователем и блоком сбора данных. Подключение входа управления источника лазерного излучения к модулю данных блока сбора данных и информационного выхода регулятора напряжения к модулю цифровой обработки, формирует контур обратной связи, обеспечивающий поддержание на выходе источника минимально допустимого уровня оптического излучения, таким образом, повышая надежность за счет увеличения срока службы компонентов оптического канала передачи энергии питания.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена общая функциональная схема измерительного преобразователя.
На фиг.2 изображена функциональная схема измерительного преобразователя, в которой в качестве первичного датчика измеряемой величины используется катушка Роговского.
На фиг.3 показана функциональная схема измерительного преобразователя с использованием оптических линий связи в каналах передачи данных и энергии питания.
Измерительный преобразователь, приведенный на фиг.1 включает первичный преобразователь 1, содержащий первичный датчик измеряемой величины 2, с выхода которого сигналы поступают на вход аналого-цифрового преобразователя 4. Входной каскад аналого-цифрового преобразователя 4 может также содержать антиалиасинговый фильтр для предотвращения наложения спектров сигнала, подаваемого на его вход.
Модуль цифровой обработки 10 производит считывание цифровых отсчетов измеряемой величины с выхода аналого-цифрового преобразователя 4, осуществляет их обработку, последовательное кодирование и, вместе с контрольной суммой, направляет пакеты данных через передающий трансивер 5 по линии связи 8 к блоку сбора данных 3. Также могут быть использованы избыточные виды кодирования, вносящие дополнительную информацию в передаваемые данные, что обеспечивает восстановление данных после определенных видов потерь и/или искажений в линии связи 8. Вместе с измеренными данными на трансивер 5 пересылаются считываемые с информационного выхода регулятора напряжения 6 данные об уровне напряжения питания на входе первичного преобразователя 4, информация о температуре компонентов и характеристиках преобразователя. Для обеспечения синхронности измерений, в передаваемые пакеты с измеренными значениями, помещаются временные метки, соответствующие моментам считывания измеряемых величин на входе первичного преобразователя.
Регулятор напряжения 6 предназначен для питания компонентов первичного преобразователя 1 стабилизированным напряжением, сформированным из энергии питания, получаемой по каналу передачи энергии 7. Импульсы синхронизации, передаваемые вместе с энергией питания по каналу 7, выделяются модулем синхронизации 12. Для синхронизации могут быть использованы импульсы, имеющие высокую скважность, например, импульсы 1PPS (один импульс в секунду), применяемые в спутниковых навигационных системах. В модуле синхронизации частота этих импульсов умножается до требуемой частоты дискретизации и направляется на модуль цифровой обработки 10.
Блок сбора данных 3 включает модуль данных 13, основной функцией которого является преобразование последовательного цифрового потока данных от первичного преобразователя в стандартные промышленные и сетевые протоколы обмена данными. Модуль коммуникационного интерфейса 15 обеспечивает взаимодействие между модулем данных 13 и сетью передачи данных. Модуль данных по цепи 17 осуществляет синхронизацию и управление мощностью источника питания 14, а также выполняет функции мониторинга за работоспособностью источника питания, контролирует ошибки при вычислении и проверке контрольной суммы в принимаемых пакетах данных.
В качестве примера реализации внешнего источника временной синхронизации 16 могут быть использованы импульсные сигналы навигационных систем ГЛОНАСС, GPS или модулированные/немодулированные сигналы формата IRIG-B, разработанные компанией Inter-Range Instrumentation Group для нужд военного ведомства США. Также могут использоваться сетевые протоколы временной синхронизации NTP или IEEE 1588.
На фиг.2 изображена функциональная схема измерительного преобразователя, в которой в качестве первичного датчика тока 2 используется катушка Роговского 23, представляющая собой две последовательно соединенные, зеркально симметричные печатные обмотки 24 и 25. Каждая обмотка представляет собой печатную плату, выполненную в виде объемных витков, состоящих из металлизированных проводников и переходных отверстий. Для компенсации изменения эффективной площади сечения печатных обмоток, связанного с температурным расширением материала печатных обмоток, на катушке Роговского размещается датчик температуры 22, информация с которого поступает на модуль цифровой обработки 10, где, в соответствии с известным значением температурного коэффициента линейного расширения, производится коррекция измеренных значений тока.
На фиг.3 показана функциональная схема измерительного преобразователя с использованием оптического канала передачи данных 20 и оптического канала передачи энергии питания 21. Управляемый источник лазерного излучения 18 включен в контур обратной связи, обеспечивая поддержание минимально допустимого уровня тока питания лазера и уменьшая степень постепенной деградации, т.е. постепенного уменьшения мощности лазерного излучения. Цепи контроля 23 позволяют выполнять аварийное выключение источника излучения 18 в случае превышения температуры лазера или ограничивают ток источника при обрыве или разъединении оптического канала передачи энергии 21, тем самым, предотвращая катастрофическую деградацию характеристик лазера. Величина принимаемой мощности фотогальваническим приемником 19 определяется суммарным затуханием, зависящим от длины канала передачи энергии 21 и количества сварных соединений. Поэтому, при короткой длине оптического канала, ток питания лазера уменьшается, что способствует увеличению срока его службы.
Синхронизация первичного преобразователя и регулировка передаваемой мощности по каналу передачи энергии 21 выполняется модулем данных 13 через управляющий вход 17 источника питания лазерного излучения 18.
1. Измерительный преобразователь электрических величин, включающий первичный преобразователь, состоящий из первичного датчика измеряемой величины, аналого-цифрового преобразователя и передающего трансивера, регулятора напряжения, а также каналы передачи данных и энергии питания, связывающие первичный преобразователь с блоком сбора данных, содержащем модуль данных и источник питания, отличающийся тем, что в первичном преобразователе между выходом аналого-цифрового преобразователя и входом передающего трансивера включен модуль цифровой обработки, а к каналу передачи энергии питания подключен модуль синхронизации, выход которого соединен с модулем цифровой обработки, причем импульсы синхронизации передаются по каналу передачи энергии питания от блока сбора данных, в котором к модулю данных подключены модуль коммуникационного интерфейса и источник питания, а вход синхронизации модуля данных соединен с внешним источником временной синхронизации.
2. Измерительный преобразователь по п.1, отличающийся тем, что в качестве первичного датчика тока используется катушка Роговского, выполненная в виде двух последовательно соединенных, зеркально симметричных печатных обмоток, причем между выходом аналого-цифрового преобразователя и входом модуля цифровой обработки включен цифровой интегратор, а на катушке Роговского размещен датчик температуры, выход которого подключен к модулю цифровой обработки.
3. Измерительный преобразователь по п.1, отличающийся тем, что в качестве канала передачи данных используется волоконно-оптическая линия связи, причем для передачи энергии питания применен канал, состоящий из управляемого источника лазерного излучения, оптического волокна и фотогальванического приемника, при этом информационный выход регулятора напряжения подключен к модулю цифровой обработки, а цепи синхронизации, управления и контроля источника лазерного излучения соединены с модулем данных блока сбора данных.
