Безконтактна цифрова система вимірювання струму

Реферат: UA 93027 U UA 93027 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до області приладобудування та може бути використана для контролю тональних кодових сигналів рейкових ланцюгів у широкому діапазоні частот. Найближчим аналогом даної системи є електровимірювальний багатофункціональний прилад (ампервольтметр) з селективним перетворювачем для вимірювання струму в рейкових ланцюгах (Паспорт 2.728.075 ПС. 05.11.2010), який виконаний у вигляді перетворювача магнітного поля трансформаторного типу, вихід якого підключається до активного смугового фільтра, з якого вимірювальний сигнал передається на вимірювальний пристрій [1]. Недоліком аналога є низька точність вимірювання, відсутність автоматичної реєстрації та збереження результатів вимірювання, великі габаритні розміри, складність виготовлення дросель-трансформаторів, які використовуються у якості перетворювачів магнітного поля. В основу корисної моделі поставлено задачу підвищення точності, автоматичної реєстрації та збереження результатів вимірювання, що надасть змогу крім того виявляти сигнал при малих співвідношеннях сигнал/шум, забезпечити вимірювання змінного в часі сигналу в широкому діапазоні частот та спростити апаратурну реалізацію, за рахунок використання останніх досягнень електроніки. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в системі для безконтактного вимірювання струму, що складається з перетворювача магнітного поля, фільтра, вихід якого з'єднаний з вимірювальним пристроєм, новим є те, що додатково введено ортогональний перетворювач сигналів, мікроконтролер, цифро-аналоговий перетворювач, аналого-цифровий перетворювач та генератор сигналів модулюючої котушки, причому перетворювач магнітного поля виконаний у вигляді мостової схеми магніторезисторів, в якому міститься також компенсуюча та модулююча котушки, а вихід мостової схеми з'єднано із входом операційного підсилювача, вихід якого підключено до входу ортогонального перетворювача, який включає в себе два помножувачі частоти, генератор ортогональних сигналів та комутатор, крім того перші входи помножувачів з'єднані між собою і є входом ортогонального перетворювача, другий вхід першого помножувача з'єднано з першим виходом генератора ортогональних сигналів, а другий вхід другого помножувача з'єднано з другим виходом генератора ортогональних сигналів, виходи помножувачів підключені до входів комутатора, вихід комутатора підключено через фільтр нижніх частот до вимірювального пристрою, який являє собою аналогово-цифровий перетворювач, виходи якого підключені до одних із входів мікроконтролера, а вхід дискретизації аналогово-цифрового перетворювача підключений до перших виходів мікроконтролера, другі виходи мікроконтролера підключені до цифро-аналогового перетворювача, вихід якого з'єднано з компенсуючою котушкою перетворювача магнітного поля, крім того один із виходів мікроконтролера підключений до входу запуску генератора модулюючої котушки, також треті виходи мікроконтролера підключені до входу керування генератора ортогональних сигналів, до того ж мікроконтролер підключений за допомогою бездротового зв'язку з комп'ютером. На кресленні зображено блок-схему безконтактної цифрової системи вимірювання струму. Безконтактна цифрова система вимірювання струму, що показано на кресленні, містить перетворювач магнітного поля 1, який складається з модулюючої котушки 2, магніторезисторів 3, які ввімкнені за мостовою схемою, компенсуючої котушки 4, операційного підсилювача 5, помножувачів сигналів 6 та 7, комутатора 8, синтезатора частоти ортогональних сигналів 9, цифро-аналогового перетворювач 10, генератора імпульсів модулюючої котушки 11, мікроконтролера 12, аналого-цифрового перетворювача 13, фільтра нижніх частот 14, комп'ютера 15. Для забезпечення високої точності вимірювань система працює в два етапи. На першому етапі відбувається калібрування за рахунок вимірювання постійної складової напруженості зовнішнього магнітного поля, що надасть змогу компенсувати це зовнішнє магнітне поле і потім, на другому етапі, працювати на середині лінійної ділянки перетворювача. Вимірювання постійної складової відбувається за наступним алгоритмом. Постійне зовнішнє магнітне поле, яке впливає на мостову схему магніторезисторів 3, перетворюється в змінне в наслідок подачі на котушку 2 сигналу модулюючої частоти m з мікроконтролера 12. За допомогою модулюючого сигналу, як відомо [2], змінюють намагніченість перетворювача і отримують на виході мостової схеми магніторезисторів змінний сигнал з частотою модуляції m , амплітуда якого пропорційна значенню постійної складової зовнішнього магнітного поля. Далі, за допомогою операційного підсилювача 5, відбувається підсилення цього сигналу, який далі передається на однойменні входи помножувачів частоти 6 та 7, на інші входи яких подаються ортогональні сигнали S1  A 1  cos m  t та S 2  A 2  sin m  t з такою самою частотою m , як і частота модуляції. Після перемноження, з виходів помножувачів, отриманий сигнал передається почергово через комутатор 8, що керується мікроконтролером 12, та фільтр нижніх 1 UA 93027 U частот 14 далі на вхід аналого-цифрового перетворювача 13. Значення коду аналогоцифрового перетворювача 13 передається в мікроконтролер 12, де відбувається подальше обчислення значення постійної складової напруженості зовнішнього поля згідно виразу Uвих   Um2  Um2 . На основі отриманого результату мікроконтролер 12 формує код на 1 2 5 10 15 цифро-аналоговий перетворювач 10, який керує струмом компенсаційної котушки 4, напруженість поля якої формується так, щоб компенсувати постійну складову зовнішнього поля, що впливає на мостову схему магніторезисторів 3. Після цього на другому етапі, відбувається безпосередньо процес вимірювання тонального кодового сигналу за допомогою ортогонального методу обробки інформації, при цьому значення коду цифро-аналогового перетворювача 10, який відповідає за значення постійної складової, що компенсує зовнішнє поле, залишається незмінним. Сигнал змінної частоти  , яка відповідає частоті тонального кодового сигналу, з мостової схеми магніторезисторів 3 потрапляє через операційний підсилювач 5 на перші входи помножувачів 6 та 7, на другі входи яких подаються ортогональні сигнали S 01  A 01  cos m  t та S 02  A 02  sin m  t з такою ж кодовою частотою  відповідно з синтезатора частоти ортогональних сигналів 9. Зміна частоти генератора ортогональних сигналів  здійснюється програмно мікроконтролером 12. Після перемноження на виходах помножувачів 6, 7 отримаємо сигнали відповідні до виразів U вих 1 Uвих 2  20 25 30 35 40  1  A 01  A вх  sin   sin2    t   2 та 1  A 02  A вх  cos  cos2    t   . За допомогою комутатора 8, що керується 2 мікроконтролером 12, вихідні сигнали з помножувачів 6 та 7 через фільтр нижніх частот 14, який пропускає лише постійну складову, почергово подаються на вхід аналого-цифрового перетворювача 13. Далі мікроконтролер 12 розраховує значення амплітуди тонального кодового сигналу. За рахунок того, що існує можливість змінювати частоту  програмно за допомогою мікроконтролера 12, є змога проводити вимірювання в широкому діапазоні частот. На завершальному етапі, по бездротовому каналу зв'язку відбувається передача даних на персональний комп'ютер 15. Вимірювання змінного електромагнітного поля у два етапи з використанням ортогонального методу вимірювання дозволяє значно спростити апаратурну реалізацію та, разом з тим, значно підвищити точність та чутливість вимірюваної величини. Використання компенсуючої котушки дає змогу, по-перше, працювати лише на лінійній ділянці перетворювача при повній компенсації зовнішнього магнітного поля, що підвищує точність проведення вимірювання; по-друге, підвищити температурну стабільність, оскільки графіки температурної залежності вихідною сигналу перетворювача при нульовому магнітному полі перетинаються в одній точці [2] (тобто в цій точці мінімальна температурна залежність). При цьому в запропонованій системі всі вимірювання і обробка результатів виконується в цифровому коді, що дає змогу проводити автоматичну реєстрацію, збереження результатів вимірювання та мати зв'язок з комп'ютером, що в свою чергу дозволить і автоматизувати оформлення протоколів вимірювання. Як мікроконтролер може бути використаний ARM Cortex М3. Як генератор ортогональних сигналів, що керується мікроконтролером, можуть використовуватися синтезатори частоти AD 9835. Джерела інформації: 1. http://www.eliz.com.ua/index.html. 2. General Magnetic field sensors Data sheet Philips, 1998, 58 pages. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 55 Безконтактна цифрова система для вимірювання струму, що містить перетворювач магнітного поля, фільтр, вихід якого з'єднаний з вимірювальним пристроєм, яка відрізняється тим, що додатково введено ортогональний перетворювач сигналів, мікроконтролер, цифро-аналоговий перетворювач, аналого-цифровий перетворювач та генератор сигналів модулюючої котушки, причому перетворювач магнітного поля виконаний у вигляді мостової схеми магніторезисторів, в якому міститься також компенсуюча та модулююча котушки, а вихід мостової схеми з'єднано із входом операційного підсилювача, вихід якого підключено до входу ортогонального перетворювача, який включає в себе два помножувачі частоти, генератор ортогональних сигналів та комутатор, крім того перші входи помножувачів з'єднані між собою і є входом ортогонального перетворювача, другий вхід першого помножувача з'єднано з першим виходом генератора ортогональних сигналів, а другий вхід другого помножувача з'єднано з другим 2 UA 93027 U 5 10 виходом генератора ортогональних сигналів, виходи помножувачів підключені до входів комутатора, вихід комутатора підключено через фільтр нижніх частот до вимірювального пристрою, який являє собою аналогово-цифровий перетворювач, виходи якого підключені до одних із входів мікроконтролера, а вхід дискретизації аналогово-цифрового перетворювача підключений до перших виходів мікроконтролера, другі виходи мікроконтролера підключені до цифро-аналогового перетворювача, вихід якого з'єднано з компенсуючою котушкою перетворювача магнітного поля, крім того один із виходів мікроконтролера підключений до входу запуску генератора модулюючої котушки, також треті виходи мікроконтролера підключені до входу керування генератора ортогональних сигналів, до того ж мікроконтролер підключений за допомогою бездротового зв'язку з комп'ютером. Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3