Цифровий вимірювач постійного струму

Цифровий вимірювач постійного струму, що включає в себе загальну шину, перетворювач "напруга-код", оперативний запам'ятовуючий пристрій, постійний запам'ятовуючий пристрій, цифровий відліковий пристрій та мікропроцесор, які з'єднані між собою через загальну шину, формувач потоку лінійно поляризованого оптичного випромінювання, який складається з послідовно оптично з'єднаних першого мікрооб'єктиву із гніздом світловодного з'єднувача на виході, першої лінзи, поляризатора та джерела оптичного випромінювання, вхід керування якого підключений до пер C2 2 83808 1 3 83808 ром, а другим кінцем оптично з'єднаний з аналізатором. Недоліками даного пристрою є вузький діапазон вимірюваних постійних струмів та наявність систематичної похибки вимірювання, яка обумовлена нелінійністю та температурною нестабільністю функції перетворення фотоприймача, а також нелінійністю функції перетворення оптичної системи "поляризатор-світловод-аналізатор". Крім того, відомому пристрою властива додаткова похибка, обумовлена температурною нестабільністю джерела оптичного випромінювання. Відомий також цифровий вимірювач постійного струм у [Пат. 6366075 США, МКИ G01R 33/032. Fiber optic, current measuring devices and method / Bruce G. Aitken (США), Nicholas F. Borrelli (США), Lauren K. Cornelius (США) та інші, 1999], що включає в себе формувач потоку лінійно поляризованого оптичного випромінювання, який складається з послідовно оптично з'єднаних поляризатора та джерела оптичного випромінювання, оптикоелектронний перетворювач, який складається з оптично з'єднаних аналізатора та фотоприймача, відліковий пристрій, який підключений до виходу фотоприймача, перший світловод, який першим кінцем оптично з'єднаний із поляризатором, а другим кінцем оптично з'єднаний з аналізатором. Недоліком відомого пристрою є наявність мультиплікативної та адитивної складових систематичної похибки вимірювання постійного струму. Дана похибка обумовлена нелінійністю та температурною нестабільністю функції перетворення фотоприймача і нелінійністю функції перетворення оптичної системи "поляризатор-світловоданалізатор". Наявність невиключеної систематичної похибки вимірювання призводить до обмеження діапазону вимірюваних постійних струмів. Відомому пристрою властива також додаткова похибка, обумовлена температурною нестабільністю джерела оптичного випромінювання. Найбільш близьким за технічною сутністю до пропонованого пристрою є цифровий вимірювач тиску [Световодные датчики / Б.А.Красюк, О.Г.Семёнов, А.Г.Шереметьев и др. - М.: Машиностроение, 1990. - 256с.], що включає в себе електронну схему, яка складається із загальної шини, перетворювача "напруга-код", оперативного запам'ятовуючого пристрою, постійного запам'ятовуючого пристрою та мікропроцесору, які з'єднані між собою через загальну шину, ци фровий відліковий пристрій, який підключений до загальної шини, формувач потоку лінійно поляризованого оптичного випромінювання, який складається з послідовно оптично з'єднаних першого мікрооб'єктиву із гніздом світловодного з'єднувача на виході, першої лінзи, поляризатора та джерела оптичного випромінювання, перший світловод із встановленими на обох його кінцях штирями світловодних з'єднувачів, який першим кінцем підключений до виходу першого мікрооб'єктиву, оптико-електронний перетворювач, який складається з послідовно оптично з'єднаних другого мікрооб'єктиву із гніздом світловодного з'єднувача на вході, аналізатора, другої лінзи, фотоприймача та підсилювача напруги, чий вхід підключений до виходу фотоприймача, вихід 4 оптико-електронного перетворювача з'єднаний із входом перетворювача "напруга-код", другий світловод із встановленими на обох його кінцях штирями світловодних з'єднувачів, який першим кінцем підключений до входу др угого мікрооб'єктиву. Відомий пристрій не забезпечує достатні точність та діапазон вимірювання постійного струму через неповну компенсацію систематичної похибки. Дана похибка обумовлена нелінійністю та температурною нестабільністю функції перетворення фотоприймача і нелінійністю функції перетворення оптичної системи "поляризатор-світловоданалізатор". В основу винаходу покладена технічна задача створення цифрового вимірювача постійного струму, у якому, завдяки введеної нової сукупності функціональних блоків та зв'язків між ними і з іншими блоками пристрою, забезпечувалося б підвищення точності та розширення діапазону вимірювання постійного струму. Поставлена технічна задача вирішується завдяки тому, що у цифровий вимірювач постійного струму, що включає в себе загальну шину, перетворювач "напруга-код", оперативний запам'ятовуючий пристрій, постійний запам'ятовуючий пристрій, цифровий відліковий пристрій та мікропроцесор, які з'єднані між собою через загальну шину, формувач потоку лінійно поляризованого оптичного випромінювання, який складається з послідовно оптично з'єднаних першого мікрооб'єктиву із гніздом світловодного з'єднувача на ви ході, першої лінзи, поляризатора та джерела оптичного випромінювання, вхід керування якого підключений до першого розряду другого паралельного порту мікропроцесора, перший світловод із встановленими на обох його кінцях штирями світловодних з'єднувачів, який першим кінцем підключений до виходу першого мікрооб'єктиву, оптикоелектронний перетворювач, який складається з послідовно оптично з'єднаних другого мікрооб'єктиву із гніздом світловодного з'єднувача на вході, аналізатора, другої лінзи, фотоприймача та підсилювача напруги, чий вхід підключений до виходу фотоприймача, вихід оптико-електронного перетворювача з'єднаний із входом перетворювача "напруга-код", другий світловод із встановленими на обох його кінцях штирями світловодних з'єднувачів, який першим кінцем підключений до входу другого мікрооб'єктиву, додатково введені перетворювач "код-струм" і структурно-надлишковий волоконно-оптичний сенсор постійного струму, оптичний вхід якого через перший світловод з'єднаний із виходом формувача потоку лінійно поляризованого оптичного випромінювання, оптичний вихід сенсора через другий світловод підключений до входу оптико-електронного перетворювача, цифровий вхід управління сенсором з'єднаний із загальною шиною, основні електричні вхід та вихід сенсора підключені до електричного кола з вимірюваним струмом, додаткові електричні вхід та вихід сенсора з'єднані, відповідно, із електричними виходом та входом перетворювача "код-струм", чий вхід підключений до загальної шини. На Фіг.1 зображена структурна схема цифрового вимірювача постійного струму, де 1 - стр укту 5 83808 рно-надлишковий волоконно-оптичний сенсор; 2, 3 - перший та другий світловоди із встановленими на обох їх кінцях штирями світловодних з'єднувачів; 4 - формувач потоку лінійно поляризованого оптичного випромінювання; 5 - перший мікрооб'єктив; 6 - перша лінза; 7 - поляризатор; 8 - джерело оптичного випромінювання; 9 оптикоелектронний перетворювач; 10 - др угий мікрооб'єктив; 11 - аналізатор; 12 - друга лінза; 13 - фотоприймач; 14 - підсилювач напруги; 15 - мікропроцесор; 16 - перетворювач «код-струм»; 17 перетворювач «напруга-код»; 18 - постійний запам'ятовуючий пристрій; 19 - оперативний запам'я товуючий пристрій; 20 - цифровий відліковий пристрій; 21 - загальна шина. Цифровий вимірювач постійного струму включає в себе загальну шину 21, перетворювач "напруга-код" 17, оперативний запам'ятовуючий пристрій 19, постійний запам'ятовуючий пристрій 18, цифровий відліковий пристрій 20 та мікропроцесор 15, які з'єднані між собою через загальну шину 21. Крім того, цифровий вимірювач постійного струму містить формувач потоку лінійно поляризованого оптичного випромінювання 4, який складається з послідовно оптично з'єднаних першого мікрооб'єктиву 5 із гніздом світловодного з'єднувача на виході, першої лінзи 6, поляризатора 7 та джерела оптичного випромінювання 8. Вхід керування джерела оптичного випромінювання 8 підключений до першого розряду другого паралельного порту мікропроцесора 15. Цифровий вимірювач постійного струму містить також перший світловод 2 із встановленими на обох його кінцях штирями світловодних з'єднувачів, який першим кінцем підключений до виходу першого мікрооб'єктиву 5. Оптико-електронний перетворювач 9 складається з послідовно оптично з'єднаних другого мікрооб'єктиву 10 із гніздом світловодного з'єднувача на вході, аналізатора 11, другої лінзи 12, фотоприймача 13 та підсилювача напруги 14, чий вхід підключений до виходу фотоприймача 13. Вихід оптико-електронного перетворювача 9 з'єднаний із входом перетворювача "напруга-код" 17. Цифровий вимірювач постійного струму включає також другий світловод 3 із встановленими на обох його кінцях штирями світловодних з'єднувачів, який першим кінцем підключений до входу другого мікрооб'єктиву 10. У цифровий вимірювач постійного струму додатково введені перетворювач "код-струм" 16 і структурно-надлишковий волоконно-оптичний сенсор постійного струму 1. Оптичний вхід структурно-надлишкового волоконно-оптичного сенсора 1 через перший світловод 2 з'єднаний із виходом формувача потоку лінійно поляризованого оптичного випромінювання 4, а оптичний вихід сенсора 1 через другий світловод 3 підключений до входу оптико-електронного перетворювача 9. Цифровий вхід управління сенсором 1 з'єднаний із загальною шиною 21. Основні електричні вхід та вихід сенсора 1 підключені до електричного кола з вимірюваним струмом, а додаткові електричні вхід та ви хід сен 6 сора 1 з'єднані, відповідно, із електричними виходом та входом перетворювача "код-струм" 16. Вхід перетворювача "код-струм" 16 підключений до загальної шини 21. Для пояснення принципу дії цифрового вимірювача постійного струму на Фіг.2 зображено конструкцію структурно-надлишкового волоконнооптичного сенсора 1, де 22, 23 - перше та друге гнізда світловодних з'єднувачів; 24 - третій світловод; 25 - перша багатовиткова котушка з волоконного світловода; 26 - перший мідний струмопровідник; 27 - друга багатовиткова котушка тороїдальної форми із світловода; 28 - котушка індуктивності; 29 - циліндровий каркас; 30 підшипник ковзання; 31 - феромагнітна втулка; 32 другий мідний струмопровідник; 33 - шток; 34 перетворювач "код-переміщення". Структурно-надлишковий волоконно-оптичний сенсор постійного струму 1 складається із першого мідного струмопровідника 26, обидва кінці якого сполучені з клемами різьбовим з'єднанням, і першої багатовиткової котушки 25 з третього світловода 24, намотаної на перший мідний струмопровідник 26 із наперед заданою площею перерізу. На обох кінцях третього світловода 24 встановлені перше та друге гнізда світловодних роз'ємних з'єднувачів 22 і 23. До клем першого мідного струмопровідника 26 підключається джерело вимірюваного струму (на фігурі не показано). Перший струмопровідник 26 виконаний із мідного дроту з наперед заданою площею перерізу S1 , яка визначається з урахуванням максимального значення постійного струму, що вимірюється. Структурно-надлишковий волоконно-оптичний сенсор постійного струму 1 містить також перетворювач "код-переміщення" 34 зі штоком 33 і другу багатовиткову котушку 27 тороїдальної форми із третього світловода 24. Поверх другої багатовиткової котушки 27 тороїдальної форми намотана котушка індуктивності 28 з другого мідного струмопровідника 32 із наперед заданою малою площею перерізу S 2 . Площа перерізу S 2 другого мідного струмопровідника 32 вибирається таким же чином як і для першого мідного струмопровідника 26. Між першим мідним струмопровідником 26 і першою котушкою 25 з світловоду 24 послідовно розташовані циліндровий каркас 29, підшипник ковзання 30 та феромагнітна втулка 31. Феромагнітна втулка 31 одним з торців жорстко з'єднана зі штоком 33 перетворювача "код-переміщення" 34. Вхід управління перетворювача "кодпереміщення" 34 підключений до загальної шини 21. Циліндровий каркас 29 виконаний з діелектричного матеріалу і жорстко з'єднаний із першим мідним струмопровідником 26. Підшипник ковзання 30 виконаний з фторопласту і своєю зовнішньою стороною жорстко з'єднаний з циліндровим каркасом 29. Вхід та ви хід котушки індуктивності 28 підключені відповідно до виходу і входу перетворювача "код-струм" 16. Цифровий вимірювач постійного струму працює наступним чином. Після включення приладу 7 83808 всі функціональні блоки встановлюються в початковий стан. Вхідні регістри чисел цифрового відлікового пристрою 20, перетворювача «напруга-код» 17 і перетворювача "код-переміщення" 34 обнуляються. У результаті цифровий відліковий пристрій 20 відображає нульовий результат. На виході перетворювача «код-струм» 16 струм відсутній. Джерело оптичного випромінювання 8 за командою з мікропроцесора 15 вимикається. У середині волоконно-оптичного сенсора 1 феромагнітна втулка 31 за допомогою перетворювача "кодпереміщення" 34 встановлюється в положення вказане на Фіг.2. При цьому виключається дія магнітного поля, яке створюється вимірюваним струмом, на чутливий елемент сенсора струму 1. У постійний запам'ятовуючий пристрій 18 записуються коди чисел, NI1 і NI2 які забезпечують формування на виході перетворювача "код-струм" 16 струмів I1 і I2 , відповідно; код числа NL , при подачі якого на вхід перетворювача "кодпереміщення" 34 феромагнітна втулка 31 встановлюється у крайнє праве положення (на Фіг.2 дане положення феромагнітної втулки 31 показане пунктиром). Робота пристрою складається з чотирьох тактів вимірювання та одного такту обробки одержаних результатів проміжних вимірювань. У першому такті вимірювань за командою з МП 15 вмикається джерело оптичного випромінювання 8. Потік оптичного випромінювання від джерела 8 поступає на поляризатор 7. З виходу поляризатора 7 лінійно поляризований потік Фн оптичного випромінювання через першу лінзу 6 надходить на перший мікрооб'єктив 5 і по першому світловоду 2 поступає на оптичний вхід сенсора 1 (див. Фіг.1). Одночасно, за командою з МП 15 в регістр перетворювача «код-струм» 16 записується код числа NI1 . У результаті через котушку індуктивності 28 (див. Фіг.2) протікає постійний струм I1 , значення якого дорівнює {I1} = {I0 } - { DI0 } , де I0 - нормований за розміром постійний струм; DI0 - нормований за розміром приріст постійного струму. Магнітне поле, яке утворене в котушці індуктивності 28 постійним струмом I1 , взаємодіє з лінійно поляризованим потоком оптичного випромінювання Фн , що проходить через другу багатовиткову котушку 27 тороїдальної форми із третього світловода 24. У результаті площина поляризації потоку Фн повертається на кут a 1 , значення якого дорівнює {a1} = { VB } w2 w3 {I1} , де VB постійна Верде матеріалу третього світловоду 24; w 2 - число витків третього світловода 24 в другій багатовитковій котушці 27 тороїдальної форми; w 3 - число витків у котушці індуктивності 28 (див. Фіг.2). З оптичного виходу сенсора 1 поляризаційномодульований потік оптичного випромінювання через другий світловод 3 поступає на другий мікрооб'єктив 10, а з нього - на аналізатор 11. За допомогою аналізатора 11 формується потік оптич 8 ного випромінювання Ф ан1 , значення потужності якого дорівнює {Фан1} = { Фн }(1 + sin 2{ a1}) / 2 . Цей потік через другу лінзу 12 поступає на чутливий елемент фотоприймача 13. Залежність вихідної напруги фотоприймача 13 від струму I1 апроксимується квадратичною функцією перетворення (1) Uн1 = S'н ( w2 w3I1)2 + S'л w2w3I1 + DUн де S'н , S' л - параметри функції перетворення постійного струму в напругу; DUн - напруга на виході фотоприймача 13 при відсутності впливу на сенсор 1 постійного струму. Вихідна напруга фотоприймача 13 надходить на підсилювач 14 і підсилюється в k п разів: Uп1 = kп [S'н ( w2w3I1) 2 + S' л w2 w3I1 + D Uн ] (2) де k п - коефіцієнт підсилення підсилювача 14. Підсилена напруга Uп1 (2) подається на вхід перетворювача «напруга-код» 17 і за його допомогою перетворюється в код числа Nн1 = { Sпр }{Uп1} (3) де Sпр - крутизна аналого-цифрового перетворення. Код числа Nн1 по команді з МП 15 поступає через ЗШ 21 в ОЗП 19, де запам'ятовується. У другому такті за командою з МП 15 в регістр перетворювача «код-струм» 16 записується код числа NI2 . У результаті через котушку індуктивності 28 протікає постійний струм I2 , значення якого дорівнює {I2 } = {I0 } + { DI0 } (див. Фіг.2). Магнітне поле, яке утворене в котушці індуктивності 28 постійним струмом I2 , взаємодіє з лінійно поляризованим потоком оптичного випромінювання Фн , що проходить через другу багатовиткову котушку 27 тороїдальної форми із третього світловода 24. У результаті площина поляризації потоку Фн повертається на кут a 2 , значення якого дорівнює {a2 } = { VB } w2 w3 {I2 } . З оптичного виходу сенсора 1 поляризаційномодульований потік оптичного випромінювання по другому світловоду 3 поступає на другий мікрооб'єктив 10, а з його виходу на аналізатор 11 (див. Фіг.1). За допомогою аналізатора 11 формується потік оптичного випромінювання Ф ан2 , значення потужності якого дорівнює = { Фн }(1 + sin 2{ a2 }) / 2 . Потік оптичного випро{Фан2 } мінювання Ф ан2 через другу лінзу 12 надходить на чутливий елемент фотоприймача 13. Вихідна напруга (4) Uн2 = S'н ( w2 w3I2 )2 + S'л w2w3I2 + DUн фотоприймача поступає на підсилювач 14 і підсилюється в k п разів: (5) Uп2 = kп [S'н ( w2w3I2 ) 2 + S'л w 2w3I2 + DUн ] Підсилена напруга Uп2 (5) подається на вхід перетворювача «напруга-код» 17 і за його допомогою перетворюється в код числа Nн2 = { Sпр }{Uп2 } (6) 9 83808 Код числа Nн2 по команді з МП 15 поступає через ЗШ 21 в ОЗП 19, де також запам'ятовується. У третьому такті по команді з МП 15 у регістр числа перетворювача "код-переміщення" 34 записується код числа NL . В результаті в середині сенсора 1 феромагнітна втулка 31 за допомогою перетворювача "код-переміщення" 34 переводиться у крайнє праве положення (на Фіг.2 дане положення феромагнітної втулки 31 показане пунктиром). При зазначеному положенні феромагнітної втулки 31 магнітне поле, яке утворене вимірюваним струмом Ix , взаємодіє з чутливим елементом сенсора струму 1. За командою з МП 15 в регістр перетворювача «код-струм» 16 поступає код числа NI2 . У результаті через котушку індуктивності 28 протікає постійний струм I2 5 значення якого дорівнює {I2 } = {I0 } + { DI0 } . У сенсорі 1 магнітні поля, що утворені струмами Ix . і I2 взаємодіють з лінійно поляризованим потоком оптичного випромінювання Фн , що проходить через третій світловод 24, і повертають площину поляризації на кут a3 . При цьому значення кута a3 дорівнює {a3 } = { VB }( w1{Ix } + w2w3 {I2 }) . Поляризаційно-модульований потік оптичного випромінювання з виходусенсора 1 по світловоду 3 поступає на другий мікрооб'єктив 10, а з нього на аналізатор 11. У результаті на виході аналізатора 11 з'являється потік оптичного випромінювання Ф ан3 , значення потужності якого дорівнює {Фан3 } = { Фн }(1 + sin 2{ a3 }) / 2 . Потік оптичного випромінювання Ф ан3 через другу лінзу 12 надходить на чутливий елемент фотоприймача 13. Вихідна напруга Uн3 = S'н ( w1 x + w2w 3I2 ) 2 + I + S'л ( w1 x + w2w3I2 ) + D Uн I (7) фотоприймача 13 надходить на підсилювач 14 і підсилюється в k п разів: Uп3 = k п [S'н (w1 x + w2w 3I2 ) 2 + I + S'л ( w1Ix + w2w3I2 ) + D Uн ] (8) Підсилена напруга Uп3 (8) подається на вхід перетворювача «напруга-код» 17 і за його допомогою перетворюється в код числа Nн3 = { Sпр }{Uп3 } (9) Код числа Nн3 по команді з МП 15 поступає через ЗШ 21 в ОЗП 19, де запам'ятовується. У четвертому такті за командою з МП 15 в регістр перетворювача «код-струм» 16 записується код числа NI1 . У результаті через котушку індуктивності 28 (див. Фіг.2) протікає постійний струм I1 , значення якого дорівнює {I1} = {I0 } - { DI0 } . У сенсорі 1 магнітні поля утворені струмами Ix і I1 взаємодіють з лінійно поляризованим потоком 10 оптичного випромінювання Фн , що проходить через третій світловод 24, і повертають площину поляризації на кут a 4 . При цьому значення кута a 4 дорівнює {a 4 } = { VB }(w1{Ix } + w 2w3 {I1}) . З оптичного виходу сенсора 1 поляризаційномодульований потік оптичного випромінювання по світловоду 3 поступає на другий мікрооб'єктив 10, а з нього - на аналізатор 11. У результаті на виході аналізатора 11 з'являється потік оптичного випромінювання Ф ан4 , значення потужності якого дорівнює {Фан4 } = { Фн }(1 + sin2{ a4 }) / 2 . Потік оптичного випромінювання Ф ан4 через другу лінзу 12 надходить на чутливий елемент фотоприймача 13. Вихідна напруга Uн4 = S'н ( w1Ix + w2w3I1) 2 + + S'л ( w1 x + w2 w3I1) + D Uн I (10) фотоприймача 13 поступає на підсилювач 14 і підсилюється в k п разів: Uп4 = k п[ S'н ( w1 x + w2 w3I1)2 + I + S'л ( w1 x + w2 w3I1) + D Uн ] I (11) Підсилена напруга Uп 4 (11) подається на вхід перетворювача «напруга-код» 17 і за його допомогою перетворюється в код числа Nн4 = { Sпр }{Uп 4 } (12) Код числа Nн 4 за командою з МП 15 поступає через ЗШ 21 в ОЗП 19, де й запам'ятовується. У п'ятому такті одержані результати проміжних вимірювань згідно із рівнянням числових значень w w ( N - Nн3 ) + (Nн2 - Nн4 ) NIx = 2{ DI0 } 2 3 н1 w1(Nн1 - Nн2 ) + ( Nн4 - Nн3 ) (13) Обчислене за рівнянням числових значень (13) дійсне значення вимірюваного струму Ix відображається на цифровому відліковому пристрої 20. Підставивши в (13) рівняння числових значень (3), (6), (9) і (12) неважко переконатися, що на результат визначення дійсного значення NIx постійного струму не впливають адитивна, лінійна і нелінійна мультиплікативні складові систематичної похибки вимірювання. Завдяки запропонованому технічному рішенню цифрового вимірювача постійного струму досягнутий позитивний ефект - підвищення точності та розширення діапазону вимірювання постійного струму. Позитивний ефект отримано завдяки введенню в пристрій суттєви х відмітних ознак (сукупності функціональних блоків) та їх зв'язків між собою та з іншими суттєвими ознаками. Таким чином, цифровий вимірювач постійного струму забезпечує вирішення зазначеної технічної задачі. 11 Комп’ютерна в ерстка Т. Чепелев а 83808 Підписне 12 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601