УДК 621.382(06) Микроэлектроника А.В. РИТТЕР Научный

УДК 621.382(06) Микроэлектроника
А.В. РИТТЕР
Научный руководитель – С.Б. ЧЕБЫШОВ, д.т.н., профессор
Национальны исследовательский ядерный университет «МИФИ»
ПОДХОД РАЗРАБОТКИ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО
ДАТЧИКА ТОКА
Разработан цифровой датчик переменного тока и источник переменного тока (до 200А). Приведены
результаты исследования параметров трансформатора тока на ферритовом сердечнике. Для измерения
сигнала использовался микроконтроллер со встроенным 10-ти битным АЦП интегрирующего типа
PIC12F675 и токовые клещи MT87, M266C. Трансформатор тока в режиме насыщения, позволяет измерять
на порядок больший ток, чем ток, измеряемый трансформатором тока в номинальном режиме.
Цель работы – разработать бесконтактный цифровой датчик тока (ДТЦ) промышленной часты до 200 А,
интерфейс передачи измеренного значения тока – дискретный.
В качестве чувствительного элемента используется трансформатор тока с минимально возможными
габаритами с учетом значения тока 200 А и области применения датчика – установка в щитах широкого
применения для контроля и измерения тока в АСУ – собранный на феррите К 40x25x11 1000 НМ, который
содержит одну обмотку из 12 витком изолированного провода [1].
ДТЦ структурная схема которого приведена на рис. 1 собирается на печатной плате датчика,
выполненной из фольгированного с одной стороны текстолита марки FR4 размерами 59x59.
В силу нелинейных процессов происходящих в трансформаторе тока происходит искажение сигнала и
расширение его спектра. Кроме того, в сети существуют помехи, которые не несут информации полезной
для измерения, а наоборот, вносят дополнительные ошибки при оцифровки сигнала. В результате
проведенных экспериментов была вычислена ширина спектра сигнала, что необходимо для расчета
элементов ФНЧ. Таким образом, фильтр низких частот (ФНЧ) применяется для ослабления помех.
Ток первичной обмотки трансформатора, преобразованный в ток вторичной обмотки трансформатора,
создает на резисторе KNP 2Вт 0,1Ом напряжение входного сигнала. Будучи усиленным и выпрямленным на
счетверенном операционном усилителе LM224AD, напряжение входного сигнала поступает на вывод
микроконтроллера PIC12F675, содержащим встроенный 10-ти битный АЦП интегрирующего типа.
УДК 621.382(06) Микроэлектроника
Рис. 1. Структурная схема ДТЦ
Обозначения на рис. 1:
K – предварительный усилитель сигнала;
ФНЧ – фильтр низких частот;
АЦП – аналого-цифровой преобразователь;
LM224 – счетверенный операционный усилитель;
PIC12F675 – микроконтроллер Microchip;
78L05, 78L12 – линейные стабилизаторы.
Сигнал, искаженный трансформатором, имеет форму треугольных импульсов с длительностью,
уменьшающуюся при увеличении тока. В качестве параметра сигнала, характеризующего величину тока
первичной цепи трансформатора, была взята амплитуда импульса, измеряемая встроенным АЦП.
Расчет измерений тока осуществляется микроконтроллером PIC12F675, путем вычисления кусочнолинейной функции амплитуды импульса, которая в свою очередь определяется поиском максимума данных
АЦП в течение 20 мс.
УДК 621.382(06) Микроэлектроника
На рис. 2 приведена расчетная погрешность откалиброванного датчика, данные тестирования показали,
что погрешность находится в указанных пределах.
Рис. 2. Расчетная погрешность цифрового датчика тока
Датчик тока позволяет измерять ток промышленной частоты до 200 А с точностью 2 %. Предложенный
научно обоснованный метод (повторяемые эксперименты и оценка погрешности интерполяции)
проектирования ДТЦ, включающий калибровку путем расчета коэффициентов интерполирующей функции
для каждого конкретного датчика, решает вопрос контроля точности (автоматизация) и потенциально
качественно улучшает точность измерения и организации сети датчиков по сравнению с подобными
аналоговыми устройствами.
Список литературы
1. Саркисов А.Ш., Риттер А.В., Трофимов М.А. PIC технологии в микропроцессорных системах. // XI
Международная конференция «Безопасность АЭС и подготовка кадров - 2009»: Тезисы докладов (29
сентября – 2 октября 2009 г.) в 2 – т. Т.2. – Обнинск: НОУ «ЦИПК», 2009. С.76-78.