PL223005B1 - Układ do pomiaru napięcia zmiennego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ do pomiaru napięcia zmiennego, stosowany zwłaszcza w wymagających zapewnienia izolacji pomiarach średniego napięcia w sieciach energetycznych.

Najczęściej wykorzystywane do pomiaru średnich napięć są przekładniki napięciowe, będące w istocie precyzyjnie wykonanymi transformatorami. Są one duże i ciężkie ze wzglądu na konieczność nawinięcia uzwojenia pierwotnego o dużej liczbie zwojów z zachowaniem izolacji pomiędzy uzwojeniami, rdzeniem i otoczeniem. Stosuje się także dzielniki pojemnościowe, lecz ich dokładność jest niewielka i wykorzystywane są głównie jako wskaźniki napięcia. Ponadto, dzielniki pojemnościowe nie zapewniają izolacji układu pomiarowego od napięcia mierzonego. Zapewnienie tej izolacji jest jednym z podstawowych problemów w pomiarach napięcia w energetyce.

Znane z amerykańskich opisów patentowych nr US 8 605 114, nr US 7 355 326, nr US 6 278 227, nr US 6 353 279, zbliżone funkcjonalnie rozwiązania są realizowane jako transformatory piezoelektryczne, które co prawda dokonują zmiany mierzonego napięcia na napięcie o innej wartości z zachowaniem izolacji pomiędzy obwodem wejściowym a wyjściowym, ale ich głównym celem jest przekazywanie mocy pomiędzy tymi obwodami, a nie precyzyjne odwzorowanie napięcia. Znane układy transformatorów piezoelektrycznych wykonane są jako dwie pary naniesionych elektrod na wspólnym elemencie piezoelektrycznym, przez co nie gwarantują skutecznej izolacji przy średnich i wysokich napięciach, ponieważ oba obwody położone są blisko siebie.

Znany z opisu nr KR 2007 0 106 163 A układ zawiera przetwornik piezoelektryczny, w którym detekcja drgań realizowana jest poprzez elektrody umieszczone bezpośrednio na elemencie piezoelektrycznym lub za pomocą analizy kąta odbicia światła od czoła elementu piezoelektrycznego.

Znany z opisu nr KR 2008 0 035 108 A układ przeznaczony jest do monitorowania transformatora, zawiera element piezoelektryczny dołączony bezpośrednio do transformatora, przekształcający drgania transformatora w energię elektryczną. Ta energia jest następnie gromadzona w zasobniku energii, mierzona i służy również do zasilania i dalszej obróbki danych.

Układ do pomiaru napięcia zmiennego według wynalazku zawiera przetwornik piezoelektryczny dołączony do obwodu mierzonego i sprzężony mechanicznie z czujnikiem drgań. Czujnik drgań połączony jest z układem konwersji, z którego wychodzi sygnał wyjściowy.

Przetwornik piezoelektryczny pobudzany przez mierzone napięcie, przekazuje wywołane nim drgania poprzez sprzężenie mechaniczne czujnikowi drgań, który wraz z układem konwersji zmienia oddziałujące nań drgania na sygnał elektryczny, proporcjonalny do napięcia wywołującego drgania przetwornika piezoelektrycznego. Przetwornik piezoelektryczny jest wykonany jako piezoceramiczna płytka o niewielkiej grubości z naniesionymi po jej obu stronach elektrodami. Napięcie zmienne przyłożone do tych elektrod zgodnie z zjawiskiem odwrotnym piezoelektrycznym powoduje drgania płytki piezoelektrycznej. Elektrody są od siebie tak oddalone, aby zachować wymaganą izolację.

Sprzężenie mechaniczne jest wykonane jako sztywna warstwa przenosząca drgania i łącząca mechanicznie w trwały sposób drgający element piezoelektryczny i detektor drgań. Jest to na przykład warstwa kleju między elementem piezoelektrycznym a detektorem drgań lub płytka szklana wklejona pomiędzy element piezoelektryczny a detektor drgań. To drugie rozwiązanie dodatkowo poprawia izolację wzajemną obwodów.

Czujnik drgań może być wykonany jako przetwornik piezoelektryczny wykorzystujący pierwotne zjawisko piezoelektryczne, czyli pod wpływem odkształceń wywołanych drganiami, na elektrodach przetwornika pojawi się napięcie proporcjonalne do tych odkształceń. Detektorem drgań może być również przetwornik indukcyjny lub pojemnościowy. W takich przetwornikach zmiany geometryczne przekładają się odpowiednio na zmiany indukcyjności lub pojemności przetwornika.

Czujnik drgań może być również zrealizowany za pomocą czujnika przyspieszenia zrealizowanego w technologii MEMS. W tym przypadku można wykorzystać zintegrowane z czujnikami MEMS przetworniki analogowo-cyfrowe i w jednym elemencie połączyć czujnik drgań i układ konwersji, otrzymując na wyjściu od razu sygnał cyfrowy. Układy konwersji, dopasowane odpowiednio do zastosowanego czujnika drgań, przetwarzają sygnał wyjściowy czujnika na postać napięciową lub cyfrową, proporcjonalną do mierzonego napięcia. Takie rozwiązanie umożliwia precyzyjny pomiar napięcia z zachowaniem izolacji pomiędzy obwodem mierzonym a wyjściowym.

Przedmiot wynalazku przedstawiony jest w przykładzie wykonania schematycznie na rysunku.

Do obwodu mierzonego LN, składającego się z dwóch szyn napięciowych dołączony jest przetwornik piezoelektryczny PP. Napięcie zmienne występujące w obwodzie mierzonym LN wywołuje

PL 223 005 B1 odkształcenia przetwornika piezoelektrycznego PP zgodnie z odwrotnym zjawiskiem piezoelektrycznym. Poprzez sprzężenie mechaniczne SM drgania wywołane odkształceniami są przenoszone na czujnik drgań CD. Jako czujnik drgań CD wykorzystany jest element elektromechaniczny (MEMS) dający na wyjściu napięcie proporcjonalne do przyspieszenia. Układ konwersji UK przekształca sygnał z czujnika drgań CD na pożądany sygnał wyjściowy WY w taki sposób, aby był on proporcjonalny do napięcia występującego w obwodzie wejściowym LN. Ponieważ przetwornik piezoelektryczny PP jest wykonany z dielektryka, a sprzężenie mechaniczne SM jest zrealizowane za pomocą naklejonej płytki szklanej, można skutecznie odizolować elektrycznie sygnał wyjściowy WY od obwodu mierzonego LN.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Układ do pomiaru napięcia zmiennego zawierający układ konwersji z przetwornikiem piezoelektrycznym dołączonym do obwodu mierzonego, znamienny tym, że dołączony do obwodu mierzonego (LN) przetwornik piezoelektryczny (PP) sprzężony jest mechanicznie (SM) z czujnikiem drgań (CD), który połączony jest z układem konwersji (UK), z którego wychodzi sygnał wyjściowy (WY).