КОМАРОВ С.Г. СЧЁТЧИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ С МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ


КОМАРОВ С.Г. СЧЁТЧИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ С МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ


Библиографическая ссылка на статью:
// Современная техника и технологии. 2012. № 12 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2012/12/1440 (дата обращения: 03.10.2017).

Комаров С.Г., независимый исследователь, электромеханик

 

Представлены в примере краткое конструктивное содержание счётчика электрической энергии с использованием магниточувствительного элемента и наиболее полное описание модификации этого счётчика. Обозначена возможность использовать в счётчиках электрической энергии магниторезисторы с обратной и прямой зависимостью электросопротивления от величины индукции магнитного поля. Показано, что использование магниторезисторов с прямой зависимостью целесообразнее использования магниторезисторов с обратной зависимостью, поскольку первые из них более широко разработаны и изучены в научных лабораториях по типам, характеристикам и практическому применению. Представлено описание аккумуляторного электрического счётчика разрядных и зарядных ватт-часов с возможным использованием его в автомобиле.

Известен счётчик электрической энергии (1), содержащий токовый проводник, включенный последовательно с нагрузкой электрической сети, датчик напряжения, выполненный в виде двухполупериодного выпрямителя, подключенного к электрической сети, блок интегрирования, выполненный в виде магнитного полупроводника (магниторезистора), размещённого в магнитном поле токового проводника, добавочного сопротивления, в том числе, терморезистора, и накопительного конденсатора, включенных в последовательную цепь, которая подключена к выходу духполупериодного выпрямителя, пороговый элемент (динистор) и конденсатор отбора порции энергии, которые подключены последовательно между собой и параллельно накопительному конденсатору блока интегрирования, светодиод для визуального контроля за работой счётчика по импульсному свечению, отсчётный блок с применением на входе двоичного счётчика импульсов, объединённые счётный вход и вход электропитания которого соединены через светодиод с выходом конденсатора отбора порции энергии, дешифратора и цифрового индикатора, включенных последовательно с двоичным счётчиком, сохраняющим память после исчезновения очередного импульса, и блок формирования напряжения электропитания дешифратора и цифрового индикатора, содержащий кнопку подключения его к электрической сети.

Работа счётчика (1) основана на изменении (в частности, уменьшении) величины электросопротивления под действием (увеличивающегося) магнитного поля в магнитных полупроводниках, в том числе, например, в легированном антиферромагнитном селениде европия в области комнатных температур, известном как эффект колоссального магнитосопротивления (КМС), а также в более широко известных манганитах с величиной эффекта КМС порядка 100 % при комнатных температурах; на изменении периода действия (и частоты) коротких электрических импульсов от изменения сопротивления магниточувствительного элемента – магнитного полупроводника с изменением нагрузки сети, образуемых, в том числе, с применением блока интегрирования и порогового элемента; на подсчёте числа импульсов, пропорционального интегралу по времени электрической мощности или энергии за интервал времени, с применением в отсчётном блоке двоичного счётчика импульсов, дешифратора и цифрового индикатора, сохраняющих память после исчезновения очередного импульса. Единица измерения расхода энергии в данном счётчике Втч или кВтч, поскольку этот счётчик бытового или же промышленного применения.

Необходимо отдавать себе отчёт в том, что антиферромагнитные полупроводники – магниторезисторы с так называемой «зет-образной» – триггерной характеристикой (из-за снижения электросопротивления от почти бесконечного значения и почти до нуля) при относительно небольших изменениях управляющего магнитного поля или температуры не могут найти применение в счётчиках электрической энергии. Но они могут (в том числе, взгляд в будущее!) найти применение в связи с возможностью изменять в их свойствах зависимость проводимости от магнитного поля и компенсировать термическую нестабильность, в том числе, например, дополнительным включением последовательно с ними специально подобранных по ТКС терморезисторов (Источники информации п. 4).

Известен также счётчик электрической энергии (2), который, как и счётчик (1), в примере выполнен с магниточувствительным элементом с зависимостью: чем больше величина управляющего магнитного поля, тем меньше электросопротивление магниточувствительного элемента – магниторезистора, но отличается от счётчика (1) тем, что в него дополнительно введён второй блок интегрирования, выполненный без применения магниточувствительного элемента, но с зарядным сопротивлением и накопительным конденсатором, подключенным на свой пороговый элемент, при этом выходы пороговых элементов первого и второго блоков интегрирования подключены на соответствующие входы прямого и обратного счёта реверсивного счётчика в отсчётном блоке.

В результате, если в счётчике (1) установка исходного состояния для блока интегрирования осуществлялась за счёт дополнительной разрядки накопительного конденсатора внутренним сопротивлением порогового элемента ещё до порога его срабатывания, то в счётчике (2) установка исходного состояния для счётчика в целом происходит за счёт компенсации прямого счёта импульсов от первого порогового элемента обратным счётом импульсов, поступающих от второго порогового элемента.

В данном случае (при наличии двух блоков интегрирования) в принципе уже не имеет значения, с какой зависимостью электросопротивления (прямой или обратной) от величины индукции магнитного поля выполнен магниторезистор в цепи одного из блоков интегрирования, и даже если потребитель энергии не переменного, а постоянного тока.

Так, возможно производить учёт расхода энергии постоянного тока в ватт-часах, поскольку чаще всего напряжение у потребителя не остаётся постоянным и может изменяться в небольшом пределе по сравнению с номинальным, а сила тока может принимать любые значения от нуля до максимально возможного по сравнению с номинальным. Если потребление электрической энергии постоянного тока происходит при неизменном по величине напряжении, то возможно считать, что учёт потребляемой энергии происходит в ампер-часах.

Кроме реверсивного счётчика в отсчётном блоке такого устройства, как очевидно, необходимо устройство цифровой обработки показаний реверсивного счётчика, которое целесообразно выполнить в виде одной специализированной микросхемы.

Счётчик электрической энергии (3) изготовлен в ключе функционирования счётчиков (1) и (2). Особенностью этого устройства является наличие в нём единственного блока интегрирования (накопительный конденсатор которого подключен к пороговому элементу для образования счётных импульсов), управляемого первым полупериодом сетевого переменного напряжения через изменение сопротивления магниточувствительного элемента – магниторезистора, задаваемго нагрузкой сети, и вторым полупериодом сетевого переменного напряжения через установочное постоянное сопротивление.

В этом случае также не имеет значения, с какой зависимостью электросопротивления (прямой или обратной) от величины индукции магнитного поля выполнен магниторезистор. Лишь для общего понятия принципа действия в данном устройстве отсчётный блок выполнен в виде электрического счётчика импульсов. Но в действительности, как очевидно, отсчётный блок должен быть электронным (как блок цифровой обработки, например, в виде специализированной микросхемы).

На периоды заявок изобретений приобрести нужные магнитные полупроводники с уменьшением величины электросопротивления под действием увеличивающегося магнитного поля было практически невозможно. В то же время были доступны магнитные полупроводники – магниточувствительные элементы, характеризующиеся возрастанием электросопротивления при помещении их в магнитное поле, к примеру, магниторезисторы, выполненные с применением сплава InSb – NiSb, нечувствительные к низким магнитным полям. Но в высоких полях (более 0,2 Тл) они показывали сопротивление, которое изменяется (в данном случае – увеличивается) приблизительно как квадрат магнитного поля. В результате становилось возможным увеличение сопротивления магниторезистора за счёт установки исходной величины магнитного поля добавочным магнитом и изменением управляющего магнитного поля, задаваемым нагрузкой сети, в несколько сотен %.

Были известны также монолитные магниторезисторы, которые, наоборот, имеют зависимость магнитной чувствительности в области слабых полей, близкую к квадратичной, а в области сильных полей – практически линейной. Область перехода данных магниторезистивных элементов от слабых полей к сильным лежит в пределе 0,2 – 0,4 Тл. Конструктивно сопротивление магниторезистора при отсутствии магнитного поля лежит в пределе от десятков Ом до десятков тысяч Ом, термочувствительность – от минус 1 до плюс 0,01 на градус Цельсия (определяемые из документации на магниторезистор). Наиболее употребляема в практическом отношении область сильных магнитных полей.

Заявителем, для обеспечения себе преимуществ по промышленному внедрению изобретений, в описаниях изобретений не показывалась практическая равнозначность применения магниторезисторов с прямой и обратной зависимостью их электросопротивлений от изменений управляющего магнитного поля, не вводились характеристика выбираемого магниторезистора с практически линейной магнитной чувствительностью в области сильного магнитного поля, приводящего к увеличению (а не уменьшению) сопротивления магниторезистора, в том числе, за счёт управляющего магнитного поля, примеры образования начального (исходного) магнитного поля для размещения магниторезистора, изменения управляющего магнитного поля изменением нагрузки электрической сети, снятия переменного напряжения с цепи с магниторезистором, усиления переменного напряжения усилителем переменного напряжения, амплитудного детектирования детектором для преобразования переменного напряжения в постоянное, усиления постоянного напряжения усилителем постоянного напряжения, подключаемого далее на блок интегрирования в составе последовательно включенных сопротивления и накопительного конденсатора, замены порогового элемента – динистора на выходе накопительного конденсатора на его аналог со значительно меньшим, чем у обычного динистора, порогом срабатывания (для формирования большего счётного числа импульсов), или же на лавинный транзистор. Не показывалась возможность вместо применения блока интегрирования и порогового элемента применить аналого-цифровой преобразователь – электронное устройство, преобразующее измеряемое напряжение в двоичный цифровой код.

Некоторые обозначенные признаки («непринципиальные» на первый взгляд детали) автором изобретений относились к ноу хау. Но они необходимы для того, чтобы схема счётчика электрической энергии, включающая магниточувствительный элемент – магниторезистор, например, с линейным увеличением электросопротивления при увеличении управляющего магнитного поля, была практически работоспособной.

На рисунке 1 представлена блок-схема модифицированного счётчика электрической энергии в сети переменного тока.


Счётчик электрической энергии содержит катушку К из нескольких витков толстого медного провода, включенную последовательно с нагрузкой П к электрической сети СПТ переменного тока; постоянные магниты М1 и М2 с образованием на общей оси их установки сконцентрированного магнитного поля; магниторезистор МР, созданный или же укреплённый на одном полюсе магнита (например, S магнита М1) и выполненный с увеличением электросопротивления при увеличении индукции магнитного поля (в том числе, управляющего магнитного поля); терморезистор ТР, который включен последовательно с магниторезистором МР в цепь постоянного тока со стабилизированным напряжением U; конденсатор С для отсечки постоянной составляющей электрического тока, усилитель У переменного напряжения, подключенный входом через конденсатор С к клеммам магниторезистора МР; подключенные последовательно к выходу усилителя У амплитудный детектор АД, фильтр Ф низкой частоты, потенциальный, например, операционный усилитель УП постоянного напряжения (с высокоомным входом), аналого-цифровой преобразователь АЦП для преобразования измеряемого напряжения в двоичный цифровой код и блок БЦО цифровой обработки, например, выполненый в виде одной специальной микросхемы для измерения энергии в кВтч (с применением, в частности, также двоично-десятичного счётчика импульсов с дешифратором, работающим на цифровой индикатор).

Работает счётчик электрической энергии следующим образом.

Поскольку одиночный магниторезистор МР исходно находится в сильном однородном магнитном поле, создаваемом постоянными магнитами М1 и М2, то зависимость магнитной чувствительности магниторезистора МР от магнитного поля практически линейна, что задаёт высокое начальное электросопротивление магниторезистора МР. А также, поскольку магниторезистор МР с последовательно включенным терморезистором ТР (в свою очередь специально подобранным по ТКС для компенсации термической нестабильности магниторезистора МР) подключены к источнику питания U со стабилизированным постоянным напряжением (порядка 5 В), то в исходном состоянии на магниторезисторе МР выделяется постоянное напряжение, которое не может пройти через конденсатор С на вход усилителя У переменного напряжения.

После того, как нагрузка П подключена к электрической сети СПТ переменного тока 50 Гц (ключи подключения нагрузки на рисунке не показаны), в катушке К возникает переменное магнитное поле, которое в первый полупериод переменного тока, например, складывается с номинальным магнитным полем магнитов М1 и М2, а во второй полупериод переменного тока наоборот вычитается из номинального магнитного поля магнитов М1 и М2. При этом с ростом индукции магнитного поля в магнитном потоке, нормально падающем на магниторезистор МР, растёт пропорционально току в нагрузке П от начального электросопротивление магниторезистора МР, а, следовательно, растёт падение напряжения на нём. И, наоборот, с уменьшением индукции магнитного поля, падающего на магниторезистор МР, убывает от начального электросопротивление магниторезистора МР, а, следовательно, убывает падение напряжения на нём.

Малые изменения падения напряжения на магниторезисторе Мр с частотой 50 Гц подаются через конденсатор С на усилитель У переменного напряжения, усиливаются им, далее проходят на амплитудный детектор АД, детектируются и поступают на фильтр Ф низкой частоты (параллельно включенные сопротивление и конденсатор) для первичного образования амплитуды постоянного напряжения, соответствующей потребляемой энергии потребителем П, после чего напряжение с выхода фильтра Ф поступает на высокоомный вход усилителя УП постоянного напряжения, усиливается им и подаётся на вход аналого-цифрового преобразователя АЦП для преобразования измеряемого напряжения в двоичный цифровой код, а двоичный цифровой код с выхода преобразователя АЦП поступает в блок БЦО цифровой обработки, в котором он превращается в значение потребляемой энергии в ватт-часах или кВтч (за единицу времени), отражаемое цифровым индикатором. Блок БЦО цифровой обработки на входе имеет двоично-десятичный счётчик импульсов с сохранением памяти при исчезновении напряжения сети.

На рисунке 2 представлена блок-схема аккумуляторного электрического счётчика разрядных и зарядных ватт-часов, используемого, например, в автомобиле.


Аккумуляторный электрический счётчик разрядных и зарядных ватт-часов содержит токовый проводник (на рисунке не обозначен), ферритовый тороидальный концентратор ТК магнитного поля с воздушным зазором, при этом токовый проводник продет через круглое отверстие тороидального концентратора ТК и соединяет плюсовую клемму аккумулятора Ак с электрической схемой ЭСА автомобиля; магниточувствительный элемент – магниторезистор МР, который размещён на одном из полюсов тороидального концентратора ТР в воздушном зазоре (на сечении тороидального концентратора ТК) и выполнен с прямой зависимостью электросопротивления от величины индукции магнитного поля (чем больше величина индукции магнитного поля, тем больше электросопротивление); терморезистор ТР, который специально подобран по ТКС и включен последовательно с магниторезистором МР для компенсации термической нестабильности последнего, при этом эта последовательная цепь подключена через электронный стабилизатор постоянного напряжения (на рисунке не показан) к выходным клеммам аккумулятора Ак; амплитудный дискриминатор АД для оценки амплитуды электрического сигнала (который определяет: больше напряжение или меньше некоторой заданной величины), снимаемого с магниторезистора МР; потенциальный, например, операционный усилитель УП однополярного напряжения с высокоомным входом, соединённым с выходом амплитудного дискриминатора АД; аналого-цифровой преобразователь АЦП для преобразования измеряемого напряжения в двоичный цифровой код; особое коммутирующее устройство ОК (переключатель), соединённое входом с выходом преобразователя АЦП; блок БЦОР цифровой обработки разрядного тока аккумулятора, соединённый входом с первым выходом особого коммутирующего устройства ОК; и блок БЦОЗ цифровой обработки зарядного тока аккумулятора, соединённый входом со вторым выходом особого коммутирующего устройства ОК, при этом блоки БЦОР и БЦОЗ цифровой обработки выполнены каждый в виде одной специальной микросхемы для измерения энергии (с применением, в том числе, двоично-десятичного счётчика с дешифратором, работающим на цифровой индикатор). Цифровые индикаторы разрядных и зарядных ватт-часов в счётчике могут устанавливаться на нуль, для чего должна быть предусмотрена ручная посылка сбросовых импульсов на входы сброса двоично-десятичных счётчиков.

Ёмкость аккумулятора (аккумуляторной батареи) принято измерять в ампер-часах (предполагая неизменной величину напряжения аккумулятора). Однако гораздо лучше (целесообразнее) измерять ёмкость аккумулятора в ватт-часах или кВтч, поскольку в периоды разряда и заряда аккумулятора величина напряжения, хотя и мало, но изменяется.

Так как коэффициент полезного действия у аккумуляторов по энергии меньше единицы (к примеру для кислотных аккумуляторов этот коэффициент равен 0,75), то при использовании аккумулятора желательно наблюдать за тем, чтобы количество отданной электрической энергии было меньше энергии, затраченной на зарядку аккумулятора. Для правильной эксплоатации аккумулятора важно вести учёт всей суммы электрической энергии, истраченной как при зарядке, так и при разрядке аккумулятора.

При зарядке и разрядке аккумулятора напряжение на его клеммах не меняет своего знака, меняется же только направление тока в цепи аккумулятора. Установка в счётчике ватт-часов блоков цифровой обработки разрядного и зарядного токов аккумулятора позволит учитывать энергию того и другого направления. Однако при этом необходимо применение особого коммутирующего устройства, позволяющего счётчику нормально работать при токе как в одну, так и в другую сторону.

На рисунке 3 схематично представлено особое коммутирующее устройство (переключатель).



Данное устройство содержит ферритовый стержень ФС, на котором размещены несколько витков В толстого, изолированного и немагнитного проводника, подключенного от аккумулятора Ак к электрической схеме ЭСА автомобиля с ключами управления отдельными потребителями (на рисунке не показаны); постоянный магнитик М с малой магнитной энергией, который в исходном состоянии устройства одним из магнитных полюсов притягивается к ферритовому стержню ФС, растягивая пружинку П, которая прикреплена к изолятору И, и замыкая первый электрический контакт 1 (блока цифровой обработки разряда аккумулятора). Притянутый магнитик М к ферритовому стержню ФС образует в нём магнитное поле. Регулировка натяжения электропроводной пружинки П на рисунке не показана.

Когда происходит разряд аккумулятора Ак на электрическую схему ЭСА, от протекания тока в витках В (электрический ток направлен от аккумулятора Ак) образуется дополнительное магнитное поле, которое ещё больше удерживает магнитик М притянутым к ферритовому стержню ФС и сохраняет замкнутым первый электрический контакт 1 (что важно, так как это предотвращает разрыв контакта 1 от вибраций во время движения автомобиля).

Если же производится заряд аккумулятора Ак от генератора (электрический ток заряда направлен к аккумулятору Ак), изменяется (уменьшается) индукция магнитного поля в ферритовом стержне ФС, уменьшается сила притяжения магнитика М к ферритовому стержню ФР, из-за чего сила действия пружинки П превышает силу притяжения магнитика М к ферритовому стержню ФР, происходит размыкание первого контакта 1 и замыкание второго контакта 2 (блока цифровой обработки заряда аккумулятора). С новой переменой направления тока (направления к аккумулятору на от аккумулятора) вновь оказывается замкнутым первый контакт 1.

Аккумуляторный электрический счётчик разрядных и зарядных ватт-часов (см. рисунок 2) с особым коммутирующим устройством, описанным выше (см. рисунок 3), работает следующим образом.

В исходном состоянии, когда зажигание автомобиля не включено, тока в электрической схеме ЭСА автомобиля нет и нет тока в проводнике, который продет через тороидальный концентратор ТР магнитного поля, электросопротивление магниторезистора Мр зависит только от температуры, а его термическая нестабильность будет скомпенсирована впоследствии специально подобранным по ТКС терморезистором ТР, включенным последовательно с магниторезистором МР. При этом эта последовательная цепь будет подключена (после включения зажигания) через стабилизатор напряжения (на рисунке не показан) к клеммам аккумулятора Ак.

После включения зажигания на магниторезисторе МР выделяется падение напряжения, которое оказывается приложенным к амплитудному дискриминатору АД, который определяет: больше напряжение или меньше некоторой заданной величины. Напряжение проходит на выход дискриминатора АД лишь тогда, когда его амплитуда превышает некоторый установленный порог. Этот порог можно регулировать и устанавливать его значение соответствующим начальному – нулевому.

Увеличение тока разряда аккумулятора Ак (ток направлен от аккумулятора) приводит к возрастанию магнитного поля в тороидальном концентраторе ТК и магнитного потока, нормально падающего на магниторезистор МР. Что в свою очередь приводит к возрастанию электросопротивления магниторезистора МР, увеличению падения напряжения на нём и появлению напряжения на выходе дискриминатора АД. Затем выходное напряжение дискриминатора АД усиливается потенциальным усилителем УП постоянного напряжения и подаётся на вход аналого-цифрового преобразователя АЦП, преобразующего измеряемое напряжение в двоичный цифровой код, который через первый контакт особого коммутирующего устройства ОК уходит в блок БЦОР цифровой обработки разрядного тока.

Электросопротивление магниторезистора МР не зависит от направления нормально падающего на него управляющего магнитного поля. Поэтому и в случае заряда аккумулятора Ак (ток направлен к аккумулятору) от генератора происходит при увеличении тока заряда возрастание магнитного поля в тороидальном концентраторе ТК и далее, как описано в примере разряда аккумулятора Ак, – появление на выходе аналого-цифрового преобразователя АЦП двоичного цифрового кода, который теперь уходит (из-за срабатывания особого коммутирующего устройства ОК) через второй контакт коммутирующего устройства ОК в блок БЦОЗ цифровой обработки зарядного тока.

Особое коммутирующее устройство может быть выполнено и с применением шунта в токовой цепи аккумулятора, операционного усилителя постоянного тока, настроенного только на усиление зарядного тока аккумулятора (тока, направленного к аккумулятору), напряжение от действия которого выделяется на шунте, и исполнительного реле с одним нормально закрытым контактом для передачи двоичного цифрового кода к блоку цифровой обработки разрядного тока (в период действия разрядного тока аккумулятора) и с одним нормально открытым контактом, который включается после подачи напряжения от усилителя постоянного тока в обмотку исполнительного реле при зарядке аккумулятора для передачи двоичного цифрового кода к блоку цифровой обработки зарядного тока.

Источники информации

  1. Комаров С. Г. Счётчик электрической энергии, Авторское свидетельство СССР за № 1447087, приоритет изобретения 27 мая 1987 г.
  2. Комаров С. Г. Счётчик электрической энергии, Патент Российской Федерации за № 2053515, приоритет изобретения 06 февраля 1991 г.
  3. Комаров С. Г. Электрический счётчик, Авторское свидетельство СССР за № 1804210 А1, приоритет изобретения 22 февраля 1991 г.
  4. Э. Л. Нагаев Магнетизм без чудес, журнал «Наука и жизнь» №7, 1985 г., Москва. Издательство «Правда». Стр. 30 – 32.


Все статьи автора «Комаров Станислав Григорьевич»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: