Влияние наведенного потенциала на погрешность измерения устройством сопротивления опоры

Приложение

к Возражению против выдачи

патента 2309060 от 2006.03.21

Влияние наведенного потенциала на погрешность

измерения устройством сопротивления опоры

В данном приложении анализу подвергается пример, приведенный в описании устройства, в котором сделано вступающее в явное противоречие с широко известными принципами разработки диагностирующих устройств утверждение, что:

«выбор величины потенциалов U1 =600В и U2 =450В исключает влияние наведенного потенциала величиной Uпот=400В на результаты измерений сопротивления опоры».

Ниже рассмотрены несостоятельность технических аспектов содержания формулы и описания устройства, которые непосредственно относятся только к процедуре измерениям сопротивления опоры при наличии в контролируемой цепи высокого уровня наведенного потенциала, которому в формуле и описании устройства уделено повышенное, но совершенно необоснованное внимание.

Прежде всего, отметим, что высокий уровень наведенного потенциала в контролируемой цепи является следствием прохождения мимо контролируемой опоры электроподвижного состава. Иной другой причины появления уровня высокого потенциала на рельсе (кроме прямого попадания молнии в рельс во время грозы, или аварийных событий в системе электроснабжения) просто не существует. Исходя из норм техники безопасности, во время движения электроподвижного состава (и грозы) не допускается проводить измерение сопротивления опоры. Ну а если, вопреки здравому смыслу, такие измерения будут выполнены, то они окажутся совершенно непригодными из-за погрешности измерений, которая превысит все пределы, допустимые для средств измерений.

И эта очевидная истина, которая непосредственно следует из содержания ведомственных документов по охране труда, а именно, «не проводить измерений сопротивления опоры при прохождении электроподвижного состава (и выпадения осадков)», доказывается в данном приложении.

На фиг.1 приведена эквивалентная схема, которая используется для оценки влияния наведенного потенциала на погрешность измерений устройством сопротивления опор.

Фиг. 1

На фиг.1 использованы следующие обозначения:

-ЭДС 600В –исходное напряжение источника импульсного напряжения;

-ЭДС 450В –второй уровень заданного значение выходного напряжения источника импульсного напряжения;

-помеха 50Гц, 400 В – наведенный потенциал частотой 50 Гц, напряжением 400В;

-С1- выходной эталонный конденсатор источника импульсного напряжения;

Пор. Элем. –пороговый элемент для измерения промежутка времени от момента коммутации источника на сопротивлении опоры до момента снижения напряжения до 450В.

Ключ – элемент устройства для коммутации источника на сопротивление опоры;

Rопоры –сопротивление опоры.

Элементом схемы является также и преобразователь, выполняющий операцию преобразования измеренного промежутка времени в значение сопротивления опоры.

Используются приведенные в описании устройства численные значения:

U1=600В –исходное значение выходного напряжения источника;

U2 =450В - заданная величина выходного напряжения источника;

Uпот=400 В – амплитуда наведенного синусоидального напряжения (потенциала) частотой 50Гц, который прикладывается к контролируемой цепи от генератора помехи неограниченной мощности.

Принимаются следующие условия:

-выходное сопротивление генератора помехи <2,0 Ом;

-выполняется условие Rвых<<Rоп;

- электрическую емкость выходного конденсатора С1 источника равна 1,0 мкФ;

-в устройстве нет дополнительных средств, подавляющих сигналы наведенных потенциалов, например, фильтров или математического аппарата;

-вычисления проводится с использованием метода последовательных интервалов;

-измерения по схеме фиг. 1 выполняют устройством на опорах с эталонными сопротивлениями Rэт≤10 000 Ом.

-сопротивление опоры вычисляется по соотношению Rоп=К×t/Сэт, где Сэт=С1, t-промежуток времени, в течение которого напряжения в контролируемой цепи снижается от исходного значения U1=600В до заданного значения U2 =450В. К –коэффициент пропорциональности.

Первоначально, с целью проверки метода последовательных интервалов, вычисляют сопротивления опор при отсутствии наведенного потенциала в схеме измерений, т. е. при закороченном на фиг.1 генераторе синусоидальной помехи.

Далее, определяют возможные пределы погрешности измерений устройством сопротивления опор при подключенном генераторе помех (см. фиг.1). Время снижения напряжения на конденсаторе после коммутации источника на сопротивление опоры, по-прежнему, измеряют от исходного значения U1=600В до заданного значения U2 =450В. Но подключение источника ЭДС помехи (наведенного потенциала) последовательно измеряемому сопротивлению опоры приводит к искажению апериодического процесса разряда выходного конденсатора устройства на сопротивление опоры. В контролируемой цепи «выходное сопротивление источника –заряженный конденсатор – сопротивление опоры – источник помехи – выходное сопротивление источника» непосредственно после коммутации источника на сопротивление опоры напряжение отличается от исходного U1=600В, поскольку будет равно векторной сумме выходного напряжения источника и наведенного напряжения (потенциала). Векторная сумма этих двух напряжений зависит от того, какую фазу имеет наведенный потенциал в цепи измерения в момент коммутации источника устройства на сопротивление опоры. Поскольку фаза φ наведенного потенциала может изменяться в контролируемой цепи от φ=0º до φ=360º, то и векторная сумма двух напряжений может изменяться, оказывая влияние на величину измеряемого времени t. Далее, это влияние распространяется на величину измеренного устройством сопротивления опоры, преобразованного из времени t, и как, следствие, оказывает влияние на величину погрешности измерения сопротивления опоры устройством, которую вычисляют при последовательном выполнении следующих операций:

—строят динамику изменения суммарного напряжения в измерительной цепи от коммутации источника на сопротивление опоры до достижения заданной величины 450В;

—измеряют интервал времени между указанными выше двумя событиями;

—преобразуют измеренный интервал времени в значение сопротивление опоры.

По результатам вычислений выполняют графическое построение измеренного устройством сопротивления опоры Rизм=f(φ) или графическое построение погрешности измерения устройством сопротивления опоры δRоп=f(φ).

На фиг. 2 представлены зависимости δRоп=f(φ) основной относительной

Фиг. 2

погрешности измерения устройством сопротивлений пяти опор, имеющих следующие эталонные значения сопротивления: R1эт=100Ом, R2эт=500Ом R3эт=1000Ом, R4эт=3000Ом и R5эт=10000Ом. Кривые на фиг.2 построены при шаге фазы наведенного потенциала Δφ=10º. Каждая из пяти приведенных на фиг. 2 кривых построены по 36 вычисленным точкам.

Из фиг.2 следует, что для трех опор с сопротивлением R1эт=100Ом, R2эт=500Ом R3эт=1000 Ом максимальное значение основной относительной погрешности измерений сопротивления опор устройством превышает 350%, снижается до 300% для опоры с R4эт=3000Ом и, далее, снижается до 150% для опоры с сопротивлением R5эт=10000 Ом. Анализ кривых фиг.2 показывает, что устройством только 7 измерений из 100 будут выполнены с погрешностью измерений менее 10%, а у остальных 93 измерений из 100 погрешность измерений устройством будет превосходить 10%, в максимуме достигая сотни процентов.

На фиг.3 приведены результаты контроля устройством низкоомных опор (с сопротивлением Rэт ≤100 Ом), выявление которых является основной целью периодических обследований цепи заземления опор.

а) Rэт=20 Ом; Р= 0%	б) Rэт=25 Ом; Р=0,10
в) Rэт=30 Ом; Р=0,15	г) Rэт=40 Ом; Р=0,2
д) Rэт=50 Ом; Р=0,26	е) Rэт=60 Ом; Р=0,32
ж) Rэт=70 Ом; Р=0,35	з) Rэт=80 Ом; Р=0,40
и) Rэт=90 Ом; Р=0,43	к) Rэт=100 Ом; Р=0,48

Фиг.3

На фиг.3, под кривой зависимости Rизм=f(φ) для каждой из десяти опор, приводится эталонное значение измеряемого устройством сопротивления опоры Rэт и значение вероятности Р того, что измеренные устройством сопротивление опоры будут превышать 100 Ом. Из фиг.3.а следует, что для сопротивления Rэт=20 Ом вероятность Р вывода на индикатор устройства значения Rизм >100 Ом равно нулю (Р=0). Но уже при Rэт=25 Ом (фиг. 3.б) Р=0,1, т. е. в 10 случаях из 100 на индикатор устройства будет выводиться значение сопротивление опоры, превышающее 100Ом, достигая максимального значения Rизм=120 Ом при φ=90º. С увеличением номинала Rэт увеличивается и вероятность того, что коррозионноопасная опора (с Rэт<100 Ом) по результатам измерений устройством будет отнесена к некоррозионноопасным (с Rизм>100Ом).

В заключение данного раздела отметим, что: если нет дополнительных технических средств, например, фильтров, или математического аппарата, подавляющего сигналы электромагнитных помех (наведенных потенциалов), то погрешность измерения устройством менее 10% можно достичь только в том случае, если входное напряжение устройства, как минимум в десять раз, превышает амплитуду сигнала помех.

На фиг. 4 приведены кривые, подтверждающие это правило, хорошо известное разработчикам устройств, функционирующих в условиях воздействия на их испарительные входы высокого уровня электромагнитных помех. В силу каких-то непонятных причин это правило было проигнорированное в примере, приведенном в описании устройства.

а) Rэт=100Ом, U1=4500В, U2=3383В, Rизм. макс= 105 Ом, Rизм. мин=84 Ом,	б) Rэт=500Ом, U1=4500В, U2=3383В, Rизм. макс= 550 Ом, Rизм. мин=445Ом,
в) Rэт=1000 Ом, U1=4500В, U2=3383В, Rизм. макс= 1104Ом, Rизм. мин=900,8 Ом	г) Rэт=5000 Ом, U1=4500В, U2=3383В, Rизм. макс= 5559м, Rизм. мин=4528 Ом

Фиг.4

На фиг. 4 зависимости Rизм=f(φ) построены при следующих условиях:

–коэффициент К=U1/U2=600В/450В, остается неизменным К=1,33

–Uпот=400 В – амплитуда наведенного синусоидального напряжения (потенциала).

Программными средствами компьютера с использованием метода последовательных интервалов был выполнен поиск минимального значения напряжения U1, при котором погрешность измерений устройством сопротивления опоры будет ≈10%, если в измерительной цепи наведенный потенциал Uпот=400В. В результате поиска было установлено, что такое условие выполняется при U1=4500В, т. е. только в том случае, когда выходное напряжение источника U1 более, чем в одиннадцать раз (4500/400=11,25) превышает амплитуду наведенного потенциала.

Заключение по Приложению № 7

«Влияние наведенного потенциала на погрешность измерения сопротивления опоры»

1. Показано, что если в устройстве нет дополнительных технических средств, например, фильтров или математического аппарата, подавляющего сигналы электромагнитных помех (наведенных потенциалов), то измерения с погрешностью около 10% можно выполнить измерительным устройством только в том случае, когда выходное напряжение устройства более, чем в десять раз превышает амплитуду (уровень, потенциал) сигнала помехи. Полученный результат совпадают с хорошо известным правилом, установленным, вероятно, еще на начальном этапе развития измерительной техники.

2. Показано, что основная относительная погрешность измерений устройства при Rэт<1000 Ом достигает 350%, а в 93% случаев измерения сопротивление опор устройством выполняют с погрешностью, превышающей 10%.

3. Наиболее неблагоприятные данные по диагностическим способностям устройства получены при контроле опор с сопротивлением Rэт< 100Ом. В этом случае по результатам измерений устройством эталонные сопротивления «приобретают» несвойственное им высокое значение Rизм, например, в сотни Ом. Как следствие, заведомо коррозионноопасные опоры по результатам измерений устройством переводятся в разряд не коррозионноопасных опор, что снижает безопасность движения электроподвижного состава на электрифицированных железных дорогах.

4. Все приведенные в данном приложении результаты получены при условии существования в контролируемой цепи наведенного потенциала высокого уровня, которому в формуле и описании устройства уделено исключительное внимание. Из полученных результатов следует логичный вывод, что не стоит проводить измерений сопротивления опоры при прохождении электроподвижного состава (или грозы), тогда и проблемы с наведенным потенциалом отпадут сами собой. Тем более, будут выполнены все правила техники безопасности.