СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ Российский патент 1994 года по МПК G01R21/00 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для повышения точности измерений, проводимых на основе операций перемножения и интегрирования, таких как измерение электрической энергии, анализ спектра инфранизких частот и др.

Известен способ по а. с. N 397922, заключающийся в контроле за уровнем сигнала, подаваемого в измерительную цепь, увеличении значения сигнала при его снижении с одновременным обратно пропорциональным ему уменьшением значения выходного сигнала, при увеличении сигнала, подаваемого в измерительную цепь, восстанавливают исходные условия измерений.

Недостаток данного способа состоит в том, что он не позволяет обеспечить требуемую точность в области электрических измерений, в частности измерений электрической энергии, основанных на определении интегральных значений произведений входных величин, изменяющихся в широком динамическом диапазоне.

Целью изобретения является расширение области применения.

Цель достигается за счет того, что в способе по а. с. N 397922 контроль за уровнем сигнала проводят по времени установления интегральных значений произведения входных сигналов, подаваемых в измерительную цепь, сравнивают его с предварительно заданным интервалом времени, определяемым из условия
_,
где t_i - момент времени начала отсчета заданного интервала времени τ_o и времени установления τ ; D_j= X_jмак/X_jмин - динамический диапазон изменения j-го входного сигнала, при котором значение погрешности измерения δ_i не превышает наперед заданного значения δ_o; X_iмакс и X_jмин - максимальное и минимальное значения j-го входного сигнала; j ∈ 1,2,3, . . . , τ . Изменение значений сигналов производят при превышении времени установления заданного интервала времени τ_o = τ_oмакс, указанные действия при необходимости проводят поочередно по остальным входным сигналам, а выполненные установки сохраняют до тех пор, пока время установления не станет меньше τ_o = τ_oмин. При этом τ_омакc - интервал времени, соответствующий минимальным уровням входных сигналов; τ_омин - интервал времени, соответствующий максимальным уровням входных сигналов.

Совокупность признаков предложенного способа обуславливает проявление в нем нового свойства - независимости результатов измерений от высокочастотной составляющей входных сигналов, что позволяет расширить область применения способа. Пример реализации предложенного способа приведен на чертеже где дискретно-управляемые преобразователи 1 и 2 измеряемых сигналов во входные сигналы измерительной цепи, выполненные, напри-мер, в виде электрического шунта и делителя напряжения, каждый из которых для обеспечения возможности дискретного управления содержит аттенюатор на основе ЦАП, множительно-интегрирующее устройство 3, выполненное с частотным выходом, соединенное входами соответственно с выходами преобразователей, а выходом через дискретно-управляемые пересчетные схемы 4 и 5 - с суммирующим устройством 6 и потенциальным входом селектора 7 временных интервалов, частотный вход которого подключен к выходу генератора 8 тактовых импульсов, а выход - к счетному входу первого счетчика 9, выход которого соединен со счетным входом второго счетчика 10. Выходы разрядов счетчика 9 подключены соответственно, к управляющим входам преобразователя 1 и пересчетной схемы 4, а выходы разрядов счетчика 10 подключены соответственно к управляющим входам преобразователя 2 и пересчетной схемы 5. Входы сброса счетчиков 9 и 10 подключены к выходу триггера 11, первый вход которого подключен к выходу блока 3, а второй вход - к выходу генератора 8.

Сущность предлагаемого способа рассмотрим на примере его применения для повышения точности измерения электрической энергии.

В процессе измерения мгновенные значения входных электрических величин, тока i(t) и напряжения U(t) преобразуют посредством преобразователей 1 и 2 во входные сигналы множительно-интегрирующего устройства 3, которые можно представить в виде
Х₁(t)= K_i i(t) и X₂(t)= K_uU(t), (1)
где K_i и K_u - коэффициенты преобразования тока и напряжения.

Полученные сигналы сомножителей подают на входы множительно-интегрирующего устройства, осуществляющего их перемножение и дискретизацию во времени сигнала произведения, вырабатывая сигнал, представляющий собой последовательность импульсов частотой следования
f(t)= K_fU_p(t), (2)
где U_p(t)= K_pX₁(t)X₂(t) - сигнал произведения, пропорциональный мгновенной мощности в нагрузке; К_р и К_f - постоянная перемножения и крутизна преобразования сигнала произведения в частоту импульсов соответственно.

Количество импульсов на выходе множительно-интегрирующего устройства с учетом выражений (1) и (2) равно
L(t)= K_ff(t)dt= K_iK_uK_pK_fi(t)U(t)dt+δ, (3)
где i(t)U(t)dt - текущее значение электрической энергии:
δ - погрешность измерения определяемая погрешностями преобразования входных величин, перемножения и дискретизации.

Учитывая, что с уменьшением значений входных величин погрешность измерения растет, так как при этом возрастают погрешности перемножения и дискретизации, то для снижения последних производят увеличение уровней входных сигналов, когда значениe потребляемой электрической энергии W станет меньше значения W_o, при котором она измеряется с заданной точностью. Для этого задают интервал времени τ_омакс, при котором значение электрической энергии определяется с требуемой точностью δ_oт. е. когда на выходе множительно-интегрирующего устройства должен сформироваться сигнал, равный 1, согласно выражению
S^*= (4) и производят сравнение момента времени t_i+ τ_омакс, его поступления с моментом времени t_i+ τ поступления сигнала с выхода множительно-интегрирующего устройства
^S= (5)
где D₁= X_1макс/Х_1мин, D₂= X_2макс/Х_2мин - динамические диапазоны изменения первого и второго входных сигналов, при которых максимально допустимое значение погрешности измерения δ не превышает наперед заданного значения δ_o
Указанное сравнение производят посредством селектора временных интервалов, вырабатывающего сигнал
G^*= изменения (в сторону увеличения) одного из входных сигналов, например тока, в число раз, равное диапазону D₁ и определяемое выражением
C₁= a_nbⁿ, (6) где а_n ∈ 0,1,2, . . . , b-1 - разрядный коэффициент; b - основание системы счисления, используемой для изменения уровня первого входного сигнала; n - номер разряда; N - число разрядов.

Коэффициент преобразования преобразователя тока при этом будет иметь вид
K_i= C₁. (7)
где - номинальное значение коэффициента преобразования тока.

Так как изменение (увеличение) уровня входного сигнала приводит к изменению цены регистрируемого сигнала (постоянной счетчика электрической энергии), то для ее поддержания неизменной в процессе измерения одновременно с увеличением входного сигнала производят уменьшение частоты (цены) регистрируемого сигнала. Для этого выходной сигнал множительно-интегрирующего устройства делят посредством дискретно-управляемой пересчетной схемы в число раз, определяемое выражением (6).

Повторяя процедуры изменения уровней входного сигнала и частоты регистрируемого сигнала для каждого случая превышения τ над τ_омаксдля всех значений N по первому входному сигналу и сохраняя полученные в результате этого последние установки, указанные процедуры повторяют по второму входному сигналу с коэффициентом, равным D₂, определяемым выражением
(8)
где a_m ∈ 0,1,2, . . . , b-1 - разрядный коэффициент; b - основание системы счисления, используемой для изменения уровня второго входного сигнала и соответствующей ему частоты регистрируемого сигнала: m - номер разряда; М - число разрядов.

Коэффициент преобразования преобразователя напряжения при этом будет иметь вид
K₀= C₂, (9) где - номинальное значение коэффициента преобразования напряжения.

Результирующее количество импульсов, поступивших на суммирующее устройство, с учетом выражений (3), (6). . . (9) равно
L = i(t)U(t)dt+δ₀= kw(t) (10) и, следовательно, пропорционально текущему значению электрической энергии W(T) с постоянной
K = K_pK/ , где - номинальное значение коэффициента деления K_s= C₁C₂ частоты выходного сигнала множительно-интегрирующего устройства в частоту регистрируемого сигнала.

Значение погрешности измерения при этом не будет превышать заданного значения δ_o , что следует из условия τ ≅ τ_омакc, которое с учетом выражений (4) и (5) имеет вид
(11) или, что то же, δ_i ≅ δ_o. Так как выполнение условия (11) возможно только при значениях входных сигналов D₁^-1= X_1макс< Х₁(t)<X_1макс и D₂^-1X_2макс<X₂(t)<X_2макс, то выбором значений D₁ и D₂ (C₁ и С₂) и, следовательно, τ_омакс обеспечивается необходимое значение погрешности выполнения операций перемножения и дискретизации множительно-интегрирующего устройства, определяющей точность измерения электрической энергии.

В процессе измерения одновременно с операцией сравнения текущего значения времени установления τ , интегральных значений произведения входных сигналов с τ_o = τ_омакс производят его сравнение и с τ_o = τ_омин, значение которого выбирают меньше времени установления при максимальных уровнях входных сигналов Х_1макс(t) и Х_2макс(t). При последующем, после проведенных установок, возрастания хотя бы одного из входных сигналов время установления становится меньше τ_омин, что фиксируется селектором временных интервалов, вырабатывающим сигнал восстановления входных условий измерения, соответствующих номинальным значениям входных сигналов.

Окончательно условие сравнения интервала времени установления интегральных значений произведения входных сигналов примет вид
t)dt+δ₀≥ X_j(t)dt+δ_i≥ X_jмин(t)dt,
где j= 1,2,3, . . . , τ - число входных сигналов.

Устройство работает следующим образом. Сигнал тока преобразователя 1 преобразуется во входной сигнал напряжения множительно-интегрирующего устройства 3, а сигнал напряжения делится преобразователем 2 и подается на второй вход блока 3, на выходе которого вырабатывается сигнал в виде последовательности импульсов, частота следования (2) которых пропорциональна значению произведения входных сигналов (1), подаваемых в измерительную цепь. Импульсы с выхода множительно-интегрирующего устройства через последовательно включенные пересчетные схемы 4 и 5 поступят на суммирующее устройство 6, осуществляющее накопление числа поступивших на его вход импульсов (10). Одновременно импульсы с выхода блока 3 поступают на потенциальный вход селектора 7 временных интервалов (счетчика импульсов), на счетный вход которого поступает последовательность импульсов, вырабатываемых генератором 8.

Сравнение временных интервалов - заданного интервала τ_омаксвремени (4) с временем установления τ (5) происходит следующим образом. Импульсы с генератора 8 заполняют счетчик до поступления первого импульса с выхода блока 4, которым производится сброс счетчика селектора 7. При превышении интервалом времени появления импульса сброса момента полного заполнения емкости счетчика, что имеет место при τ > τ_омакс , импульс переполнения последнего поступает на счетный вход первого счетчика 9. На его выходе формируется код, соответствующий значению С₁ (6) при n= 1, который поступает на управляющие входы преобразователя 1 и пересчетной схемы 4, что приводит к увеличению значения сигнала, подаваемого в измерительную цепь тока (7) и к уменьшению выходного сигнала схемы 4 в число раз, равное сформированному коду. Если в процессе заполнения счетчика селектора временных интервалов сигнал с блока 3 поступит на вход сброса (установки счетчика в ноль), сигнал на выходе счетчика отсутствует и изменение установок блоков 1 и 4 не произойдет. Для обеспечения правильногоо функционирования устройства емкость Q счетчика выбирается из условия τ_o= f(Q), где f - тактовая частота генератора 8.

Процедура выработки кода С₁ по первому входному сигналу происходит до заполнения счетчика 9, импульс переполнения которого поступает на счетный вход счетчика 10. С поступлением данного импульса производится изменение установок по второму входному сигналу изменением кода С₂аналогично изменению кода С₁. При этом блоки 10,2 и 5 работают аналогично блокам 9,1 и 4 соответственно до заполнения счетчика 10.

Указанный процесс изменений С₁ и С₂ выполняется при условии выработки первого импульса с выхода блока 4 позже выработки очередного импульса генератором 8, что имеет место при уменьшении входных сигналов, т. е. τ>τ_омакс . Обратная очередность выработки этих импульсов соответствует увеличению входных сигналов и τ < τ_омин . При этом следует восстановить первоначальные значения входных и выходных сигналов, для этого необходимо установить счетчики 9 и 10 в ноль. Сброс счетчиков осуществляется триггером 11, R-вход которого подключен к выходу генератора, а S-вход - к выходу блока 3, выход триггера соединен с входом сброса счетчика 9 и 10.

Использование данного способа повышения точности измерений, например, электрической энергии позволяет снизить значение основной погрешности средств учета электрической энергии при одновременном увеличении средств учета электрической энергии при одновременном увеличении динамического диапазона в требуемое число раз.

Применение: измерительная техника. Сущность изобретения: способ основан на контроле уровнем входных сигналов по времени установления интегральных значений произведения входных сигналов и поочередном одновременном обратно пропорциональном измерении как входного, так и выходного сигналов. Способ реализуется устройством, содержащим дискретно-управляемые преобразователи, множительно-интегрирующее устройство, пересчетные схемы, сумматор, селектор временных интервалов, генератор, счетчики, триггер. 1 ил.

СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ, заключающийся в контроле за уровнем сигнала, подаваемого в измерительную цепь, увеличении значения сигнала при его снижении с одновременным обратно пропорциональным ему уменьшением значения выходного сигнала при увеличении сигнала, подаваемого в измерительную цепь, восстановлении исходных условий измерений, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, контроль за уровнем сигнала проводят по времени установления интегральных значений произведения входных сигналов, подаваемых в измерительную цепь, сравнивают его с предварительно заданным интервалом времени, определяемым из условия
_≥,,
где t_i - момент времени начала отсчета заданного интервала времени τ₀ и времени установления τ;
D_j = X_jmax / X_jmin - динамический диапазон изменения j-го входного сигнала, при котором значение погрешности измерения δ_i не превысит наперед заданного значения δ₀;
X_jmax и X_jmin - максимальное и минимальное значения j-го входного сигнала;
j = 1, 2, 3, . . . , τ,
изменение значений сигналов производят при превышении времени установления заданного интервала времени τ₀ = τ_0max, указанные действия при необходимости проводят поочередно по остальным входным сигналам, а выполненные установки сохраняют до тех пор, пока время установления не станет меньше τ₀ = τ_0min, при этом τ_0max - интервал времени, соответствующий минимальным уровням входных сигналов, τ_0min - интервал времени, соответствующий максимальным уровням входных сигналов.