УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ (ЕГО ВАРИАНТЫ) Российский патент 1994 года по МПК G01R22/00 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения активной электрической энергии в цепях переменного и постоянного тока.

Известен счетчик электрической энергии [1], содержащий аналоговый перемножитель, преобразователь напряжение-частота, реверсивный счетчик, переключатель полярности, интегрирующую емкость. Недостатком устройства является низкая точность измерения электрической энергии, обусловленная наличием аддитивных ошибок реализации операций интегрирования и преобразования напряжение-частота.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков является выбранное в качестве прототипа устройство для измерения электрической энергии, содержащее входные преобразователи тока и напряжения, выходы которых подключены к входам аналогового перемножителя, блок реверсирования заряда, к входу которого подключены выходы аналогового перемножителя, интегрирующую емкость, один выход которой соединен с первым выходом компаратора, а другой выход - с вторым входом компаратора и с вторым выходом блока реверсирования заряда, причем выход компаратора соединен с входом счетчика и первым входом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ [2].

В устройстве-прототипе решается задача приспособления для построения измерителя электрической энергии аналогового перемножителя с большим уровнем аддитивной составляющей в выходном сигнале, в частности перемножителя Гильберта (перемножителя, использующего принцип переменной крутизны). Недостатками этого устройства являются малый диапазон изменения мощности нагрузки с гарантированной относительной погрешностью, а также значительная сложность реализации. Фактором, ограничивающим диапазон точной работы прототипа, является практическая недостижимость компенсации до необходимого уровня аддитивных ошибок (не зависящих от уровня мощности нагрузки), возникающих как при перемножении входных сигналов тока и напряжения, так и при преобразовании результата произведения (полной или мгновенной мощности нагрузки) в импульсный сигнал, частота которого пропорциональна активной мощности нагрузки. Для измерений электрической энергии величина относительной погрешности преобразования нормируется в широком динамическом диапазоне и достигает в соответствии с ГОСТ 26035-83 для счетчиков непосредственного включения трех декад. Для получения относительной погрешности, например, 1% уровень аддитивной составляющей ошибки не должен превышать 0,01% максимальной величины сигнала, что определяет требования к эффективности компенсации возможных ошибок перемножителя.

В конкретном случае использования аналогового перемножителя Гильберта, изготовляемого по интегральной технологии, технологический разброс параметров выходной цепи и соответственно уровня аддитивной составляющей достигает 10%, а ее компенсация при ручной или автоматизированной настройке позволяет уменьшить эту погрешность не более, чем в 10-50 раз. В то же время значительное преобладание в выходном сигнале аналогового перемножителя компоненты смещения (аддитивной составляющей) в сравнении с уровнем полезной составляющей (в 5-10 раз) соответственно усиливает влияние аддитивной погрешности и на порядок повышает требования к степени ее подавления (до 1000000). Практически такая величина недостижима, поскольку находится ниже уровня шумов и коммутационных помех, а требуемые по принципу действия устройства-прототипа дополнительные преобразования входных и промежуточных сигналов сами являются источниками аддитивных ошибок. Например, таковыми являются периодическое реверсирование одного из входных сигналов аналогового перемножителя, а также его выходного сигнала в блоке реверсирования заряда с частотой, значительно превышающей частоту входных сигналов. Погрешность измерения электрической энергии, вызванная этими источниками, пропорциональна отношению уровня этой ошибки и уровня полезного сигнала мгновенной мощности на выходе аналогового перемножителя. Указанные причины ограничивают диапазон работы устройства с гарантированной величиной относительной погрешности до 1-1,5 декад. Невозможность достижения необходимой степени компенсации аддитивной составляющей погрешности обуславливает применение в устройстве-прототипе средств устранения самохода, фактически основанных на ограничении его чувствительности и, кроме того, усложняющих схему устройства. Применение же в схеме устройства-прототипа аналогового перемножителя другого типа, в том числе и с нулевой аддитивной погрешностью, делает устройство неработоспособным.

Целью изобретения является расширение диапазона изменения нагрузки при гарантированной величине относительной погрешности измерения электрической энергии.

Цель достигается тем, что в устройстве для измерения электрической энергии по первому варианту, содержащему подключенные к электрической сети входной преобразователь тока и входной преобразователь напряжения, выходы которых присоединены соответственно к первому и второму входам аналогового перемножителя, блок реверсирования заряда, к первому входу которого подключен выход аналогового перемножителя, интегрирующую емкость, один выход которой соединен с первым выходом блока реверсирования заряда и с первым входом компаратора, а другой вывод - с вторым выходом блока реверсирования заряда и с вторым входом компаратора, причем выход компаратора соединен с входом счетчика, аналоговый перемножитель выполнен в виде перемножителя с нулевой аддитивной составляющей, а компаратор выполнен гистерезисным, причем его выход подключен к управляющему входу блока реверсирования заряда.

В устройстве для измерения электрической энергии по второму варианту, содержащем подключенные к электрической сети входной преобразователь тока и входной преобразователь напряжения, выходы которых присоединены соответственно к первому и второму входам аналогового перемножителя, блок реверсирования заряда, к первому входу которого подключен выход аналогового перемножителя, интегрирующую емкость, один выход которой соединен с первым выходом блока реверсирования заряда и с первым входом компаратора, а другой вывод - с вторым выходом блока реверсирования заряда и с вторым входом компаратора, причем выход компаратора соединен с входом счетчика и первым входом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, аналоговый перемножитель выполнен в виде перемножителя с нулевой аддитивной составляющей и содержит одноквадрантный перемножитель, выход которого является выходом аналогового перемножителя, к первому и второму входам одноквадрантного перемножителя подключены выходы соответственно первого и второго блоков выделения модуля, входы которых подсоединены соответственно к выходам входного преобразователя тока и входного преобразователя напряжения, вторые выходы блоков выделения модуля подключены к входам схемы вычисления знака, выход которой является вторым выходом перемножителя, компаратор выполнен гистерезисным, второй вход схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединен с вторым выходом аналогового перемножителя, а ее выход соединен с управляющим входом блока реверсирования заряда.

В первом и втором вариантах выполнения устройства целесообразно аналоговый перемножитель выполнить с токовым выходом.

Объединение двух технических решений в одну заявку связано с тем, что два данных устройства решают одну и ту же задачу - измерение электрической энергии с малой относительной погрешностью принципиально одним и тем же путем - за счет выполнения перемножителя с нулевой аддитивной составляющей, выполнения компаратора гистерезисным и введения связи его выхода с управляющим входом блока реверсирования заряда (во втором варианте через логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ).

Сущность изобретений по каждому из вариантов является равноценной, а существенные отличия не могут быть объединены обобщающими признаками.

За счет наличия указанных отличительных признаков в обоих вариантах предлагаемого устройства для измерения электрической энергии в сравнении с известными аналогами и прототипом достигается меньшая величина аддитивной ошибки. Погрешность измерения, источником которой может быть аддитивная ошибка блока реверсирования заряда, находится в квадратичной зависимости от отношения уровня этой ошибки и уровня полезного сигнала мгновенной мощности на выходе аналогового перемножителя, то есть в сравнении с прототипом является величиной второго порядка малости. Кроме того, если в предлагаемом устройстве аналоговый перемножитель обеспечивает уровень аддитивной ошибки, меньший, чем у блока реверсирования заряда, то преобразование средней мощности в частоту прекращается, то есть частота выходного сигнала компаратора равна нулю, за счет чего обеспечивается отсутствие явления самохода без применения специальных дополнительных средств.

Предлагаемое выполнение по первому и второму вариантам устройства аналогового перемножителя с токовым характером выходных сигналов обеспечивает уменьшение аддитивной составляющей ошибки преобразования мощности в частоту, обусловленной аппаратурными погрешностями потенциального характера операции интегрирования результата мгновенного произведения входных сигналов.

Как показала экспериментальная проверка, предложенное изобретение позволяет расширить динамический диапазон измерения электрической энергии при гарантированной относительной погрешности до 3 декад мощности нагрузки, то есть увеличить его в сравнении с прототипом не менее, чем 10 раз. Кроме того, заявляемое устройство значительно проще устройства-прототипа. Во-первых, получение импульсов, пропорциональных мощности нагрузки, в заявляемом устройстве требует меньшего количества элементов, в то время как в прототипе кроме общих для сравниваемых устройств узлов необходимо применение переключателя полярности одного из входных сигналов, источника опорного сигнала и переключателя опорного сигнала. Во-вторых, поскольку в устройстве-прототипе не обеспечивается полное подавление аддитивных погрешностей преобразования мощности в частоту, что приводит к появлению на выходе ложных импульсов, когда потребляемая мощность нагрузки равна нулю (явление самохода), для их устранения используются дополнительные элементы ограничения чувствительности. Предлагаемое устройство не имеет самохода и по этой причине не требует специальных мер ограничения чувствительности.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства для измерения электрической энергии по первому варианту; на фиг.2 приведена функциональная схема устройства по второму варианту; на фиг.3 - схема возможного выполнения блока реверсирования заряда для первого и второго вариантов преобразователя; на фиг.4 показан пример реализации гистерезисного компаратора для обоих вариантов устройства.

Устройство по первому варианту (см. фиг.1) содержит входной преобразователь 1 тока и входной преобразователь 2 напряжения, входы которых 3 и 4 подсоединены соответственно в последовательную и параллельную цепи нагрузки, потребляемая энергия которой подлежит измерению. Выходы этих преобразователей соответственно 5 и 6 подключены к входам 7 и 8 аналогового перемножителя 9 с нулевой аддитивной составляющей, выход 10 которого соединен с входом 11 блока 12 реверсирования заряда. Его первый 13 и второй 14 выходы соединены соответственно с первым и вторым выводами интегрирующей емкости 15 и первым 16 и вторым 17 входами гистерезисного компаратора 18. Выход гистерезисного компаратора 19 соединен с управляющим входом 20 блока 12 реверсирования заряда и с входом 21 счетчика 22.

Устройство по второму варианту (см.фиг.2) содержит входной преобразователь 1 тока и входной преобразователь 2 напряжения, входы которых 3 и 4 подсоединены соответственно в последовательную и параллельную цепи нагрузки, потребляемая энергия которой подлежит измерению. Выходы этих преобразователей соответственно 5 и 6 подключены к входам 7 и 8 аналогового перемножителя 9 с нулевой аддитивной составляющей, выход 10 которого соединен с входом 11 блока 12 реверсирования заряда. Его первый 13 и второй 14 выходы соединены соответственно с первым и вторым выводами интегрирующей емкости 15 и первым 16 и вторым 17 входами гистерезисного компаратора 18. Выход гистерезисного компаратора 19 соединен с входом 21 счетчика 22. Аналоговый перемножитель 9 содержит одноквадрантный перемножитель 23, выход которого является выходом 10 аналогового перемножителя, входы 24 и 25 одноквадрантного перемножителя 23 подключены к выходам 26 и 27 блоков 28 и 29 выделения модуля, входы которых являются соответственно входами 7 и 8 аналогового перемножителя 9 и соединены соответственно с выходами 5 и 6 входных преобразователей тока 1 и напряжения 2. Другие выходы 30 и 31 блоков 28 и 29 выделения модуля подключены соответственно к входам 32 и 33 блока 34 вычисления знака, выход которого 35 соединен с вторым входом 36 логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 37, первый вход 38 которого подключен к выходу 19 гистерезисного компаратора 18, а выход 39 соединен с управляющим входом 20 блока 12 реверсирования заряда.

Один из возможных вариантов выполнения блока 12 реверсирования заряда, изображенный на фиг.3, содержит усилитель 40, вход которого 41 соединен с выходом 42 блока 43 инверсии тока и с контактом 44 переключателя 45. Второй контакт 46 переключателя 45 соединен с входом 47 блока 43 инверсии, а общий контакт 48 переключателя 45 является входом 11 блока 12 реверсирования заряда, управляющий вход 20 которого служит для управления состоянием переключателя 45. Выходы 49 и 42 усилителя 40 и блока 43 инверсии являются соответственно выходами 13 и 14 блока реверсирования заряда.

Возможный вариант выполнения гистерезисного компаратора 18 показан на фиг. 4 и содержит дифференциальный усилитель 50, неинвертирующий вход 51 и выход 52 которого соединены резистором 53 обратной связи. Входом 16 гистерезисного компаратора 18 является инвертирующий вход 54 дифференциального усилителя 50, вход 17 соединен входным резистором 55 с неинвертирующим входом 51 дифференциального усилителя 50, выход 52 которого служит выходом 19 гистерезисного компаратора 18.

Предлагаемое устройство по первому варианту работает следующим образом. Входные преобразователи тока и напряжения 1 и 2 приводят первичные входные сигналы - ток и напряжение измеряемой электрической цепи - к уровню, оптимальному для работы используемого аналогового перемножителя 9. Выходные сигналы этих преобразователей представляют мгновенные значения соответственно тока и напряжения нагрузки в виде напряжения постоянного тока. Мгновенное значение сигнала на выходе 10 аналогового перемножителя 9 сигналов пропорционально произведению мгновенных значений выходных сигналов входных преобразователей тока 1 и напряжения 2 с учетом их полярности. Блок 12 реверсирования заряда формирует ток заряда интегрирующей емкости 15, пропорциональный по величине выходному сигналу аналогового перемножителя 9, направление же этого тока определяется значением двоичного сигнала на управляющем входе 20 блока 12 реверсирования заряда. Величина напряжения на интегрирующей емкости 15 определяет одно из двух возможных состояний гистерезисного компаратора 18. Значение сигнала на выходе 19 этого элемента, устанавливающееся при увеличении напряжения на интегрирующей емкости 15 и достижении его величиной верхнего порога срабатывания, сохраняется после этого как при больших значениях этого напряжения, так и при его уменьшении вплоть до нижнего порога, когда состояние компаратора 18 принимает свое второе значение. В свою очередь, второе состояние гистерезисного компаратора 18 сохраняется после этого как при значениях напряжения на интегрирующей емкости 15, меньших нижнего порога, так и при больших, но не превышающих верхнего порога срабатывания. Состояние блока 12 реверсирования заряда и гистерезисного компаратора 18 согласованы таким образом, чтобы для выбранного направления активной мощности измеряемой цепи при достижении напряжением на интегрирующей емкости 15 верхнего порога срабатывания гистерезисного компаратора 18 его изменившийся сигнал на выходе 19 изменяет направление тока заряда, формируемого блоком 12 реверсирования заряда, что приводит к уменьшению напряжения на интегрирующей емкости 15. Величина этой емкости выбрана такой, чтобы при максимальном уровне нагрузки время ее перезаряда на величину напряжения, равного разности верхнего и нижнего порогов срабатывания гистерезисного компаратора 18 (ширина петли гистерезиса), была больше времени изменения направления измеряемой энергии. В частном случае измерения энергии в сети переменного тока это время достаточно выбрать большим периода основной (первой) гармоники. При соблюдении указанных условий и неизменном направлении мощности в измеряемой сети отрицательная обратная связь, осуществляемая соединением выхода гистерезисного компаратора 18 и управляющего входа блока 12 реверсирования заряда, обеспечивает поддержание напряжения на интегрирующей емкости 15 внутри диапазона, ограниченного верхним и нижним порогами срабатывания гистерезисного компаратора 18 (ширины петли гистерезиса). При этом частота импульсного сигнала на его выходе 19 пропорциональна мощности, протекающей в измеряемой цепи. Указанный параметр характеризует активную мощность, то есть в сети переменного тока учитывает и коэффициент мощности. Показание счетчика 22, подсчитывающего число импульсов на выходе гистерезисного компаратора 18, характеризует величину активной энергии, потребленной нагрузкой электрической цепи за время измерения.

Работу второго варианта предлагаемого устройства поясним в части, отличающей его от первого варианта. Знакопеременные выходные сигналы входных преобразователей тока 1 и напряжения 2 преобразуются в однополярные с помощью блоков выделения модуля соответственно 28 и 29. Модульные компоненты этих сигналов с выходов 26 и 27 блоков выделения модуля 28 и 29 поступают на вход одноквадрантного перемножителя 23, однополярный выходной сигнал которого с выхода 10 поступает на вход 11 блока 12 реверсирования заряда. Знаковые компоненты на других выходах 30 и 31 блоков выделения модуля 28 и 29 несут информацию о полярности входных сигналов тока и напряжения, являются по своей форме двоичными сигналами и используются блоком 34 вычисления знака для формирования знаковой компоненты результата перемножения модульных компонент в одноквадрантном перемножителе 23 в соответствии с естественным законом формирования знака произведения знакопеременных сомножителей. Выходной сигнал схемы 34 вычисления знака наряду с выходным сигналом гистерезисного компаратора 18 определяет состояние блока 12 реверсирования заряда через логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 37. Это обеспечивает изменение направления заряда интегрирующей емкости 15 как при изменении полярности любого из входных сигналов устройства, так и при достижении напряжения на интегрирующей емкости 15 верхнего или нижнего порога срабатывания гистерезисного компаратора 18. Частота импульсного сигнала на его выходе 19 пропорциональна активной мощности, протекающей в измеряемой цепи.

Оба варианта предлагаемого устройства работоспособны и в сети постоянного тока с неизменным направлением мощности, а также при знакопеременной нагрузке с неизменным направлением средней потребляемой мощности за время перезаряда интегрирующей емкости 15 на величину ширины петли гистерезиса гистерезисного компаратора 18.

При использовании второго варианта устройства для измерения энергии в случае, когда одна из входных переменных - ток или напряжение нагрузки - не изменяет своего знака, возможно исключение по этому каналу блока выделения модуля (28 или 29), а также блока 34 вычисления знака. При этом знаковая компонента оставшегося блока выделения модуля подается непосредственно на вход 36 логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 37. Указанное упрощение допускается также и в сети с периодическими знакопеременными сигналами тока и напряжения, что приводит к появлению методической погрешности при несимметрии формы кривой входных сигналов по полярностям, а также увеличению аппаратурной погрешности.

Если на выходе аналогового перемножителя 9 отсутствует аддитивная составляющая погрешности или ее уровень ниже, чем величина возможной аддитивной составляющей ошибки блока реверсирования заряда 18, то при токовом характере его выходного сигнала преобразование мощности в частоту импульсов также не будет иметь аддитивных ошибок. Возможные источники аддитивных ошибок в виде напряжений на интегрирующей емкости 15 или порогов срабатывания гистерезисного компаратора 18 проявляются на фоне больших по величине уровней указанных порогов независимо от значения измеряемой мощности нагрузки, то есть проявляются в частотном выходном сигнале в виде относительной погрешности. Таким образом, предлагаемое устройство (его варианты) при низком уровне аддитивной погрешности аналогового перемножителя обеспечивает отсутствие аддитивной ошибки преобразования в частоту импульсов, то есть явления самохода.

Перемножители с низким уровнем аддитивной погрешности в настоящее время хорошо известны. Указанным свойством обладают, например, логарифмические аналоговые перемножители (см. Справочник по нелинейным схемам. Под ред. Д. Шейнголда. М.: Мир, 1977). В отличие от других известных методов перемножения логарифмический алгоритм не содержит в заключительной стадии аддитивных операций (сложение или вычитание), а операция суммирования логарифмов входных переменных отделена от результата произведения экспоненциальным преобразованием. Поэтому ошибки суммирования D_а, так же как и приведенные к логарифмической области аддитивные ошибки логарифмического и экспоненциального преобразований Dl и D_е, проявляются в выходном сигнале в виде мультипликативной составляющей D:
F =X_i=exp(lnX_i+Dl_i)+D_a+D_e) =X_i(1+D), где D =Dl_i+D_a+D_e.

Отдельного рассмотрения заслуживает влияние приведенных к входу перемножителя его аддитивных ошибок. Ошибки такого характера проходят на выход перемножителя независимо от его алгоритма работы. В логарифмическом таковыми являются приведенные к входу аддитивные ошибки логарифмических преобразователей. Для случая двух переменных:
F=(Х₁+D₁)(Х₂+D₂)=Х₁ ˙Х₂+Х₁ ˙D₂+
+ Х₂ ˙D₁+D₁˙D₂, где аддитивная ошибка преобразования D₁ ˙D₂ является величиной второго порядка малости и при небольших значениях D₁ и D₂ пренебрежимо мала. Таким образом, логарифмический перемножитель практически не содержит на выходе аддитивных составляющих погрешности.

Необходимая для работы устройства по первому варианту четырехквадрантность аналогового перемножителя при использовании такового логарифмического типа может быть достигнута известными структурными средствами (см. Бонч-Бруевич А.М. и др. Бесконтактные элементы самонастраивающихся систем. М. : Машиностроение, 1967, с.137), как это реализовано, например, в устройстве по а.с. СССР N 1619316, кл. G 06 G 7/16, 1991.

Испльзование: изобретение может быть использовано для измерения активной электрической энергии с цепях переменного и постоянного тока. Сущность изобретния: в первом варианте устройство содержит входные преобразователи тока и нпряжения, аналоговый перемножитель с нулевой аддитивной составляющей, блок реверсирования заряда, гистерезисный компаратор, конденсатор с интегрирующей емкостью, счетчик. Во втором варианте устройство содержит входные преобразователи тока и напряжения, одноквадратный перемножитель, два блока выделения модуля, блок вычисления знака, блок реверсирования заряда, гистерезисный компаратор, логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, интегрирующий конденсатор, счетчик, 2 с.п. з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для измерения электрической энергии, содержащее подключенные к электрической сети входные преобразователи тока и напряжения, выходы которых присоединены соответственно к первому и второму входам аналогового перемножителя, блок реверсирования заряда, к первому входу которого подключен выход аналогового перемножителя, интегрирующий конденсатор, один вывод которого соединен с первым выходом блока реверсирования заряда и первым входом компаратора, а другой вывод - с вторым выходом блока реверсирования заряда и вторым входом компаратора, причем выход компаратора соединен с входом счетчика, отличающееся тем, что аналоговый перемножитель выполнен в виде перемножителя с нулевой аддитивной составляющей, а компаратор выполнен гистерезисным, причем его выход подключен к управляющему входу блока реверсирования заряда. 2. Устройство для измерения электрической энергии, содержащее подключенные к электрической сети входные преобразователи тока и напряжения, выходы которых присоединены соответственно к первому и второму входам аналогового перемножителя, блок реверсирования заряда, к первому входу которого подключен выход аналогового перемножителя, интегрирующий конденсатор, один вывод которого соединен с первым выходом блока реверсирования заряда и первым входом компаратора, а другой вывод - с вторым выходом блока реверсирования заряда и вторым входом компаратора, причем выход компаратора соединен с входом счетчика, отличающееся тем, что аналоговый перемножитель выполнен в виде одноквадратного перемножителя, выход которого является первым выходом аналогового перемножителя, первого и второго блоков выделения модуля, первые выходы которых подсоединены соответственно к первому и второму входам одноквадратного перемножителя, их входы соединены соответственно с выходами входных преобразователей тока и напряжения, блока вычисления знака, к входам которого подключены вторые выходы блоков выделения модуля, а его выход является вторым выходом аналогового перемножителя, компаратор выполнен гистеризисным, устройство также содержит логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩИЙ ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом гистерезисного компаратора, второй вход - с вторым выходом аналогового перемножителя, а выход - с управляющим входом блока реверсирования заряда. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что аналоговый перемножитель выполнен с токовым выходом.