ЦИФРОВОЙ СЧЕТЧИК ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ КСР-ТИПА Российский патент 1996 года по МПК G01R11/00 

Изобретение относится к измерительной технике. Основное назначение измерение расхода активной электроэнергии на переменном токе. Возможно использование цифрового счетчика и на постоянном токе с некоторым снижением точности измерения.

Известны электронные счетчики электроэнергии, построенные на аналого-цифровом принципе, в которых измеряемая величина вычисляется как интеграл от произведения тока на напряжение. В таких счетчиках используются методы ШИМ-АМ, ШИМ-ШИМ, ШИМ-ЧМ и другие сочетания модуляций двух входных сигналов, в результате чего формируются временные интервалы, пропорциональные произведению тока на напряжение с последующим заполнением этих интервалов счетными импульсами и определением интегрального значения числа импульсов при помощи реверсивного счетчика.

Известен электронный счетчик электроэнергии (авт.св. СССР N 1147984, кл. G 01 R 11/00, 1983).

В устройство, которое содержит последовательно соединенные первую входную шину, интегратор, первый компаратор, охваченный положительной обратной связью, источник опорного напряжения с управляемой полярностью, выход которого подключен к другому выходу интегратора, а также второй компаратор, первый вход которого соединен с выходом интегратора, а выход с первым входом логического блока, второй выход которого подключен к выходу генератора опорной частоты, а выходы к входам реверсивного счетчика, разрядные выходы которого являются выходом счетчика электроэнергии с целью повышения точности введены последовательно соединенные сумматор и нуль-орган, выход которого подключен к третьему входу логического блока, четвертый вход которого соединен с выходом первого компаратора, причем первый вход сумматора подключен к выходу интегратора, а второй вход к второй шине и второму входу компаратора.

Недостатком счетчиков электроэнергии с аналого-цифровой обработкой сигналов является наличие аналоговых элементов в цепи преобразования сигналов до компаратора, вследствие чего возникает дополнительная погрешность из-за нестабильности коэффициентов передачи аналоговых элементов. Эта погрешность принципиально неустранима.

Наиболее близким техническим решением является стохастический сумморазностный ваттметр.

В это устройство, которое содержит преобразователи тока и напряжения, сумматор, счетчик, блок цифрового отсчета, генератор тактовых импульсов, генератор m-последовательности, с целью расширения частотного диапазона в него введены две цепочки с последовательно включенными аналоговыми сумматорами и спаренными компараторами, а также реверсивный счетчик, преобразователь код-аналог, инвертор кодов, суммирующий и вычитающий входы реверсивного счетчика подключены к выходам спаренных компараторов, стробирующие входы которых соединены с выходом генератора тактовых импульсов и с входами генератора m-последовательности и счетчика, выходы которых через последовательно включенные сумматор и инвертор кодов подключены к входу преобразователя код-аналог, выход которого соединен с первыми входами первого и второго компараторов, а инверсный выход с первыми входами третьего и четвертого компараторов, вторые входы первого и третьего компараторов подключены к выходу первого аналогового сумматора, вторые входы второго и четвертого компараторов соединены с выходом второго аналогового сумматора, первый вход которого соединен с первым входом первого аналогового сумматора и с выходом преобразователя напряжений, вторые входы аналоговых сумматоров соединены с выходами преобразователя тока, вход управления реверсивного счетчика соединен с выходом переноса счетчика, а выход с блоком цифрового отсчета, другой выход сумматора соединен с другим входом инвертора кодов.

Недостатком прототипа является наличие аналоговых сумматоров до компараторов, применение m-последовательностей для формирования квазислучайного развертывающего напряжения и слишком сложный алгоритм обработки сигналов, при котором возводятся в квадрат сумма и разность сигналов, импульсы вычитаются на реверсивном счетчике и на блоке цифрового отсчета суммируются порции энергии.

В предлагаемом решении применена цифровая обработка сигналов. Входные сигналы тока и напряжения поступают непосредственно на компараторы без аналоговых преобразований. Формируется хорошо распределенное двумерное квазислучайное напряжение, имеющее лучшие метрологические свойства, чем m-последовательности. В результате исключены операции возведения в квадрат и суммирования из алгоритма обработки а также расширен частотный диапазон работоспособности устройства.

Цель изобретения повышение точности и стабильности параметров схемы, а также удешевление ее производства.

Цель достигается тем, что генератор квазислучайных чисел включает в себя развертывающий счетчик 2, логическую схему формирования квазислучайной развертки 3, первый n-разрядный цифроаналоговый преобразователь 4, второй m-разрядный цифроаналоговый преобразователь 5 и коммутатор опорного напряжения 6, причем генератор тактовой частоты 1 соединен с входом развертывающего счетчика 2, два младших разряда развертывающего счетчика 2 соединены с двумя входами коммутатора опорного напряжения 6, два выхода которого соединены с входами опорного напряжения цифроаналоговых преобразователей, разряды развертывающего счетчика с третьего по (n+2) инверсно соединены со входами первого цифроаналогового преобразователя 4, разряды развертывающего счетчика с третьего по (n+m+2)-й соединены с входами логической схемы формирования квазислучайной развертки 3, m выходов которой соединены с входами второго цифроаналогового преобразователя 5, выходы первого и второго цифроаналоговых преобразователей образуют два выхода генератора квазислучайных чисел, которые соединены с первыми двумя входами блока обработки входных сигналов, вторые два входа которого соединены с преобразователями тока и напряжения, причем блок обработки входных сигналов дополнительно содержит схему логического умножения, выход первого цифроаналогового преобразователя 4 соединен с первыми входами первого 7 и второго 8 компараторов, второй вход первого компаратора 7 соединен с преобразователем тока, второй вход второго компаратора 8 заземлен, выход второго цифроаналогового преобразователя 5 соединен с первыми входами третьего 9 и четвертого 10 компараторов, второй вход третьего компаратора 9 соединен с преобразователем напряжения, второй вход четвертого компаратора 10 заземлен, выходы всех компараторов соединены с четырьмя входами логической схемы перемножения 11, при этом выходы логической схемы перемножения являются выходами блока обработки сигналов. Блок обработки сигналов соединен с двумя входами реверсивного счетчика 12, к выходу переноса которого подключен индикатор с памятью 13.

На фиг. 1 приведена функциональная схема цифрового счетчика электроэнергии; на фиг. 2 графическая иллюстрация алгоритма перемножения сигналов в счетчике электроэнергии; на фиг. 3 создание двумерной хорошо распределенной квазислучайной развертки; на фиг. 4 временные диаграммы работы счетчика электроэнергии.

На вход схемы приходят входные сигналы от преобразователей тока I и напряжения U. I напряжение, пропорциональное входному току, получается на выходе шунта либо трансформатора тока, U входное напряжение, приведенное через делитель либо трансформатор к нужному диапазону изменения для согласования с компаратором.

Особенностью двумерного измерения является формирование специальных развертывающих напряжений (двумерной квазислучайной развертки, КСР) на выходах первого и второго ЦАП, позволяющих простой комбинационной схемой осуществить перемножение сигналов. Такое измерение иллюстрируется на фиг. 2.

Требуется измерить объем тела, построенного в пространстве времени t, первого входного сигнала I и второго входного сигнала U. Проекция этого тела на плоскость I, t соответствует первому входному сигналу I(t), а проекция на плоскость U, t соответствует второму входному сигналу U(t). В каждый момент времени T_i сечение измеряемого тела определяется прямоугольником со сторонами I(T_i) и U(T_i), а знак интеграла для этого сечения определяется знаком произведения входных сигналов.

Если значение развертки не попадает в площадь измеряемого прямоугольника, то на реверсивный счетчик ничего не подается. Если же значение развертки оказывается внутри прямоугольника, то на счетчик приходит +1 при одинаковых знаках тока и напряжения и -1 при противоположных знаках. В результате множества таких элементарных измерений на реверсивном счетчике точно вычисляется активная энергия за время измерения. Это утверждение справедливо только в случае хорошо распределенной двумерной КСР на входах ЦАП1 и ЦАП2.

На фиг. 3 иллюстрируется создание двумерной хорошо распределенной квазислучайной развертки.

Если ЦАП1 имеет n разрядов, а ЦАП2 имеет m разрядов, то развертывающий счетчик должен иметь m+n+2 разрядов. Два младших разряда обеспечивают подключение ЦАП1 и ЦАП2 к положительному и отрицательному опорным напряжениям, так чтобы происходил перебор за 4 такта всех четырех квадрантов измеряемого сигнала n разрядов развертывающего счетчика, начиная с третьего, подключены к ЦАП1 инверсно (старшие разряды счетчика к младшим разрядам ЦАП1). Разряды счетчика с третьего по m+n+2 подключены к логике формирования развертки, состоящей из логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и обеспечивающих формирование m-разрядного кода для управления ЦАП2.

Если логика формирования развертки такая, как показано на фиг. 3а, то двумерные точки развертки формируются в порядке, показанном на фиг. 3, б (пример для m=n=4). За время полного цикла развертки обеспечивается перечисление всех точек двумерной последовательности, их число составляет 2 (m+n), 256 точек в примере.

Возможны равноценные варианты логической схемы формирования развертки. Например, для десятиразрядного ЦАП2 использована следующая логическая схема на элементах ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ:
1 13 xor 23
2 12 xor 22
3 11 xor 21
4 10 xor 20
5 9 xor 19
6 8 xor 13 xor 18
7 7 xor 12 xor 17
8 6 xor 11 xor 16
9 5 xor 6 xor 8 xor 10 xor 15
10 4 xor 5 xor 7 xor 9 xor 14 (номера слева указывают выходы, а номера справа входы схемы).

За счет равномерного разброса двумерных значений квазислучайной развертки во времени обеспечивается высокая точность измерения даже при быстрых изменениях входного двумерного сигнала.

Компараторы нуля, второй К2 и четвертый К4, введены для повышения точности измерения за счет компенсации смещения нуля первого К1 и третьего К3 компараторов.

Логическая схема перемножения реализует две следующие логические функции:
Ф+ К1 * notK2 * K3 * notK4 + notK1 * K2 * *notK3 * K4,
Ф- К1 * notK2 * notK3 * K4 + notK1 * K2 * *K3 * notK4, где К1, К2, К3, К4 выходы компараторов.

Тем самым фиксируются попадания развертки внутрь прямоугольников, представляющих двумерные значения входного сигнала во всех четырех квадрантах.

Реверсивный счетчик должен иметь достаточное число разрядов, чтобы отрицательные порции энергии при реактивной нагрузке не могли его переполнить.

Работа цифрового счетчика электроэнергии в динамике поясняется временными диаграммами на фиг. 4.

На первой временной диаграмме показаны входной сигнал первого канала I и развертывающее напряжение ЦАП1. На второй временной диаграмме показан входной сигнал второго канала U и развертывающее напряжение ЦАП2. Выходные сигналы компараторов приведены на третьей, четвертой и пятой временных диаграммах. На шестой и седьмой диаграммах показаны выходные сигналы логической схемы перемножения, подаваемые на реверсивный счетчик.

Компаратор К1 выделяет превышения сигнала I над развертывающим напряжением ЦАП1, компаратор К2 выделяет превышения нулевого уровня над развертывающим напряжением ЦАП1, компаратор К3 выделяет превышения сигнала U над развертывающим напряжением ЦАП2 и компаратор К4 выделяет превышения нулевого уровня над развертывающим напряжением ЦАП2.

Логическая схема перемножения выделяет сигнал Ф+, если имеется комбинация сигналов с компараторов 1010 (при положительных значениях входных сигналов и попадании развертки в прямоугольник сигнала) при 0101 (при отрицательных значениях входных сигналов). Это соответствует измерению в I и II квадрантах на фиг. 2, б. Сигнал Ф- выделяется при разных знаках входных сигналов, при 1001 или 0110 с компараторов, квадранты III и IV на фиг. 2, б.

В результате на выходе логической схемы перемножения формируется число импульсов, пропорциональное активной энергии при любых фазовых соотношениях входных сигналов. В частности, при сдвиге фаз 90^о число импульсов на выходах Ф+ и Ф- логической схемы перемножения одинаково и активная энергия равна нулю.

Предлагаемое устройство было реализовано в виде макета, испытания которого показали, что при десятиразрядных ЦАП в обоих каналах и при частоте тактового генератора 30 кГц обеспечивается преобразование электроэнергии на частотах от нуля до 500 Гц по классу точности 0,2.

Использование: цифровой счетчик электроэнергии КСР-типа предназначен для точного измерения расхода электроэнергии в цепях переменного и постоянного тока. Сущность изобретения: счетчик электроэнергии содержит генератор тактовой частоты 1, развертывающий счетчик 2, логическую схему формирования квазислучайной развертки 3, два цифроаналоговых преобразователя 4 и 5, коммутатор опорного напряжения 6, четыре компаратора 7-10, схему логического умножителя 11, реверсивный счетчик 12 и индикатор 13. 4 ил.

Цифровой счетчик электроэнергии КСР-типа, содержащий преобразователи тока и напряжения, соединенные с блоком обработки входных сигналов, включающим два сдвоенных компаратора, генератор тактовой частоты, соединенный с входом генератора квазислучайных чисел, и реверсивный счетчик, входы которого соединены с выходами блока обработки сигналов, а выход реверсивного счетчика подключен к индикатору с памятью, отличающийся тем, что генератор квазислучайных чисел включает в себя развертывающий счетчик, логическую схему формирования квазислучайной развертки, первый, n-разрядный, цифроаналоговый преобразователь, второй, m-разрядный, цифроаналоговый преобразователь и коммутатор опорного напряжения, причем генератор тактовой частоты соединен с входом развертывающего счетчика, два младших разряда развертывающего счетчика соединены с двумя входами коммутатора опорного напряжения, два выхода которого соединены с входами опорного напряжения цифроаналоговых преобразователей, разряды развертывающего счетчика с третьего по (n + 2)-й инверсно соединены с входами первого цифроаналогового преобразователя, разряды развертывающего счетчика с третьего по (n + m + 2)-й соединены с входами логической схемы формирования квазислучайной развертки, m выходов которой соединены с входами второго цифроаналогового преобразователя, выходы первого и второго цифроаналоговых преобразователей образуют два выхода генератора квазислучайных чисел, которые соединены с первыми двумя входами блока обработки входных сигналов, вторые два входа которого соединены с преобразователями тока и напряжения, причем блок обработки входных сигналов дополнительно содержит схему логического умножения, выход первого цифроаналогового преобразователя соединен с первыми входами первого и второго компараторов, второй вход первого компаратора соединен с преобразователем тока, второй вход второго компаратора заземлен, выход второго цифроаналогового преобразователя соединен с первыми входами третьего и четвертого компараторов, второй вход третьего компаратора соединен с преобразователем напряжения, второй вход четвертого компаратора заземлен, выходы всех компараторов соединены с четырьмя входами логической схемы перемножения, которая реализует логические функции
Ф+ К₁ * not К₂ * К₃ * not К₄ + not К₁ * К₂ * not К₃ * К₄;
Ф- К₁ * not К₂ * not К₃ * К₄ + not К₁ * К₂ * К₃ * not К₄,
при этом выходы логической схемы перемножения являются выходами блока обработки сигналов.