УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВЕРКИ ВАТТМЕТРОВ Российский патент 1997 года по МПК G01R35/00 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для поверки высокоточных ваттметров переменного тока в диапазоне значений коэффициента мощности от 0 до +1.

Известные устройства для поверки ваттметров переменного тока, обеспечивающие наиболее высокую точность поверки, основаны на использовании метода компарирования мощности, состоящего в сравнении мощности переменного тока с известной мощностью постоянного тока [1]
В качестве органов сравнения мощностей переменного и постоянного тока в таких устройствах используются термоэлектрические измерительные преобразователи мощности (ИПМ). Известно ([2] стр. 81-90), что независимо от вида и структуры термоэлектрического ИПМ погрешности сравнения, вызываемые неидентичностью и неквадратичностью характеристик термопреобразователей, устраняются, если температуры их нагревателей одинаковы на переменном и постоянном токе. Известно также, что основную часть времени измерения термоэлектрических ИПМ составляет время прогрева (охлаждения) нагревателей. Если температуры нагревателей одинаковы на переменном и постоянном токе, время измерения минимально. Т.о, для повышения точности и быстродействия термоИПМ необходимо обеспечить равенство температур их нагревателей при переходе от мощности переменного тока к мощности постоянного тока.

Известно устройство для поверки ваттметров, установка поверочная У3551 ([1] с. 106-108), основу которого составляет пассивный термоэлектрический ИПМ, выполненный по мостовой схеме. В устройстве производится сравнение равных значений мощности переменного и постоянного тока. Для этого на переменном токе устанавливают показание поверяемого прибора, запоминают выходной сигнал ИПМ, затем переходят на постоянный ток и, плавно регулируя постоянное напряжение (ток), устанавливают то же значение выходного сигнала ИПМ, что и на переменном токе. Значения постоянного напряжения и тока измеряют с помощью образцовых приборов, перемножают и определяют мощность постоянного тока, равную мощности переменного тока.

Для снижения погрешности устройства в нем применен метод равных температур, заключающийся в том, что разность ЭДС, а следовательно и разность температур нагревателей термопреобразователей ИПМ устанавливают равными нулю путем введения компенсирующего тока в дополнительный нагреватель одного из термопреобразователей ИПМ. Это снижает погрешность от неквадратичности термопреобразователей, однако при этом проявляется погрешность от их неидентичности, поскольку, хотя температуры нагревателей термопреобразователей и равны между собой, их абсолютное значение может существенно изменяться при переходе от переменного тока к постоянному.

Дополнительное снижение точности устройства обусловлено нестабильностью источников и измерительного преобразователя за время измерения. Установка У3551 обеспечивает погрешность измерения мощности 0,05% при cos Φ = 1 и 0,5% при cosΦ =0,1 и время измерения до 5 мин, что не соответствует современным требованиям.

Таким образом, недостатками устройства являются низкие точность и быстродействие.

Известно также устройство для поверки ваттметров (установка поверочная полуавтоматическая УППУ-1 М), которое по совокупности существенных признаков наиболее близко заявляемому и принято за прототип ([1] с. 110, 111, [3]).

Устройство (фиг. 1) содержит источник переменного напряжения и тока 20, масштабный преобразователь напряжения 21, масштабный преобразователь тока 22, аналоговые коммутаторы 23, 24, измерительный преобразователь мощности 25, аналоговый запоминающий блок 26, аналого-цифровой преобразователь 27, программный блок 28 и источник опорных сигналов 29.

К выходам источника переменного напряжения и тока 20 подключены поверяемый прибор 30 и масштабные преобразователи 21, 22. Выходы масштабных преобразователей 21, 22 соединены с первыми входами аналоговых коммутаторов 23, 24, вторые входы которых соединены с выходами источника опорных сигналов (ИОС) 29. К выходам аналоговых коммутаторов подключен термоэлектрический преобразователь мощности (ИПМ) 25, к выходу которого подключены соединенные последовательно аналоговый запоминающий блок (АЗБ) 26 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 27. Выходы управления аналоговых коммутаторов 23, 24 и 3Б 26 соединены с выходом программного блока 28.

В устройстве производится сравнение мощности переменного тока со значением произведения опорных сигналов, задаваемых с помощью ИОС 29.

Напряжение и ток поверяемого прибора преобразуются с помощью масштабных преобразователей 21, 22 в сигналы напряжения, номинальные значения которых равны значениям сигналов ИОС 29.

Устройство работает следующим образом. При поверке ваттметров устанавливают с помощью источника переменного напряжения и тока 20 поверяемую отметку прибора при напряжении U_~ близком к номинальному и cosΦ близком к единице. При этом действительное значение мощности переменного тока, равное P_~= U_~I_~cosΦ представляет собой разность номинального для данной отметки значения мощности P_H и абсолютной погрешности прибора ΔP
P_~= P_н-ΔP (1)
Переменное напряжение U_~ и ток I_~ преобразуются масштабными преобразователями 21, 22 с коэффициентами преобразования M_u и M_i в напряжения Uu_~ и Ui_~ равные соответственно Uu_~=Mu U_~, Ui=Mi I_~. Произведение этих напряжений равно или с учетом (1)

В первом такте измерения, задаваемом программным блоком 28, напряжения Uu_~ и Ui_~ с помощью аналоговых коммутаторов 23, 24 подаются на входы ИПМ 25, выходное напряжение которого равно

S_ипм коэффициент преобразования ИПМ.

Напряжение U₁ поступает в АЗБ 26 и запоминается в нем.

Во втором такте измерения на входы ИПМ 25 поступают сигналы постоянного напряжения U_{u_} и U_{i_} от ИОС 29, равные соответственно
U_{u_} M_u U_H
U_{i_} M_i I_H
где U_H, I_H номинальные значения напряжения и тока, соответствующие поверяемой отметке.

Произведение сигналов U_{u_} и U_{i_} равно P'_ M_u M_i U_H I_H, т.е.

P'_М_uМ_iP_H
Во втором такте на выходе ИПМ 25 образуется напряжение U₂ S_ипм P_ В АЗБ 26 выделяется разность напряжений U₂ и U₁; ΔU=U₂-U₁. Если S_ипм 1, то с учетом (1) и (4) справедливо выражение
ΔU =Mu Mi ΔP (5)
Таким образом, напряжение ΔU пропорционально погрешности поверяемого прибора 30, приведенной к пределу измерения. Это напряжение преобразуется с помощью АЦП 27 в цифровую форму и выводится на индикацию.

Установка УППУ-1М обладает высокой точностью (0,04-0,1%) и быстродействием (время измерения 7 с) при cosΦ ≈ 1. U_~≈ U_н и I_~≈ I_н. Это связано с тем, что только при выполнении этих условий температуры нагревателей термопреобразователей, составляющих основу ИПМ, равны в первом и втором тактах измерения. В противном случае тепловые режимы термопреобразователей в первом и втором тактах становятся неодинаковыми, что приводит к резкому увеличению времени измерения, необходимого для завершения переходных процессов в термопреобразователях ИПМ и росту погрешности, связанной с неидентичностью и неквадратичностью термопреобразователей ([2] с. 82, 83, 95, 97, формулы 3 - 25, 3 39, рис. 3-9).

В диапазоне значений cosΦ от 0 до 1 время измерения установки УППУ-1М возрастает до 20-40 с, а погрешность измерения до 0,2-0,5%
Таким образом, недостатком известного устройства является существенное уменьшение точности и быстродействия при малых cosΦ по сравнению с cosΦ=1.

Целью изобретения является повышение точности и быстродействия при коэффициентах мощности меньше единицы.

Цель достигается тем, что устройство для поверки ваттметров, содержащее источник переменного напряжения и тока, первый выход которого соединен со входом масштабного преобразователя напряжения и клеммой для подключения потенциального входа повторяемого ваттметра, входом соединенный со второй клеммой для подключения цепи тока поверяемого ваттметра, два аналоговых коммутатора, первые входы которых соответственно подключены к выходам масштабных преобразователей, измерительный преобразователь мощности, входы которого подключены к выходам аналоговых коммутаторов, запоминающий блок и аналого-цифровой преобразователь, соединенные последовательно и подключенные к выходу измерительного преобразователя мощности и программный блок, выход которого соединен со входами управления аналоговых коммутаторов и запоминающего блока, снабжено двумя аналоговыми сумматорами, двумя аналоговыми вычитателями, двумя детекторами, двумя образцовыми аналого-цифровыми преобразователями и вычислителем; причем первый и второй входы первого сумматора и первый и второй входы первого вычитателя соединены соответственно с выходами масштабных преобразователей напряжения и тока, а выходы - соответственно соединены со входами вторых сумматоров и вычитателя, выходы которых соответственно соединены со входами первого и второго образцовых аналого-цифровых преобразователей, а также со входами аналовых коммутаторов, при этом информационные входы вычислителя соединены с соответствующими выходами образцовых аналого-цифровых преобразователей, а его вход управления - с выходом программного блока.

Заявителю не известны устройства для поверки ваттметров, содержащие два детектора, два сумматора, два вычислителя, два образцовых аналого-цифровых преобразователя (АЦП) и вычислитель.

Указанный признак позволяет при любых значениях cosΦ,, переменного напряжения U_~ и тока I_~ сформировать два таких сигнала напряжения постоянного тока U_{u_} и U_{i_}, произведение которых близко к произведению сигналов переменного тока , а при воздействии их на входы ИПМ обеспечивается равенство температур термопреобразователей их температурам при воздействии сигналов переменного тока. Вследствие этого повышается быстродействие и точность поверки при коэффициентах мощности меньше единицы.

Таким образом, по мнению заявителя, этот признак придает заявляемому техническому решению существенное отличие.

На фиг.1 представлена структурная схема прототипа; на фиг.2 структурная схема заявляемого устройства.

На фиг.1 приняты следующие обозначения: 20 источник переменного напряжения и тока, 21 масштабный преобразователь напряжения, 22 масштабный преобразователь тока, 23 и 24 аналоговые коммутаторы, 25 измерительный преобразователь мощности, 26 аналоговое запоминающее устройство, 27 АЦП, 28 программное устройство, 29 источник опорных сигналов, 30 поверяемый прибор.

В заявляемом устройстве (фиг.2) источник переменного напряжения и тока 1 выполнен в виде двух электронных усилителей с регулируемым модулем и фазой выходного сигнала; к выходу источника напряжения и тока 1 подключается поверяемый прибор 2 и масштабные преобразователи напряжения 3 и тока 4, выполненные в виде резистивных делителей и шунтов. Выходы масштабных преобразователей напряжения 3 и тока 4 соединены со входами аналоговых сумматора 5 и вычитателя 6, выполненных в виде операционных схем, а также со входами аналоговых коммутаторов 7 и 8, представляющих собой электромеханические реле. Выходы сумматора 5 и вычитателя 6 соединены со входами детекторов 9 и 10, выполненных в виде двухполупериодных выпрямителей с активными фильтрами нижних частот; выходы детекторов 9 и 10 соединены со входами сумматоров 11 и вычитателя 12, аналогичных 5 и 6. Выходы сумматора 11 и вычитателя 12 соединены со входами образцовых аналого-цифровых преобразователей 3 и 14, а также со вторыми входами аналоговых коммутаторов 7 и 8, выходы аналоговых коммутаторов 7 и 8 соединены со входами термоэлектрического измерительного преобразователя мощности (ММП) 15, выполненного по методу суммы и разности. Выход измерительного преобразователя мощности соединен со входом запоминающего блока 16, выход которого подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя 17. Выходные коды образцовых аналого-цифровых преобразователей 13 и 14 и аналого-цифрового преобразователя 17 подаются на информационные входы вычислителя 18. Входы управления аналоговых коммутаторов 7 и 8. запоминающего устройства и вычислителя 18 соединены с выходом программного блока 19, представляющего собой генератор прямоугольных импульсов со счетчиком-дешифратором.

Устройство работает следующим образом. Поверяемый прибор подключают к выходам источника переменного напряжения и тока 1, устанавливают требуемые значения переменного напряжения U_~, тока I_~ и cosΦ, плавной регулировкой одного из этих параметров устанавливают поверяемую отметку прибора 2 и нажимают на кнопку "Пуск", входящую в состав программного блока 19, в результате чего начинается первый такт измерения. В первом такте измерения, как и в прототипе, на вход ИПМ 15 поступают выходные сигналы масштабных преобразователей напряжения Uu_~ и тока Ui_~. При этом также, как и в прототипе, произведение выходных сигналов масштабных преобразователей , равное Uu_~Ui_~cosΦ, определяется выражением (2), а выходное напряжение ИПМ 15- выражением (3).

Во втором такте управляющий сигнал программного блока 19 изменяется на противоположный и через коммутаторы 7 и 8 на входы ИПМ 5 поступают сигналы постоянного напряжения U_{u_}и U_{i_}. В отличие от прототипа, где сигналы постоянного напряжения U_{u_} и U_{i_}, подаваемые на вход ИПМ 15, задаются источником опорных сигналов, в предлагаемом устройстве сигналы U_{u_} и U_{i_} формируются на основе сигналов переменного тока Uu_~ и Ui_~ и измеряются образцовыми АЦП 13 и 14.

Для формирования сигналов U_{u_} и U_{i_} служат аналоговые сумматоры 5 и 11, аналоговые вычитатели 6 и 12 и детекторы 9 и 10. Выходные сигналы сумматора 5 U_c1 и вычитателя 6 U_b1 соответственно равны сумме и разности выходных сигналов масштабных преобразователей 3 и 4 и являются переменными напряжениями
Uc₁=Uu_~+Ui_~
Uв₁=Uu_~-Ui_~
Детекторы 9 и 10 отградуированы по действующему значению напряжения, поэтому без учета погрешности преобразования постоянные напряжения на их входах равны

Напряжения U_д1 и U_д2 поступают на сумматор 11 и вычитатель 12, имеющие коэффициенты передачи, равные 0,5. Выходы сигналы сумматора 11 U_{u_} и вычитателя 12 U_{i_} измеряются образцовыми АЦП 13 и 14 и через вторые входы аналоговых коммутаторов 7 и 8 поступают на входы ИПМ 15. Ори равны соответственно
U_{u_}=0,5(U_д1+U_д2),
U_{i_}=0,5(U_д1-U_д2)
Произведение сигналов U_{u_} и U_{i_} с учетом (6) и (7) численно равно
P′= Uu_-Ui_-=Uu_~Ui_~cosΦ (8)
Таким образом, номинальные значения произведений сигналов постоянного и переменного тока совпадают.

Выходное напряжение ИПМ 15 во втором такте равно
U₂=S_ипмU_{u_}U_{i_}
В АЗБ 16 выделяется разность напряжений U₂ и U₁, которая с учетом (2), (3) и (9) определяется выражением
ΔU = Sипм(Uu_-Ui_--MuMi(Pн-ΔP)), (10)
где M_u, M_i значения коэффициентов передачи масштабных преобразователей;
P_н номинальное для данной отметки значение мощности.

Напряжение ΔU определяется неточностью формирования напряжений U_{u_} и U_{i_} вследствие инструментальных погрешностей сумматоров, вычитателей и детекторов и составляет не более 0,1% от номинального значения напряжений U₁ и U₂, поэтому для измерения не требуется АЦП высокой точности. Коды напряжений U_{u_}, U_{i_} и ΔU поступают в вычислитель 18, где производится вычисление результата поверки по формуле
N = ΔU-Uu_-Ui_-+MuMiPн (11)
Если, как и в прототипе, S_ипм=1, то N=M_uM_i p, т.е. выходной код вычислителя 18 пропорционален значению приведенной погрешности поверяемого прибора 2.

Данный код выводится на индикацию и регистрацию.

Определим значения ЭДС, а следовательно и превышения температуры нагревателей термопреобразователей ИПМ 5 в обоих тактах измерения.

При построении ИПМ по суммно-разностному методу ЭДС одного из термопреобразователей пропорциональна квадрату суммы, а другого квадрату разности входных сигналов. В первом такте измерения

e(1)1

, e(1)2 ЭДС термопреобразователей в первом такте;
a коэффициент пропорциональности.

Во втором такте

Подставляя в выражением (12) выражения (6) и (7) для U_{u_} и U_{i_}, после преобразования получим
,
т.е.

e(1)1

=e(2)1; e(1)2=e(2)2.
Полученные выражения не учитывает неточность формирования сигналов U_{u_} и U_{i_}, которая как указывалось выше, может быть получена менее 0,1%
Таким образом, в отличие от прототипа в предлагаемом устройстве ЭДС (превышения температуры нагревателей) термопреобразователей практически равна в обоих тактах измерения при любых значениях cosΦ U и I. Вследствие этого, во-первых, резко повышается быстродействие, т.к. время переходного процесса определяется только инструментальной погрешностью формирования сигналов U_{u_} и U_{i_} и не превышает 2 с, а во-вторых, существенно уменьшается погрешность от неидентичности и неквадратичности термопреобразователей, т.к. в обоих тактах измерения термопреобразователи находятся в идентичных тепловых режимах. Данная составляющая погрешности является доминирующей для прототипа при cosΦ<1 и при несовпадающих пределах измерения установки и поверяемого прибора и составляет 0,2-0,5%
На нашем предприятии был изготовлен и исследован макет предлагаемого устройства. В нем использованы источники переменного напряжения и тока, масштабные преобразователи напряжения и тока, аналоговые коммутаторы, запоминающий и программный блоки от установки УППУ-1М. В измерительном преобразователе, построенном по структуре ([2] рис. 3-14д), использованы согласующие и выходной усилители от установки УППУ-1М [3] Аналоговые сумматоры и вычитатели построены по известным схемам (см. например, [4] рис. 1.176). Детекторы представляю собой выпрямители среднего значения ([4] рис. 4, 2а) с фильтрами нижних частот ([4] рис. 3,8а), построенными на операционных усилителях типа К140УД17. Также были использованы образцовые АЦП типа КР1108ПП2-КР572ПП2 с погрешностью 0,003% АЦП типа КР572ПВ10А и вычислитель типа МС2702 (К1-20).

По сравнению с прототипом, обеспечивающим в диапазоне cosΦ. от 0 до +1 погрешность 0,05-0,2% при времени измерения до 40 с, заявляемое устройство, как показали исследования макета, позволяет снизить погрешность до 0,03-0,05% при времени измерения 6 с в диапазоне значений коэффициента мощности от 0 до +1.

Литература
1. Любимов Л.И. Форсилова И.Д. Шапиро Е.З, Поверка средств электрических измерений, Справочная книга. Л. Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1987.

2. Безикович А. Я. Шапиро Е.З. Измерение электрической мощности в звуковом диапазоне частот. Л. Энергия. Ленинградское отд. 1980.

3. Установка УППУ-1М. Паспорт. Хд 1.400.009ПС.

4. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. 2 изд. Л. Энергоатомиздат. Ленинградское отд. 1988.

Использование: в установках для поверки высокоточных ваттметров переменного тока в диапазоне значений коэффициента мощности от 0 до +1. Сущность изобретения: при любых значениях коэффициента мощности (cos Φ) для поверочных значений переменного напряжения и переменного тока формируют такие два сигнала постоянного напряжения, пропорциональных номинальным значениям напряжения и тока, произведение которых близко к произведению переменного напряжения на переменный ток, а при воздействии сформированных сигналов на измерительный преобразователь мощности обеспечивается работа термопреобразователей при температуре, равной температуре, создаваемой при воздействии сигналов переменного напряжения и тока. Введение двух детекторов 9 и 10, двух сумматоров 5 и 6 и двух вычитателей 11 и 12, двух аналого-цифровых преобразователей 13 и 14 и вычислителя 18 обеспечивает работу устройства при указанных выше условиях, что повышает быстродействие и точность поверки при коэффициентах мощности, меньших единицы. 2 ил.

Устройство для поверки ваттметров, содержащее источник переменного напряжения и тока, первый выход которого соединен с входом масштабного преобразователя напряжения и клеммой для подключения потенциального входа поверяемого ваттметра, а второй выход с первой клеммой для подключения цепи тока поверяемого ваттметра, масштабный преобразователь тока, входом соединенный с второй клеммой для подключения цепи тока поверяемого ваттметра, два аналоговых коммутатора, первые входы которых соответственно подключены к выходам масштабных преобразователей, измерительный преобразователь мощности, входы которого подключены к выходам аналоговых коммутаторов, запоминающий блок и аналого-цифровой преобразователь, соединенные последовательно и подключенные к выходу измерительного преобразователя мощности, и программный блок, выход которого соединен с входами управления аналоговых коммутаторов и запоминающего блока, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и быстродействия при коэффициентах мощности меньше единицы, устройство снабжено двумя аналоговыми сумматорами, двумя аналоговыми вычитателями, двумя детекторами, двумя образцовыми аналого-цифровыми преобразователями и вычислителем, причем первый и второй входы первого сумматора и первого вычитателя соединены соответственно с выходами масштабных преобразователей напряжения и тока, а выходы соответственно с входами детекторов, выходы которых соединены с первыми или вторыми входами вторых сумматора и вычитателя, выходы которых соответственно соединены с входами первого и второго образцовых аналого-цифровых преобразователей, а также с входами аналоговых коммутаторов, при этом информационные входы вычислителя соединены с выходом аналого-цифрового преобразователя и с соответствующими выходами образцовых аналого-цифровых преобразователей, а его вход управления с выходом программного блока.