СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 1998 года по МПК G01R21/06 G01R22/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах учета и контроля мощности и потребления электрической энергии постоянного тока, в частности на городском электрическом транспорте.

Известен способ измерения потребляемой электроэнергии путем формирования последовательности частотно-модулированных импульсов, частота следования которых пропорциональна напряжению на нагрузке, формирования сигнала, пропорционального току нагрузки и стробируемого частотно-модулированным сигналом с образованием сигнала, пропорционального произведению тока нагрузки и напряжения на нагрузке, а также последующего интегрирования этого сигнала по времени с образованием сигнала, характеризующего количество электрической энергии, потребляемой нагрузкой [1].

Недостатком известного способа и устройств для его реализации является низкая точность измерений, обусловленная отсутствием компенсации напряжения смещения нуля устройств стробирования и интегрирования сигналов. В частности, несимметричность выходного сигнала генератора пилообразного напряжения и изменение напряжения смещения нуля компаратора приводят к изменению скважности сигнала управления переключателем и появлению неустранимой в последующем погрешности измерения.

Более совершенным и наиболее близким к предложенному является способ измерения количества электрической энергии путем определения полярности входного сигнала напряжения, преобразования амплитуды входного сигнала напряжения в первую последовательность частотно-модулированных импульсов с частотой следования, пропорциональной входному напряжению, стробирования сигнала входного тока первой импульсной последовательностью с одновременным изменением его полярности в зависимости от полярности входного напряжения и получения в результате этого промежуточного сигнала, среднее значение которого пропорционально произведению входных сигналов тока и напряжения, формирования второй последовательности частотно модулированных импульсов путем фильтрации и преобразования среднего значения промежуточного сигнала в частоту, а также последующего подсчета и регистрации количества импульсов второй импульсной последовательности [2].

В известном способе измерения количества электроэнергии и реализующем его электронном счетчике, благодаря формированию дополнительного сигнала полярности входного напряжения и, соответственно, стробирования сигнала входного тока первой импульсной последовательностью с одновременным изменением его полярности в зависимости от полярности входного напряжения происходит удвоение среднего значения промежуточного сигнала, характеризующего произведение входных сигналов тока и напряжения. В соответствии с этим в два раза снижается погрешность измерений, обусловленная напряжением смещения нуля устройства стробирования сигнала входного тока и преобразования промежуточного сигнала в частоту.

Однако точность измерения количества электроэнергии остается низкой, поскольку влияние основных источников погрешности - напряжений смещения нуля устройства стробирования и преобразователя промежуточного сигнала в частоту, полностью не устраняется.

Задачей изобретения является повышение точности измерений количества электроэнергии.

В способе измерения количества электрической энергии постоянного тока, заключающемся в преобразовании входного сигнала напряжения в первую последовательность частотно-модулированных импульсов с частотой следования, пропорциональной входному сигналу напряжения, формировании второй последовательности частотно-модулированных импульсов с частотой следования, пропорциональной произведению входных сигналов тока и напряжения, а также последующем подсчете и регистрации количества импульсов второй импульсной последовательности, решение поставленной задачи достигается тем, что формирование второй импульсной последовательности осуществляют в двух периодически чередующихся интервалах времени, выбираемых в зависимости от уровня сигнала первой импульсной последовательности, причем в первом интервале времени осуществляют интегрирование входного сигнала тока и опорного сигнала, а во втором интервале времени - коррекцию смещения нуля устройства интегрирования.

При решении поставленной задачи длительность импульсов первой импульсной последовательности может устанавливаться также пропорциональной входному сигналу напряжения при фиксированной частоте следования.

Предлагаемый способ измерения количества электроэнергии отличается от известных тем, что формирование второй импульсной последовательности осуществляется путем поочередного интегрирования входного сигнала тока, опорного сигнала и коррекции смещения нуля устройства интегрирования в зависимости от уровня сигнала первой импульсной последовательности.

Сравнение предлагаемого способа измерения с известными техническими решениями показывает, что формирование сигнала, характеризующего произведение входных сигналов тока и напряжения (второй импульсной последовательности) путем поочередного выполнения операций интегрирования и коррекции смещения нуля устройства интегрирования, как в счетчиках электроэнергии, так и в других областях техники ранее не использовалось.

Вновь введенные операции предложенного способа - поочередное интегрирование сигнала входного тока и опорного сигнала (в первом интервале времени) и коррекция напряжения смещения нуля устройства интегрирования (во втором интервале времени) в зависимости от уровня сигнала первой импульсной последовательности проявляют новое свойство, а именно: в результате этих операций получается сигнал, характеризующий произведение входного тока и напряжения, т.е. электрическую мощность.

В предлагаемом способе измерения поочередное интегрирование сигнала входного тока и опорного сигнала (в первом интервале времени) и коррекция напряжения смещения нуля устройства интегрирования (во втором интервале времени) в зависимости от уровня первого импульсного сигнала, характеризующего входное напряжение, обеспечивает формирование сигнала электрической мощности (второго импульсного сигнала с частотой следования импульсов, пропорциональной электрической мощности) при одновременном исключении влияния смещения нуля интегратора. Благодаря этому обеспечивается высокая точность измерений количества электроэнергии и, соответственно, решается поставленная задача.

На чертеже представлена структурная схема устройства, реализующего предложенный способ измерений.

Электронный счетчик электроэнергии содержит первое 1 и второе 2 входные согласующие устройства, интегратор 3, операционный усилитель 4, мультиплексор 5, первый 6 и второй 7 триггеры, источник опорного напряжения 8, первый 9 и второй 10 переключатели, генератор импульсов 11, регистратор 12, первый 13 и второй 14 конденсаторы, первый 15, второй 16 и третий 17 резисторы.

Первое входное согласующее устройство 1 выполнено в виде дифференциального усилителя, реализованного на операционном усилителе 13 и резисторах 19 - 22, а второе входное согласующее устройство - в виде резистора-шунта 23.

Интегратор 3 содержит операционный усилитель 24, конденсатор 25 и резисторы 26, 27.

Генератор импульсов 11 содержит кварцевый генератор 28 и делитель частоты 29.

Регистратор 12 может содержать электромеханический или электронный счетчик импульсов 30 и индикатор 31. При проведении измерений в высоковольтных цепях на входе счетчика импульсов 30 может быть установлена оптоэлектронная развязка.

Сущность предложенного способа измерения количества электрической энергии поясним на примере работы реализующего его устройства.

Электронный счетчик электроэнергии работает следующим образом.

Входной сигнал напряжения поступает на первое входное согласующее устройство 1, выполненное в виде дифференциального усилителя на операционном усилителе 18 и резисторах 19 - 22 и предназначенное для исключения влияния синфазной составляющей входного напряжения. Напряжение на выходе первого входного согласующего устройства 1 относительно общего провода пропорционально входному напряжению счетчика электроэнергии независимо от разности напряжений между входными зажимами тока и напряжения счетчика. Благодаря этому измерительный токовый шунт 23 второго входного согласующего устройства 2 может быть включен как в плюсовой, так и в минусовой провод нагрузки, потребление энергии которой необходимо измерить.

Напряжение с выхода первого входного согласующего устройства 1 поступает на первый вход интегратора 3 (резистор 26). На другой вход этого интегратора (резистор 27) подается опорное напряжение +U_оп или нулевой уровень потенциала. Подключение опорного напряжения (источника опорного напряжения 8) на второй вход интегратора 3 осуществляет второй переключатель 10, управляемый от второго триггера 7.

В зависимости от уровня напряжения на выходе интегратора 3 на информационном входе второго триггера 7 присутствует логический сигнал 0 или 1. Импульсы опорной частоты F₀ с второго (нижнего по функциональной схеме) выхода генератора импульсов 11 устанавливают второй триггер 7 в состояние, соответствующее этому сигналу.

Интегрирование входного сигнала напряжения приводит к увеличению напряжения на выходе интегратора 3 и, соответственно, на информационном входе второго триггера 7. Когда это напряжение достигнет уровня логической 1, второй триггер 7 ближайшим импульсом опорной частоты F_о переключается в состояние логической 1 и второй переключатель 10 подает на второй вход интегратора 3 опорное напряжение, уменьшающее напряжение на его входе.

К моменту прихода следующего импульса опорной частоты F_о на выходе интегратора 3 устанавливается напряжение, соответствующее уровню логического 0, и второй триггер 7 возвращается в состояние логического 0, второй переключатель 10 отключает от второго входа интегратора 3 опорное напряжение и далее напряжение на входе интегратора вновь начинает возрастать.

При этом очевидно, что независимо от параметров конденсатора 25 и резисторов 27 и 27 (при условии их равенства) интегратора 3 и уровня входного напряжения триггера, соответствующего переходу состояний логический 0 - логическая 1, вольт-секундная площадь выходного сигнала первого согласующего устройства 1 всегда равна вольт-секундной площади импульсной последовательности на выходе второго переключателя 10.

В итоге, на выходе второго триггера 7 формируется первая последовательность частотно-модулированных импульсов. Причем длительность этих импульсов равна периоду опорной частоты F₀, а частота следования F и, соответственно, коэффициент заполнения, пропорциональны входному сигналу напряжения счетчика:
F = F₀•U_вх•K_вх/U_оп ,
K_зап = U_вх•K_вх/U_оп ,
где F - частота следования импульсов первой частотно-модулированной импульсной последовательности;
K_зап - коэффициент заполнения частотно-модулированных импульсов первой импульсной последовательности;
U_вх - входное напряжение счетчика электроэнергии;
K_вх - коэффициент передачи первого входного согласующего устройства;
U_оп - величина опорного напряжения.

При низком уровне потенциала на выходе второго триггера 7 (логический 0 первой импульсной последовательности) предложенное устройство работает в первом режиме - в режиме коррекции аддитивной погрешности (напряжения смещения нуля) операционного усилителя 4.

В этом режиме мультиплексор 5 находится в состоянии, показанном на функциональной схеме. Неинвертирующий вход операционного усилителя 4 заземлен через резистор 16 и нормально-замкнутый верхний ключ мультиплексора 5, а выход операционного усилителя 4 через нормально-замкнутый нижний ключ мультиплексора 5 соединен с инвертирующим входом и первым конденсатором 13. Благодаря этому образуется повторитель напряжения, коэффициент передачи которого практически равен единице, а на выходе операционного усилителя и, следовательно, на первом (запоминающем) конденсаторе 13 устанавливается напряжение, равное напряжению смещения нуля операционного усилителя 4.

При изменении уровня сигнала первой импульсной последовательности (при переходе сигнала на выходе второго триггера 7 в состояние логической 1) происходит переход устройства во второй режим работы. В этом случае нормально-замкнутые (нижние по функциональной схеме) контакты ключей мультиплексора 5 размыкаются и запомненное первым конденсатором 13 напряжение компенсирует напряжение смещения операционного усилителя 4.

Во втором режиме работы мультиплексор 5 заземляет неинвертирующий вход операционного усилителя 4 и подключает к его выходу второй (интегрирующий) конденсатор 14. Благодаря этому происходит переход устройства в режим интегрирования сигнала входного тока и опорного сигнала.

Благодаря тому что напряжение на первом конденсаторе 13 равно напряжению смещения нуля операционного усилителя 4, напряжение на объединенных выводах первого 13 и второго 14 конденсаторов пренебрежимо мало, второй резистор 16 не влияет на работу схемы и функциональный узел на операционном усилителе 4 выполняет функции двухвходового интегратора.

При высоком уровне потенциала первой импульсной последовательности, при помощи функционального узла на операционном усилителе 4, первого триггера 6 и первого переключателя 9 осуществляется преобразование сигнала входного тока в частоту. Процесс преобразования при этом не имеет существенных отличий от описанного выше процесса формирования первой последовательности частотно-модулированных импульсов.

Сигнал входного тока с второго входного согласующего устройства 2 (шунта 23) через первый резистор 15 и первый конденсатор 13 (напряжение на котором позволяет исключить аддитивную погрешность операционного усилителя 4 и не влияет на процесс интегрирования) поступает на инвертирующий вход операционного усилителя 4, работающего в режиме интегратора. Напряжение на выходе операционного усилителя 4 начинает возрастать в соответствии с постоянной интегрирования, определяемой сопротивлением первого резистора 15 и емкостью второго (интегрирующего) конденсатора 14. Когда это напряжение достигает величины, соответствующей уровню логической 1 первого триггера 6, первый триггер 6 переключается в состояние логической 1 первым импульсом опорной частоты f₀, поступающей с первого выхода генератора импульсов 11. Переход первого триггера 6 в состояние логической 1 приводит к переключению первого переключателя 9 и к подаче на резистор 17 (второй вход интегратора) опорного напряжения U_оп.

Интегрирование опорного сигнала приводит к уменьшению напряжения на выходе операционного усилителя 4. К моменту прихода следующего импульса опорной частоты f₀ это напряжение уменьшается до значения, соответствующего уровню логического О первого триггера 6. Поэтому первый триггер 6 возвращается в исходное состояние (логический 0) и далее напряжение на выходе операционного усилителя 4 вновь начинает возрастать под воздействием сигнала входного тока.

Таким образом, в зависимости от уровня сигнала первой частотно-модулированной импульсной последовательности устройство поочередно работает в двух режимах, которые соответствуют двум чередующимся интервалам времени:
1) коррекция смещения нуля устройства интегрирования при частоте сигнала на выходе первого триггера 6, равной нулю;
2) интегрирование входного сигнала тока и опорного сигнала.

Частота сигнала на выходе первого триггера 6 во втором режиме равна
f_вых = I_вх•R_ш•f₀/U_оп ,
где I_вх - входной ток счетчика электроэнергии;
R_ш - сопротивление шунта.

Выражение (2) справедливо, очевидно, при условии равенства сопротивлений первого 15 и третьего 17 резисторов.

Для синхронизации процессов формирования первой и второй частотно-модулированных импульсных последовательностей инверсный выход второго триггера 7 может быть дополнительно соединен с установочным входом первого триггера 6.

В соответствии с предложенным способом измерения электрической энергии при поочередном выполнении операций интегрирования входного тока и опорного сигнала (в первом интервале времени) и коррекции смещения нуля устройства интегрирования (во втором интервале времени), т.е. при чередовании двух описанных режимов работы устройства в зависимости от уровня сигнала первой импульсной последовательности, среднее значение частоты на выходе первого триггера 6 будет определяться произведением коэффициента заполнения первой импульсной последовательности, определяемого по выражению (1), и частоты сигнала на выходе первого триггера 6 в режиме интегрирования входного сигнала тока и опорного сигнала, определяемой по выражению (2)
F_вых = K_зап•f_вых = (U_вх•K_вх/U_оп)•(I_вх•R_ш •f₀/U_оп).

Или F_вых = U_вх•I_вх•R_ш•K_вх•f₀/ U_оп.

Таким образом, среднее значение частоты на выходе первого триггера 6 (F_вых) с точностью до постоянных коэффициентов пропорционально произведению U_вх•I_вх или измеряемой электрической мощности. Этот сигнал и является второй последовательностью частотно-модулированных импульсов с частотой следования, пропорциональной произведению входных сигналов тока и напряжения.

Импульсы, частота следования которых пропорциональна мощности, потребляемой нагрузкой, с выхода первого триггера 6 поступают на регистратор 12.

Регистратор 12 благодаря наличию в нем накапливающего счетчика импульсов 30 отображает на индикаторе 31 количество киловатт-часов потребляемой электроэнергии.

При этом погрешность измерения количества электроэнергии имеет малую величину, поскольку определяется стабильностью частоты генератора импульсов (кварцевого генератора) и опорного напряжения и не зависит от напряжения смещения нуля устройств интегрирования сигналов и параметров используемых резисторов и конденсаторов.

Задача изобретения заключается в повышении точности измерений. Это достигается тем, что частотно-модулированный сигнал произведения входного тока и напряжения (электрической мощности) формируется путем поочередного интегрирования сигнала входного тока и опорного сигнала (в первый интервал времени) и коррекции смещения нуля устройства интегрирования (во второй интервал времени) в зависимости от частотно-модулированного сигнала напряжения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения количества электрической энергии постоянного тока путем преобразования входного сигнала напряжения в первую последовательность частотно-модулированных импульсов с частотой следования, пропорциональной входному сигналу напряжения, формирования второй последовательности частотно-модулированных импульсов с частотой следования, пропорциональной произведению входных сигналов тока и напряжения, а также последующего подсчета и регистрации количества импульсов второй импульсной последовательности, отличающийся тем, что формирование второй последовательности частотно-модулированных импульсов осуществляют в двух периодически чередующихся интервалах времени, выбираемых в зависимости от уровня сигнала первой импульсной последовательности, причем в первом интервале времени осуществляют интегрирование входного сигнала тока и опорного сигнала, а во втором интервале времени коррекцию смещения нуля устройства интегрирования. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при формировании первой импульсной последовательности длительность импульсов устанавливают пропорциональной входному сигналу напряжения при фиксированной частоте следования.