СЧЕТЧИК АМПЕР-ЧАСОВ Российский патент 2000 года по МПК G01R21/133 

Известны счетчики ампер-часов (САЧ), использующие преобразование величины постоянного тока в контролируемой цепи в последовательность импульсов, которая подается на счетчик [1, 2].

САЧ, описанный в работе [1], содержит контактный преобразователь тока - шунт, включенный в контролируемую цепь, входной усилитель, интегрирующий конденсатор, сравнивающее устройство, мультивибратор, формирователь, ключ, декадный делитель и отсчетное устройство.

Напряжение, снимаемое с шунта, преобразуется входным усилителем в ток, который заряжает интегрирующий конденсатор. При достижении напряжением на конденсаторе порогового значения сравнивающее устройство запускает мультивибратор, который включает ключ, через который разряжается конденсатор. Цикл повторяется, получаемые импульсы через формирователь поступают на декадный делитель.

Недостатком описанного САЧ является гальваническая связь с контролируемой цепью, а также отсутствие защиты от сбоев в декадном делителе, которые могут исказить результат измерения.

Еще одним недостатком описанного САЧ является невозможность работы при смене направления тока в контролируемой цепи.

САЧ, приведенный в работе [2], содержит бесконтактный преобразователь тока, выполненный в виде переключающегося дросселя, измерительная обмотка которого включена в контролируемую цепь, а выходная через блок управления реверсом соединена с первым входом реверсивного двоично-десятичного счетчика, выход которого соединен с цифровым индикатором, а второй вход - с первым выходом генератора опорной частоты, подключенного вторым выходом к реверсивному двоичному счетчику, первый выход которого через первый преобразователь код-ток соединен с первой управляющей обмоткой дросселя, а второй выход через второй преобразователь код-ток - со второй управляющей обмоткой дросселя.

Данный САЧ не имеет гальванической связи с контролируемой цепью, работает при любом направлении тока в этой цепи. В то же время этот САЧ имеет тот же недостаток, что и САЧ [1] - он не имеет защиты от сбоев в счетчике и может давать неверные результаты.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является САЧ, описанный в работе [3]. САЧ содержит бесконтактный преобразователь тока, состоящий из последовательно соединенных трансформатора постоянного тока (ТПТ) и выпрямительного моста, выход которого соединен с выходом преобразователя напряжения в частоту, выход которого соединен с первым входом счетчика импульсов, второй выход ТПТ соединен через дифференцирующую цепочку с входами первого и второго пороговых устройств, выходы которых соединены с первым и вторым входами триггера соответственно, выход которого соединен с вторым входом счетчика импульсов.

Напряжение, пропорциональное току в контролируемой цепи и гальванически не связанное с ней, преобразуется в последовательность импульсов. В счетчике импульсов накапливается число, которое пропорционально количеству электричества, прошедшему по контролируемой цепи. Направление счета, определяемое направлением тока в контролируемой цепи, задается с помощью триггера.

Недостатком данного САЧ является отсутствие защиты от сбоев в счетчике импульсов, что приводит к искажению информации в счетчике и получению неверного результата. Это является недопустимым при использовании САЧ, например, для заряда/разряда аккумуляторных батарей, используемых в системах энергоснабжения космических аппаратов, так как может привести к выходу ее из строя.

Цель изобретения - повышение надежности работы САЧ.

Технический результат обеспечивается введением регистров, устройств сравнения и устройства управления записью, осуществлением сравнения чисел в счетчике импульсов и регистрах и записью того из чисел, которое дало правильный результат при сравнении.

Поставленная цель достигается тем, что в САЧ, содержащий последовательно соединенные бесконтактный преобразователь тока, преобразователь напряжения в частоту и счетчик импульсов, а также триггер, выход которого соединен с вторым входом счетчика импульсов, введены два регистра, три устройства сравнения, устройство управления записью, устройство начальной установки и устройство формирования выходных сигналов, причем выход устройства начальной установки соединен с первыми входами регистров и третьим входом счетчика импульсов, выход первого регистра соединен с первыми входами первого и второго устройств сравнения, а выход второго регистра соединен с вторыми входами второго и третьего устройств сравнения; выходы трех устройств сравнения соединены с тремя входами устройства управления записью соответственно: второй вход первого устройства сравнения, первый вход третьего устройства сравнения, четвертый вход устройства управления записью и вход устройства формирования выходных сигналов соединены с выходом счетчика импульсов; выход устройства управления записью соединен с четвертым входом счетчика импульсов, первый вход/выход устройства управления записью соединен с вторым входом/выходом первого регистра, второй вход/выход устройства управлением записью соединен с вторым входом/выходом второго регистра, пятый вход устройства управления записью соединен с первым выходом преобразователя напряжения в частоту, а входы триггера соединены со вторым и третьим выходами преобразователя напряжения в частоту, четвертый выход которого соединен с входом бесконтактного преобразователя.

На фиг. 1 показана структурная схема САЧ.

На фиг. 2 показана структурная схема варианта исполнения бесконтактного преобразователя тока.

На фиг. 3 показана структурная схема варианта исполнения преобразователя напряжения в частоту.

САЧ содержит бесконтактный преобразователь тока 1, преобразователь напряжения в частоту 2, триггер 3, счетчик импульсов 4, устройство начальной установки 5, регистры 6, 7, устройство формирования выходных сигналов 8, устройства сравнения 9, 10, 11 и устройство управления записью 12.

САЧ работает следующим образом:
При включении САЧ устройство начальной установки 5 производит запись в счетчик импульсов 4 и регистры 6, 7 одинакового числа, которое определяется требуемым режимом работы (во все разряды счетчика и регистров записываются все нули, все единицы или выбранное число).

Ток, протекающий по контролируемой цепи, вызывает пропорциональное изменение напряжения на выходе бесконтактного преобразователя тока 1, причем полярность изменения напряжения зависит от направления протекания тока в контролируемой цепи. Преобразователь напряжения в частоту 2 преобразует это напряжение в последовательность импульсов, которая поступает на вход счетчика импульсов 4. При формировании каждого импульса преобразователь напряжения в частоту 2 передает в бесконтактный преобразователь тока 1 стабильный заряд q_o, который проводит его в исходное состояние. Знак заряда q_o противоположен полярности напряжения на выходе бесконтактного преобразователя тока 1. Одновременно с формированием счетного импульса преобразователь напряжения в частоту 2 формирует импульс установки триггера 3 в единицу при прямом направлении тока в контролируемой цепи или в нуль при обратном направлении тока.

При наличии единицы на выходе триггера 3 счетчик импульсов 4 работает в режиме сложения, при нуле в режиме вычитания. Если САЧ используется в цепи, соединенной с аккумуляторной батареей, это позволяет производить ее разряд/заряд на заданное количество электричества, поскольку число импульсов в счетчике импульсов 4 ему пропорционально.

Когда с преобразователя напряжения в частоту 2 в счетчик импульсов 4 поступает очередной импульс, устройство управления записью 12 анализирует выходные сигналы устройств сравнения 9, 10, 11. Сначала проверяется сигнал с выхода устройства сравнения 9, если он равен единице, т.е. числа в счетчике импульсов 4 и в первом регистре 6 совпадают, то остальные сигналы не проверяются и производится изменение содержимого счетчика импульсов 4 на единицу (сложение или вычитание), а в оба регистра 6, 7 записывается новое число, соответствующее числу в счетчике импульсов 4. В случае, если в результате сбоя, вызванного воздействием помехи, просадки напряжения питания, попаданием тяжелой заряженной частицы или другими причинами, числа в счетчике импульсов 4 и в первом регистре 6 не совпадают, то на выходе устройства сравнения 9 будет нуль. В этом случае устройство управления записью 12 проверяет сигнал с выхода устройства сравнения 11. При наличии на его выходе единицы числа в счетчике импульсов 4 и втором регистре 7 совпадают, значит сбой произошел в первом регистре 6. Устройство управления записью 12 изменяет содержимое счетчика импульсов 4 на единицу и записывает новое число в регистры 6, 7.

Если же на выходе устройства сравнения 11 будет нуль, то собой произошел в счетчике импульсов 4, устройство управления записью 12 проверяет сигнал с выхода устройства сравнения 10. При наличии на его выходе единицы числа в регистрах 6, 7 совпадают, устройство управления записью 12 изменяет содержимое регистров 6, 7 на единицу и записывает это число в счетчик импульсов 4.

Таким образом, после каждого импульса, поступающего с выхода преобразователя напряжения в частоту 2, производится анализ содержимого счетчика импульсов 4 и регистров 6, 7 и коррекция их содержимого, что позволяет увеличить надежность работы САЧ.

Сигнал с выхода счетчика импульсов 4 поступает на устройство формирования выходных сигналов 8, которое, в зависимости от поставленной задачи, определяет, достигнуты ли выбранные значения количества электричества, производит преобразование входного кода в выходное напряжение и т.п.

В предлагаемом САЧ бесконтактный преобразователь тока 1 может быть выполнен, в частности, по схеме полумостового автоколебательного инвертора (см. фиг. 2). Обмотки инвертора намотаны на тороидальном сердечнике, через который проходит контролируемая цепь. Источник напряжения E служит для исключения перезаряда конденсатора C1. Резистор R1 позволяет обеспечивать симметричную форму напряжения на обмотке W2. При отсутствии тока в контролируемой цепи перемагничивание сердечника происходит по полному циклу, напряжение в точке A при одинаковых конденсаторах C2, C3 равно нулю.

При протекании тока по контролируемой цепи происходит подмагничивание сердечника, появляется асимметрия формы напряжения на обмотке W2, что вызывает перераспределение напряжения на конденсаторах C1, C2. Напряжение в точке A будет положительным при прямом направлении тока в контролируемой цепи и отрицательным при обратном.

Повторитель напряжения 22 уменьшает влияние преобразователя напряжения в частоту 2 на величину напряжения в точке A и может быть выполнен по любой известной схеме, например по схеме истокового повторителя.

Преобразователь напряжения в частоту 2 может быть выполнен по схеме, приведенной на фиг. 3. Он содержит компараторы 13, 14 на микросхемах 521 САЗ, генератор 15, устройство выделения фронтов 16, логический элемент ИЛИ 17, формирователи длительности импульсов 18,19, источники тока 20, 21.

Генератор 15 может быть выполнен по любой известной схеме на логических интегральных схемах (см., например, с. 111-112 [4]). Выбор конкретной схемы определяется требованиями, предъявляемыми к стабильности частоты. Генератор 15 может содержать делитель частоты для получения нужной выходной частоты с формой типа меандр.

Устройство выделения фронтов 16 может быть выполнено на основе двух устройств формирования коротких импульсов на логических микросхемах (см. с. 107 [4]).

Логический элемент ИЛИ 17 может быть выполнен на микросхеме 564ЛЕ5.

Формирователь длительности импульсов 18, 19 может быть выполнен на RS-триггере, например на микросхеме 564ТМ2.

Источник тока 20, 21 может быть выполнен на транзисторах, например, по схеме, приведенной на с. 106 [5] или операционном усилителе (см. с.389, 390 [5] ). Источники 20, 21 различаются полярностью напряжения питания выходного каскада и типом используемых транзисторов для получения тока противоположного направления.

Преобразователь напряжения в частоту 2 работает следующим образом. Напряжение с бесконтактного преобразователя тока 1 поступает на входы компараторов 13, 14, на второй вход компаратора 13 подано отрицательное опорное напряжение U_оп1, а на второй вход компаратора 14 - положительное напряжение U_оп2. При превышении входным напряжением опорного соответствующий компаратор срабатывает, но сигнал на его выходе появится только при поступлении короткого импульса с выхода устройства выделения фронтов 16 на вход стробирования компаратора. Предположим, что сработал компаратор 14. Тогда на первом выходе через логический элемент ИЛИ 17 и на втором выходе появятся импульсы, одновременно формирователь длительности импульса 18 установится в единицу и включит источник тока 20.

Формирователь длительности импульса 18 установится в нуль сигналом с выхода устройства выделения фронтов 16, который сформирован по фронту другой полярности, чем сигнал на компаратор 14. При этом источник тока 20 выключается. С выхода источника тока 20 в бесконтактный преобразователь тока 1 будет передан заряд
q_о = T • I,
где T - половина периода сигнала с генератора 15;
I - ток источника тока.

Аналогично работает компаратор 13, формирователь длительности импульсов 19 и источник тока 21 при отрицательной полярности входного напряжения. Направление тока источника тока 21 противоположно направлению тока источника тока 20.

Триггер 3 может быть выполнен на микросхеме 564ТМ2. Счетчик импульсов 4 может быть выполнен на реверсивных счетчиках 564ИЕ11. Устройство начальной установки 5 содержит RC-цепочку и логические элементы. Регистры 6, 7 могут быть выполнены на микросхеме 1564ИР23. Схемы сравнения 9, 10, 11 могут быть выполнены на микросхемах цифрового компаратора 564ИП2.

Устройство формирования выходных сигналов, в зависимости от предъявляемых требований, может быть выполнено на микросхемах 564ИП2, цифроаналоговых преобразователях 572ПА1 с операционным усилителем 140УД6 и других микросхемах.

Устройство управления записью 12 может быть выполнено на микросхемах дешифратора 564ИД1, восьми канальных коммутаторах 564КП2 и логических микросхемах. Это устройство также может быть реализовано на базе ОЭВМ типа 1830ВЕ31 с ПЗУ на микросхеме 1623РТ1.

Литература
1. Вайлов А.М., Эйгель Ф.П. "Автоматизация контроля и обслуживания аккумуляторных батарей", М., "Связь", 1975.

2. Авт. свид. 524131 СССР, Счетчик ампер-часов.

3. Авт. свид. 759964 СССР, Счетчик ампер-часов.

4. Гутников B.C. "Интегральная электроника в измерительных приборах", Л. , "Энергия", 1974.

5. Хоровиц П., Хилл У., "Искусство схемотехники" в 2-х томах, пер. с англ. - М. "Мир", 1983 - т.1.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в авиационной, космической и других отраслях, где требуется производить контроль и обслуживание аккумуляторных батарей. Изобретение решает задачу повышения надежности счетчика ампер-часов путем исключения сбоев, которые могут быть вызваны электрическими помехами, просадками и выбросами напряжения питания, действием ионизирующего излучения. Технический результат обеспечивается введением регистров, устройств сравнения и устройства управления записью, осуществлением сравнения чисел в счетчике импульсов и регистрах и записью того из чисел, которое дало правильный результат при сравнении. Поставленная цель достигается тем, что в счетчик ампер-часов, содержащий последовательно соединенные бесконтактный преобразователь тока, преобразователь напряжения в частоту и счетчик импульсов, а также триггер, выход которого соединен с вторым входом счетчика импульсов, введены два регистра, три устройства сравнения, устройство управления записью, устройство начальной установки и устройство формирования выходных сигналов, причем выход устройства начальной установки соединен с первыми входами регистров и третьим входом счетчика импульсов, выход первого регистра соединен с первыми входами первого и второго устройств сравнения, а выход второго регистра соединен с вторыми входами второго и третьего устройств сравнения, выходы трех устройств сравнения соединены с тремя входами устройства управления записью соответственно, второй вход первого устройства сравнения, первый вход третьего устройства сравнения, четвертый вход устройства управления записью и вход устройства формирования выходных сигналов соединены с выходом счетчика импульсов, выход устройства управления записью соединен с четвертым входом счетчика импульсов, первый вход/выход устройства управления записью соединен с вторым входом/выходом первого регистра, второй вход/выход устройства управлением записью соединен с вторым входом/выходом второго регистра, пятый вход устройства управления записью соединен с первым выходом преобразователя напряжения в частоту, а входы триггера соединены со вторым и третьим выходами преобразователя напряжения в частоту, четвертый выход которого соединен с входом бесконтактного преобразователя. 3 ил.

Счетчик ампер-часов, содержащий последовательно соединенные бесконтактный преобразователь тока, преобразователь напряжения в частоту и счетчик импульсов, а также триггер, выход которого соединен с вторым входом счетчика импульсов, отличающийся тем, что в него введены два регистра, три устройства сравнения, устройство управления записью, устройство начальной установки и устройство формирования выходных сигналов, причем выход устройства начальной установки соединен с первыми входами регистров и третьим входом счетчика импульсов, выход первого регистра соединен с первыми входами первого и второго устройств сравнения, а выход второго регистра соединен с вторыми входами второго и третьего устройств сравнения, выходы трех устройств сравнения соединены с тремя входами устройства управления записью соответственно, второй вход первого устройства сравнения, первый вход третьего устройства сравнения, четвертый вход устройства управления записью и вход устройства формирования выходных сигналов соединены с выходом счетчика импульсов, выход устройства управления записью соединен с четвертым входом счетчика импульсов, первый вход/выход устройства управления записью соединен с вторым входом/выходом первого регистра, второй вход/выход устройства управления записью соединен с вторым входом/выходом второго регистра, пятый вход устройства управления записью соединен с первым выходом преобразователя напряжения в частоту, а входы триггера соединены со вторым и третьим выходами преобразователя напряжения в частоту, четвертый выход которого соединен с входом бесконтактного преобразователя.