СЧЕТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2002 года по МПК G01R11/32 

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к измерениям электрической энергии.

Известны индукционные счетчики электрической энергии (см. Минин Г.П. Измерение электроэнергии. - М.: Энергия, 1984). Недостатком таких устройств является наличие ряда трудно устранимых погрешностей, в частности погрешности от изменения частоты. Известны также электронные счетчики электроэнергии (см. Зыкин Ф.А., Каханович B.C. Измерение и учет электрической энергии. - М. : Энергоиздат, 1982), которые позволяют повысить точность учета потребления электроэнергии.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности признаков является счетчик электроэнергии, содержащий амплитудно-импульсный и широтно-импульсный модуляторы, фильтр нижних частот, преобразователь напряжение-частота и счетчик импульсов (см. там же, стр.34 и 35).

Недостатком такого устройства является влияние сопротивления ключа, входящего в состав амплитудно-импульсного модулятора, что выражается в изменении коэффициента передачи при изменении сопротивления ключа (вследствие, например, влияния температуры). Это приводит к возрастанию погрешностей измерения электроэнергии.

Сущность изобретения состоит в стремлении получить технический результат, заключающийся в повышении точности измерения электрической энергии.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном счетчике, содержащем широтно-импульсный модулятор, который подключен к источнику сигнала, пропорционального току, фильтр нижних частот, преобразователь напряжение-частота, счетчик импульсов и амлитудно-импульсный модулятор, включающий в себя первый и второй резисторы, операционный усилитель и первый ключ, причем первый резистор включен между источником сигнала, пропорционального напряжению, и инвертирующим входом операционного усилителя, в цепь отрицательной обратной связи которого включен второй резистор, выход широтно-импульсного модулятора подключен к входу управления первого ключа, выход аплитудно-импульсного модулятора подсоединен к последовательно соединенным фильтру нижних частот, преобразователю напряжение-частота и счетчику импульсов, особенность заключается в том, что первый ключ подсоединен между источником сигнала, пропорционального напряжению, и неинвертирующим входом операционного усилителя, к которому подсоединен также второй ключ, другой вывод которого подключен к земляной шине, а вход управления второго ключа через логический инвертор подключен к выходу широтно-импульсного модулятора.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружено аналога, характеризующегося признаками, тождественными всем признакам заявленного изобретения, а определение из перечня аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

На чертежах представлены: на фиг.1 - схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Оно содержит источник сигнала 1, пропорционального току, широтно-импульсный модулятор (ШИМ) 2, источник сигнала 3, пропорционального напряжению, операционный усилитель (ОУ) 4, первый 5 и второй 6 резисторы, первый 7 и второй 8 ключи, логический инвертор 9, фильтр нижних частот 10, преобразователь напряжение-частота 11, счетчик импульсов 12.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

При отсутствии сигнала с источника 1, подаваемого на ШИМ 2, на выходе последнего формируются прямоугольные импульсы с периодом следования Т, причем длительность импульса равна длительности паузы (фиг.2,а):
t_И=t_П. (1)
Когда сигнал с источника 1 не равен нулю, то условие (1) нарушается
t_И>t_П, (2)
причем длительность импульса пропорциональна току
t_И=k₁i, (3)
где k₁ - коэффициент пропорциональности; i - контролируемый ток. Период Т при этом не изменяется.

Таким образом, с помощью ШИМ 2 осуществляется модуляция по длительности напряжения с выхода источника 1, пропорционального току.

Далее осуществляется амплитудно-импульсная модуляция этого сигнала с помощью амплитудно-импульсного модулятора (АИМ), содержащего ОУ 4, резисторы 5 и 6, ключи 7 и 8, логический инвертор 9. Ключи 7 и 8 управляются сигналом с выхода ШИМ 2, причем благодаря инвертору 9 они работают в противофазе.

Резисторы 5 и 6 имеют одинаковые сопротивления: R₅=R₆. При этом коэффициент передачи АИМ

когда ключ 7 разомкнут, а ключ 8 замкнут, и

когда, наоборот, ключ 8 разомкнут, а ключ 7 замкнут.

На вход АИМ с источника 2 подается сигнал, который пропорционален контролируемому напряжению u, поэтому амплитуда выходного сигнала ОУ 4, с учетом (4) и (5),
U_ОУ4= |u| (6)
Сигнал на выходе ОУ 4 имеет вид, показанный на фиг.2,б. При этом среднее значение этого сигнала за период Т пропорционально мгновенной мощности
U_СР=kp=k₁•i•u. (7)
Формирование напряжения, пропорционального средней мощности Р, производится с помощью фильтра нижних частот 10. Преобразователь напряжение-частота 11 осуществляет преобразование этого напряжения в частоту импульсов. Количество импульсов за некоторый интервал времени будет пропорционально энергии, потребляемой нагрузкой.

Оценим влияние сопротивления ключей 7 и 8 в предлагаемом устройстве. В режиме инвертирующего усилителя, как отмечалось, ключ 7 разомкнут и имеет сопротивление R₇, а ключ 8 замкнут и имеет сопротивление r₈. Тогда в этом случае более точное выражение (по сравнению с (4)) для коэффициента передачи АИМ будет иметь вид

При использовании ключей на основе полевых транзисторов (например, серии К590) r₈ составляет обычно не более 100...200 Ом, а сопротивление R₇ - более нескольких сотен мегом, поэтому коэффициент (4') отличается от "-1" менее, чем на десятитысячные доли процента. Соответственно влияние изменения сопротивления ключа в открытом состоянии r₈ (вследствие, например, влияния температуры) практически исключается.

В режиме неинвертирующего усилителя ключ 8 разомкнут и имеет сопротивление R₈, а ключ 7 замкнут и имеет сопротивление r₇. Коэффициент передачи АИМ в этом случае будет иметь вид

Аналогично можно показать, что коэффициент (5') практически равен "1", поскольку R₈>r₇, а изменение сопротивления r₇, соответственно, не влияет на результат.

В отличие от предложенного решения в прототипе влияние сопротивления открытого ключа намного существеннее, поскольку он включается последовательно с резистором, сопротивление которого не превышает десятков килоом. В итоге погрешности устройства, выполненного по предложенной схеме, будут существенно ниже.

Таким образом, для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в изложенной ниже формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств. Также, устройство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Использование: в электроизмерительной технике, в частности для измерения электрической энергии. Технический результат заключается в повышении точности измерения электрической энергии. В устройство, содержащее широтно- и амплитудно-импульсный модуляторы, фильтр нижних частот, преобразователь напряжение-частота, счетчик импульсов, введен дополнительный ключ в состав амплитудно-импульсного модулятора (АИМ). Этим достигается независимость коэффициента передачи АИМ от сопротивления ключа в открытом состоянии, что способствует повышению точности измерения электрической энергии. 2 ил.

Счетчик электрической энергии, содержащий широтно-импульсный модулятор, который подключен к источнику сигнала, пропорционального току, фильтр нижних частот, преобразователь напряжение-частота, счетчик импульсов и амлитудно-импульсный модулятор, включающий в себя первый и второй резисторы, операционный усилитель и первый ключ, причем первый резистор включен между источником сигнала, пропорционального напряжению, и инвертирующим входом операционного усилителя, в цепь отрицательной обратной связи которого включен второй резистор, выход широтно-импульсного модулятора подключен к входу управления первого ключа, выход аплитудно-импульсного модулятора подсоединен к последовательно соединенным фильтру нижних частот, преобразователю напряжение-частота и счетчику импульсов, отличающийся тем, что первый ключ подсоединен между источником сигнала, пропорционального напряжению, и неинвертирующим входом операционного усилителя, к которому подсоединен также второй ключ, другой вывод которого подключен к земляной шине, а вход управления второго ключа через логический инвертор подключен к выходу широтно-импульсного модулятора.