Цифровой измеритель мощности Советский патент 1984 года по МПК G01R21/06 

.

Cpurl Изобретение относится к пигЬровой электроизмерительной технике и може быть применено при построении измаои гелей активной мощности непрерыпных и радиоимпулр сных периодических коле баниЙ8 а также сигналов постоянмсго тока, По Осковкоку авт. ев, № 970250 известен цифровой измеритель мощноети, содержащий входные преобразователи напряжения и тока, инвертор, источник опорного- напряжения;, управления коммутатором, коммутатср перемножительэ двухтактньп иктегрирующий преобразователь, блок вы,це,пе имя периода, логические элементы И,, ТЛПЦ, генератор импульсоВ; счетчик, индикатор, блок выбора диапазонов,, переключательJ, причем входы первого и второго входных преобразователей подключены к шинам- входных сигналов а их управляющие входы подключены соответственно к первому и второму вытсодам блока выбора диапазона, вхо ды которого подключены к выходам входных преобразователей5 а третий выход соединен с синхронизирующим входом индикатора, вход которого че рез счетчик сое,Динен с выходом э,пе-мента И, первый вход которого соепи нен с выходом генератора импульсов, а второй вхо,ц соединен с выходом эл мента ИЛИ, первый вход которого соединен через двуктактный интегрирую-щий преобразователь с выходом перемножителя , а второй вкод соединен с выходом блока выделения периода, вход которого через переключатель со ,цинен с вькодом первого входного пре образователя или с шиной опорного сигнала; первьш вход блока управлени коммутатором соединен с выходом блок выделения периода, второй вход сое,п;и иен с вь1хо,гтом двухтактно ,::; интегриру щего преобразователя; а въкопы соеди нены с управляющими входами KONMyTaтора, первый вход которого соединен через инвертор, а второй непосредственно с выходом первого пр еобразователя, третий вход соединен с вьжодом второго преобразователя 5 ч:етвертый и пятый входы соединены с зькодами источника опорного напрк;кения„ а вь;ходы соединены с ихода:ми перемножителя., В этом устройстве измеряемая м; шность определяется как полусумма Д15у дик:1(зв иг мерения, из которых cor- -т i5 i-i т и I . i: в у X такт о в ,.) р,. MarlU IF-M ., Topoe с,лагаемое этого :--р-зжения представляет погреин-ость, которая вносится из-за наличкя дре:чфоз напря;кек:чя смещения перемножйтеля и двухтактного интегрирующего преобразователя и ее значение во много раз меньшие аналогичной погрешносп-: ггри двухтактном интегрировании ; I Недостатком этого цифро--,с,, - .змерителя мощности является огра ;ичение точности измерения мощности вследствие влияния на резул::.7-ат i-гзмерения црейфа эквивалентного напряжения смецления одного из каналов перемножйтеля, угловьге погрешностей 5 обус,ловле 1иьгк неравенстао - сдвига фаз в :каналах перемножения, сдвига фаз между напряжением и током, а также э:к ви:8алентного напряжения смещения :гсанала тгреобразования напряжения (в:кодной преобразователь напря/кенкЯ; первый :;iKBepTop и тракт преобразова:ния сигнала напряжения в перемнож:ителе) и кана::а преобразова шя тока (.вход:чой преобразователь тока и трак гтреобразс1вания сигнала тока е пераг-гножитеДе) . Це,п:ь :5обт;.етения - повышение -тоЧности из:--;ерения,, Указанная пель ,-цостигается тем, что в цифровой измеритель мощности введены второй коммутатор У, второй инвертор; п:;личем выходы БХОДКЫХ преобразователей напряжения и тока.а так лке источника опорного напряжения подключены к , первого инвертора и гшрвого коммутатора через второй коммутатор,, управляющие входы которого соединены с вьп одами блока управления,, а дпугой :,зыход. - непосредственно и через второй инвертор со-с5тветственно с ,;лзумя д,ополчитель}п 1ми входами i т е р в о г о : : о мм у т ,3 т о р 3.,. На фиг. i приведена структурная :xev-a диирового измерителя мощности, л H,j сриг, 2 - времен-{ые диаграммы. УстройстБ-о содержит входные преобразователи 1 и 2 напряжения и тока, входы которых подключень к шинам 3 и 4 в:1. снгна:1ов, Управляьг/щие :5ходы входных преобразователей 1 и 2 подк.пю-чены соответственно к первому и второму выходам блока -м.юора диапазона. Выход входного преобразователя 1 напряжения подключен к первому входу переключателя 6, к. первому входу блока 5 выбора диапазона и к первому входу второго коммутатора 7. Выход входного преобразователя 2 тока подключен к второму входу второго коммутатора 7 и к второму входу блока 5 выбора диапазона. Выход источника 8 опорного напряжения соединен с третьим и четвертым входами второго коммутатора 7. Первы вход первого коммутатора 9 подключен через первый инвертор 10, а второй непосредственно к перрому выходу коммутатора 7. Третий вход первого коммутатора 9 подключен через второй инвертор 11, а четвертый непосредственно к второму выходу коммутатора 7 Управляющие вхоЬы обоих коммутаторов 7 и 9 соединены с выходами блока 12 управления коммутатором. Оба выхода коммутатора 9 соединены с входами перемножителя 13. Выход последнего соединен с входом двухтактного интегрирующего преобразователя 14. Выход двухтактного интегрирующего преобразователя 14 подключен к первому входу блока 12 управления и к первому входу элемента 15 ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом бло ка 16 выделения периода и вторым входом блока 12 управления. Выход элемента 15 ИЛИ соединен с первьм входом элемента 17 И, второй вход ко торого соединен с выходом генератора 18 импульсов. Выход элемента 17 И через счетчик 19 соединен с входом индикатора 20,.синхронизирующий вход которого соединен с третьим выходом блока 5 выбора диапазона. Вход блока 16 выделения периода соединен с выходом переключателя 6, на второй вход которого подается опорный с шины 21. Устройство работает следующим образом. Через переключатель 6 на вход бло ка 16 выделения периода поступает либо входной сигнал входного преобра зователя 1 напряжения (t) при синусорадальной форме последнего, либо сигнал с шины ,, частота котор го равна основной частоте входного сигнала, когда напряжение U(t) перио дично, но не синусоидально. В послед нем случае измеряется активная мощность суммы гармоник. При измерении мощности постоянного тока время первого такта интегрирования определяется периодом напряжения сетевой помехи. При этом на вход блока 16 выделения периода подается либо переменное напряжения питания прибора через шину 21 вместо- Ugn , либо выделенное на выходе преобразователя 1 переменное напряжение помехи, которое поступает на вход блока 16 через первый вход переключателя 6. В первом такте с помощью блока 16 выделения периода вырабатьтается импульс длительностью пТ (Т - период колебаний входного сигнала), посредством которого через блок 12 управления замыкаются соответствующие элементы коммутаторов 7 и 9. В этом случае на первый вход перемножителя 13 с выхода входного преобразователя 1 подается в определенном масштабе напряжение Ци(1), а на второй вход сигнал с выхода входного преобразователя 2 тока, пропорциональньп .току k.i(t). Учитывая дрейфы в каналах преобразования напряжения и тока, а также собственный дрейф перемножителя, выходное напряжение перемножителя записывается в виде U,«.inLU,((-fc)UAP2l -U , где k - коэффициент преобразования перемножителя; суммарный дрейф эквивалентных напряжений смещения входного преобразователя Напряжения, первого инвертора и канала преобразования напря- жения перемножителя; суммарный дрейф эквивалентных напряжений смещения входного преобразователя тока, второго инвертора и канала преобразования тока перемножителя;Ujj - собственнь й дрейф эквивалентного напряжения смещения перемножителя. u,(-fc)) i U2.(t)-kiict) При этом напряжение на выходе преобразователя 14 в конце первого такта определяется из выражения U6b,4.-|2J-%,(-t)Ua(t) /V(i)UAr.,cfi4 - / U2(-i)UA.3ri V V у . i / AP, где - постоянная времени интегр рующей цепи; ЙА, Uu( эквивалентное напряжение смещения УПТ двухтактного интегрирующего преобразов теля . Принимая во внимание5 что для с нусоидальных сигналов ,-, и (tl vl, r.roCteJt trti},. где Н - дополнительный угол сдвиг фаз в канале напряжения; Hlj - дополнительный угол сдвиг фаз в канале тока| Y - фазовый сдвиг между входн током и входнь м напряжеки выражение (1) записываетс следующр М образом Ugyx. fu,)h tj 4 д1 -.- ,г.- , пТ UjU iCoS f- e65:Cf4:- 4-r: - t TOiUg siM Ф sin ()где ;A-%) л - лРгК ло/-и,,, iT Пря постояк ых входных сигналах напряжение J, будет равно и1ш,пТи.и,,идр. ; --A TUjUip, - ,р Б течение первого такта импульс блока 16 выделения периода открыва ся элемент 15 ШРЛ и элемент 17 И проo M:x,%-Abpa nr} MxiUon UA i .А„Т COS Of, .-, где -от oni В случае постоянных входных сигналов номинальное значе 1ие мощности равно Рд Ц ll(j при этом уравнение (2) запись вается ,. пускает на вход счетчика 19 N пульсов ечератопериод HMny.nbCOf; pa 18. После окончания перкого такта интегрирования срабатывает блок 12 управления и при этом размыкаются контакты коммутаторов 7 и 9. Одновременно с rfOt-fombso того же блоха 12 уп-равле-ния подключаются опродслеяные злементь коммутаторов 7 к 9 . сим образом, что при включается первый инвертор 10 и на первый вход переь-;ножителя 13 подается напряжение (-Ijans) 1 а на второй вход , оьпсорное напряжение перемножмтеля i 3 U2.-Kr,L(Uon Uo i H QfHUAP2 UiP Uona ol интегрируется до тех пор, пока выходное напряжение преобразователя 14 не становится равнык нулю. Уравнение первого цикла измерения записывается следующим образом .1LU. и СП -1 Ucfl2 -i fbcu lJifs i l Uon.,Uqp, иТят ., rft v n,d4 . f- иЛ/-.,; . Uew«. -AtH.UOR. Оадя Ai..J At у. Ugrj. i-k, - А-Ьхд о -fe %/t:Vtv..4.,o., где t.i --Tv -nTj Tv - д.чительность ервого цикла. Учитывая,, что значение измеряемой ощности в первом цикле ПРИ синусоиапьньж входньо: сигналах номина.аьно авно i° -Lf U cosf; уравнение (2) заг Нсьвает-ся следующим ооразоUo lM aaAJ ;HAt U;Ut ttn fsin 6Ь -Чг ,(t,bnT) -Atx,,, , -Р,.;ГиД лс -АпГиа11.АрЛ Выходным импульсом преобразователя 14 длительностью t срабатывает элемент 15 ИЛИ и через элемент 17 И на вход счетчика 19 поступает Nn импульсов После окончания второго такта сиг налом с блока 12 управления элементы коммутатора 7 и 9 устанавливаются в исходное состояние. В третьем такте, который начинается сразу после окончания второго, управляющим сигналом с блока 12 управления подключаются элементы коммутаторов 7 и 9 таким образом, что при этом подключается первый инвертор 10 и на первый вход перемножителя 13 подается сигнал пропорциональный току k,i(t), а на второй - сигнал пропорциональный напряжению ) . Б момент времени пТ, после начала третьего такта, напряжение на вьпсоде двухтактного интегрирующего преобразователя 14, в случае сину соидальньгх входных сигналов равно (.} -i nTUгU, ) (у - ) АпТЕлА-едр,,--АпТиэЩсо -tiV hTUjU -SinYS С,-Фг.) АпТЕАР гАР, (ixai-nT)-AtxaUon UA i „Т cos (4-1При измерении постоянных входных 40

lAtxi(aE4c.(ix2«-HT)-A.-fcxiUon, U jj -A-txiUonjU p. 2 -AJUiUA,

1 -АиТ В течение четвертого такта на t вход счетчика 19 поступает N. - импульсов, количество которых пропорционально измеряемой мощности во втором цикле. После суммирования результатов двух циклов измерений,как при постоян ных, так и при синусоидальных входНЫ54 сигналах компенсируются только частично погрешности, вызванные дрейфами эквивалентных смещений в каналаХ преобразования. Для более полной их компенсации вводятся еще два цикла измерений. а при постоянных входных сигналах и5;,,.,--А.Тизи -АпТизило, . i ,p В течение третьего такта на вход счетчика 19 поступает N, N импульПосле окончания третьего такта начинается четвертый такт. При этом с помощью блока 12 управления подключаются определенные элементы коймутаторов 7 и 9 таким образом, что при этом включаются первьш 10 и второй 11 инверторы и на первый вход перемножителя 13 подается напряжение (Uoni) , а на второй вход (-Uonz) . Четвертый такт заканчивается при достижении выходным напряжением преобразователя 14 нулевого значения. Уравнение второго цикла записывается следующим образом Uftw AlxjUon Uon - tx UwiUAPa - Uon UAP EAP AP где ( na длительность второго цикла. Учитывая, что при синусоидальных входных сигналах значение измеряемой мощности Ео втором цикле равно Ppjg и. и cosf, уравнение (3) записывается следующим образом ирП2и.оч 2 it2-AoTU3U iinp.i сигналов уравнение (З) записывается В пятом такте третьего цикла измерений с помощью элементов коммутаторов 7 и 9, управляемых блоком 12 управления, в течение времени пТ на первый вход перемножителя 13 подается сигнал (t) , а на второй вход (t)J . В этом такте в измерительной цепи включены оба инвертора 10 и 11. В момент времени пТ при синусоидальных входных сигналах напряжение на выходе преобразователя 14 равно ULs еН-. -AhTUsUfi - sin If sin (vf,- fi) 4-АпТЕлр- -.лЕХ2 .

При постояHfibix входных сигналах напряжение

uLs v rJTtiP JUl

После окончания пятого такта с помощью блока 12 управления элементы коммутатора 9 включаются таким обраAtic PQ--А Едр (ix3l TlliAb iJo iyjgL±i b ° 14-,) При измерении постоянных входных сигналов значение мощности определит ся из уравнения Я,; 1, Аад-А€ ,, )-АЬ,ио„,ил,н ), ,anTUsU№,A TU-4U 1 В течение шестого такта на вход счетчика 19 поступает ,(i /Т пульсов. На протяжении первого такта четвертого цикла, т.е. в седьмом такте от,начала преобразования на первый вход перемножителя 13 подается инвертированный сигнал пропорциональный входному току (t) , а на. второй его вход - пропорциональный входному напряжению kj|u(t;). При гзтом включен второй инвертор 11 . Выходное напряжение преобразова-теля 14 в этом случае в момент времени пТ при синусоидальных входных сигналах определяется следующим образом О Де tp () 1 UAPa 4 Ai)4Uofl2 UARI /ikU ijU. % -AnTtosOf,Vf53 a при постоянных входнь х сигналах значение мощности определится из уравненияРх;-4т чро AtxH-Uw д , Atx Uon bons LUp, A,,TL4U p/- bTUftUAP, 1 В течение восьмого такта ка вход счетчика 19 поступает N импульсов р W -АнТ

Д€ApUT г- X.frxч- ь)4Uon UApJl(tVч-ty.--(tц,Д ;;j:KAU,,.,UдpГUЪ

В вьфажении (4) принято, что значения входных сигналов за время че-Tbipex циклов не изменяются, а также принято в знаменателе cos (Y,,-У„) 1 ,, учитывая то обстоятельство, что

зом, чтобы на первый вход перемножитсля подавалось напряжение Upnl на второй (-и,-,г,о). При этом включается второй инвертор 11. Шестой такт длится до полного разряда преобразователя 14. Значение мощности в третьем цикле при синусоидальных иходных сигналах равно импрся на сиг

разность углов Hi не превьинает нескольких градусов, и функция косинус вначале изменяется монотонно.

При измерении могшости постоянных сигналов 12g&yi; ДпТUgU sis-i f sinJV-i - H) UU,X4 (f -205 (41-, г) -sin (rtp) Sin (Ч.-Фл) - -гЛЕ р -AhTU,Uaeo3f.cos(4(,.,) - hTU:| Ug Sh f-sin (t, г) A пТ€д,. при постоянных входных сигналах и,, -А jU Uj-AHTU UiP.- hTUgU V 4 AnI i,p S-APa В последнем восьмом такте на оба входа перемножителя 13 с источника 8 опорного напряжения через определенные элементы коммутаторов 7 и 9 пода1отся сигналы UQ и п% Последний такт длится до полного разряда преоб азователя 14. При STOM значение мощности в четвертом цикле преобразования при синусоидсшьньгх входных сигналах равно 2- t t/ o l M-lLnJVi t ) ТтГ о Значение измеряемой мощности в длагаемом устройстве определяеткак среднеарифметическая величирезультатов четырех измерений R.-iCVt. 8 случае периодических входньк налов

il109242212

О MCix tx -t-tx-b tTo,

xs Ч4,,Т (5)

,АЫ(.)у(Т)с,-Т„)4Диоп,и1РзL(-b4-tx.V(t4-t:va) AUon,UAi bxa-tx.i -(i:v4-t4z

В выражениях (4) и (5) вторые слагаемые .являются олинаковыми и представляют погрешность, вносимую дрейфами эквивалентных напряжений смещений обоих каналов перер -ftPQ () MAP,(txg-ty )AUaUAPgCbi tx V UAPiUo2Ci 2-tx.) 2AJ2Л7Г

4(-b2 ) +AnTU Ug sinPsin () t ДпТи-sUASinvp.sm (Ч.) (6)

постоянмощностиa определение устройэтим же НЫХ сигналов р .(tx. Lon. tx.V / 2.-АяТ2 АД Время пТ в данном выражении является постоянным и наперед заданным. Второе слагаемое выражения (6) представляет погрешность, которая оп ределяется дрейфами эквивалентных напряжений смещений в обоих каналах преобразования напряжения и тока, а также перемножителя 13 и УПТ преобразователя 14. В случае измерения периодических сигналов имеет место погрешность, обусловленная дополнительными угловыми сдвигами в каналах преобразования и сдвигами фаз между входными сигналами, тока и напряжения (см. выражение 6), При измерении мощ ности сигналов постоянного тока (см. вьфажение 7) имеет место также удвоенная погрешность из-за дрейфа эквивалентного напряжения смещения одного из каналов преобразования сиг нала. При сравнении выражений (4) и (5 с выражениями (6) и (7) видно, что погрешность, вносимая дрейфами эквивалентных напряжений смещений обоих каналов преобразования при измерени

множителя и и УНТ преобразователя 14.

В устройстве, принятом за прототип, мощность периодических сигналов определяется следую1цт1м образом ством осуществляется согласно выражению.Uon2 tx2-tx, -|-4iyz-tv - VTUaUA, (7) постоянных сигналов у прототипа значительно больше. Кроме того, при измерении периодических сигналов погрешность у прототипа во многом зависит от угловых погрешностей в каналах преобразования и значения угла сдвига фаз между входным напряжением и током Таким образом, из выражения (4) и (5) видно, что результат преобразования в предлагаемом устройстве не только не зависит от постоянной времени интегрирующего преобразователя 14, значения частоты fp генератора 18 и коэффициента преобразования kp перемножителя 13, но и практически не зависит от значений дрейфов эквивалентных напряжений смещения обоих каналов преобразования при измерении мощности как постоянных так и периодических сигналов, а также не зависит от значений дрейфов эквивалентных напряжений смещения перемножителя 13 и УПТ преобразователя 14 и неравенства угловых сдвигов в каналах преобразования и сдвигов фаз между входным напряжением и током.

«Sj

ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ МОЩНОСТИ по авт. св. № 970250, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены второй коммутатор и второй инвертор, причем выходы входных преобразователей напряжения и тока, а также источника опорного напряжения подключены к входам первого инвертора и первого коммутатора через второй коммутатор, управляющие входы которого соединены с выходами блока управления, а другой выход - непосредственно и через второй инвертор соответственно с двумя дополнительными а входами первого коммутатора.