Устройство для измерения мощности генератора электротермической установки Советский патент 1984 года по МПК G01R21/06 

1109508 Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения мощности в нагрузке генераторов, применяющихся в электротермических установках, нап- 5 ример, в качестве чувствительного элемента системы автоматического управления выходной мощностью генератора. Мощность в нагрузке генераторов, которые применяются для индукционного или диэлектрического нагрева материялов или плазмы в зависимости от требований технологического процесса изменяется не более чем на 10-20%. При этом напряжение и ток нагрузки изме- 15 няются на , а фазовый угол соетавляет 80-87 . Выходная мощность генератора в основном рассчитьшается по данным косвенных измерений. Решение задачи 20 прямого измерения мощности генераторов в диапазоне радиочастот связана с исключением частотной и фазовой погрешностей измерения. Для этого исполь- зуются устройства, основанные на Фазо-25 чувствительном выпрямлении тока или напряжения нагрузки с последзлющим перемножением двух сигналов постоянного тока, один из которых пропорционален активному току или напряжению при наг-30 рузке, а другой - напряжению или току. Известно устройство J содержащее масштабные преобразователи напряжения и тока нагрузки, фоточувствительный выпрямитель, перемножающее уст- 35 ройство, выпрямитель, выход которого через фштьтр низких частот включен в коммутирующую цепь фаэочувствительнрго выпрямителя, и индикатор. На выходе фазочувствительного выпрямителя полу- 40 чается напряжение, пропорциональное активному току, которое перемножается с выходным, напряжением вьтрямителя fl Однако точность такого устройства недостаточна по следунхцим причинам. 45 Измерение-мощности нагрузки осуществляется по формуле . Р - UD0 , Qi 3cosif, , (1) где р - мощность{ и - действующее значение нап- 50 ряжения на нагрузке, Э иЭ - действующие значения тока нагрузки и его активной составляющей соответственно, Ч - фазовьй угол нагрузки. jj Фактические значения измеряемых величин PA,, Эдф с учетом погрешностей Д, вносимых преобразователями, будут 6J Рф Р+дР , U ли, Зо( -о( 2) С учетом выраженных (2) выражение (1) можно записать пренебрегая величинами второго порядка ( Р U-н U AJot (3) Относительные погрешности величины Р, U и J составляют . др Р р„ дп Н 3 (f,. j где Р„, U, 3 - номинальные значения мощности,напряжения и тока нагрузки соответственно. После совместного решения (выражё) (3) и (4) можно записать (/ U (5) ан н «и Если при регулировании генератора изменяется, например, от О до 100%, среднее значение погрешности устройства составляет ff ., Q + О 5сА так как 4--9LJ /- oS ,01н |ср Таким ббразом, среднее значение погрешности определяется погрешностя линейного преобразователя (датчика напряжения), так и нелинейного элемента (фазочувствительного выпрямителя). Линейность передаточной функции фазочувствительного выпрямителя уменьшается с увеличением диапазона измеряемой величины. В области малых токов его точность еще снижается из-за дрейфа преобразователя, Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для измерения мощности, содержащее масштабный преобразователь тока, выход которого подключен к первому входу перемножителя и через последовательно соединенные фазовращатель и регулируемый усилитель к первому входу сумматора, второй вход которого подключен к выходу масштабного преобразователя напряжения, а выход - к второму входу перемножителя, к первому индикатору, причем выход перемножителя соединен с вторым индикатором. 310 Отличительной особенностью известнего устройства является получение сигнала, пропорционального активной составляющей напряжения, с помощью алгебраического суммирования двух сигналов, один из которых пропорционален напряжению на нагрузке, а второй по величине пропорционален току нагрузки и отстает от него по фазе на 90, Дпя получения сигнала, находящегося в квадратуре с током нагрузки, в устройстве использован фазовращатель. Регулировка в устройстве производится с помощью усилителя с регулируемым коэффициентом усиления для получения на выходе сумматора сигнала, совпадающего по фазе с током нагрузки, т.е. сигнала, пропорционального активной составляющей напряжения на нагрузке. Контроль нулевого фазового сдвига этих сигналов проводят по минимуму показаний первого индикатора. После окончания этой регулировки измеряют выходной сигнал устройства, пррпорциональный активной мощности, с помощью второго индикатора С23. Однако необходимость в предварительной регулировке увеличивает время измерения и его трудоемкость. Точность измерения известным устройством низка вследствие того, что при произведении измерений в мало косинусных цепях регистрируемый первым индикатором минимум напряжения выражен нечетко и фазовая погрешность измерения велика. Применение высокочастотного перемножителя также снижа ВТ точность измерения. Цель изобретения - повышение точности измерения. Поставленная цель достигается тем что в устройство, содержащее масштабный преобразователь тока, выход кото рого подключен к первому входу перемножителя и через последовательно соединенные фазовращатель и регулируемый усилитель к первому входу сумматора, второй вход которого подключен к выходу масштабного преобразователя напряжения, а выход - к второму входу перемножителя, выход которого являетс выходом устройства, введены два вьтря мителя, генератор импульсов, триггер, два реверсивных счетчика, четыре ключа, элемент совпадения, делител;ь частоты на два, триггер Шмидта и формирователь импульсов, причем входы 6 перемножителя подключены к выходам сумматора и масштабного преобразователя тока через первый и второй выпрямители соответственно, выход генератора импульсов соединен через первый ключ с счетным входом первого реверсивного счетчика и через второй ключ с входом делителя частоты на два, входы вброса обоих реверсивных счетчиков соединены с входвм сброса триггера и входной шиной сброса, вход установит ки триггера подключен, через формирователь импульсов к управлякндему исходу второго ключа и выходу триггера Шмидта, вход которого соединен с выходом первого выпрямителя первый вькод триггера подключен к управляющему входу .третьего ключа и первому входу элемента совпадения, второй вход которого соединен с выходом второго реверсивного счетчика, а выход - с входом управления первого ключа, второй выход триггера подключен к управляющему входу четвертого ключа, счетный вход второго реверсивного счетчика подключен через четвертый ключ к выходу делителя частоты на два и через третий ключ к счетному входу первого реверсивного счетчика, выход которого соединен с управляющим входом регулируемого усилителя. На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства на ,фиг. 2 - векторная диаграмма напряже-ний и токов нагрузки генератора. Устройство содержит масштабньге преобразователи 1 и 2 тока и напряжения соответственно, фазовращатель 3 регулируемый усилитель 4, первый выпрямитель 5, сумматор 6, второй выпрямитель 7, перемножитель 8, генератор 9 импульсов,, первый 10 и второй 11 ключи, делитель 12 частоты на два, третий 13 и четвертый 14 ключи, первый реверсивный счетчик 15, элемент ;15, элемент 16 совпадения, второй реверсивный счетчик 17, триггер 18 Шмидта, формирователь 19 импульсов, триггер 20 и шину 21 сброса. Элементы устройства соединены следующим образом. Первый сумматор 6 соединен с выходом масштабного преобразователя 2 напряжения, а второй его вход через последовательно соединенные усилитель 4 и фазовращатель 3 соединен с выходом масштабного предобразователя 1 тока. Первый вход перемножителя 8 соеди нен с выходом сумматора 6 через первый выпрямитель 5. Второй вход перемножителя 8 через второй выпрямитель 7соединен с выходом масштабного преобразователя 1 тока. Выход перемн жителя 8 является выходом устройства для измерения мощности. Выход генера тора 9 соединен с входами первого 10 и второго 11 ключей, выход ключа 10 соединен со счетным входом первого реверсивного счетчика 15, и через третий ключ 13 со счетным входом второго реверсивного счетчика 17, к которому через последовательно соединенные делитель 12 частоты на два и четвертый ключ 14 подключен выход второго ключа 11. Выход второго реверсийного счетчика 17 соединен с первым входом элемента 16 совпадения, выход которого подключен к управляющему входу- первого ключа 10 Выход первого выпрямителя 5 соединен с входом триггера 18 Шмидта, выход которого подключен к управляющему входу второго ключа 11 и через форми рователь 19 - к входу триггера 20. Управляющие входы обоих реверсивных счетчиков 15 и 17 соединены с шиной 21 сброса. Первый выход триггера 20 соединен с управляющим входо третьего ключа 13 и с вторым входом элемента 16 совпадения, второй выход триггера 20 подключен к управляющему входу четвертого ключа 14. Выход первого реверсивного счетчика 15 соединен с управляющим входом усилителя 4. Устройство работает следующим образом. Сигнал на выходе масштабного преобразователя 1 тока по величине пропорционален току нагрузки, а по фазе совпадает с ним. -Напряжение на выходе фазовращателя 3 отстает от сигнала на выходе масштабного, преобразователя 1 тока на 90. Выход ное напряжение блока 3 поступает на вход усилителя 4. В исходном состоянии ключи 11 и 15 закрываются, а ключи 12 и 14 - открываются. Для запуска устройства на шину 12 подается импульс сброса, приводящий в исходное состояние оба реверсивных счетчика 15 и 17, а также триггер 20 8результате на вход первого реверсивного счетчика 15 с генератора 9 импульсов через открытый первый ключ 10 поступают импульсы, а четвертый ключ 14 открывается. Код с выхода первого реверсивного счетчика 15 поступает на вход управления усилителя 4. Усилитель 4 снабжен магазином резисторов, которые могут быть включены, например, в цепь его обратной связи. Переключение резисторов по сигналу на управляющем входе усилителя вызывает соответствующее изменение его коэффициента усиления и, следовательно, выходного напряжения. В исходном состоянии напряжение на вькоде усилителя 4 минимально, оно увеличивается по мере заполнения первого реверсивного счетчика 15. При условии, что фазовые искажения, вносимые усилителем 4 сведены к минимуму, увеличение вектора выходного напряжения усилителя по величине происходит по линии, перпендикулярной вектору тока нагрузки, и вектор выходного напряжения усилителя 4 по.стоянно отстает по фазе на вестора тока нагрузки. При возрастании выходного усилителя 4 напряжение на выходе сумматора 6 уменьшается. Угол сдвига фаз между векторами напряжения на выходе сумматора 6 и тока нагрузки также уменьшается. В сумматоре 6 происходит сложение выходных напряжений усилителя 4 масштабного преобразователя 2 напряжения на нагрузке. Суммарное напря-жение выпрямляется в первом выпрямителе 5. Когда выходное напряжение выпрямителя 5 достигнет некоторого порогового значение R, срабатывает триггер 18 Шмидта. При этом открывается второй ключ 11, и с этого момента, начинают работать оба реверсивных счетчика 15 и 17, причем на вход второго счетчика 17 импульсы поступают через делитель 12 частоты на два и открытый четвертый ключ 14. Во втором реверсивном счетчике 17 записывается число, вдвое меньшее числа импульсов, поступивших на счетчик 15. При дальнейшем возрастании выходного напряжения усилителя 4 сигнал на входе сумматора 6, пройдя 6, пойдя через минимум (точка А), который соответствует совпадению этого сигнала по фазе с током нагрузки начинает возрастать в направлении точки N/ . Когда напряжение на выходе выпрямителя 5 достигает величины, равной порогу отпускания триггера 18

71095086

(точка N ), последний срабатывает. рог срабатывания триггера 18, реалиВыходной сигнал триггера 18 Шмидта, пройдя через формирователь 19, вызывает срабатывание триггера 20. По сигналу триггера 20 направление счета реверсивных счетчиков 15 и 17 - изменяется, открывается-ключ 13, и закрывается ключ 14. С этого момента импульсы с генератора 9 импульсов поступают на второй реверсивный счетчик 17 через открытый ключ 13, минуя делитель 12 частоты на два. Когда во втором реверсивном счетчике наступает нулевое состояние, потенциал на выходе элемента 16 совпадения изменяются. Это вызывает Гапирание ключа 10 и прекращает поступление импульсов на счетчики 15 и 17. Выходной сигнал выпрямителя 5, пропорциональный активной составляющей напряжения 1), подается на первый вход перемножителя 8, на второй вход которого через второй выпрямитель 7 поступает сигнал. пропорциональный току нагрузки. Нап-25 ряжение на выходе всего устройства ILjJ и 3 -Cos Р, т.е. пропорционально активной мощности нагрузки. Докажем, что в рабочем диапазоне измерений напряжения и фазового угла30 нагрузки генератора точность измерения мощности практически не изменяется (фиг. 2). Предположим, что Ч и - предельные значения фазовы углов нагрузки, а U и U2 - соответствующие им напряжения на выходе масштабйого преобразователя 2. Тогда Л Aj характеризуют предель ные величины изменения и ии2,в прёделах которых устройство теоретическ работоспособно. Их треугольников ОВ2С и следует, что 1-COS fг 1 . 1-ccsy 2 I - « If а R К COSV Считая, что Vi 85®, а , А Ла находим, что 10,т 23, т.е R изменение U и U2 может превышать порог срабатывания триггера 18 в 10-20 раз. В реальных условиях эти величины одного порядка. Действительно, коэффициент передачи масштабного преобразователя 2 (емкостью делителя или трансформатора напряжения) обычно равен 50-60. При напряжении нагрузки 300-500 В , а Uj- 8-10D. Позованного на современных микросхемах, можно выбрать равным 2-3 В. Таким образом, в рабочем диапазоне изменения мощности генератора в электротермической установке точность ее измерения зависит от стабильности порога, срабатывания и отпус сания триггера (точки А и А 2 ° от его величины. Время измерения, изменяется пропорционально величинам-, отрезков и (фиг. 2). В качестве устройства квадратУрного сигнала в ваттметре использован магнитный пояс Роговского. Пояс представляет собой обмотку из очень тонкого медного провода в изоляции, намотанного плотно, виток к китку, вокруг изоляционного стержня малого сечения. Стержень с обмоткой размещается вокруг токоведущей жилы с минимальным зазором. Значение мгновенного напряжения U- на зажимах пояса, обусловленного взаимной индуктивностью М между обмоткой пояса и измеряемым током i, равно Un следовательно, и сдвинуто относительно на 90° в сторону отставания. Этим обеспечивается квадратурный сдвиг сигнала, пропорционального току нагрузки, на любой частоте. Введение новых элементов и связей между ними в предлагаемое устройство выгодно отличает его от известного, так как устранение ручных регулировок и автоматическая перестройка усилителя с регулируемым коэффициентом усиления позволяет повысить точность определения момента совпадения векторов выходного напряжения нагрузки определяется только точностью срабатывания триггера Шмидта. Реализация этого блока на современных интегральных микросхемах с временем задержки срабатывания не более нескольких наносекунд и точностью поддержания порога срабатывания не более нескольких десятых долей милливольта позволяет- достичь точности получения сигнала, пропорционального активной составлякицей напряжения нагрузки (при соответствующем выборе величины выходного напряжения измерительного преобразователя напряжения нагрузки) не хуже 0,5%. Повышению точности измерения способствует также и то, что в предлагаемом ваттметре исключена составляющая погрешности, обусловленная фазовыми искажениями в фазовращателе, с помощью которого известном вырабатывается сигнал, npq порциональный активной составляющей напряжения. Граничная частота определяется частотными свойствами выпрямителей и составляет несколько десятков мегагерц. Частотный диапазон устройства расширен по бравненшо с известным за счет того, в нем использо ван перемножитель сигналов постоянного тока,- точность которого также выше, чем у аналогичных устройств, использованных в известном. Применейие:В устройстве в качестве устройства квадратурного сдвига сигнала, пропорционального току нагрузки, магнитного, пояса Роговского позволяет исключить погрешность измерения, зависящую от параметров элементов, входящих в фазовращатель и перемножитель мгновенных значений сигналов, которые должны находиться в квадратуре. К преимуществам пояса с педует также отнести удобство его расположения на токоведущнх шинах, простоту и технологичность изготовления.

УСТРСЙ1СТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ i ЖЯДНОСТИ ГЕНЕРАТОРА ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ, содержащее масштабный преобразователь тока, выход которого подключен к первому входу перемножителя и через последовательноv соединен11ые фазовращатель и регулируемый усилитель к первому входу сумматора, второй вход которого подключен к выходу масштабного преобразователя напряжения, а выход - к второму входу перемножителя, выход которого является.выходом устройства, о т л и чающееся тем, что, с целью повьшения точности измерения, в него введены два выпрямителя, генератор имПпульсов, триггер, два реверсивных счетчика, четыре ключа, элемент совпадения, делитель частоты на два, триггер Шмидта и формирователь импульсов, причем входы перемцожителя подключены к выходам сумматора и масштабного преобразователя тока через первый и второй выпрямители соответственно, выход генератора импульсов соединен через первый ключ со счетным входом первого реверсивного счетчика и через второй ключ с входом делителя частоты на два, входы сброса обоих реверсивных счетчиков соединены с входом сброса триггера и входной шиной сброса, вход установки триггера подключен через формирователь импульсов к управляющему входу второго ключа и выходу триггера Шмидта, вход которого соединен с выходом первого выпрямителя, первый выход триггера подключен к управл5иощему входу третьеО) го ключа и первому входу злемента с совпадения, второй вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, а выход - с входом управления первого ключа, второй выход триггера подключен к управлякщему входу четвертого ключа, счетный вход второго реверсивного счетчика подключен через четвертый со ключ к выходу делителя частоты на два и через третий ключ к четвертому входу первого реверсивного счетчика, оо выход которого соединен с управляющим в5 входом регулируемого усилителя.

tput,1