Цифровой измеритель мощности Советский патент 1985 года по МПК G01R21/00 

Изобретение относится к цифровой электроизмерительной технике и может найти применение при построении изме рителей мощности непрерывных и импульсно-модулированных колебаний. Известны цифровые измерители активной мощности, принцип действия ко торых основан на перемножении мгновенных значений напряжения и тока с последующим измерением выходного напряжения перемножителя методом двухтактного интегрирования L11. Недостаток этих измерителей заклю чается в низкой точности измерений. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является циф ровой измеритель мощности, содержащий перемножитель, соединенный входа ми с токовым входом измерителя мощности через первый преобразователь тока в индукцию и преобразователем напряжения в ток, а выходом - с последовательно включенными первым клю чом, интегратором, сравнивающим устройством, селектором и цифровым дели тельным устройством, источник опорно го напряжения, ,генератор импульсов, соединенный с селектором, выделитель периодов, выходом соединенный с первым ключом, селектором и цифровым делительным устройством, ис-точник эталонного напряжения и тока, второй ключ, второй преобразователь тока в индукцию, управляемый переключатель, одним входом соединенный с входом по напряжению цифрового измерителя мощ.ности непосредственно, а другим через источник эталонного напряжения выходом - с входом преобразователя напряжения в ток, при этом цепь управления управляемого переключателя соединена с выходом вьщелителя периодов, вход которого соединен с входом по напряжению цифрового измерителя мощности, второй ключ своими входами соединен с выходами выделите ля периодов и источника опорного напряжения, а выходом - с входом интегратора, второй преобразователь то ка в индукцию входами подключен к вы ходам вьзделителя периодов и источника эталонного тока, а выходом - к перемножителю 2J. Однако известный измеритель обладает невысокой точностью измерения, так как наличие в цепи тока преобразователя тока в индукцию магнитного поля с индуктивным сопротивлением (катушка с магнитным сердечником) искажает реАльные энергетические процессы в нагрузке вследствие того, что при искаженной форме колебаний напряжения и тока каждая из гармонических составляющих тока на частоте и) будет вызывать разные падения напряжения на преобразователе тока в индукцию. Поэтому мощность, измеренная ваттметром и вьделяемая в нагрузке при его отключении, будет принимать разные значения. Разными значениями будут также формы колебаний напряжения и тока. Поэтому рекомендации по оценке свойств исследуемых объектов (гидроакустические преобразователи и т.д.) будут значительно отличаться от оптимальных в случае применения объектов без включенных ваттметров в цепь нагрузки. Цель изобретения - повьшение точности измерения и расширение функциональных возможностей. Поставленная цель достигается тем, что в цифровой измеритель мощности, содержащий источник образцового напряжения, двумя выходами подключенный к первым двум неподвижным контактам первого двухпозиционного переключателя, управляклций вход которого связан с первым выходом блока управления, а также последовательно соединенные интегратор, сравнивающий узел, селектор и вычислительный блок, причем к второму входу селектора подключен выход генератора импульсов, а управляющие входы селектора и вычислительного блока соединены с четвертым и пятым выходами блока управления соответственно, дополнительно введены последовательно соединенные нагрузочньй и образцовьй резисторы, подключенные к источнику входного напряжения, второй двухпозиционный переключатель, квадратор и переключатель полярности, подвижные контакты которого подключены к входам интегратора, а неподвижные контакты соединены с выходами квадратора, входы которого связаны с подвижными контактами первого двухпозиционного переключателя, вторые два неподвижных контакта которого связаны с соответствующими двумя подвижными контактами второго двухпозиционного переключателя, первый неподвижный контакт которого подключен к первому зажиму резистора нагрузки, второй зажим которого и первьй зажим образцового резистора соединены с вторым неподвижным контактом второго двухпозиционного переключателя, третий неподвижный контакт которого связан с вторым зажимом образцового резистора, а входы управления второго двухпозиционного переключателя и переключателя полярности подключены к второму и третьему выходам блока управления соответственно. На чертеже представлена функциональная схема цифрового измерителя мощности Устройство содержит резистор 1 нагрузки, образцовый резистор (шунт) 2, двухпозиционный переключатель 3 с подвижньнчи контактами 4 и 5 и неподвижными контактами 6-9, второй двухпозиционный переключатель 10 с подвижными контактами 11 и 12 и неподвижными контактами 13-15, квадратор 16, источник 17 образцового напряжения, переключатель 18 полярности, интегратор 19, сравнивающий узел 20, генератор 21 образцовой частоты, селектор 22, блок 23 управления н вычислительный блок 24 с индикацией. Зажим источника входного напряжения подключен к неподвижному контакту 15 переключателя 10 и зажиму образцовог резистора 2, другой зажим которого соединен с неподвижным контактом 14 переключателя 10 и зажимом резистора 1 нагрузки, первый зажим которого связан с другим зажимом источника входного напряжения и неподвижньн4 контактом 13 переключателя 10, подвижньм контакт 11 которого подключен к неподвижному контакту 6 переключателя 3, а контакт 12 пер лючатепя 10 - к неподвижному контакту 8 переключателя 3,к неподвижным контактам 7 и 9 которого подключены зажимы источ ника 17 образцового напряжения. Два подвижных контакта 4 и 5 переключате ля 3 соединены с входами квадратора 16, выходы которого связаны с двумя неподвижными контактами переключателя 18 полярности, подвижные контакты которого подключены к входам интегра тора 19, включенного последовательно с сравнивагацим узлом 20, селектором 22 и вычислительным блоком 24 с индикацией. Второй вход селектора 22 соединен с выходом генератора 21, а 1ЭХОДЫ управлени/1 переключателей 3, 10, 18, селектора 22 и вычислительного блока 24 соединены с выходами блока 23 управления. Устройство работает следующим образом . 8 основу принципа работы положены следующие соотношения. Полная мощность на сопротивлении iZx равна произведению действующего значения напряжения Ui(0 HaZx на действующие значение Зд тока i(t) HaZx , т.е. ci.ii г , i(1) -UA, JAi Падение напряжения на активном сопротивлении RO шунта 2 равно UiU}--t(t)Ro(2) Учитьшая (2), выражение (1) примет s|-- -.pVaV, (3) де UAZ. действующее значение напряжения на сопротивлении шунта 2 (RO); Р значение активной мощности в нагрузочном сопротивлении f Cl - значение реактивной мощности в нагрузочном сопротивлении 1 Ри равном спектральном составе U (t) и1 (t). В суммарном сопротивлении Zx-t-Ro полная мощность равна u;, V (p-Po)-a (М где РО - мощность, потребляемая образцовьм сопротивлением 2 (сопротивлением РО ). Поэтому, учитывая (2), имеем (5) О RO Вычитая (3) из (4) , , получим Подставляя значения 5 , S и Ро из (3), (4) и (5) в (6), получим выраже ние UA i - UA 2 - iJAi которое при Y кратном 10 пропорционально значению измеряемой мощности. При известном значении S (1) еактивная мощность Q определяется з выраже ния (8) Выражения (7) и (8) положены в о нову работы цифрового измерителя мощности. В первом цикле измерения двухпозиционный переключатель 10 находится в. положении, при котором подвижные контакты 11 и 12 связаны соотве ственно с неподвижными контактами 13 и 15. Напряжение Uj.t) через двухпозиционный переключатель 3, ко торый находится в верхнем положении подается на вход квадратора 16. Его выходное напряжение U KUj(t) на время Т hT , кратное периоду Т напряжения iKt) , посредством переключателя 18 полярности подается на вход интегратора 19, на выходе которого получим напряжение UuHTi r3 Uj(t)dt. Во втором такте переключатель 3 переводится в нижнее положение, а переключатель 18 полярности - в про тивоположное состояние, при котором вследствие подачи на вход квадратора 16 напряжения (6 на его выходе получим напряжение , кото рое с противоположным знаком по сра прикладывается к входу нению с интегратора 19, вследствиечего в т чение времени t напряжение UUHTI разряжается до нулевого уровня, кот рый фиксируется сравнивающим узлом 20 f jW(t)dt4fl Uo4b t- ri о Отсюда .иЛ-.1.. За время t с выхода генератора 21 через селектор 22 на вход вычисл тельного блока 24 поступает число импульсов Nr-fotrгде f - частота следования импульсов генератора 21; L - постоянная времени интегра тора 19J Uo - напряжение источника 17 J Во втором цикле измерения по сиг налу из блока 23 управления переклю чатели 3 и 1В возвращаются в исходн состояние, а переключатель 10 в положение, при котором контакт 11 свя зан с контактом 13, а контакт 12 контактом 14. На выходе квадратора 16 получаемнапряжение ,-K.uH) i которое посредством переключателя 18 на время Т прикладывается к входу интегратора 19. Во втором такте интегрирования переключатель 3 переводится в нижнее положение и путем подачи DO на вход квадратора 16 его выходное напряжение инвертированное переключателем 18 полярности, прикладывается к входу интегратора 19, разряжая его за время до нулевого уровня. В процессе двухтактного интегрирования f l(t)dt-fKclt o; (11) N - ( i - 1 UAI f о y-i-- в третьем цикле переключатели 3 и 18 переводятся в исходное состояние, а переключатель 10 так, что контакт 11связан с контактом 14, а контакт 12- с контактом 15. В процессе двухтактного интегрирования аналогично указанному вьше ,(1)Л- 5киос11.о, о о. за время t3 на вход вычислительного блока поступит код числа м - f t - lob- j Кроме того, за время Т И1 (длительность первого такта интегрирования) в вычислительный блок 24 поступит код г(исла N,-fo- T(13) Подставляя значения УАЗ , Удт. и ид1 из (10), (11) и (12), а Т, из (13) в выражение (7), имеет соотношение- о / ,-N3 2Ro V Ni, пропорциональное значению активной мощности в измеряемой нагрузке при кратном 10 Операция -N;.-N., определяется в вычислительном блоке 24. Перемножая вьфажения N (11) и NJ (12), получаем значение квадрата полной мощности 11 - о ,.z 3 Ь - . а подставив значения (15) и (14) в выражение (8), определяем реактивную 71 мощность. Операция -трс- выполня t V ется в вычислительном блоке 24. Результаты измерения активной, реактив ной и полной мощностей не зависят от значения коэффициента передачи квадратора 16, постоянной времени интегратора и частоты i генератора 21 импульсов. В связи с широкими вычислительными возможностями микропроцессоров операции согласно математическим выражениям (14), (15) и (8) определяются сравнительно просто. Вследствие применения активного 4 сопротивления, в цепи нагрузки каждак из гармонических составляющих тока одинаково передается в нагрузку. Поэтому форма колебаний напряжения U(t) и тока. i(t) с подключенным ваттметром и без него одинакова. В предлагаемом устройстве отсутствует методическая погрешность, вызванная включением в цепь нагрузки, что повышает точность измерений.Функциональные возможности прибора расши15ены за счет обеспечения измерения реактивной и полной мощностей.

ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ МСЯДНОСТИ, содержащий источник образцового напряжения, двумя выходами подключенный к первым двум неподвижным контактам первого двухпозиционного переключателя , управляющий вход которого связан с первым выходом блока управления , а также последовательно соединенные интегратор, сравнивающий узел, селектор и вычислительный блок, причем к второму входу селектора подключен выход генератора ЙШхульсов, а управляющие входы селектора и вычислительного блока соединены с четвертым и пятым выходаьи блока управления соответственно, отличающийся тем, что, с целью повьвнения точности измерений и расширения функциональных возможностей, в него дополнительно введены последовательно соединенные нагрузочный и образцовьй резисторы, подключенные к источнику входного напряжения, второй двухпозиционный переключатель, квадратор и переключатель полярности, подвижные контакты которого подключены к входам интегратора, а неподвижные контакты соединены с выходами квадратора, входы которого связаны с подвижными контактами первого двухпозиционного переключателя, вторые два неподвижных контакта которого связаны с соответствующими двумя подвижными контактами второго двухпозиционного переключателя, первый неподвижный СО контакт которого подключен к первому зажиму резистора нагрузки, второй зажим которого и первьй зажим образцового рез1;стора соединены с вторым неподвижным контактом второго двухпозиционного переключателя, третий неподвижньй контакт которого связан ел ел с вторым зажимом образцового резистора, а входы управления второго со ел Двухпозиционного переключателя и переключателя полярности подключены к 4 второму и третьему выходам блока управления соответственно.