Цифровой вольтметр Советский патент 1986 года по МПК G01R19/04 

Изобретение относится к цифророй электроизмерительной технике, предназначается для непрерывного контроля переменного напряжения промышленной частоты и может быть использовано для фиксации аварийных режимов в энергосистемах.

Цель изобретения - увеличение быстродействия устройства до одного периода промышленной частоты, что дает возможность использовать его для фиксации аварийных режимов энергосистем.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства , на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства; на фиг. 3 - диаграмма, поясняющая способ компенсации частотной погрешности ; на фиг, 4 - кривая распределения частотной погрешности при оптимальном времени интегрирования; на фиг. 5 - семейство кривых частотной погреаткости при различном времени интегрирования.

Устройство содержит входную шину , усилитель-формирователь 2, первый ключ 3, триггеры 4 и 5, генератор 6, счетчик 7, дешифратор 8, регистр 9f счетчик 0. элемент И-НЕ 11, элемент ИЛИ 12, второй ключ 13, источник 14 опорного напряжения, третий ключ 15, интегратор 16, детектор 7 нулевого уровня и формирователь 18 сигнала нулевого уровня.

Входная шина 1 подключена к входу усилителя-формирователя 2 и входу ключа 3. Выход усилителя-формирователя 2 подключен к счетным входам триггера 4 формирователя импульса .длительности прямого интегрирования и триггера 5 формирователя импульса длительности прямого интегрирования и триггера 5 формирователя импульса длительности цикла измерения, Вьгход генератора б соединен с счетньи входом счетчика 7, выход которого соединен с входом дешифратора 8, ВЫХОДЕ которого соединены соответственно с входами установки триггера 4, тактовым входом регистра 9, входом установки триггера 5, Информационные входы регистра подключены к разрядным выходам счетчика 10, Первый вход элемента И-НЕ 1I соединен с выходом триггера 4 и управляющим входом ключа 3, а выход - с первым входом, элемента ИЖ 12 и управляющим входом

247342

к.люча 13,, вход которого соединен с выходом источника 14 опорного напряжения. Выход ключа 15,-а таклсе вьпсоды Ключей 13 и 3 соединены с вхо5 дом интегратора 16, выход которого соединен с входом детектора 17 нулевого уровня, выход которого соединен с входом ключа 15 и входом формирователя 18 сигнала нулевого уровня,

t{i выход которого соединен с управляющим входом ключа 15 и вторым входом элемента И-НЕ 1I, Второй вход элемента ИЛИ 12 подключен к выходу генератора 6, а выход - к счетному

fS входу счетчика 10, вход сброса которого соединен с входом сброса счетчика 7 и выходом триггера 5.

Устройство содержит также делитель 19 частоты, дешифратор 20 и ин20 дикатор 2, вход которого подключен к выходу регистра 9 через дешифратор 20. Выход генератора 6 соединен со счетным входом счетчика 7 через делите.пь частоты 19, вход сброса ко25 торого подрслючен к выходу триггера 5, Устройство работает следующим образом.

Измеряемое напряжение подается на ускпитель-формирователь 2 и ключ

30 - (фиг. 2, 22), Из полупериодов по- лож.ительной пол.ярности формируется ка выходе усилителя-формирователя 2 сигналы 1., из отрицательных сигнал О , по длительности равные полу- периодам измеряемого напряжения (фиг, 2, 23), которые поступают на счетные входы триггеров 4 и 5, В некото зы.й момент после включения устройства на выходе триггера 5

J,, возникает сигнал 1 (фиг. 2, 24) и

которьй подается на входы сброса

делителя 19 частоты, счетчиков 7 и 10. Иа выходе этих органов устанавливается сигнал О, и на всех вы- 1 45 ходах дешифратора 8 - сигналы 1,

которые не воздействуют на подключенные к ним органы. Очередной импульс с вгэ1хода усилителя-формирователя 2 опрокидывает триггер 5 и на

SO его вькоде появляется сигнал О (фиг. 2, 24), который является раз- решающз-м для работы делителя 19 частоты счетчиков 7 и 10, Импульсы с генератора 6 поступают на вход

55 делителя 19 частоты, с выхода которого импульсы поступают на счетный вход счетчика 7, и с выхода его на шестнадцативькодной дешифратор 8,

Пятнадцатый выход дешифратора 8 вьщает сигнал О на вход установ- ки триггера 5 (фиг. 2, 25), данный сигнал опрокидывает его и на его выходе появляется сигнал..

Очередной импульс, поступая с усилителя-формирователя 2 на счетный вход этого триггера, опрокидывает его. Процесс повторяется периодически, длительность цикла равна длительности периода контролируемого напряжения. Шестой выход дешифратора 8 выдает сигнал О на вход установки триггера 4 (фиг. 2, 26). В некоторый юмент времени, после включения устройства, триггер оказывается в состоянии О и сигнал с дешифратора 8 опрокидывает его. Очередной импульс с усилителя- формирователя 2 вновь опрокидьгоает триггер 4. Процесс происходит периодически (фиг. 2, 27).

Сигнал О с триггера 4 поступает на управляющий вход ключа 3 к открьгеает его на время 7, 47 кнл.с. для исследуемой сети с частотой 50 Гц, и через открытый ключ 3 сигнал полупериода отрицательной полярности подается на вход интегратора 16 (фиг. 2, 28). За это время происходит процесс прямого интегрирования (фиг. 2, 29). В это время ключ 15 закрыт., так как по вькоде интегратора 16 присутствует сигнал положительной полярности, который поступает на вход детектора нулевого уровня 17, ас выхода его - на вход формирователя 8 сигнала нулевого уровня, на выходе которого Р это время возникает сигнал 1, который подается на управляющий вход ключа 15 и закрывает его. Этот же сигнал 1 подается на один из входов элемента И-НЕ 11, на второй вход которого подается сигнал О с выхода триггера 4. На выходе элемента И- НЕ П. возникает сигнал 1, который поступает на управляющий вход клю ча 13и закрывает его.После опрокидывания триггера 4 очередным сигналом с усилителя-формирователя 2, на выходе его возникает сигнал 1. Этот ,сигнал, поступая на упрйвлякяций вход ключа 3, закрывает его. Этот же сигнал поступает на один из входов элемента И-НЕ 11, на другой вход которого поступает сигнал с формирователя 18 сигнала нулевого уровня

24734

В результате на выходе элемента И- . НЕ II появляется сигнал О, который подается на Управляющий вход ключа 13 и открьгоает его. Через открытый 5 ключ 13 с источника 14 опорного напряжения на вход интегратора 16 поступает напряжение положительной полярности. Начинается процесс обратного интегрирования. С выхода элемента

10 И-НЕ 11 сигнал О поступает на вход элемента ИЛИ 12, на другой вход которого подаются счетные импульсы с генератора 6. С выхода элемента ИЛИ 12 импульсы поступают на счетный

15 вход счетчика 10, на вход сброса которого с выхода триггера 5 поступает О, разрешающий прием информации. Дпительность процесса обратного интегрирования линейно зависит от ве20 личины измеряемого напряжения, следовательно, количества счетных импульсов пропорционально измеряемой величине (фиг. 2, 30).По достижении нулевого уровня на выходе интегра25 тора 16 сигнал с выхода детектора 17 нулевого уровня, воздействуя на формирователь 18 сигнала нулевого уровня, вызывает на его выходе появление сигнала О, который поступает

30 на один из входов элемента И-НЕ II. На другой вход которого подается сигнал 1 с выхода триггера 4. В ре-. зультате на выходе элемента И-НЕ 11 появляется сигнал 1, который, по,, ступая на управляющий вход ключа 13, закрьшает его, прекращай тем самым подачу опорного напряжения на вход интегратора 16. Данный сигнал 1 поступает на вход элемента ИЛИ 12 и

Q поступление счетных импульсов на

счетчик 10 прекращается (фиг. 2, 30). Сигнал О с выхода формирователя 18 сигнала нулевого уровня поступает на управляющий вход ключа 15, торый открьшается, подсоединяя вход интегратора 16 к выходу детектора 17 нулевого уровня. Процесс обратного интегрирования прекращается, начинается новый процесс - коррекция

50 нулевого уровня. За время этого

процесса происходит операция пере- несения результата счета и сброс результата счета на счет чике 10, осуществляемый следующим образом. С

55 четьфнадцатого выхода дешифратора 8 сигнал О поступает на тактовый вход регистра-9 (фиг, 2, 29) и разрешает занесение результата счета в

регистр 9 и поступление его через дешифратор 20 на цифровой индикатор 21. Зат ем сигнал О, с пятнадцатого выхода дешифратора 8 (фиг.2, 25) опрокидывает триггер 5, с его выхода сигнал I сбрасывает делитель 19 частоты, счетчики 7 и 10. Результат счета остается на. индикаторе 21 до сле дук1щего сброса. Таким образом, весь цикл измерения равен длительности периода исследуемого напряжения. Практически частота промышленной сети колеблется в пределах 49,2-50,1 Гц, в связи с чем и применен способ компенсации частотной погрешности.

Значение средней величины напряжения за полупериод

Т)2

и,р и„. sinotdt,. 2 о

rnoiv

где у - время полупериода;

амплитудное значение напряжения; - круговая частота.

Если принять длительность процесса прямого интегрирования равТ

ным -у , что для частоты 50 Гц составляет 0,01 с, то при понизсении частоты измеряемого напряжения на if выражение (1) принимает вид i Р

ор, Т Л то, 2

2 о где

Следовательно, возникает частотная погрешность, достигающая величины 1,5%. Это видно из фиг. 3, где изображены полупериоды напряжения для Гц (кривая 32) и для f-fif (кривая 33), Площадь, ограниченная кривой 32, и площадь,, ограниченная кривой 33 и прямой 34, не равны между собой.

Площадь, ограниченная кривой 32 и прямой 35, и площадь ограниченная кривой 33 и прямой 35, между собой равны.

Можно записать как

U| и.{ - 4f или U -и - , (3)

где и - 2

. .

тах Sin(cj-uw)tdt .

Из графического построения (фиг.З) видно, что равенство площадей, ограниченных синусоидами 32 и 33 и прямой 35 э наступает при значениях t ,

близких к величине 0,75 у . Задачей

является определение оптимальйой вегшчинь времени прямого интегрирования о , при которой значение частотной погрешности Р минимально в достаточно; - широком диапазоне изменения частоты аы ,

Из этого следует, что не зависимо при каком значении частоты со ре

шается уравнение

собсоч;

2

I

1

( (oj-uu)Y COS W-iUl

5

0

5

5

так как результаты аналогичны для любой частоты, но достаточно просто оно решается в цифровых значениях, для чего и задаемся конкретной величиной, например . .

Уравнение имеет множество решений для различных значений времени t и отклонений частоты и со.

За,дадимся одним из значений « , достаточно близким к величине

Т

0,75 у , и последовательно подставляем в уравнение ряд значений ufj . При одном из значений йо) 0 левая часть уравнения равна О,- следовательно и частотная погрешность . При других значениях левая часть уравнения не равна О, Эти величины характеризуют частотную погрешность в различных: точках частотного диапазона и можно получить функцию Р

F(UM).

Зададимся другим значением с , и, подставляя в уравнение тот же ряд значений лсо, получаем еще одну функцию Р ьХйсо) т.д. и семейство характеристик (uco).

Кривая 36 получена при значении

Т

,75 у , значение Р в точке экстремума 0,013%. точке4а -0,0195о.

Кривая 37 получена при 0,748

2

,0065% в точке экстремума, , в точкейй -0,0166 W.

Кривая 38 получена ,747 у

,0049% в точке экстремума, в точке до -0,0134 ы .

Кривая 39 получена при L 0,746 -

,00275% в точке -экстрнмума, в точке ло -0,01 1 и . i Кривая 40 получена при с 0,745 -

,00175% в точке-экстремума, в точке да -0,008(0 .

Кривая 41 получена при t 0,743 -

,0003% в точке экстремума Р 0 в точке Uсо -0,003м .

Из полученного семейства характеристик (UO) выбираем требуемую, руководствуясь минимальным значением частотной погрешности в заданном частотном диапазоне, и задаем значение времени прямого интегрирования устройства.

Устройство обладает быстродействием, равным периоду исследуемого напряжения, что делает его пригодным для фиксации аварийных режимов энергосистем;Формула изобретени

Цифровой вольтметр, содержащий три ключа, источник опорного напряжения, генератор, два счетчика, регистр и элемент ИЛИ, причем выход генератора соединен с счетным входом первого счетчика и через элемент

24734 ШШ ка

В

10

15

с счетным входом второго счетчи- , разрядные выходы которого подключены к информационным входам ре- гистра, выход которого является выходом устройства, входная шина которого соединена с входом первого ключа, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены интегратор, детектор нулевого уровня, формирователь сигнала нулевого уровня, усилитель-формирователь , дешифратор, два триггера и элемент И-НЕ, первый вход которого подключен к управляющему входу первого ключа и выходу первого триггера, выход - к управляющему входу второго ключа и другому входу элемента ИЛИ, а второй вход - к управляющему входу третьего ключа и выходу формирователя сигнала нулевого уровня, вход которого соединен с входом третьего ключа и через детектор нулевого уровня с выходом интегратор.а, вход которого 25 подключен к выходам первого, второго и третьего ключей, вход второго ключа подключен к выходу источника опорного напряжения, тактовый вход второго триггера соединен с тактовым входом первого триггера и че рез усилитель-формирователь, с входной шиной, вход дешифратора подключен к выходу первого счетчика, а выходы - к установочному входу первого триггера, тактовому входу регистра и установочному входу второго триггера, выход которого соединен с входами сброса обоих счетчиков.

20

30

35

хСХ

А/г г

Фиг.

Изобретение относится к электроизмерительной технике. Предназначается для непрерывного контроля переменного напряжения промъшшен- ной частоты. Может быть использовано для фиксации аварийных режимов в энергосистемах. Цель изобретения- увеличение быстродействия устройства дЬ одного периода промышленной частоты. Это дает возможность использовать устройство для фиксации аварийных режимов энергосистем. Устройство содержит входную шину 1, усилитель-формирователь 2, ключи 3, 13 и 15, триггеры Д и 5, генератор 6, счетчики 7 и 10, дешифратор В, регистр 9, логические элементы И-НЕ 11 и ИЛИ 12, источник опорного напряжения 14, интегратор 16, детектор нулевого уровня 17 и формирователь сигнала нулевого уровня 18. Устройство содержит также делитель частоты 19, дешифратор 20 и индикатор 2I. Работа устройства поясняется по временным диаграммам в описании изобретения. 5 ил. i (Л

X

-fifr.S

Редактор Н.Воловик

Составитель С.Кабиков Техред Н. Бонкало

Заказ 1947/45 Тираж 7:28Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий И3035, Jocквa, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Корректор М.Пожо