Измерительный преобразователь мощности Советский патент 1989 года по МПК G01R21/00 

вд

31

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано для измерения мощности постоянного и пульсирующего тока, а также активной мощности однофазного переменного тока,

Цель изобретения - повышение точности и расширение функциональных возможностей за счет получения выход- ного сигнала, пропорционального мощности постоянного и пульсирующего тока при любых комбинациях полярностей входных сигналов, а также мощности однофазного переменного тока.

На фиг.1 приведе«а функциональная схема измерительного преобразователя мощностиJ на фиг.2 - временные диаграммы.

Преобразователь содержит измери- тельный шунт 1, резистивный делитель 2, первый и второй модуляторы 3 и 4, генератор 5 коммутирующего напряжения, первый и второй усилители 6 и 7 переменного тока, первый и второй разделительный-конденсаторы 8 и-9, инвертирующий повторитель 10 переменного напряжения, первьй амплитудный модулятор 11, первьй сумматор 12, выходной фильтрующий усилитель 13 по- стоянного тока, источник 14 эталонных разнополярных постоянных напряжений, второй амплитудный модулятор 15, второй сумматор 16, интегратор 17 постоянного тока, компаратор 18 и однов ибратор 19, причем выходы измерительного шунта 1 и резистивного делителя 2 соединены со входами модуляторов 3 и 4 соответственно, к выходам которых соответственно подключены входы усилптелей 6 и 7 переменного тока, управляюшр1е входы модуляторов 3 и 4 соединены с выходами генератора 5 коммутирующего напряжения, выход усилителя 6 переменного тока че- рез разделительный конденсатор 8 подключен .к входу инвертирующего повторителя 10 переменного напряжения, выход которого соединен с сигнальным входом амплитудного модулятора 11, выход амплитудного модулятора 11 и вход инвертирующего повторителя 10 переменного напряжения соединены со входами первого резистивного сумматора 12, выход которого соединен со входом фильтрующего усилителя 13 постоянного тока, выход ус1шителя 7 переменного тока через разделительный конденсатор 9 соединен с первым вхо

д 5

0 5 Q Q

0

164дом резистивного сумматора 16, второй вход резистивного сумматора 16 соединен с первым выходом источника 14 эталонных разнополярных постояв - ных напряжений, а третий - с выходом амплитудного модулятора 15, сигналь- ньй вход которого подключен ко второму выходу источника 14 эталонных разнополярньк напряжений, к выходу сумматора 16 подключен вход интегратора 17 постоянного тока, к выходу которого подключен вход компаратора 18, выход которого -соединен со входом одновибратора 19, выход которого соединен с управляющими входами амплитудных модуляторов 11 и 15. Каждый из модуляторов содержит четыре управляемых ключа 20-23 (24-27) соединенных в мостовую схему.

Генератор коммутирующего напряжения содержит триггер 28 Шмидта и счетный триггер 29.

Компаратор и одновибратор содержат триггер 30, RS-цепочку (31 и 32), и управляемый ключ 33.

Преобразователь мощности работает следующим образом.

- Ток нагрузки I, протекая через измерительный шунт 1, создает на его сопротивлении R падение напряжения

Uu, i ш (1)

Напряжение Бщ подается на вход пер- вого модулятора 3 постоянного напряжения в переменное, работой которого управляет генератор 5 коммутирующего напряжения. Выходное переменное напряжение модулятора 3 имеет в случае, когда входной ток I является постоянным, прямоугольную форму с равными.полупериодами и амплитудой, равной иц, т.е.

UMI ± U t i RW. (2)

причем знак плюс или минус зависит от полупериода коммутирующего напряжения. Напряжение И усиливается первым усилителем 6 переменного напряжения. Переменная составляющая Us, выходного напряжения U через разделительный конденсатор 8, не пропускающий постоянную составляюшую напряжения и, поступает на вход инвертирующего повторителя 10 переменного напряжения, имеющего коэффициент усиления - 1. Выкодное переменное напряжение U повторителя 10 равно

и.

-U, +K,U, К,, Ri,i, (3)

где К - коэффициент усиления усилителя 6 переменного напряжения .

Входное напряжение U создает на выходе резистивного делителя 2, состоящего из резисторов 34 (R,),35(R напряжение Uj, определяемое выражением

Uj и R,/(R,,+Il) KjU, (4)

где К 2 Ri/(Ri+R2) - коэффициент

передачи делителя 2.

Напряжение Uj модулируется вторым

модулятором 4, выходное напряжение

которого равно

±из tKjU(5)

Модулятор 4 управляется генератором коммутирующего напряжения. Если йход ное напряжение U является постоянным, т.е. не содержит высших гармоник, напряжение UMU как и U , при таком же условии, име&т прямоугольную форму с равными полупериодами. Это напряжение усиливается вторым усилителем 7 переменного тока, вькод ное напряжение U,- которого содержит постоянную и переменную и,„составляющие. Последняя, повторяющая по форме напрдасение Uj,, пропускается разделительным конденсатором 9 на .первый-ВХОД резистивного сумматора 16. Дпя этой составляющей имеем

и 4 К 3 и + К 4К 3 и, (6)

где К- - коэффициент усиления усилителя 7. Напряжение и создает благодаря тому, что точка а интегратора. 17 постоянного тока потенциально заземлена, в резисторе 36 (Rj) рез.истив- ного сумматора 16 переменньй ток 3, равный

i 3 3 ±К i К 3 и/Кз (7)

Через резистор 37 (R4) сумматора 16 протекает постоянный ток 1, создаваемый выходным напряжением U д, источника 14 эталонных разнополярных постоянньк напряжений. Пусть напряжение Ujini отрицательное. Ток 14 равен

Uoni /R« const

(8)

Резистор 37 выбирается таким образом, что ток IA превьппает Ij при

всех возможных значениях входного напряжения U.

Через третий резистор 38 (R) сумматора 16 ток не протекает, если амплитудный модулятор 15 подключает этот резистор к общей точке схемц. Этот такт работы устройства назовем первым.

Во втором такте амплитудный модулятор 15 подключает резистор 38 к положительному постоянному напряжению вырабатываемому источником 14 эталонных разнополярных прс- тоянных напряжений. Через резистор 38 лри этом протекает ток 1., равный

If СП

/R

const

(9)

Резистор 38 выбирается таким образом, что ток if превышает сумму токов 1д и Т. при всех возможньк значениях напряжения и,т.е.

llj I I i (10)

Результирующий выходной ток сумматора 1б является входным током „ интегратора 17 постоянного тока. Во время первого такта напряжение Un на выходе интегратора 17, нарастая, изменяется по закону

i

Uv.t) U,c - s

i, dt

U,

ИО J . и

+ 1 (1з-и,) dt , (11)

0

где и,д - напряжение на выходе интегратора 17 при t 0. Приращение напряжения U, за время t t,, равное длительности первого такта, равно

1

4 и

и 1

5

0

5

U/t)-U«, J.(ij+I,)dt (12)

о . .

при t t, напряжение Uy достигает уровня срабатывания компаратора 18. Появляющийся при этом на его выходе импульс запускает одновибратор 19. Выходное напряжение одновибратора управляет работой амплитудного модулятора 15, который с этого момента подключает резистор 38 к напряжению . Поскольку выполняется неравенство (10), результирукндий выходной ток 1„ сумматора 16, являющийся входным током интегратора 17, изменяет свое направление, в результате чего выходное напряжение и„ интегратора 17 на,чинает уменьшаться. Длительность

импульса, вырабатываемого одновибрат ром 19, определяется его параметрами и равна .t,. Изменение напряжения на выходе интегратора ли „ за время t определяется по аналогии с (11) и (12) выражением

4U

И2

ipcuncjeiincpl,

Я

il(. л ft

- ijj) dt

(13)

По окончании импульса одновибра- тора 19 амплитуднь1й модулятор 15 переключается в исходное положение, входной ток интегратора 1„ принимает первоначальное значение 1„ 13 4 и напряжение на выхода интегратора 17 снова начинает нарастать в соответствии с выражением (11). В даль- нейшем процессы в схеме повторяются, причем период Т работы схемы равен

Т t, + t«

(14)

Приращение напряжения U , во время первого такта 4и 1 равно уменьшению dUni во время второго. Приравнивая (12) и (13), учитывая, что

Г 14 dt , I 15 dt 15 t,

бс . 1

И решая относительно частоты f -, получаем

f 1 It + i-з.ср Т 1 t

(13)

35

где 1зср -j -3 - среднее запе0,

риод т работы схемы значение токаijПодставляя в (15) значения ,1,, ig из (7) - (9) находим

f Uon-iRs + К Кз Rg у Uoni 4 н UoniRg -и

fo ± f

(16).

IV

где - J и dt среднее за период

Т работы преобразователя входного напряжения U , Uoni R5

° U,,,RvtH

Ucp.

постоянная составляющая частоты f

f KiKsRs „ f. т;и-T- Ucp

Upf, к j t,

переменная сост авляющая

г 0

5

0

5

5

0

Знак f в.формуле (16) меняется с частотой f генератора 5 коммутирующего напряжения, причем в тот полу- период, когда и4 К2 отрицательно, направления токов i.j и Г совпадают, и частота f возрастает (f в формуле (16) имеет знак плюс), при изменении полярности и(т.е. в другой полупериод) частота t уменьшается (f в формуле (16) имеет знак минус). Параметры преобразователя выбираются таким образом, что частота f значительно превышает частоту коммутации i k , а также частоту наиболее высокочастотной составляющей в кривых входных напряжения U и тока I,

Выходное переменное напряжение U . инвертирующего повторителя 10 переменного напряжения, имеющее частоту , подается на сигнальньш вход амплитудного модулятора 11, управляемого выходным напряжением одновиб- ратора 19. Во время второго такта, т.е. когда на выходе одновибратора 19 действует импульс, амплитудный модулятор 11 подключает точку ff к выходу инвертирующего повторителя 10 переменного напряжения, т.е. напряжение и в точке «У - равно и. Во время, первого такта амплитудный мо- дуля тор 11 подключает точку S к общей точке, т.е. Uj Р. Следовательно, напряжение в точке 5 представляет собой последовательность импульсов длительностью t „ с амплитудой, равной значению U. в соответствующие моменты времени. Для случая, когда входные напряжение U и ток I постоянные, и для принятых на фиг.2 полярностей временные диаграммы напряжений U,(t), V(t), U4(t) и Ur(t) показаны на фиг.2а-г.

Как видно из фиг.2г, постоянная составляющая напряжения U5(t) в разные полупериоды коммутирующего напряжения не остается неизменной. В первый полупериод (U(t) 70; Ua(t)-20, 11-4 (t) 0) f в формуле (16) имеет место знак минус, поэтому частота f

минимальна ( Т j Т) и постоянная составляющая

и

сГср

ср 1 7 м WU н

55

и 2 tn/Тмакс

отрицательна и невелика (фиг. 2д). Во второй полупериод.частота f мак1

симальна (Т j Т,,„ ,

- лак-с

И постоянная составляющая срг ляется положительной и равна

/T««H UScf. (фиг.2д). Следовательно, постоянная

составляющая напряжение U|(t) за период Т коммутирующего напряжения, как это видно из фиг.2г не,

равна нулю.

Найдем значение U . Постоянная составляющая за период Т выходных импульсов одновибратора 19 равна т tn

бср т S Т S t и

S t,fu,cp (19) - 1

где и 1 ср -j- ) - среднее за

-и о время ty значение напряжения U.j(t) .

Поскольку частота f значительно пре- вьпиает частоту наиболее высокочастотных гармоник входных сигналов U и I, можно полагать, что в течение времени t U . U -j cf const и и iT Cf -U t, f . . , , (20) где Ui - мгновенное значение напряжения и,;, соответствующее рассматриваемому периоду Т. Подставляя в (20) значения f из (16) и учитывая (3), .-получаем

и

и

б ср

R5

и on a R + i KI Кз RS Ru.

U, и

о П a

.R.

(tU)(±i),

(21)

поскольку вследствие малости Т можно полагать и Ср U..

Выберем Т 1 (фиг.2) равным или в целое число раз превьшающим период самой низкочастотной гармоники вход- ных сигналов U и I. Тогда первое слагаемое (21), пропорциональное переменному напряжению U, также представляет собой переменное напряжение имеющее -частоту коммутации и постоянной составляющей не содержит. Если входные напряжения и ток являются постоянными, первое слагаемое представляет собой переменное напряжение прямоугольной формы с равными полупериодами (напряжение li $ на фиг.3,д). Произведение (iU) (±i)j входящее во второе слагаемое (21), пропорционально мгновенному значению Р измеряемой мощности, поскольку зна52211610

ки перед Пи всегда изменяются одновременно.

Если напряжение U подать на фильтрующий усилитель 13 постоянного тока. последний подавит первое слагаемое, переменную составляющую второго и выделит постоянную составляющую, пропорциональную средней мощности Р, т.е. измеряемой величине

10

1 Г . i ui

idt

(22)

Однако наличие низкочастотного первого слагаемого в (21) требует существенного увеличения постоянных времени и снижения быстродействия усилителя 13. С помоп№Ю сумматора 12 первое слагаемое (21) полностью компенсируется и на вход усилителя 13 не проходит. Действительно, на первый вход сумматора 12:подается напряжение и, -И, Это напряжение создает на входе усилителя 13 переменное напряжение

II - 11 - 14

(23)

D

5

0

5

,где К„ RJ //R, / RBV C R,R-,- сопротивления резисторов 39

и 40 сумматора 12, R,, - входное сопротивление усиОХ с

лителя 13.

Первое .слагаемое (21) создает на входе усилителя напряжение

IT - RS тт Rr

и - , u/j r

-и,.

RT

Uoni Rj- Rn

(24)

UodtR 4 R Поскольку напряжения U и U имеют разные знаки, условием их полной компенсации является равенство модулей обоих напряжений, приравнивая (23) и (24) по модулю, получаем условие полной компенсации

R-; Uom R g

R Uj,naR4

(25)

Следовательно, выходное напряже- ии tiW (ток I gj,;() фильтрующего усилителя 13 постоянного тока пропорционально постоянной составляющей (21) и определяется выражением 1 .

о TK

KS S uidt KS Р,

(26)

где К - коэффициент преобразования постоянной составляющей напряжения и. сумматором 12 и фильтрующим усилителем 13

Kj -К.)

Как видно из (26), выходное напряжение устройства пропорционально мощности измеряемой цепи и не зависит от длительности t импульсов, вырабатываемых одновибратрром 19. Благодаря этому импульсы одновибратора можно не стабилизировать по длительности, что существенно упрощает преобразователь. От длительности 1:„, как видно из .(25) не зависит также и условие полной компенсации (25) переменной составляющей напряжения Uj..

Форм у л а и зоб р е т е н и я

: 1. Измерительный преобразователь МОЩНОСТИ, содержащий измерительный шунт, включенный последовательно с нагрузкой, одновибратор, первой амплитудный модулятор и вькодной фильтрующий усилитель постоянного тоКа, о т ли ч а ш щ и и с я тем, что, с целью.повышения точности и расширения фуНкциональньк возможностей в Него введены подключенный параллельно измеряемой цепи резистивный делитель, один из выходных зажимов которого соединен с выводом измерительного шунта., два модулятора, генератор коммутирующего напряжения, два . усилителя переменного тока, два разделительных конденсатора, инверти- рующий повторитель переменного напряжения, два сумматора, источник эталонных разнополярных постоянных напряжений, второй амплитудный ..модулятор, интегратор и компаратор, причем вход первого амцлитудного модулятора подключен к измер.ительному шунту, а вход второго - к выходу резистивного делителя, выходы генератора коммутирующего напряжения соединены с уп- равляющими входами модуляторов, вход п.ервого и второго усилителей переменного тока подключены к выходам соответствующих модуляторов, вход инвертирующего повторителя переменного на пряжения через первый разделительный конденсатор подключен к выходу первого усилителя переменного тока, а выход соединен с сигнальным входом пер

5 0

5 О 0 д о 5

5

вого амплитудного модулятора, первый вход первого резистивного сумматора соединен с входом инвертирующего повторителя переменного напряжения, второй вход - с выходом первого амплитудного модулятора, а выход - с входом выходного фильтрующего усилителя постоянного тока, первый выход источника эталонных разнополярных постоянных напряжений соединен с сигнальным входом второго амплитудного модулятора, первь1Й вход второго резистивного Сумматора через второй разделительный конденсатор подключен к выходу второго усилителя переменного тока, второй вход - к второму выходу Источника эталонных разнополярных постоянных напряжений, а третий - к выходу второго амплитудного :-:адулято- ра, выход интегратора постоянного тока соединен с входом компаратора, выход которого соединен со входом одно- вибратора, вход интегратора постоянного тока соединен с выходом второго резистивного сумматора, а к выходу одновибратора подключены уцравляющие входы обоих амплитудных модуляторов. ; 2, Преобразователь по п. 1, о т- ;л и чающийся TSMJ что каждый из модуляторов содержит четьфе управляемых ключа, соединенньк в мосто - вую схему, а усилители переменного тока вьшолнёны с дифференциальным входом.

3. Преобразователь по п.1, о т- л и ч а ю щ и и с я тем, что генератор коммутирующего напряжения содержит триггер Шмидта и подключенньш к его выходу триггер со счетным входом, вькоды которого являются выходами генератора коммутирующего напряжения.

А, Преобразователь по п. 1, о т- л и ч а ю щ и и с я тем, что компаратор и одновибратор содержит RS- триггер, вход установки в 1 которого подключен к выходу интегратора постоянного тока, и RS-цепь интегрирующего типа, вход которой соединен с прямым выходом триггера,являющимся выходом одновибратора, а выход подключен к входу установки в О триггера, причем параллельно конденсатору RS-цепи подключен yпpaвляe aш ключ, управляющий вход которого сое- динен с выходом триггера таким образом, что при единичном состоянии триггера ключ разомкнут.

131522116. 1

5. Преобразователь по п. 1, о т- .него тока вьшолнен с гальваническим личающийся тем, что выход- разделением входной и выходной цепей, ной фильтрующий усилитель постоян

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано для измерения мощности постоянного и пульсирующего токов, а также активной мощности однофазного переменного тока. Цель изобретения - повышение точности и расширение функциональных возможностей - достигается путем получения выходного сигнала, пропорционального мощности постоянного и пульсирующего токов при любых комбинациях полярностей входных сигналов, а также мощности однофазного переменного тока. Преобразователь содержит измерительный шунт 1, резистивный делитель 2, модуляторы 3 и 4, генератор 5 коммутирующего напряжения, усилители 6 и 7 переменного тока, разделительные конденсаторы 8 и 9, инвертирующий повторитель 10 переменного напряжения, амплитудные модуляторы 11 и 15, сумматоры 12 и 16, выходной фильтрующий усилитель 13 постоянного тока, источник 14 эталонных разнополярных напряжений, интегратор 17 постоянного тока, компаратор 18 и одновибратор 19. Импульсы одновибратора можно не стабилизировать по длительности, что существенно упрощает преобразователь. 4 з.р. -лы, 2 ил.

и

1

}

г/г

Uffcpl

фиг. 2