Электронный измеритель мощности и энергии Советский патент 1991 года по МПК G01R21/06 G01R21/133 

фиг.1

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при построении измерителей активной мощности и энергии сигналов переменного тока.

Целью изобретения является повышение точности определения значений энергии и мощности.

На фиг. 1 изображена функциональ- ная схема электронного измерителя мощности и энергии; на фиг. 2 - функциональная схема блока управления и обработки; на фиг. 3- функциональная схема блока определения знака; на фиг. 4 - временные диаграммы работы электронного измерителя мощности и энергии.

Электронный измеритель мощности и энергии (фиг.1) содержит блоки 1 и 2 выборки и хранения (БВХ), аналоговый коммутатор 3, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 4, блок 5 управления и обработки (БУО), аналоговый выпрямитель 6 и блок 7 определения знака (БЗ). Вход данных БВХ 1 является входом измерителя по напряжению, а вход данных БВХ 2 - входом измерителя для напряжения, пропорционального току в сети. Выходы БВХ 1 и 2 соединены с первым и вторым входами данных аналогового коммутатора 3 и БЗ 7. Входы управления БВХ 1 и 2 соединены с первым выходом БУО 5. Вход управления аналогового коммутатора 3 сое- динен с вторым выходом БУО 5. Вход запуска АПП 4 соединен с третьим выходом БУО 5. Выход БЗ 7 соединен с входом для знакового разряда БУО 5. Выход аналогового коммутатора 3 со- единен с входом аналогового выпрямителя 6, выход которого соединен с входом данных АЦП 4. Выход АПП 4 соединен с входами данных БУО 5, группа выходов которого является ин- формационным выходом измерителя.

БУО 5 может быть реализован на однокристалпьной микроЭВМ.

БУО 5 (фиг.2) содержит два цифровых умножителя 8 ч 9, сумматор-вычи- татель 10, два регистра 11 и 12, двоичный счетчик 13, два D-триггера 14 и 15, три одновибратора 16, 17 и 18, генератор 19 опорных импульсов (ГОИ) , два двухвходовых элементов И 20 и 21, двухвходовой элемент ИЛИ-НЕ 22 и элемент НЕ 23. Входы первого (А и второго (В) сомножителей умножител 8 соединены между собой и являются

входами данных БУО 5, выходы умножителя 8 соединены с входами второго (В) сомножителя умножителя 9, входы первого (А) сомножителя которого соединен с шинами нулевого и единичного потенциалов так, что в качестве этого сомножителя умножителя 9 является код NT, пропорциональный периоду дискретизации входных сигналов, являющийся постоянной величиной. Выходы умножителя 9 соединены с входами первого слагаемого сумматора 10, входы второго слагаемого которого соединены с выходами регистра 11 и входами регистра 12. Выходы сумматора 10 соединены с входами данных регистра 11, а выходы регистра 12 являются информационными выходами БУО 5 и измерителя в целом. Вход синхронизации приема первого сомножителя умножителя 8 соединен с прямым выходом триггера 15, который соединен также с входом запуска одновибратора 16 и является вторым выходом БУО 5 Вход синхронизации приема второго сомножителя умножителя 8 соединен с инверсным выходом триггера 15, который соединен также с входами синхронизации приема данных регистра 11 и триггера 14 и с D-входом триггера 15, вход синхронизации которого соединен с выходом ГОИ 19, инверсным входом запуска одновибратора 18, первым входом элемента И 20 и входом синхронизации приема первого (А) сомножителя умножителя 9. Вход синхронизации приема второго сомножителя (В ) умножите- ля 9 соединен с инверсным выходом од- 1 новибратора 16, прямой выход которого

соединен с суммирующим входом счетчи- . ка 13 и является первым выходом БУО 5. Вход задания режима суммирования, либо вычитания сумматора 10 соединен с выходом триггера 14, вход D которого является входом БУО 5 для знакового разряда. Вход сброса регистра 11 соединен с выходом одновибратора 17, инверсный вход запуска которого соединен с выходом элемента И 21 и первым входом элемента ИЛИ-НЕ 22, второй вход которого соединен с выходом элемента И 20, а выход - с входом синхронизации регистра 12. Инверсный выход переполнения счетчика 13 соединен с первым входом элемента И 21, второй вход которого соединен с выходом элемента НЕ 23, вход которого, а также второй вход элемента И 20

соединены с шиной единичного потенциала в случае измерения энергии и с шиной нулевого потенциала при измерении активной мощности. Выход одно- вибратора 18 является третьим выходом БУО 5.

БЗ 7 может содержать (фиг.З) два компаратора 24 и 25 напряжения и элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 26, выход которого является выходом БЗ 7. Первый и второй входы элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 26 соединены с выходами компараторов 24 и 25 соответственно, инверсные входы которых соединены с ши- ной нулевого потенциала, а прямые входы являются первым и вторым входами БЗ 7 соответственно.

Электронный измеритель работает следующим образом (фиг.4).

ГОИ 19 вырабатывает импульсы с периодом Т/2, где Т - период дискретизации входных периодических сигналов. Триггер 15 работает в режиме делителя частоты с коэффициентом деления 2 и вырабатывает импульсы с периодом Т. По каждому перепаду сигнала с выхода триггера 15 из 1 запускается одновибратор 16, импульсом с которого в БВХ 1 и 2 записываются мгновенные значения входных напряжений, пропорциональных напряжению и току сети. По окончании этого импульса величины мгновенных значений сохраняются в БВХ

1и 2. Знак мгновенного напряжения сети определяется компаратором 24, а тока - компаратором 25, которые сравнивают величины запомненных в БВХ 1 и

2мгновенных значений с нулевым потенциалом. При этом, если величина мгновенного значения положительна, на выходе соответствующего компаратора формируется сигнал 1, если отрицательная - то О. Элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 26 в зависимости от знаков двух входных величин вырабатывает на своем выходе и на выходе БЗ 7 знак из произведения, который используется при выполнении операции цифрового интегрирования при усреднении мгновенных мощностей.

Первую половину периода дискретизации при единичном сигнале с выхода триггера 15 мгновенное значение напряжения, хранящегося на БВХ 1, подается на аналоговый выпрямитель 6 и после выпрямления на вход АЦП 4. Во второй половине то же самое про

исходит с мгновенным значением, хранящимся на БВХ 2. Независимо от полярности напряжений, хранящихся и на БВХ 1, и на БВХ 2, на вход АЦП 4 поступает однополярный сигнал, величина которого может изменяться в пределах 0-1TM(UC , где UWQKC - максимальная величина входных для из- меритепя напряжений. При этом, если АЦП 4 имеет разрядность п, приведенная погрешность преобразования определяется выражением

0|.р

Uon

II ОП UMQKC

где U

on

- опорное напряжение АЦП 4, являющееся постоянной величиной.

Это в два раза точнее, чем в случае преобратования двухполярного напряжения, изменяющегося в диапазоне -UMqKc -Пдю к с, приведенная погрешность преобразования которого имеет вид

Я пр TJ

2U0

макс

ш

В середине первой половины пери- ода дискретизации перепадом сигнала с выхода ГОИ 19 из 1 в О запускается одновибратор 18, импульс которого своим окончанием запускает процесс преобразования выпрямленно- го мгновенного значения напряжения с выхода БВХ 1 в цифровой код.

Полученный код заносится во внутренний peiистр В умножителя 8 спа- 0

дом в

сигнала с выхода триггера

15 (переход в 1 сигнала на его инверсном выходе). Этим же сигналом в триггер 14 заносится знак произведения двух величин, хранящихся в БВХ 1 и 2, выработанный блоком БЗ 7.

Во второй половине периода дискре- тизации аналогично преобразуется выпрямленное мгновенное значение напряжения с выхода БВХ 2 и код по перепаду из О в 1 сигнала с выхода триггера 15 заносится в регистр А умножителя 8. Через интервал времени, равный времени задержки работы умножителя 9, на его выходе появляется код

Np.-.Nu.-N1;)

где Мц. - цифровой эквивалент входного напряжения

Np - цифровой эквивалент входного тока.

Этот код задним фронтом импульса, поступающего с одновибратора 16 запи сывается в регистр R умножителя 9. Код N. заносится в регистр А умножителя 9 в темпе работы ГПИ 19, После умножения на выходе умножителя 9 появляется код

N

Pi

NT

N

U; .

N

г i

который по перепаду сигнала с инверсного выхода триггера 15 из О в 1 вычитается или суммируется в зависимости от знака полученного произведения значение которого сохраняется в триггере 14, с содержимым накапливающего сумматора, построенного на регистре 1 и комбинационном сумматоре-вычитателе 10, В результате на выходе регистра

11формируется код алгебраической суммы вида

Ј , е N2.SNЈ;

где 1 - число просуммированных квантов энергиис

Если измеритель настроен на измерение энергии и сигнал Е/Р 1, то на вход одновибратора 1 7 поступает постоянный сигнал О и он никогда не запускается, т.е. содержимое регистра 11 никогда не сбрасываетсяе Одновременно на вход синхронизадии приема регистра

12через элементы И 20 и ИЛИ-НЕ 22 поступают импульсы с выхода ГОИ 19. Тем самым в регистр 12 постоянно перезаписывается содержимое регистра 11 , т„е.

е

Ne

.NU.-HJ

N

т ;

что соответствует значению электроэнергии ,

При Е/Р 0 на вход синхрониза- , ции приема кода регистра 12 через элементы И 21 и ИЛЙ-НЕ 22 подключается выход переноса счетчика 13. Этот же выход через -элемент И 21 подключен к инверсному запускающему входу одно- вибратора 17. Так как активная мощность представляет собой энергию, выдеденную в единицу времени, то ее можно определить путем деления полученной энергии на интервал времени. Время, в течение которого необходимо измерять энергию, выбирают из условия T,.1U TRV , где Твх. - период входного

1ВХ

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

сигнала, для того, чтобы появилось свойство усреднения. С другой стороны, при 2J- Т, где j - произвольное целое число, деление заменяется операцией сдвига. Так как операция сдвига не изменяет вид кода, а толькоtпередвигает запятую, то при 24 Т код полученной энергии на выходе регистра 11 имеет такой же вид, что и код активной мощности. Счетчик 13 подсчитывает количество циклов вычисления. На его выходе появляется сигнал переполнения, когда время измерения Тизи 2 -Т, где К - разрядность счетчика 13. При этом код на выходе регистра 11, совпадающий по виду с кодом активной мощности, по переднему фронту1 сигнала переполнения перезаписывается в регистр 12 и появляется на выходе измерителя. Одновременно запускается одновибратор 17, который своим импульсом сбрасывает в ноль содержимое регистра 11. Далее процесс вычисления активной мощности в сети повторяется.

Таким образом, предлагаемый измеритель имеет более высокую точность определения активной мощности и энергии благодаря тому, что знаковый разряд АЦП используется в качестве разряда данных, а знак формируется с использованием дополнительных аппаратных средств.

Формула изобретения

Электронный измеритель мощности и энергии, содержащий два блока выборки и хранения, аналоговый коммутатор, аналого-цифровой преобразователь и блок управления и обработки причем вход данных первого блока выборки и хранения является входом измерителя по напряжению, вход данных второго блока выборки и хранения является входом измерителя для напряжения, пропорционального току в сети, выходы первого и второго блоков выборки и хранения соединены с первым и вторым входами данных аналогового коммутатора соответственного, а входы управления блоков выборки и хранения соединены с первым выходом блока управления и обработки, вход управления аналогового коммутатора соединен с вторым выходом блока управления и обработки, вход запуска аналого-цифрового преобразователя соединен

/

с третьим выходом блока управления и обработки, выходы аналого-цифрового преобразователя соединены с входами данных блока управления и обработки, а группа выходов блока управления и обработки является информационным выходом измерителя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него дополнительно введены аналоговый выпрямитель и блок определения знака, причем вход

аналогового выпрямителя соединен с выходом аналогового коммутататора, а выход - с входом данных аналого-цифрового преобразователя, выходы первого и второго блоков выборки и хранения соединены с первым и вторым входами блока определения знака, выход которого соединен с входом для знакового разряда блока управления и обработки.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при построении измерителей активной мощности и счетчиков энергии сигналов переменного тока. Цель изобретения - повышение точности - достигается за счет преобразования двухполярньгх входных сигналов в униполярные, получения кодов мгновенных значений от одно- полярных сигналов и формирования знака произведения двух мгновенных значений тока и напряжения в аналоговой форме. Для этого в устройство введены аналоговый выпрямитель 6 и блок 7 определения знака. Кроме того, электронный измеритель мощности и энергии содержит блоки выборки и хранения 1 и 2 соответственно, аналоговый коммутатор 3, аналого-цифровой преобразователь 4, блок 5 управления и обработки. 4 ил. S (Л

Фиг. 2

KS

Фиг. 3

w

V/

fc.$ ШЛ

Фиг. 4

Редактор А.Лежнина

Составитель С.Хромов

Техред А.Кравчук Корректор Л.Пилипенко

Заказ 926

Тираж 41

ВНИИПИ Государствечного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москпа, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

/:

tL

Подписное