Цифровой измеритель электрической энергии Советский патент 1992 года по МПК G01R22/00 G01R21/133 

P Sj UlHo aX HiUVV V O- l silgol -KciJ Q11U11l«tJ№.4 +B5iVIlc kl belVk)..+ - --()((U0()П-l 0 „.o

((91)-Јиии-1(и-u.lvii)0HL

.SUto4),гдеm

где ,e,4.b, M-o lbiiVl l J

о -и ь Л ufl Ц un. lite a TV ,ЩоМЬ,1(еу-аХ1«к1(1Х)аги7М,.

шfJt ,9 % 1 L15 «bil(«0-o.U«Wb,.uVlbJiVl- a1U(«Jb§l(piJ,o.UefeW.a.U«ftrJb1I(-I1H-а,и кШо+1 а,1-Ь(1(«,+aaU4Wb7I9(eJ)4q,Ue(/Ob,)t01U3(VKlIo+-Q VOWV MVlV b- ,U (i/nblI(tf,(e{Klb,Ia(cfO+a,U («0

b,I(«)+...

20

На втором цикле измерения, когда пе-Тогда суммарное значение мощности за

ремножаются проинвертированные сигна- четыре цикла измерения лы напряжения и тока t(-U(t)) x (-I(t)D, имеют .и-i

п Г, w л ft ,.(()2UWI((У2и()-1(-(н55и)х25 ,,,

h.,-г((иг и 0-аи;(«+«5Й21 («,-)

Vt-fVl-1k.

(io+OS l- u oKufisiE К«к1+ о; -«,

(8)

,/,, .„.w rh n 1 е«- а«и1й Ь,,г(с(к)

+ 1ио4иоК1о41о У( . «4oJUVJb§Ii(««il)-eulebsI(« rt.где , 2 , (5)...

(lVU0)b2I (к)-()Ь513(0|;к1-С(,и(к)Отсюда дополнительная погрешность

ЬЛНаЖУМэШ+аЛк)а +I1)-71д МеТОДЭ коммУта онного нвертирова5 v к а хо/НИЯ1 определяемая путем сравнения выра- 3aU (Ык)Ь(1(()с)4айиг((;)-Ь21г (ск ц.)-35 жений (1) и (8), имеет следующий вид:

-аги2ЮЬ,,иг(1(

4Q3uVv))-%UVOb2l 2(o(lcVyig -2(i )o I и(k 0

40

k 0

-2U 0(1+ dsd % К Ok) +

+ a4U Klbsl3(...

На третьем цикле измерения, когда ин-«-«ov

вертируется только сигнал тока, т.е. (t) x+ у о1; . 2Uob3l3( OK) - 2a3U3( ak)to ... (9) H(t)), получают

D 11d Ь d Ь , rt , п fr лие Отсутствие идеальных инверторов, не г 1ийби)1ий5112 и()1(о/к) + (1+д5и)х45 обходимых для реализации известным устп-« я-iройством алгоритма коррекции аддитивных

xIo2U(rfkVtUo-Uo)0 + Јst|iЈ I(o;K)-составляющих погрешности АЦП, неизбежЬ °но приводит к погрешности yig; изменяю((J04U 0)I04 6{33 jсп щейся во времени из-за дрейфа нуля

.„инверторов.

п / i a I Целью изобретения является повышегде ®ri {Uo4U0)blil (;)(Uo+U0 bi,I (л к)- -ние точности и технологичности путем уст+а,и(,и к1ЬЛ5(о/кЬранения погрешности у,9 и исключения из

„ - о,ее схемы необходимых в известном регулиро-QI(J (o KHo C uU (,)-ci/iU x5 вок напряжения смещения инверторов.

«Ьд1в(-агйа ИЬ413ЫИ+ааи%(в/к) 10+Поставленная цель достигается тем, что

в цифровой измеритель электрической

+a3U (б/ц)Ь,1(сх:к) + аз11 Wn)b2l (к)-(-энергии, содержащий входные преобразо|. . ,г/ . ватели напряжения и тока, два инвертора,

(8)

yig -2(i )o I и(

k 0

-2U 0(1+ dsd % К Ok) +

«-«ov

первый коммутатор, два АЦП. цифровой перемножающий блок, накапливающий сумматор, индикатор и блок управления, причем шины входного напряжения и входного тока подключены к входам входных преобразователей напряжения и тока соответственно, выход первого инвертора со- единен с вторым входом первого коммутатора, первый выход которого подключен к выходу первого АЦП и к первому входу блока управления, а второй выход - к входу второго АЦП и к второму входу блока управления, первый выход которого соединен с вторыми управляющими входами первого и второго АЦП, выходы Завершение преобразования которых подключены к четвертому и пятому входам блока управления соответственно, первая группа выходов, вторая группа выходов и второй выход блока управления соединены с управляющими входами цифрового перемножающего блока, накапливающего сумматора и индикатора соответственно, выход цифрового перемножающего блока подключен к входу накапливающего сумматора, введены второй коммутатор, генератор и счетчик, причем выход входного преобразователя напряжения подключен к первому и второму входам второго коммутатора, третий и четвертый входы которого соединены с общей шиной, а первый выход - первым и третьим входами первого коммутатора и через первый инвертор - с четвертым входом первого коммутатора, выход входного преобразователя тока подключен к пятому и седьмому входам второго коммутатора, шестой и восьмой входы которого соединены с общей шиной, а второй выход - с пятым и восьмым входами первого коммутатора и через второй инвертор - с шестым и седьмым входами первого коммутатора, выход генератора подключен к третьему входу блока управления, к первым управляющим входам обеих АЦП и к входу счетчика, первый и второй выходы которого соединены с управляющими входами первого и второго коммутаторов соответственно, выходы первого и второго АЦП подключены к первому и второму входам цифрового перемножающего блока, выход накапливающего сумматора соединен с входом индикатора.

Введение в схему цифрового измерителя электроэнергии второго коммутатора, генератора, счетчика и соответствующих им новых связей позволяет организовать работу схемы таким образом, что влияние напряжения смещения нуля на выходах инверторов, снижающее точность измерения известного, полностью исключается. Это дает возможность избавиться от регулировочных подстроечных резисторов в схеме, что повышает ее технологичность.

На чертеже представлена блок-схема предлагаемого цифрового измерителя электрической энергии

Цифровой измеритель электрической энергии (фиг.1) содержит входной преобразователь 1 напряжения, входной преобразователь 2 тока,.шину 3 входного

0 напряхсения, шину 4 входного тока, второй коммутатор 5, первый 6 и второй 7 инверторы, первый коммутатор 8, первый 9 и второй 10 АЦП, цифровой перемножающий блок (ЦПБ) 11, накапливающий сумматор 12, ин5 дикатор 13, генератор 14, счетчик 15 и блок 16 управления.

Шина 3 входного напряжения через входной преобразователь 2 напряжения подключена к первому и второму входам

0 второго коммутатора 5, третий и четвертый входы которого соединены с общей шиной, а первый выход - с первым и третьим входами первого коммутатора 8 и через первый инвертор 6 - с вторым и четвертым входами

5 первого коммутатора 8. Шина 4 входного тока через входной преобразователь 2 тока подключена к пятому и седьмому входам второго коммутатора 5, шестой и восьмой входы которого соединены с общей шиной,

0 а второй выход - с пятым и восьмым входами первого коммутатора 8 и через второй инвертор 7 - с шестым и седьмым входами первого коммутатора 8. Первый выход последнего подключен к выходу первого АЦП

5 9 и к первому входу блока 16 управления, а второй вход - к входу второго АЦП 10 и к второму входу блока 16 управления. Выходы первого и второго АЦП 9 и 10 соединены с первым и вторым входами ЦПБ 11, выход

0 которого через накапливающий сумматор 12 подключен к входу индикатора 13. Выход генератора 14 соединен с первыми управляющими входами первого 9 и второго 10 АЦП, с третьим входом блока 16 управле5 ния и с выходом счетчика 15, первый и второй выходы которого подключены к управляющим входам первого 8 и второго 5 ключей. Первый выход блока 16 управления соединен с вторыми управляющими входа0 ми первого 9 и второго 10 АЦП, выходы Завершение преобразования которых подключены соответственно к четвертому и к пятому входам блока 16 управления. Первая и вторая группы выходов, а также

5 второй выход блока 16 управления подключены к управляющим входам ЦПБ, накапливающего сумматора и индикатора соответственно.

Измеритель работает следующим образом.

Работа устройства синхронизирована выходными импульсами генератора 14, управляющего работой счетчика 15 и блока 16 управления. При этом два младших разряда счетчика 15 переключают первый коммутатор 8, а следующие два более старших разряда - второй коммутатор 5. Время одного переключения первого коммутатора 8 называют циклом, а время одного переключения второго коммутатора 5 тактом. Длительность цикла в предлагаемом устройстве в четыре ряда меньше длительности такта, и определяет время АЦП первого 9 и второго 10 АЦП.

Входные напряжение и ток с шины 3 входного напряжения и с шины 4 входного тока поступают на входы входных преобразователей напряжения 1 и тока 2, где преобразуются в низковольтные измерительные сигналы. Далее они с помощью второго 5 и первого 8 коммутаторов и первого 6 и второго 7 инверторов в определенном порядке подаются на первый и второй входы блока 16 управления и на входы первого 9 и второго 10 АЦП. Последние в начале каждого цикла запускаются импульсом с первого.вы- хода блока 16 управления, поступающим на их вторые управляющие входы. По завершении текущего цикла в первом 9 и втором 10 АЦП формируются коды напряжения и тока, и импульсы Завершение преобразования с выходов АЦП поступают на четвертый и пятый входы блока 16 управления. Входные коды напряжения и тока перемножаются в ЦПБ 11, и результирующие произведения (коды мгновенной мощности) суммируются далее в накапливающем сумматоре 12. Количество выходных импульсов последнего накапливается в индикаторе 13 (шаговый двигатель), который отображает количество потребленной электроэнергии. При этом работа блоков 11-13 происходит под управлением выходных сигналов с первой, второй группы выходов и с второго выхода блока 16 управления соответственно. Причем сигнал на управляющем входе накапливающего сумматора 12 определяет порядок суммирования (сложение или вычитание) кодов мгно- венной мощности в зависимости от полярности входных сигналов первого 9 и второго 10 АЦП и от номера такта. На первом и четвертом тактах измерения при одинаковой полярности этих сигналов в сумматоре 13 происходит сложение, а при разной - вычитание. На втором и третьем тактах порядок суммирования изменяется на обратный.

На первом такте измерений через первый и пятый каналы второго коммутатора 5 поступают сигналы напряжения и тока соответственно. За это время первый коммутатор

8 переключается четыре раза, таким образом, на выходе цифрового перемножающего блока 11 последовательно формируются четыре кода PIJ (где i - номер такта, j - номер

5 цикла) в соответствии с выражениями (4)-{7). После завершения первого такта в накапливающем сумматоре 12 формируется код суммарной мощности данного такта PII в соответствии с выражением (8).

0 На втором такте измерения замыкаются второй и шестой ключи второго коммутатора 5 и на его первый выход подается сигнал входного напряжения, а на второй выход - сигнал нуля. Тогда для четырех циклов пере5 ключения первого коммутатора 8 во втором такте измерения выражения для PIJ имеет следующий вид:

ptri(Hulie|Wl W,+eei) f10)i 0 где 02г01 1ГгКИ0+М 5(МГ0...

VfrEHsullio iW) (iv Uo)

11.п вне«, Кт° ,(11)

где ()(i04i;,i-a3uV Ui0+l o15Pn i Msu)I0eu(cM4MU a), 1(12)

гдеe«- -MVk) VMHftMio fO SullIo+IelSOWkbUoUo+lLHj S)

0 где -а2и2(ак) Oo+Io ) - аз113(ак) (Io+IoV.

Тогда суммарная мощность второго этапа $Ц-1

(i 5uUl2u(.HuX 2syn/;)

j fК О

5 где 2 -2ази3(ак)1о ...

На третьем такте измерения замыкаются третий и седьмой ключи коммутатора 5 и на его первый выход подается сигнал нуля, а на второй выход - сигнал входного тока. Тогда для четырех циклов переключения коммутатора 8 в третьем такте измерения выражения для PIJ имеют следующий вид:

UegK i cio+e jis) :

5

) +

П-1

где 6bi и0Ь2Г(«к) + Ц,ЬзГ («к)...

Pn4r-l o K + SSl)Sl(« .(W.+« oKle li)enl,(16)

I-lt 0;

0 где #32 (U0 + U|,)b2l2(ak) -(Ц, + и{,) («к) ...

pft- 4iv ai|ri , (17)

5 где взз -(Uo + U0)b2l2(aK) -()...

N u;g M-MiXh4 (18)

.где ft - Uob2l2(«K) + (OK) ...

Отсюда суммарная мощность третьего этапа

Pj -SV - lMsilSifcM+uX,

(19)

где fti -2Uob3l3(«k).

На четвертом такте измерения замыкается четвертый и восьмой ключи второго коммутатора 5 и на его первый и второй выходы подаются сигналы нуля. Тогда для четырех циклов переключения первого коммутатора 8 в четвертом такте измерения выражения для PIJ имеют следующий вид:

1 п

U0r0;

-(Uo+ulXFo+U); п

(Uo+Uo)o, П

- -Uofln + lo), n

Z P4J - 1

(20) (21) (22) (23) (24)

Как указывалось, на первом и четвертом тактах накапливающий сумматор 12 производит суммирование кодов напряжения и тока с одинаковыми знаками и вычитание кодов произведений напряжения и тока с разными знаками. На втором и третьем тактах этот порядок суммирования изменяется на противоположный благодаря сигналам на управляющем входе накапливающего сумматора 12. Таким образом, после завершения четвертого такта в накапливающем сумматоре 12 сформировано суммарное значение мощности Р за рассмотренные шестнадцать циклов измерения (выражения (8), (14), (19) и (24)):

Pzs-Pis P P P MeuH sO

.-.(25)

J51

где ftr 0ii-ftz-fti +

4ai U(OK) Ьз13 («к) + 4аз U3(aK) bd (OK) +

+ 4а3и3(ак)Ьз13(ак)...

Как видно из выражения (25), суммарная мощность за шестнадцать циклов измерения содержит только полезный сигнал, и какие-либо паразитные аддитивные и нелинейные составляющие, по сравнению с выражением (1), полностью отсутствуют.

Таким образом, использование изобретения по сравнению с известным позволяет

повысить точность измерения электроэнергии путем полного исключения его методической погрешности yig (выражение (9)) из выражения (8). Поэтому, как видно из выра- 5 жения (25), точность предлагаемого измерителя не зависит ни от напряжения смещения первого 6 и второго 7 инверторов, ни от временного или температурного дрейфа этого смещения.

0 В связи с этим повышается технологичность предлагаемого измерителя, так как аналоговые подстроечные резисторы для регулировки напряжения смещения инверторов в предлагаемом устройстве не

5 нужны.

Основные узлы и блоки предлагаемого устройства могут быть реализованы следующим образом.

Входные преобразователи напряжения

0 1 и тока 2 выполняются в виде трансформаторов напряжения и тока, коммутаторы 5 и 8 на микросхеме КР590КНЗ, инверторы 6 и 7 - на микросхемах КР140УД8А, АЦП 9 и 10 - на микросхемах КР155ИР17 и К594ПА1 и

5 К554САЗА, ЦПБ 11 - К588ВР2, 1802ВР2 или 1802ВР5, накапливающий сумматор 12 - на микросхемах К588ИР1, КР561ИР9 и К561ИМ1, индикатор 13 - на КР558ХП1, генератор 14 - на К561ЛН2, счетчик 15 - на

0 КР561ИЕ10, блок 16 управления - на простейших логических элементах или одно- кристалльной микроЭВМ 1816ВЕ51.

По предлагаемому техническому решению реализован макет образцового цифро5 вого измерителя электрической энергии класса точности 0,1 и выше, который предполагается использовать в системах поверки индукционных электросчетчиков и в качестве промышленного счетчика электро0 энергии.

Формула изобретения Цифровой измеритель электрической энергии, содержащий входные преобразо5 ватели напряжения и тока, шины входного напряжения и тока, два инвертора, первый коммутатор, два аналого-цифровых преобразователя (АЦП), цифровой перемножающий блок, накапливающий сумматор,

0 индикатор и блок управления, причем шины входного напряжения и входного тока подключены к входам входных преобразователей напряжения и тока соответственно, выход первого инвертора соединен с пер5 вым входом первого коммутатора, первый выход которого подключен к входу первого АЦП и первому входу блока управления, а второй выход - к входу второго АЦП и второму входу блока управления, первый выход

которого соединен с первыми управляющими входами первого и второго АЦП, выходы Завершение преобразования которых подключены к четвертому и пятому входам блока управления соответственно, первая группа выходов, вторая группа выходов и второй выход блока управления соединены с управляющими входами цифрового перемножающего блока, накапливающего сумматора и индикатора соответственно, выход цифрового перемножающего блока подключен к входу накапливающего сумматора, о т- личающийся тем, что, с целью повышения точности и технологичности, в него введены второй коммутатор, генератор и счетчик, причем выход входного преобразователя напряжения подключен к первому и второму входам второго коммутатора, третий и четвертый входы которого соединены с общей шиной, а первый выход - с вторым

и третьим входами первого коммутатора и через первый инвертор с четвертым входом первого коммутатора, выход входного преобразователя тока подключен к пятому и седьмому входам второго коммутатора, шестой и восьмой входы которого соединены с общей шиной, а второй выход - с пятым и восьмым входами первого коммутатора и через второй инвертор с шестым и седьмым входами первого коммутатора, выход генератора подключен к третьему входу блока управления, к вторым управляющим входам обоих АЦП и входу счетчика, первый и второй выходы которого соединены с управляющими входами первого и второго коммутаторов соответственно, выходы первого и второго АЦП подключены к первому и второму входам цифрового перемножающего блока, выход накапливающего сумматора соединен с входом индикатора.

Использование: цифровое измерение активной электроэнергии периодических переменных и постоянных сигналов. Сущ- .ность изобретения: устройство содержит входной преобразователь 1 напряжения, входной преобразователь 2 тока, инверторы 6, 7, коммутаторы 5. 8, аналого-цифровые преобразователи 9, 10, цифровой перемножающий блок 11, накапливающий сумматор 12, индикатор 13, блок 16 управления, генератор 14, счетчик 15. 1 ил.