Способ измерения частоты переменного напряжения и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01R23/00 

Недостаток данного способа заключается в низкой точности измерений при низких отношениях сигнал - шум. Средства автоматики энергосистем (как силовые цепи, так и измерительные каналы) подвержены действию помех и шумов, Кроме того, напряжение силовых цепей не остается стабильным и меняется в зависимости от изменяющейся нагрузки, сопровождается бросками напряжения при включении и выключении силовых агрегатов. Влияют на всплески напряжения и тиристорные ключевые элементы автоматики. Указанные воздействия проявляются в виде аддитивных помех и шумов. При этих условиях контролируемое напряжение имеет вид: V(t) Aslnait + , где А - амплитуда; W 2 л: f : f - частота; - случайная помеха. Отношение сигнал - шум равно: j где сг - дисперсия помехи; ofg; cf(- СКО помехи: g - коэффициент, равный 2 при доверительной вероятности Р 0,95 и при нормальном законе распределения помехи. Представим напряжения Vi; V2; Vo в виде:Vi Asin 1+|l ; V2 Asin + ; УЗ Asin + . Определим отношение Vi + Vs +sin +(|i ) sin + A где f, (ffi.(pz- фазы сигнала V(t) в моменты измерений. Преобразуем отношение М, приняв для определенности i - з, тогда м sin (p + sin где , . Учитывая равенство CL-. g, получим: sin f) + sin (рй м ;-I . sln 4-V2/h При отсутствии помех получим: м -f-sln Результат измерения частоты при отсутствии помех равен: arccos -j М. Результат измерения частоты при действии помех равен: 1 arccos - М. Абсолютная погрешность измерения частоты равна: (. Относительная погрешность измерения частоты равна: -у 100%. П р и м е р. В сети действуют помехи 3 В с дисперсией 2,25 В. Математическое ожидание помехи равно нулю, а интервал корреляции меньше периода напряжения. Действующее значение напряжения УЭ 220 В, амплитуда А 308 В. Отношение сигнал - шум равно: 21080. Выбран интервал времени At 3 10 с. Фазы сигнала, отвечающие напряжениям Vi, V2, V3 соответственно равны i 2,26 рад, р2 .3,2 рад, 4,14 рад, При отсутствии помех (когда h ) результат измерения частоты равен: 1 arccos X 2л:-3 10 1,18 50 Гц. При действии помехи результат измерения частоты равен: 11 arccos у X 2л: 3 10 sin 2,26 -f-sin 4,14 41,65 Гц. sin 3,2 +V 21080 Абсолютная погрешность измерения частоты равна: б 50 41.65 8,34 Гц. Относительная погрешность равна 8,34 -щ- tuu 16,7%. При уменьшении отношения сигнал шум погрешность соответственно возрастает. Таким образом, известный способ обладает низкой точностью измерения частоты при низких отношениях сигнал - шум. Цель изобретения - повышение точности измерений при низких отношениях сигнал - шум. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения частоты переменного напряжения, при котором формируют эталонные интервалы времени At, определяют частоту по формуле 1 1 2JtAl выполняют интегрирование переменного напряжения V(t) согласно математическим выражениям: toti Si /V(t)dt;S2 /V(t)dt, t312 где ti to + At; t2 to + 3At; t3 to + 4At; . to - момент начала измерений; a величину N определяют как частное от деления первого результата интегрирования Si на второй результат интегрирования S2, а также тем, что величину эталонного интервала времени At выбирают в зависимости от требований к длительности одного цикла измерений по условию: At - 0.25tfton. где р - приращение фазы переменного напряжения за интервал времени At; tflon - допустимая длительность одного цикла измерений, Поставленная цель достигается также тем, что в устройство для определения частоты переменного напряжения, содержащее генератор импульсов, первый и второй времязадающие элементы, первый аналогоцифровой преобразователь, решающее устройство, включающее первый и второй регистры памяти, причем выходы первого и второго времязадающих элементов соединены с управляющими входами соответственно первого и второго регистров памяти, выход первого аналого-цифрового преобразователя соединен с входом первого регистра памяти, введены третий и четвертый времязадающие, элементы, второй аналогоцифровой преобразователь, ключ, первый и второй интеграторы, устройство индикации, причем входы интеграторов соединены с входом устройства, выходы первого и второго интеграторов соединены с входами соответственно первого и второго аналого-цифровых п-реобразователей, выход второго аналого-цифрового преобразователя соединен с входом второго регистра памяти, выход генератора импульсов через ключ соединен с входами первого, второго, третьего и четвертого времязадающих элементов, выход первого времязадающего элемента соединен со вторым управляющим входом первого интегратора и управляющим входом первого аналого-цифрового преобразователя, выход второго времязадающего элемента соединен со вторым управляющим входом второго интегратора и управляющим входом второго аналого-цифрового преобразователя, выход третьего времязадающего элемента соединен с первым управляющим входом второго интегратора, выход четвертого времязадающего элемента соединен с входами Сброс соответственного первого и второго интеграторов, первого и второго регистров памяти, управляющим входом решающего устройства, а также с первым управляющим входом ключа, второй управляющий вход которого соединен с клеммой Пуск и первым управляющим входом первого интегратора, выход решающего устройства соединен с входом yet ройства индикации. На фиг.1 приведена временная диаграмма, поясняющая сущность способа; на фиг.2 - структурная схема устройства, реализующего способ; на фиг.З - структурная схема решающего устройства. Способ заключается в следующем. Выбирают величину эталонного интервала времени At по формуле At 0.25tAon, где А - приращение фазы переменного напряжения на интервале времени At; tflon - допустимая длительность одного цикла измерений; f - частота, известная по априорным данным или по результатам измерения на предыдущем цикле измерений. По условиям измерений на переменное напряжение V(t) , где А - амплитуда; ш 2 я f; f - частота; наложена помеха f с нулевым математическим ожиданием и дисперсией а. Интервал корреляции помехи по условиям измерений меньше периода переменного напряжения. Выполняют интегрирование напряжения V(t) согласно математическим выражениям(t)dt;S2 /V(t)dt,(1) tot2 где ti to + At; t2 to + 3At; ts to + 4 At: to - момент начала измерений. Определяют результат интегрирования Si на интервале времени to-ts: Si Cos F-Cos(F + 4A 2sln(F + 2 A)sln2 A , где F - начальная фаза напряжения V(t) в момент to начала измерений.

Значение Si получено из предположения, что интервал корреляции помехи меньше периода напряжения, что выполняется на практике. Учтено, что математическое ожидание помехи равно нулю. Поэтому

ЮМ

/ ь dt 0; / dt -- 0.(3)

13t2

Определяют результат интегрирования S2 на интервале времени ti-12. С учетом принятых допущений находят:

S2 Cos(F +Ау)- Cos(F + 3 п Д) А

1 sin(F + 2 Д) sin Ь.(р .

О)

Определяют величину N по формуле N 1 2 cos Ду.

Находят результат косвенного измерения частоты f по формуле

-21ГДТ °4

Особенность способа в том, что интервал интегрирования to-t3 в два раза больше интервала ti-t2. Поэтому на результат измерения частоты не влияет начальная фаза F напряжения U(t), что повышает точность измерений. Высокая точность измерений обеспечивается и тем, что по условиям измерений результат интегрирования помехи на указанных интервалах времени равен нулю (поскольку математическое ожидание помехи равно нулю).

Устройство, реализующее способ содержит: интеграторы 1 и 2, аналого-цифровые преобразователи 3 и 4, времязадающие элементы 5-8, ключ 9, генератор 10 импульсов, решающее устройство 11, устройство индикации 12,

Решающее устройство 11 содержит регистры памяти 14 и 15, центральный блок 16, выход которого служит выходом решающего устройства 11. Выходы интеграторов 1 и 2 соединены с входами соответственно первого 3 и второго 4 АЦП, выходы которых соединены с входами соответственно первого 14 и второго 15 регистров памяти, выходы которых соединены с входами центрального блока 16, выход последнего соединен с входом устройства 12 индикации. Выход генератора 10 через ключ 9 соединен с входами времязадающих элементов 5-8, выход первого времязадающего элемента 5 соединен со вторым управляющим входом первого интегратора 1, упраеляющими входами первого АЦП 3 и первого регистра 14 памяти, выход второго времязадающего элемента 6 соединен со вторым управляющим входом второго интегратора 2 и управляющими входами второго АЦП 4 и второго регистра. 15 памяти, выход третьего времязадающего элемента 7 соединен с первым управляющим входом второго интегратора 2, выход четвертого

времязадающего элемента 8 соединен с входами Сброс первого 1 и второго 2 интеграторов, входами Сброс первого 14 и второго 15 регистров памяти, управляющим входом центрального блока 16 и первым управляющим входом ключа 9, второй управляющий вход которого соединен с клеммой 13 Пуск и первым управляющим входом интегратора 1.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом измерений соответствующим образом настраивают времязадающие элементы 5-8 с учетом выбранной величины интервала времени Дг. Значение

Дг вводят в регистр памяти блока 16. На вход устройства подают контролируемое напряжение V(t). На клемму 13 Пуск подают импульсный сигнал, который включает ключ 9, фиксируя момент начала измерений,

Одновременно включается блок 1. Тактовые импульсы генератора 10 через ключ 9 поступают на входы времязадающих элементов 5-8. Последние формируют импульсные сигналы в моменты времени ti, t2. тз и t.

. Первый интегратор 1 интегрирует напряжение V(t) на интервале времени to-t3, а второй интегратор 2 - на интервале времени tt-t2 согласно зависимостям (1). В момент времени г блок 2 прекращает интегрирование по сигналу второго времязадающего элемента 6. Одновременно результат интегрирования 5:2, полученный согласно (4), преобразуется блоком АЦП 4 в цифровой эквивалент Изапоминается во втором регистре 15 памяти.

В момент времени ta блок 1 прекращает интегрирование по сигналу первого времязадающего элемента 5, Одновременно результат интегрирования Si, полученный

согласно (2), преобразуется блоком АЦП 3 в цифровой эквивалент и запоминается в первом регистре 14 памяти,

В момент времени t4 четвертый времязадающий элемент 8 формирует прямоугольный импульс, передним фронтом которого включается центральный блок 16. Последний считывает содержи.мое регистров памяти 14 и 15 и с учетом значения Дг, хранящегося в регистре памяти блока 16,

определяют частоту напряжения V(t) по алгоритму (5). Результат измерения отображается на экране устройства индикации 12. Задний фронт прямоугольного импульса осуществляет сброс содержимого регистров памяти 14 и 15, сброс напряжений интеграторов 1 и 2 и выключает ключ 9. Устройство готово к следующему циклу измерений. Пример 1 реализации способа. В сети действует помеха 3 В с дисперсией (7 2.25 В, математическое ожидание которой равно нулю, а интервал корреляции меньше периода измеряемого напряжения. Действующее значение напряжения Уэф 220 В, амплитуда А 300 В, частота f 50 Гц. В момент начала измерений to фаза напряжения равна F 2.26 рад. Перед измерением выбирают интервал времени Лг 3 10 В (см. с.3 описания), для чего соответственно настраивают элементы 5-8. Значение At вводят в регистр памяти блока 16. Первый интегратор 1 интегрирует напряжение V(t) Asin йЛ + на интервале времени to-t3. В момент t3 блок 1 прекращает интегрирование напряжения V(t) по сигналу времязадающего элемента 5. Результат интегрирования Si -1,570 В- с преобразуется блоком АЦПЗ в цифровой эквивалент и запоминается в первом регистре памяти 14. Второй интегратор 2 интегрирует напряжение V(t) на интервале времени ti-t2. В момент времени t2 блок 2 прекращает интегрирование напряжения V(t) по сигналу времязадающего элемента 6. Результат интегрирования Sa -1.337 8 с преобразуется блоком АЦП 4 в цифровой эквивалент и запоминается во втором регистре памяти 15.. В момент времени t4 элемент 8 формирует прямоугольный импульс, передний, фронт которого вклнэчает центральный блок 16. Последний считывает содержимое регистров 14 и 15 и с учетом значения At, хранящегося в регистре памяти блока 16, определяет частоту напряжения V(t) по формуле (5): пт 50Тц. 2л:3-10 Погрешность полученного результата измерения равна нулю, т.е. (5 f-f 50-50 0. Сопоставляя этот результат с полученным для известного способа (см. пример на с.З описания), убеждаемся, что предложенный способ обеспечивает более высокую точность измерений при низких отношениях сигнал - шум. Пример 2 реализации способа. В сети действует помеха с характеристиками, указанными в примере 1. Характеристики напряжения те же. Выбран интервал времени At 1 10 с. В момент начала измерений фаза напряжения равна F 1.3 рад. В процессе измерений в регистры 14 и 15 были записаны результаты интегрирования соответственно Si 1.079 В с; $2 0,567 В с. В момент времени t4 блок 16 считывает содержимое регистров 14 и 15 и определяет частоту напряжения по формуле (5) при N Si/S2 1,9: . 2-3,14 10 Погрешность данного результата измерения равна нулю: (5 50-50 0. Таким образом, предложенный способ обеспечивает более высокую точность измерений при низких отношениях сигнал - шум. Более высокая точность измерений достигается за счет интегрирования контролируемого напряжения на двух разных по длительности интервалах времени t3 - to 2(t2 - ti), которым отвечают результаты интегрирования Si и S2 соответственно, причем величину N определяют как частное от деления Si на $2. Результаты моделирования устройства, реализуеющего способ, выполненные в КНИГА, свидетельствуют о его высоких технических и метрологических характеристиках, При этом в качестве центрального блока 16 использовался стандартный блок типа БК 0010. В целом устройство отличается простотой своей структуры и высокой надежностью в работе. Формула изобретения 1,Способ измерения частоты переменного напряжения, при котором формируют эталонные интервалы времени At. определяют частоту f по формуле f - 2yrAt 2 N. отличающийся тем. что. с целью повышения точности измерений при низких отношениях сигнал - шум, выполняют интегрирование переменного напряжения V(t) согласно математическим выражениям 1311 Si /V(t)dt;S2 / V(t)dt. to12 где ti to + At; t2 to + ЗА t; ta to + 4A t to - момент начала измерений, a величину N определяют как частное от деления первого результата интегрирования Si на второй результат интегрирования S2. 2.Способ по п. 1,отличающийся тем, что величину эталонного интервала

времени At выбирают в зависимости от требований к длительности одного цикла измерений по условию Д(

At

0.25 tflon,

2jrf

где А - приращение фазы переменного напряжения за интервал времени At, 1доп допустимая длительность одного цикла измерений,

3. Устройство для измерения частоты переменного напряжения, содержащее генератор импульсов, первый и второй времязадающиеэлементы,первый

аналого-цифровой преобразователь, решающее устройство, включающее первый и второй регистры памяти, причем выходы первого и второго времязадающих элементов соединены с управляющими входами соответственно первого и второго регистров памяти, выход первого аналого-цифрового преобразователя соединен с входом первого регистра памяти, отличающеес я тем, что, с целью повышения точности измерений при низких отношениях сигнал шум, в него введены третий и четвертый времязадающие элементы, второй аналогоцифровой преобразователь, ключ, первый и второй интеграторы, устройство индикации, причем входы интеграторов соединены с входом устройства, выходы первого и второго интеграторов соединены с входами соответственно первого и второго аналого-цифровых преобразователей, выход второго аналого-цифрового преобразователя соединен с входом второго регистра памяти, выход генератора импульсов через ключ соединен с входами первого, второго, третьего и четвертого времязадающих элементов, выход первого времязадающего элемента соединен с вторым управляющим входом первого интегратора и управляющим входом первого аналого-цифрового преобразователя, выход второго времязадающего элемента соединен с вторым управляющим входом второго интегратора и управляющим входом второго аналого-цифрового преобразователя, выход третьего времязадающего элемента соединен с первым управляющим входом второго интегратора, выход четвертого времязадающего элемента соединен с входами Сброс соответственно первого и второго интеграторов, первого и второго регистров памяти, управляющим входом решающего устройства, а также с первым управляющим входом ключа, второй управляющий вход которого соединен с клеммой Пуск и первым управляющим входом первого интегратора, выход решающего устройства соединен с входом устройства индикации.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в автоматике энергосистем. Способизмерения заключается в том, что формируют эталонные интервалы времени Дг, определяют частоту по формуле^=T^^'-^^°^lN,N = |l. гдеt3tlSi = / V(T)dt. S2 = / V(t)dt; ti = to + At:toT2t2 = to + 3 At: ts = to + 4 ДЕ. Устройство содержит один генератор импульсов, четыре времязадающих элемента, два аналого-цифровых преобразователя, одно решающее устройство, один ключ, два интегратора, одно устройство индикации. 3 ил.Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в автоматике энергосистем.Известен способ определения частоты переменного напряжения (а.с. СССР N? 1048529, МКИ G 01 R 23/00, 1983), согласно которому формируют эталонные промежутки времени. Недостатком способа является низкое быстродействие определения частоты.Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения частоты переменного напряжения и устройство для его реализации (а.с. СССР № 1185260, МКИ G 01 R 23/00, 1985), по которому формируют эталонные интервалы времени Л t, измеряют мгновенные значения контролируемого напряжения, фиксируют три из них Vi; V2: Va, следующих через эталонные интервалы времени At, а частоту f определяют согласно математическому выражению1 Vi+Vaf =27rAtarccos2 V2Устройство для определения частоты переменного напряжения содержит генератор импульсов, последовательно соединенные первый и второй блоки задержки, последовательно соединенные первый и второй регистры памяти, управляющие входы которых подключены соответственно к выходам первого и второго блоков задержки, сумматор, первый вход которого подключен к выходу первого регистра памяти, АЦП, третий регистр памяти, последовательно соединенные делитель, ЦАП и функциональный преобразователь, выход генератора импульсов соединен с управляющим вх'одом АЦП, входом первого блока задержки и управляющим входом третьего регистра памяти, выход второго регистрг памяти соединен с входом третьего регистра памяти и первым входом делителя, выход третьего регистра памяти - с вторым входом сумматора, а выход сумматора - с вторым входом делителя, выход АЦП соединен с входом первого регистра памяти. Этот способ выбран в качестве прототипа.слсXI00о о соDS

f/

/2

л;„4гл

Фиг. г