Образцовый измерительный преобразователь мощности и энергии Советский патент 1993 года по МПК G01R35/00 

Up

8

СО 00

ю

Јь

теля, к второму входу которого подключен выход калибратора постоянных напряжений, а выход дифференциального усилителя соединен с нуль-индикатором, генератор опорных частот 12 подключен к первому входу измерителя отношения частот, второй вход которого соединен с выходом преобразователя напряжения в частоту. При этом

множительное устройство имеет коэффициент преобразования по каналу тока, равный единице, а преобразователь напряжения в частоту выполнен с коэффициентом преобразования, равным отношению частоты генератора опорных частот к напряжению калибратора постоянных напряжений. 2 ил.

Использование: изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для передачи размера единицы электрической мощности от государственного и рабочего эталонов к образцовым средствам измерений (СИ) мощности и энергии, находящимся в удаленных от эталона регионах. Целью изобретения является повышение точности и быстродействия. Сущность изобретения: образцовый измерительный преобразователь мощности и энергии содержит источник опорного напряжения 3, масштабные преобразователи напряжения и тока 1, 2 связанное с ним термоэлектрическое множительное устройство 7 и преобразователь напряжения в частоту 8, синхронно управляемые калиб- ратор постоянных напряжений 4 и генератор опорных частот, два аналоговых коммутатора, дифференциальный усилитель 9, нуль-индикатор и измеритель отношения частот 11, причем выход масштабного преобразователя напряжения и источник опорного напряжения чены через первый коммутатор 5 к входу напряжения термоэлектрического множительного коммутатора, а выход масштабного преобразователя тока и калибратор постоянных напряжений через второй коммутатор 6 к входу тока множительного устройства, выход которого подключен также к первому входу дифференциального усили f Ё

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для передачи размера единицы электрической мощности от государственного и рабочего эталонов к образцовым средствам измерений (СИ) мощности и энергии, находящихся в удаленных от эталона регионах, в частности может быть использовано для создания транспортируемого эталона сравнения для проведения международных сличений эталонов.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности и быстродействия. Поставленная цель достигается тем, что в образцовый измерительный преобразователь мощности и энергии, содержащий источник опорного напряжения, масштабные преобразователи напряжения и тока, связанное с ними термоэлектрическое множительное устройство и подключенный к его выходу преобразователь напряжения в частоту, введены синхронно управляемые ка- либратор постоянных напряжений и генератор опорных частот, два аналоговых коммутатора, дифференциальный усилитель, нуль-индикатор и измеритель отношения частот, причем выход масштабного преобразователя напряжения и источник опорного напряжения подключены через первый коммутатор ко входу напряжения множительного устройства, а выход масштабного преобразователя тока и калибратор постоянных напряжений - через второй коммутатор - ко входу тока множительного устройства, выход которого подключен также к первому входу дифференциального усилителя, ко второму входу которого подключен выход калибратора постоянных напряжений, а выход дифференциального усилителя соединен с нуль-индикатором; генератор опорных частот подключен к первому входу измерителя отношения частот, второй вход которого соединен с выходом преобразователя напряжения в частоту, при этом множительное устройство имеет коэффициент преобразования по каналу тока равный единице, а преобразователь напряжения в частоту выполнен с коэффициентом

преобразования, равным отношению частоты генератора опорных частот к напряжению калибратора постоянных напряжений Е.

Заявителю неизвестны образцовые измерительные преобразователи мощности и энергии, содержащие синхронно управляемые калибратор постоянных напряжений и генератор опорных частот, два аналоговых

коммутатора, дифференциальный усилитель, нуль-индикатор и измеритель отношения частот, причем коэффициент преобразования множительного устройства по каналу тока равен единице, а коэффициент преобразования напряжения в частоту - отношению частоты генератора опорных частот к напряжению калибратора постоянных напряжений. Указанные признаки позволяют осуществить комплектную

аттестацию преобразователя путем перехода на постоянный ток и, тем самым, существенно снизить требования к долговременной стабильности узлов преобразователя и повысить точность измерения,

кроме того, благодаря указанным признакам погрешность измерительного преобразователя не зависит от погрешности преобразователя напряжения в частоту, поэтому последний может быть выполнен с

большой номинальной частотой (до 1 МГц), что позволяет повысить быстродействие.

Таким образом, по мнению заявителя, эти признаки придают заявляемому техническому решению существенное отличие.

На фиг. 1 - структурная схема заявляемого устройства; на фиг. 2 представлена структурная схема известного преобразователя.

В заявляемом устройстве (см. фиг. 2)

масштабный преобразователь напряжения (МПц) 1 и масштабный преобразователь тока (МП) 2 представляют собой соответственно делитель напряжения и шунт, источник опорного напряжения (ИОН) 3 выполнен на основетермокомпенсированного стабилитрона, а калибратор постоянных напряжений (КПН) 4 содержит дополнительно прецизионный двухдекадный резистивный

делитель постоянного напряжения. Выходы МПи 1 и ИОН 3 соответственно подключены ко входам аналогового коммутатора 5, а выходы МП 2 и КПН 3 - ко входам аналогового коммутатора 6. Аналоговые коммутаторы (АК) 5 и б представляют собой электронные ключи на МОП-транзисторах. Выходы АК 5 и б подключены ко входам термоэлектрического множительного устройства (ТМУ) 7, реализующего сумморазностный метод измерения мощности 3, стр. 90.

К выходу ТМУ 7 подключены преобразователь напряжения в частоту (FlHMj 8 с номинальной частотой 100 кГц и один из входов дифференциального усилителя (ДУ) 9, другой вход которого подключен к выходу КПН 4, а выход- к нуль-индикатору (НИ) 10, в качестве которого используется 3,5-разрядный АЦП. Выход ПНЧ 8 соединен с одним из входов измерителя отношения частот (ИОН) 11, к другому входу которого подключен генератор опорных частот 12, представляющий собой кварцевый генератор и кодоуправляемый делитель частоты, коэффициент деления которого изменяется синхронно с коэффициентом деления делителя КПН 4 с помощью одних и тех же органов управления.

Предлагаемый преобразователь работает следующим образом. Процесс преобразования измеряемой мощности (Р LU..COS Ф) в постоянное напряжение Up и (или) в частоту fp состоит из двух этапов: коррекция погрешностей коэффициентов преобразования мощности в напряжение, чаётоту и измерение, причем первый этап выполняется в ходе каждого преобразования мощности или один раз перед серией преобразований одного значения мощности.

Назначение коррекции состоит в том, чт0бы установить с высокой точностью равным единице коэффициент преобразования ТМУ 7 по каналу тока:

Up/Uu при Uu UHOM,

где Up - напряжение ТМУ 7;

Uu, Uu.. постоянные напряжения на выходах КПН 4 и ИОН 3;

UHOM - номинальное значение напряжения на входе канала напряжения ТМУ 7; и коэффициент преобразования ПНЧ 8:

KuP f fp/UP,

где fp - частота на выходе ПНЧ 8,

Up - выходное напряжение на выходе ТМУ 7,

установить равным отношению частоты ГОЧ 12 к соответствующему напряжению КПН 4. В ходе коррекции (этап 1) через коммутаторы 5 и 6, управляемые кнопкой Коррекция - работа, на входы ТМУ 7 подаются сигналы от ИОН 3 (Uu ) и КПН 4 (UiJ, произведение которых Uu-Ui.близко к Uu Uj cos Ф, причем Uu с высокой точностью равно UHOM. Выходной сигнал ТМУ 7 (Up) сравнивается с

0 сигналом Uj с помощью дифференциального усилителя 9 и нуль индикатора 10. Очевидно, что если KJ Up 1, показания нуль индикатора должны быть равны нулю. В противном случае регулируют коэффициент

5 преобразования ТМУ 7 до получения нулевых показаний НИ 10.

Одновременно производится коррекция коэффициента К ip , если используется частотный выход ИПМЭ. Для этого

0 частоты fp с выхода ПНЧ 8 и f0 с выхода ГОЧ 12 подаются на измеритель отношения частот 11 и коэффициент регулируют до получения отношения fp/fo, равного единице.

5

5

При условии, что ии..и|..отличаетср от Uu

Ui cos Ф не более, чем на 10%, указанная коррекция устраняет аддитивные и мультипликативные составляющие погрешности п множительного устройства 7 с точностью до ® разрешающей способности ДУ 9 и НИ 10, которая составляет 2 .

В ходе измерения (2 этап) через коммутаторы 5 и б на входы ТМУ 7 подаются сигналы Uu. и Uj от масштабных преобразователей 1 и 2. Напряжение Up и частота fp, возникающие при этом на выходах ИПМЭ, являются результатом преобразований мощности.

Up (1/ином) К | COS Ф(1 +

+ Хк+уп)(1) fp UP(1+ yxf), (2)

где ук - погрешность коэффициента преобразования KJ - отклонение его от 1;

УП погрешность перехода ТМУ 7 от переменного тока к постоянному; ykf - погрешность К ир . Поскольку погрешность ук, как было показано выше, в ходе коррекции устраняется до пренебрежимо малых значений и не пре- восходит допустимых значений+1 в течение 500 с после коррекции и при времени процесса измерения 5-50 с, практически единственной составляющей погрешности преобразования предлагавмого ИПМЭ 7 остается погрешность перехода УП, которая по результатам многократных исследований аналогичных множительных устройств, входящих в состав государственного и рабочего эталонов, не превосходит

1

.

Устранение в ходе коррекции погрешности Kf позволяет снизить требования к точности ПНЧ, увеличить номинальную частоту до 100 кГц и уменьшить в связи с этим время измерения до 1-10 с.

Предлагаемый преобразователь, в отличие от прототипа, позволяет измерять как мощность переменного тока так и мощность постоянного тока, т.е. он допускает полное замещение переменного напряжения IL и тока Ц на входах масштабных преобразователей постоянным напряжением Do и током 10 тех же значений. Благодаря этому преобразователь может быть откалиброван полностью, включая масштабные преобразователи, по исходным средствам измерений постоянного напряжения и тока.

Таким образом, использование синхронно управляемых КПН и ГОЧ, аналоговых коммутаторов, нуль индикатора и измерителя отношения частот позволяет уменьшить погрешность образцового ИПМ до суммы погрешностей масштабных преобразователей и погрешности перехода (Mu + Mi + уп) за счет коррекции и уменьшить погрешность ИПМЭ до погрешности перехода п за счет калибровки на постоянном токе, что делается при метрологических работах высшей точности - при сличениях эталонов. На нашем предприятии изготовлен макет предлагаемого преобразователя. В макете использованы масштабные преобразователи напряжения и тока и ТМУ от ГЭМ, аналоговые коммутаторы на основе микросхем се- рии КР590, ПНЧ на основе микросхемы КР1108ПП1А, ДУ на основе микросхемы К140УД17А, НИ на основе микросхемы КР572П 2, КПН и ИОН выполнены на термо- компенсированных стабилитронах типа КС191Ф и резисторах С5-60; в качестве ИОЧ использован частотомер типа 43-57. Исследования макета показали, что погрешность предлагаемого преобразователя по отношению к Государственному эталону единицы электрической мощности (ГЭМ) составляет 1-2 в диапазоне частот 40-500 Гц при cos Ф 1 и сохраняется в течение 2-3 мес.

Формула изобретения Образцовый измерительный преобразователь мощности и энергии, содержащий источник опорного напряжения, масштабные преобразователи напряжения и тока, термоэлектрическое множительное устройство, преобразователь напряжения в частоту, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и быстродействия, в преобразователь введены синхронно управляемые калибратор постоянных напряжений и генератор опорных частот, два аналоговых коммутатора, дифференциальный усилитель, нуль-индикатор и измеритель отношения частот, причем выход масштабного преобразователя напряжения и источник опорного напряжения подключены через первый коммутатор к входу напряжения термоэлектрического множительного устройства, а выход масштабного преобразователя тока и калибратор постоянных напряжений - через второй коммутатор к входу тока указанного множительного устройства, выход которого подключен также к первому входу дифференциального усилителя, к второму входу которого подключен выход калибратора постоянных напряжений, а выход дифференциального усилителя соединен с нуль-индикатором, генератор опорных частот подключен к первому входу измерителя отношения частот, второй вход которого соединен с выходом преобразователя напряжения в частоту, при этом термоэлектрическое множительное устройство имеет коэффициент преобразования по каналу тока, равный единице, а преобразователь напряжения в частоту выполнен с коэффициентом преобразования, равным отношению частоты генератора опорных частот к напряжению калибратора постоянных напряжений.

Фиг.2