УСТРОЙСТВО для ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Советский патент 1973 года по МПК G01R11/17 G01R21/06 

Изобретение относится к устройствам для измерения электрической энергии переменного тока с частотным выходом, содержащим преобразователи входных величин тока и напряжения, линейные преобразователи однополярного напряжения в частоту с идентичными характеристиками и счетчики импульсов.

Известные устройства этого типа сложны и мало надежны и, кроме того, не обеспечивают высокой точности из-за погрешностей многократных преобразований входных величин.

Цель изобретения - повышение точности измерения и упрощение устройства. С этой целью в предлагаемом устройстве для выполнения нелинейной операции возведения в квадрат суммы и разности преобразуемых напряжений применяют два линейных преобразователя, на вход одного из которых вместе с опорным напряжением подается через преобразователи входных величин сумма двух преобразуемых напряжений, а на вход другого- разность этих вапряжеиий вместе с опорным напряжением.

На фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема двухтактного линейного преобразователя напряжения описываемого устройства; на фиг. 2 -блок-схема описываемого устройства; на фиг. 3 - один из возможных вариантов выполнения преобразователей входных величин тока и вапряжения.

В двухтактном преобразователе напряжения зависимость частоты автоколебаний от величины входного напряжения близка к линейной и быть приближенно выражена формулой:

1 г.1тт,

где S - сечение сердечника трансформатора; BS - индукция насыщения материала сердечника;

W - числа витков в коллекторных обмотках, которые предполагаются равными.

Длительность

обоих полупериодов напряжения обратно пропорциональна входному напряжению: Т25 ГВ

1

(2)

i/BX

Если на вход преобразователя помимо напряжения t/o дополнительно включить напряжения и и t/a, как показано на фиг. 1, то для обеих частей преобразователя входное напряжение будет разным по величине. Действительно, для левой (по схеме) части преобразователя входное напряжение будет равно:f/BX. 0-f(f/:+.), a для правой: вх. 0 - (t/1 - .). в этом случае будет также разной и длительность полунериодов генерируемого напряжения. В соответствии с формулой (2) в случае, когда транзистор TI открыт, а занерт, длительность полунериода будет равва: в гз) f/o + (U, + и) а при запертом TI и открытом Га: 2SWBs f/o-(«i-f -2) Длительность полного периода будет равна сумме Q + Q2 и выражается формулой: Г .(5) ul(Ui + U,) Соответственно, выражение для частоты выходного напряжения преобразователя будет иметь вид: f/O(i/l + f/2) Г 4SWBs 0 Если в схеме на фиг. 1 в обеих ветвях изменить полярность одного из входных напряжений, например Uz на противоположную, то можно получить для этого случая формулу, сходную с выражением (6); f,, 0 (Ui-U,y 4SWBs 0 И отличающуюся от него тем, что второй член в числителе представляет собой квадрат разности напряжений Uj и U. Вычтя (6) из (7), получим выражение: Af fff -I-Z/O A/ / - / ,(8) из которого следует, что разность частот пропорциональна произведению напряжений Ui и f/2 при условии, что напряжение UQ поддерживается строго постоянным. Приведенные соотношения справедливы лри условии, что напряжения U и Uz неизменны по величине или скорость их изменения такова, что за время, равное длительности периода Т , прирапдения величины напряжений будут пренебрежимо малыми. Кроме того, соотношение между величинами напряжений f/o, Ui и Uz должно быть таково, чтобы результирующее напряжение в любом случае было той же полярности, что и L/o и находилось в линейной области характеристики преобразователя. Интеграл от про-изведения Ui-Vz по времени пропорционален количеству периодов разностной частоты Д/ за определенный промежуток времени. Для того, чтобы рассмотренным способом можно было преобразовывать переменные напряжения, необходимо подбирать параметры преОбразователя и величину опорного напряжения Uo с таюим расчетом, что:бы длительность периода преобразуемых напряжений в несколько десятков раз превышала длительность .периода выходного -наиряжения преобразователя. Теоретический анализ показывает, что погрешности преобразования будут меньше 0,1% при условии, если собственная частота преобразователя приблизительно в сорок раз Превосходит частоту преобразуемых натряжений. Напряжение и ток цепи, в которой измеряется расход энергии, с помощью вспомогательных устройств ВУ и ВУз (см. фиг. 2) преобразуются в напряжения определенной величины Ui и f/2, соответственно, пропорциональные ВХОДНЫМ величинам, которые затем подаются на входы преобразователей напряжения в частоту Пр1 и Пр. Вспомогательные устройства должны удовлетворять двум основным требованиям: вопервых, обеспечивать высокую точность преобразователя, и, во-вторых, иметь сдвоенные выходы, несвязанные между собой гальванически, для того чтобы можно было снимать два идентичных по величине и фазе выхоцных .напряжения, Пропорциональных одной и то-й же входной величине. В случае лреобразования неременного тока и напряжения в роли вспомогательных устройств могут быть использованы измерительные трансформаторы. Преобразователи flpi и Пр питаются от общего источника oinopHoro напряжения UQ и должны иметь идентичные характеристики. Зависимость частоты от управляющего напряжения должна быть линейной или хорошо аппроксимироваться на некотором участке прямой, смещенной или не смещенной относительно начала координат. Преобразователи должны допускать раздельное регулирование длительности полупериодов выходного напряжения. Этим требованиям удовлетворяют рассмотренный выше двухтактный преобразователь с насыщающимся трансформатором, транзисторный мультивибратор с раздельным уп,равлением током перезаряда емкостей по базовым цепям и другие типы устройств. На блок-схеме на фиг. 2 условно показано, что напряжения Ui и U2 включаются в управляющие ветви преобразователя Пр1, буучи соединенными между собой согласно, а преобразователя Пр2- встр-ечно. При этих условиях выходные частоты- преобразователей Пр и Я/92 В общем виде будут определяться выражениями + a(t/i+.); f, f,+ а. (U, и,) де /о и а - постоянные величины, зависящие от параметров иреобразователей.

С учетом требований к идентичности характеристик постоянные /о и о, у обоих преобразователей должны быть равными по величине.

С .помощью счетчиков импульсов Сч и Сч (см. фиг. 2) определяется количество имнульсов частоты /, и. /г за определенный интервал времени ,.

Разность -показаний счетчиков Сч, и Сч2 с учетом формул (9) и (10) будет равна:

AA A(f2-/,) ,,.(11)

В том случае, когда напряжения t/i и Uz представляют собой синусоидальные величины, формула (II) будет иметь вид

N ,U,.f,,(12)

где Ui и /2 -эффективные значения напряжений /1 и Uz. Ф -угол сдвига фаз между Ui

и t/2.

Из формулы (12) следует, что разность показаний счетчиков пропорциональна энергии потребляемой в цепи.

На фиг. 3 показана схема вспомогательного преобразователя для подключения основных преобразователей к измеряемой цепи.

Он состоит из двух трансформаторов тока TTt и TTz, вторичные цепи .которых замкнуты на активные сопротивления, и трансформатора напряжения ТН с выходными обмотками.

Предмет изобретения

Устройство для измерения электрической зиергии переменного тока с частотным выходом, содержащее преобразователи входных величин тока и цапряжения, линейные преобразователи однополярного напряжения в частоту с идентичными характеристиками и счетчики импульсов, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения и упрощения устройства, в нем для выполнения нелинейной операции возведения в квадрат суммы и разности цреобразуемых напряжений применено два линейных преобразователя, на вход одного из которых вместе с опорным напряжением подается через указанные преобразователи входных величин сум;ма двух преобразуемых напряжений, а на вход другого - разность этих напряжений вместе с опорным напряжением.

поп

поп

и,

Vuz. 3