Счетчик постоянного тока Советский патент 1977 года по МПК G01R11/00 

1

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для учета количества электричества в иепях постоянного тока.

В связи с развитием некоторых отраслей промышленности, использующих счетчики ампер-часов постоянного тока, существенно возросли требования к метрологическим характеристикам этих счетчиков. В частности, для пра вильного ведения различных технологических режимов требуются счетчики с широким рабочим диапазоном, в котором сохраняется высокая точность измерения. Например, в передаче энергии постоянного тока требуется учитывать ток, протекающий по линии заземления с относительной погрешностью не ниже 0,5% при изменении тока от О,1 до 1,3 номинального значени я.

Относительная погрешность счетчиков постоянного тока, выпускаемых отечественной промышленностью, в соответствии с ГОСТом 1028-62 нормируется для класса 0,5 в диапазоне от 0,75 до 1,2, а для класса 1,5 - от 0,2 до 1,2 номинального значения тока контролируемой цепи. Электронный счетчик ампер-часов типа СЛ-Ф601,

содержащий формирователь пилообразного напряжения, формирователь счетных импульсов и суммирующий счетчик, имеет более широкий диапазон измерения - от 0,1, до 1,5 D . Однако нормированная относительная погрешность этого счетчика веллка и при токе 0,1 JH составляет +6,0% в диапазоне от 0,5 до 1,2 а„ - 2,5%, а при токе t,5 й 3,0%. Кроме того, дополнительная погрешность счетчика от влияния температуры окружающего воздуха нормируется только для номинального тока и может достигать ±2% на каждые 10°С.

Таким образом, выпускаемые в настоящее время счетчики постоянного тока, как правило, не удовлетворяют требования современной промышленности .

Целью изобретения является создани счетчика постоянного тока широкого назначения, удовлетворяющего современным требованиям. В этом случае относительная погрешность счетчиков во всем диапазоне изменения агрузки, т.е. 0,05 до 1,5 3 Fie должна превышать +0,5%, а его дополните;:ьна я температурная погрешность з номннальг см режиме не должна быть выые ±),2;каждые в рабочем диапазоне температур от. +15 до +35°С. Кроме того, включение счетчика в цепь измеряемого тока должно производитьср с помоигью стандартного шунта, например на 75 мВ Такие параметры могут быть осуществлены в электронном счетчике тока. Однако метрологические характеристики известного электронного счетчика тока (СА-Ф601) не удовлетворяют этим требованиям. Принятое в нем преобразование измеряемого параметра (с шунта 150 мВ) во временной интервал обуславливает появление погрешности дискретности и осуществленное с помощью магнитных элементов приводит к температурному и временному дрейфам. Примененный в счетчике СА-Ф601 интегратор недостаточно линеен, и работа его зависит от длительности интервалов времени, поступаемых с импульсного модулятора, что отражается на метрологических характеристиках счетчика . Схема счетчика сложна (шестнадцать транзисторов, магнитные элементы из пермаллоя). Это снижает технологичность, затрудняет его сборку в условиях производства и усложняет эксплуатацию.

С целью повышения точности и чувствительности предлагаемый счетчик снабжен усилителем постоянного тока, нелинейным преобразователем пилообразного напряжения, формирователем интервала восстановления схемы с времязадающим звеном и ключом восстановления, причем усилитель соединен непосредственно с формирователем пилообразного напряжения, выход которого связан со входом формирователя счетных импульсов через ключ восстановления схемы, а также через нелинейный преобразователь пилообразного напряжения с формирователем интервала восстаногзления схемы, между входом и выходом которого включено времязадающее звено. Лля повьЕиения температурной и BpcMeiiHoft стабильности работы счетчика нелинейный преобразователь пилообрауного напряжения содержит интегрирующее звено и соединенный с ним полевой транзистор, исток которого присоединен к общей точке схемы, а сток - к бале входного транзистора формировг тбгля интервала восстановления схемы и через времязадающее звено - к коллектору выходного транзистора )нного формирователя, база KOTOpoio через pe3HCjOp соединена с коллектором входного транзистора формирователя и через резисторы с базой ключа восстановления, соединенной также чср«: 3 резистор со своим эмиттером, с положительным полюсом источника питания и с змитгером выходного транзистора формирователя, а коллектор ключа носстаиовчения через резиотор подключен к затвору полевого транзистора. Для упрощения и повышения надежности накопительный счетчик импульсов подключен к выходу формирователя интервала восстановления схемы через формирователь счетных импульсов, содержащий однополупериодный выпрямитель, первый, и второй последовательно соединенные конденсаторы и тиристор, управляющий электрод которого

0 присоединен к выходу формирователя интервала восстановления схемы, а анод и катод присоединены к свободным обкладкам соответственно первого и второго конденсаторов, причем об5кладки последнего, одна из которых совместно с катодом тиристора присоединена к общей точке схемы, образуют выход формирователя счетных импульсов, к которому подключена обмот0ка питания шагового двигате/;я, а к обкладке первого конденсатора, соединенной с анодом тиристора, подключен указанный однополупериодный выпрямитель .

На фиг.1 приведена блок-схема опи5сываемого счетчика, на фиг.2 - принципиальная электрическая схема счетчика; на фиг.З - временные диаграммы, поясняющие работу счетчика.

Счетчик постоянного тока содержи; 0усилитель постоянного тока 1, формирователь 2 пилообразного напряжения, нелинейный преобразователь 3 пилообразного напряжения, формирователь 4 интервала t р - времени восстановления схемы, времязадающее звено 5, ключ восстановления схемы 6, формирователь 7 счетных импульсов разной полярности, суммирующий счетчик 8 импульсов .

Усилитель пс.стоянного тока 1 представляет собой операционный усилитель в интегральном исполнении.

Формирователь 2 пилообразного напряжения содержит генераторы стабильного тока - входной 9, компенсирующий 10, выполненные на транзисторах, и интегрирующий конденсатор 11.

Нелинейный преобразователь 3 пилообразного напряжения состоит из интегрирующего звена (12; 13) и полевого транзистора 14.

Формирователь 4 интервала времени восстановления выполнен на транзисторах 1 5 и 1 6 .

Времязадающее звено 5 состоит из резистора 17 и конденсатора 18. Ключ восстановления схемы 6 выполнен на транзисторе 19.

Формировате ль счетных импульсов

о разной полярности счадержит тиристор 20, конденсатиры 2 и 22, о ноиолупернодный выпрямитель 23, резистор.24 и выход 25. Счетчик 8 импульсов выполняетс;я на шаговом двигателе, меха5нически сс)един..-нном со счетным механизмом. Шаювый двигатель работает как поляризованное реле и управляется формирователем 7 импульсами разной полярности. Выходные зажимы счетчика присоединены к шунту 26, устанавливаемому в цепь измеряемого тока, а через резисторы 27 и 28 - ко входу усилителя 1 (фиг,2). Один из входных зажимов усилителя потенциометром 29 через резисторы присоединен к минусу и плюсу соответственно источников U, и -ис / а другой потенциометром 30 - к выходу усилителя 1, который резистор ми 31 и 32 соединен с минусом источника и,, , а резистором 31 - с змитТл 1 тером входного генератора стабильног тока 9. База последнего соединена с общей ТОЧНО схемы 33, а коллектор с одной из обкладок интегрирующего кон денсатора 11, куда также присоединены коллекторы транзистора 19 и генератора 10. База и эмиттер последнего соединены с плюсом источника (J эмиттер кроме того с потенциометром 34 подключен к плюсу источника U Вторая обкладка конденсатора 11 присоединена к общей точке 33. Точка соединения коллекторов транзисторов (генераторов) 9 и 10 интегрирующим звеном 12 и 13 присоединена к затвору полевого транзистора 14, исток ко торого подключен к общей точке схемы 33, сток резистором 35 - к минусу ис точника и , непосредственно к базе входного транзистора 15 формирователя 4 и времязадающим звеном 17, 18 к коллектору выходного транзистора 1 упомянутого формирователя. Эмиттер транзистора 15 делителем 36 соединен с минусом источника U, а коллекто резисторами 37 и 38 - с базами транз сторов соответственно 19 и 16, эмиттеры которых резистором 39 соединены с базой транзистора 19 и непосредственно с плюсом источника U., Выход 40 формирователя 4 резистором 41 соединен с управляющим электродом тиристора 20 формирователя 7. Анод Т1иристора через однополупериодный выпрямитель 23, резистор 24, подключен к источнику переменного напряжения и и к одной из обкладок конденсатора 21, который соединен последовательно с конденсатором 22. Послед ний непосредственно подключен к общей точке схемы 33.и к катоду тиристора 20. Выход 25 формирователя 7 образован конденсатором 22, далее он соединяется со входом шагового двигателя, т.е. с его обмоткой возбуждения. Счетчик постоянного тока работает следующим образом. При отсутствии входного сиг:- ла (измеряемый ток Л равен нулю) транз; сторы 14,15,16 и .19 закрыты. Интегрирующий KOHji6HcaTOp J 1 и конденсатор 13 заряжены до одинакового гтоложи. 1ельного потенциала, приблизитехчьно равного напряжению источника U. Начальные токи генераторов 9 и 10, значение которых определяется положением рабочей точки на входных характери стиках генераторов (начало линейного участка), равны и противоположно направлены. В этом случае уровень напряжения на выходе 40 благодаря наличию конденсатора 18 равен нулю. При подаче сигнала Ug с шунта 26 (J Ф 0) начинается разряд конденсаторов 11 и 13 стабильным током генератора 9, значение которого прямо пропорционально входному напряжению и не зависит от величины напряжения в цепи коллектора транзистора 9, поскольку последний включен по схеме с общей базой. Величина тока разряда определяется коэффициентом усиления транзистора и входным сопротивлением формирователя 2 пилообразного напряжения (резистора 31), которое в устройстве составляет 100-200 ком в зависимости от типа усилителя постоянного тока 1. Разряд конденсаторов 11 и 13 происходит практически линейно, так как ток разряда для данного значения Ug постоянен, параметры элементов 11,12 и 13 также постоянны, а сопротивление полевого транзистора 14 велико, и ток, потребляемый этим транзистором со стороны затвора, намного меньше тока разряда. Разряд конденсаторов 11 и 13 продолжается до тех пор, пока не откроется ключ (19) восстановления схемы. С этого момента начинается заряд конденсаторов током источника восстановление схемы в исходное состояние. При этом на выходе 40 формирователя 4 появляется постоянное напряжение (. +и ) . За время восстановления tg конденсатор 11 заряжается до напряжения +11. . В момент окончания заряда конденсатора 11 (окончания интepвaлatg) напряжение на выходе 40 становится равным нулю, а конденсатор 11 начинает разряжаться током генератора 9 и одновременно через конденсатор 13, напряжение на котором за интервал успевает увеличиться примерно до -|-и (1з бо ; 12 ком) . Напряжение на конденсаторе 13 при этом повышается до сравнения с напряжением на конденсаторе 11. Далее оба конденсатора разряжаются одновременно, примерно до 0,02 и (0,15 в), что соответствует напряжению отпирания транзисторов 14,15,16 и 19 (см. кривые на фиг. 3). После очередного открытия транзистора 19 цикл повторяется. Таким образом перепад напряжения на 1е1-р:.рующем конденсаторе 11 составляети - -0,02 , т.е. для формирования амплитуды пилообразного йапряжения используется 98% напряжения источника. Это обеспечивает максимальное значение крутизны пилоббразного напряжения при данном напряжении источника питания, Частота выходных импульсов на выходе 40 пропорциональна входному напряжению U или, что все равно, измеряемому току. Длительность интервалов времени между двумя выходными импульсами при номинальном значении измеряемого тока равна Т 1 сек, при токе 1/53„ - Т 0,666 сек, при токе 0,05 3ц - Т 20 сек. Время вос становления ехали t - 0,7 мсек. Сигнал с выходг 40 поступает на управляющий электрод тиристора 20 формирователя 7. На аноде тиристора действует положительное напряжение, равное амплитуде однополупериодного напряжения источника U. , приложенного к конденсатору 21 через выпрями тель 23. Конденсатор 22, замкнутый на обмотку питания шагового двигателя, разряжен, а якорь двигателя находится в исходном состоянии. При по ступлении импульса с выхода 40 тиристор 20 открывается, конденсатор 21 разряжается через открытый тиристор 20 и конденсатор 22, который заряжается. При этом через обмотку двигателя проходит импульс тока,сдвигающий якорь двигателя на один шаг. За тем происходит заряд обоих конденсаторов, и через обмотку двигателя про ходит импульс тока в обратном направ лении, возвращая якорь двигателя в исходное положение. Перемещение якоря на один шаг соответствует срабатыванию одного знак младшего разряда суммирующего счетчика импульсов. Постоянная счетчика тока соответственно равн C,.. ЧАС( ( ) С- . гдеК„ - коэффициент преобразования шунта. Предлагаемая схема формирования счетных импульсов разной полярности для питания шагового двигателя отличается простотой и надежностью. Для правильной работы счетчика не обходимо, чтобы соотношение (1) сохранялось постоянным при любом значении входного параметра в диапазоне от 0,05 до 1,53 как при нормальной температуре окружающего воздуха, так и при ее изменении в рабочем диапазо (+15 до +40°С). Для постоянства (1) необходимо, чтобы Т-const , Длительность ин тервала Т при и const определяет ся амплитудой пилообразного напряжения при заряде конденсатора 11 и дву мя моментами времени. Один из лих соответствует окончанию разряда конденсаторов 11 и 13, а другой - началу разряда конденсатора 11, причем tg-t tg . Отсюда следует, что пpиt const интервал-tg тоже должен постоянным и не зависеть от величины входного напряжения и температуры окружающей среды. Так как при данном значении U скорость разряда конденсаторов 11 и 13 постоянна, fo моменты t и t определяются лишь уровнями напряжений, до которых разряжаются конденсаторы 11 и 13 и заряжается конденсатор 11. Указанные уровни в схеме на фиг.2 практически постоянны во времени и не зависят от температуры. Это достигается следующим образом. На выходе нелинейного преобразователя 3 (резистор 12) действует линейное пилообразное напряжение конденсатора 11, а на его выходе (сток транзистора 14) напряжение имеет нелинейный характер. При одновременном разряде конденсаторов 11 и 13 (после момента tj ) напряжение сток-исток транзистора 14 длительное время остается практически постоянным, и транзисторы 15,16 и 19 все это время остаются запертыми. Лишь после того, как напряжение на затворе транзистора 14 достигает напряжения отсечки, ток в цепи его стока начнет изменяться. Когда этот ток достигнет значения тока базы транзистора 15, при котором последний отпирается, транзисторы 16 и 19 также отпираются, что сопровождается началом заряда конденсаторов 11 и 13. Причем конденсатор 11 через переход эмиттер-коллектор ключа (19) быстро заряжается до напряжения +U(. , тогда как конденсатор 13, напряжение на котором является интегралом напряжения конденсатора 11, заряжается медленно, и напряжение на нем за это же время достигает-j-Uj . Благодаря зтому замедляется рост напряжения на затворе транзистора 14 по сравнению с ростом напряжения на конденсаторе Ни соответственно задерживается уменьшение тока базы транзистора 15, который еще некоторое время остается открытым (примерно 0,15 мсек), несмотря на начавшийся процесс восстановления конденсаторов. Это обеспечивает возможность ввода в действие цепи положительной обратной связи по переменному току (17,18), посредством которой при открытии транзистора 16 формируется импульсный ток с крутым фронтом нарастания. Ток, поступая на базу транзистора 15, обеспечивает лавинный характер открытия транзисторов 15,16 и 19 в первой фазе восстановления конденсаторов 11 и 13, т.е. еще

при открытом транзисторе 14, и поддерживает упомянутые транзисторы в бткрытом состоянии во второй фазе восстановления, когда транзистор 14 уже закрыт. Восстановление конденсатора 11 длится до тех пор, пока уменшающийся; по экспотенциальному закону «ГОК звена 17,18 не запрет транзистор 15, Таким образок, момент восстановления схемы, а следовательно, и время восстановления eet определяется лишь постоянными параметрами звена 17,18.

Высокий козффициент использования напряжения источника питания (98%) для формирования пилообразного напряжения с максимально возможной для конкретных парамет- ов схемы крутизной преобразования и фиксирование уровней этого напряжения, а также формирование стабильной длительности интервала восстановления схемы в предлагаемом счетчике тока достигается связью формирователя пилообразного напряжения с формирователем интервала восстановления посредством нелинейного преобразователя, содержащего интегрирующее звено 12,13 и полевой транзистор 14, исток которого присоединен к общей точке схемы, а сток непосредственно - к базе входного транзистора 15 формирователя интервала восстановления схемы и через времязадающее звено 17,18 - к коллектору выходного транзистора 16 зтого формирователя, база которого через резистор (38) соединена с коллекто-ром входного транзистора 15 и через рбзисторы (38,37) - с базой ключа восстановления (19), а эмиттер через резистор (39) - с базой упомянутого ключа, непосредственно с плюсом источниьа и эмиттером ключа (19), колЛек1ор которого подключен ко входу нелинейного преобразователя.

Поскольку входное сопротивление фоЕзмирователя 2 пилообразного напряжения велико (не менее 100 ком), к его входу непосредственно может быть подключен усилитель постоянного тока без согласующих элементов, что значительно упрощает схему счетчика и повышает ее надежность.

Высокое входное сопротивление нелинейного преобразователя 3 обеспечивает линейность пилообразного напряжения формирователя 2, действующего на входе преобразователя 3.

Коэффициент передачи напряжения преобразователя 3, условно принятый равным отношению приращения напряжения на базе транзистора 15 к приращению напряжения за то же время на затворе транзистора 14 в зоне открытия 15, составляет ли.

5Э15

пъ ли

SAT 14

Это означает, что любые изменения уровня срабатывания транзисторов Формирователя 4 и транзистора 14 будут восприняты на затворе транзистора 14 как . Указанное в таком же отношении ослабляет влияние температуры на длительность интервала Т (частоту выходных импульсов), и обеспечивает температурную и временную стабильность счетчика в целом.

Это подтверждается результатами стендового испытания макетного образца счетчика постоянного тока.

Формула изобретения

1.Счетчик постоянного тока, содержащий формирователь пилообразного напряжения, формирователь счетных импульсов, суммирующий счетчик импульсов , отличающийся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности, он снабжен усилителем постоянного тока, нелинейным преобразователем пилообразного напряжения, формирователем интервала времени восстановления нхемы с времязадающим звеном и ключом восстановления, причем усилитель соединен непосредственно с формирователем пилообразного напряжения, выход которого связан со входом формирователя счетных импульсов через ключ восстановления схемы, а также через нелинейный преобразователь пилообразного напряжения с формирователем интервала времени восстановления схемы, между входом и выходом которого включено времязадающее звено.

2.Счетчи.с по П.1, отличающийся тем, что, с целью повышения температурной и временной стабильности его работы, нелинейный преобразователь пилообразного напряжения содержит интегрирующее звено и соединенный с ним полевой транзистор, исток которого присоединен к общей точке схемы, а сток - к базе входного транзистора формирователя интервала времени восстановления схемы и через времязадающее звено - к коллектору выходного транзистора указанного формирователя, база которого через резистор соединена с коллектором входного транзистора форглирователя и через резисторы-с базой ключа восстг.ноЕления, соединенной также через резистор со своим эмиттером, с положительным полюсом источника питания

и с эмиттером выходного транзистора формирователя, а коллектор ключа восстановления через резистор подключен к затвору полевого транзистора.

3.Счетчик ПС пи. 1 и 2, о т л ич а ю щ и и с я тем, что, с целый упрощения и повьлиеш.я Ha.ne-i.HOf:; и ,

Г:уММИруЮЩ5Й СЧеЧЧИК НКПу.1Ь.;-Н ; v ;;;К :-чен к выходу формирователя интерва.па времени восстановления схемы через формирователь счетных импульсов, содержащий однополупериодный выпрямигЬпъ, первый и второй последовательн соединенные конденсаторы и тиристор, управляющий ЗЛектрод которого присоединен к выходу формирователя интервала времени восстановления схемы, а анод и катод присоединены к свободным обкладкам соответственно первход

огШЬ

вого и второго конденсаторов, л}.-ичем обкладки последнего, одна из КОТОРЫХ совместного катодом тиристора присоединена к общей точке схемы, образуют выход формирователя счетных импульсов, к которому подключена обмотка питаниз шагового двигателя, а к обкладке первого конденсатора, соединенной с анодом тиристора, подключен указанный одиополупериодный выпрямитель.

(Ul:

0. Vut.S