Цифровой измеритель мощности Советский патент 1981 года по МПК G01R21/10 

1

Изобретение относится к цифровой электроизмерительной технике и может быть применено для измерения активной и реактивной мощности.

Известен цифровой измеритель мощности, содержащий перемножитель, два интегратора, селектор, цифровое делительное устройство и фазовращатель .

Недостатками устройства являются его малые функциональные возможности и низкая точность измерения.

Известен цифровой измеритель мощности, содержащий три источника эталонного сигнала, первый коммутатор аналогового сигнала, первый вход которого непосредственно, а второй через первый источник эталонного сигнала соединен с шиной первого входного сигнала и с первым входом блока управления, первый выход которого соединен с управляющим входом первого коммутатора аналогового сигнала, выход которого через первый преобразователь соединен с первым входом перемножителя, второй вход которого через второй преобразователь соединен с шиной йторого входного сигнала, третий вход перемножитэля соединен через ключ с выходом второе

го источника эталонного сигнала, выход перемножителя через второй ключ соединен с выходом третьего ключа и со входом интегратора, выход которого через нуль-орган соединен с первым входом цифрового коммутатора, второй вход которого соединен сро вторым выходом блока управления, третий выход которого соединен с управляющими входами всех трех ключей, третий вход цифрового коммутатора соединен с вьлходом генера тора импульсов, первый выход цифрового коммутаюра соединен со входом делителя, управляющий вход которого соединен с третьим выходом блока управления (2 .

Недостатком известного устройства является его низкая точность и

0 малые функциональные возможности.

Цель изобретения - повышение точности измерения и расширение функциональных возможностей.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее три источника эталонного сигнгша, первый коммутатор аналогового сигнала, первый вход которого непосредственно, а второй через первый источник эталонного сигнала соединен с шиной

первого входного сигнала и с первым входом Ьлока управления , первый выход которого соединен с управляющим, входом первого коммутатора аналогового сигнала, выход которого через первый преобразователь соединен с первьш входом перемножителя, второй вход которого через второй преобразователь соединен с шиной входного сигнала, третий вход перемножителя соединен через ключ с выходом второго источника эталонного сигнала, выход перемножителя через второй ключ соединен с выходом третьего ключа к со входом интегратора, выход которого через нуль-орган соединен с перВЫГ/i входом цифрового KOMNtyтатора, второй вход которого соединен со вторым выходом блока управления i- третий выход которого соединен с управляющими входами всех трех ключей, третий вход цифрового коммутатора соединен с выходом генератора импульсов, первый вьгход цифрового KoiviMyTaTopa соединен со входом делителя, управляющий вход которого соединен с четвертым выходом блока управления, введены триггер, блок перезаписи, реверсивный счетчик, делитель напряжения, второй коммутатор аналогового сигнгша и четвертый источник эталонного сигнала, выход третьего ключа соединен с выходом второго KoivSM TaTopa аналогового сигигла ,, первый вход которого непосрердс гвенно,г а второй через делитель напряжения соединены с выходом третьего источника эталонного сигнала, управляющий вход второго коммутатора аналогового сигнала соединен со вторым выходом блока управления, второй вход которого соединен с выходом рвБврсивного счетчика первый и второй входы которого непосредственно, а третий через триггер соединены соответственно со вторым, третьим и четвертым выходами цифрового коммутатора, информационные выходы реверсивного счетчика через блок перезаписи соединены с соответствующими информационными входами делителя, управляющий вход блока перезаписи соединен с управляющим входом делителя, выход четвертого источника эталонного сигнала соединен с третьим входом первого коммутатора аналогового сигнала.

На чертеже представлена блок-схема цифрового измерителя мощности.

Цифровой измеритель мощности содержит перемножитель 1, преобразователи 2 и 3, источники 4-7 эталонного сигнала, ключи 8-10, интегратор 11, нуль-орган 12, коммутаторы 13 и 14 аналогового сигнала, делитель 15 напряжения, блок 16 управления jr цифровой коммутатор 17, генератор 18 импульсов, делитель 19, блок 20 перезаписи, входы которого

подключены к выходам 21 реверсивногр счетчика 22, и триггер 23, причем первый вход коммутатора 13 непосредственно, а второй через источник 6 соединены с шиной 24 первого входного сигнала и с первым входом блока 16. Первый выход блока 16 соеди юн с управляющим входом коммутатора 13, третий вход которого соединен с выходом источника 4,выход коммутатора 13 через преобразователь 3 соединен с первым входом перемножителя 1, второй вход которого через преобразователь 2 соединен с шиной 25 второго входного сигнала. Третий вход перемножителя через ключ 8 соединен с выходом источника 5, ныход перемножителя через ключ 10 и ключ 9 соединен с выходом когугмутатора 14, первый выход которого непосредственно, а второй через делитель 15 соединен с источником 7. Управляющий вход коммутатора 14 соединен со вторым выходом блока 16 и с первым входом цифрового коммутатора 17, первый вход которого через нульорган 12 и интегратор 1 соединен с выходом ключа 10, управляющий вход которого соединен с управляющими входами ключей 8, 9 и с третьим вьоходом блока 16, четвертый выход блока 16 соединен с управляющими входами, блока 20 перезаписи и делителя 19, вход которого соединен с первым выходом коммутатора 17 второй и третий выходы которого непосредственно, а четвертый через триггер 23 соединены с соответствующими входами реверсивного счетчика 22,информационные выходы которого через блок 20 соединены с соответствующими информационными входами делителя 19, выход генератора 19 соединен с третьим входом коммутатора 17, выход реверсивного счетчика соединен со вторым входом блока 16.

Цифровой измеритель мощности работает следующим образом.

В дтервом такте коммутатор 13 соединяет преобразователь 3 с шиной 24, коммутатор 14 соединяет делитель 15 с ключом 9, ключ 8 закрыт, а реверсивный счетчик 22 и триггер 23 установлены в нулевое состояние. При синусоидальных значениях напряжений U(t) Uf sinojtH тока i {t)

sin (uo t - vp ) на шинах 24 и-25

m

напряжение на выходе перемножителя 1 определяется выражением

Ещ Кр ) - хо (t) КпKVХКи- U(t) - i (t) Kp-U(t) i (t)

sinuJt-sin {uJt+)

К

и,

m ч

Кг ,Ujp -Iro .cosH3 -cosiaOt-fS) (-1),

поскольку йреобразователи 2 и 3 пребраэуют ток i(t) и напряжение U(t) в пропорциональные им сигналы

xi(t) Ki . i(t)(2)

Хц (t)

U{t) , где К; и Kjj - коэффициенты пре образования блоков 2 и 3 соответственно, К - коэффициент передачи перемножителя;п ч U Ф - угол сдвига фаз между напря |Жением и током; Ufn, Im соответственно амплитуд ные значения напряжения и тока. При переходе через нуль напряжения u(t) блок 16 управления открывает коммутатор 17 и ключ 10. Импульсы с частотой f следования генератора 18 импульсов в течение полупериода напряжения и{t).поступают на вход триггера 23, вследстрие чего в счетчике 22 зафиксируется число импульсов, равное NT/2 f Т/2. В момент Т/2 блок 16 управления переключает коммутатор 17 в положение, при котором прекращается поступление импульсов на вход триггера 23, а разрешается поступление на вычитакмдий вход реверсивного счетчика 22. Поэтому с приходом на вычитающий вход gимпульсов реверсивный счетчик переходит в нулевое состояние, вследствие чего сигнал с его выхода нуля поступает на вход блока 16 управления, который закрывает ключ 10 и открывает ключ 9. Ключ 10 открыт только на время ЭТ/4. В процессе интегрирования в интеграторе 11 напряжения (1) выходное напряжение интегратора 7 примет значение iTrt UuHT. , - cos(2a;t-H ) . dt . ST/-43T/X cds4 dt -J cos (2u;t- P )dt n t VrГ, ( + )i Kp Umim /il. cos4 - - к I 7FU2 ip 7Г - Kp-Um-Im-C05f-yr, Kp-Unrlm t.t)-Um- Im 8t.AV ЪТ1 :рит-1|пС05Ф sin2oJ T+4 -sm4

TkpUmlmSinP , Bnt

Так как Рд Urn m cosvp и О UfT, Im sin значения активной и реактивной мощности в исследуемой нагрузке, то выражение (З) принимает вид ькр .т .р, Кр T-Q Snt Во втором такте двутактного интегрирования блок 16 управления открывает ключ 9, и напряжение к , с вы хода делителя 15 напряжения через коммутатор 14 и ключ 9 поступает на вход интегратора 11, разряжая напряжение интегратора 11 до нулевого уровня, который фиксируется нуль

выражение (8) принимает вид

50

т N

органом 12. Поэтому спрайедливо соотношение)±К-и . V ас ъг(с I г оп За время t, в реверсивном счетчике 22 по вычитающему входу зафиксируется код числа tq-KpT f Q гГо ек-ирДь- а- Г/, где к - коэффициент передачи делителя 15 напряжения. Во втором такте аналого-цифрового преобразования ключ 10 открывается на время, кратное периоду исследуемых колебаний на шинах 24 и 25. Поэтому при интегрировании напряжения (2) в течение периода Т на -выходе интегратора имеется напряже;ние .kp-u -I -cosp , It которое во втором такте разряжается выходным напряжением источника С при переводе коммутатора 15 в положение, когда ключ соединен с источником 7. Отсюда k p-r-u-I -00543 Ь - J и„„о11 О., гг Ко° На суммирующий вход счетчика 22 с выхода коммутатора 17 поступает число импул эсов, равное V - г - , 2-foV 2 и В счетчике 22 с учетом (5) зафиксируется код числа , N--N -N foKpCrr Путем выбора Г м к т пропорциональный значению реактивной мощности (5, но зависящий от значения коэффйадсента Кр и периода Т исследуе№лх колебаний, что ограничивает точность и частотный диапазон измерений. Для устранения этого недостатка вводят дополнительный такт измерения,до начала которого коммутатор 2 соединяет преобразователь 3 с источником 4, а также открывается ключ 8. Поэтому напряжение

на выходе перемножителя (5) определется выражением

Епг K;,Ci (t) t E - -Kp E . i (t) Kp- E lo , (10) где E - напряжение на выходе источника 4;

TO - значение постоя}зного тока, протекающего через ключ 8. Блок 16 управления открывает ключ 10 на время Т,и к моменту окончания периода Т напряжение на выходе интегратора принимает значение

ИНТ,г4ЬрЕгМ | рЧ При симметричной относительно оси абсцисс форме колебаний тока составтляющая S1 E-u(t)olt-o ,

(И)

01 )

Блок 16 управления открывает ключ 9, а коммутатор 19 соединяет ключ 13 с источником 7. В процессе разряда напряжения .b ° нуля справедливо соотношение

.

Р V i on

Отсюда за время tj, с выхода селектора на вход делителя 19 поступает число импульсов

(il)

Р.

и,

О1

оп

|По сигналу, поступающему на вход блока 20 перезаписи, код числа (8), зафиксированный в счетчике 22, переписывается в делитель 19, в котором находится отношение чисел, С учетом (8) и (12)

Q би.,„пх

-Q

fokpT

в ПК -Р

о

и,

о

on

Отсюда получаем

N Nl Q 8ПК РО

ИЗ)

пропорциональность кода числа N/Nj, получаемого в делителе 19 значения реактивной мощности Q при выборе 8ПКРо, кратном 10 . Выражение (13) не зависит от периода Т исследуемых колебаний, от значения коэффициентов передачи (Кр- К Кц ) преобразовате,лей 2, 3 и перемножителя 1, значения частоты fg генератора 18, что позволяет значительно повысить точность измерения.

Измерение значения активной мощности осуществляется по следующему алгоритму.

f В первом такте при измерении активной мощности блок 16 управления на время Т п Т открывает ключ: 10, подавая напряжение Ер, KpU(t)K . i (t) перемножителя 1 на вход ин.. тегратора 11. В течение второго такта интегрируется напряжение UQ, источника 7 опорного напряжения до момента равенства нулю выходного напряжения интегратора. За время t,j выхода коммутатора 17 на вход делителя 12 поступает следующее число импульсов

„.п Т-Кс

f 4

(«) оЧ

и

оп

В третьем такте блок 16 управления открывает ключ 8, а коммутатор 13 соединяет преобразователь 3 с источНИКОМ 6. Источник 5 подает на вход

перемножителя 1 постоянный ток о Напряжение U{t) суммируется с постоянным напряжением UQ источника 6 и подается на вход преобразователя 3. При открытии ключа 10 на время п х т

напряжение с выхода перемножителя 1 интегрируется в интеграторе 11. В течение четвертого такта интегрируется напряжение Upn источника 7 до момента равенства нулю напряжение на

выходе интегратора 11. За время ty на вход делителя 19 с выхода коммутатора 17 поступает число импульсов

V oV °{; (), 5)

где PC Up. io.

Разделив выражение (Т) и (15) получаем

.-(v

Отсюда РХ РО 1 (N-л- Ny ) , а отношение J- вычисляетсяв делитеQ NSL-N

ле (12), результат измерения не зависит от значения параметров узлов, вход51адих в цепь аналого-цифрового преобразования.

Таким образом,предлагаемое устрояство измеряет как активную так и реактивную мощность, что расширяет его функциональные возможности.

Формула изобретения

Цифровой измеритель мощности, содержащий три источника эталонного сигнала,- первый коммутатор аналогоiS вого сигнала, первый вход которого

непосредственно, а второй через первый источник эталонного сигнала соединены с шиной первого входного сигнала и с первым входом блока управления, первый вход которого соединен с управляющим входом первого коммутатора аналогового сигнала, выход которого через первый преобразователь соединен с первым входом перемножителя, второй вход которого через второй преобразователь соединен с шиной второго входного сигнала, третий вход перемножителя соединен через ключ с выходом второго источника эталонного сигнала, выход перемножителя через второй ключ соединен с выходом третьего ключа и со входом интегратора, выход которого через нуль-орган соединен с первым входом цифрового коммутатора, второй вход которого соединен со вторым выходом блока управления, третий выход которого соединен с управляющими входами все трех ключей, третий вход цифрового коммутатора соединен с выходом генератора импульсов, первый выход цифрового коммутатора соединен со входом делителя, управляющий вход которого соединен с четвертым выходом блока управления, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и повышения точности, в него введены триггер, блок перезаписи, реверсивный счетчик, делитель напряжения, второй коммутатор аналогового сигнала и четвертый источник эталонного сигнала, вход третьего ключа соединен с выходом второго коммутатора аналогового сигнала, первый вход которого непосредственно, а второй через делитель напряжения соединены с выходом третьего источника эталонного сигнала, управляющий вход второго коммууатора аналогового сигнала

0 соединен со вторым выходом блока управления, второй вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, первый и второй входы которого непосредственно, а третий

5 через триггер соединены соответственно со вторым, третьим и четвертым выходс и цифрового коммутатора, информационные выходы реверсивного счетчика через блок перезаписи соеди0нены с соответствующими информационными входами делителя, управлякяций вход блока перезаписи соединен с управляющим входом делителя, выход четвертого источника эталонного

5 сигнала соединен с третьим входом первого коммутатора ангшогового сигнала.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1,Авторское свидетельство СССР

0

№ 516960, кл. G 01 R 12/02, 14.08.74,

2.Авторское свидетельство СССР

577466, кл. G 01 R 29/04, 09.07.76.

f- -Т