Цифровой измеритель мощности Советский патент 1981 года по МПК G01R21/06 

Настоящее изобретение относится к цифровой электроизмерительной технике и может найти применение при построении измерителей активной и реактивой мощности непрерывных и импульсно-модулированных синусоидальных колебаний.

Известно устройство, содержащее два интегратора, переключатели, блок управления, преобразователи напряжения в ток, счетчики и коммутаторы 1.

Недостатком этого устройства является его низкая точность.

Известно устройство, содержащее преобразователь тока в напряжение, вход которого соединен с шиной входного сигнала, а первый выход - с первым входом блока управления, второй вход которого соединен со вторым выходом преобразователя тока в напряжения и через нагрузку - с общей шиной; третий вход блока управления соединен с выходом источника опорного напряжения и с первыми входами первого и второго переключателей, вторые входы которых соединены с выходом квадратора, входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами блока управления, третий и четвертый выходы которого связаны соответственно с третьими входами первого и второго переключателей, выходы которых соединены соответственно

с входами первого и второго интеграторов; управляющий вход первого интегратора соединен с пятым выходом блока управления, шестой выход которого соединен с первым входом селектора, а седьмой - с четвертым входом первого переключателя; четвертый вход второго переключателя соединен с выходом первого интегратора, выход второго интегратора соединен с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с общей шиной, а выход - с вторым входом селектора, третий вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а первый выход - с входом счетчика 2.

Недостатком известного устройства является его низкая точность.

Цель изобретения - повышение точности измерителя.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее преобразователь тока в напряжение, вход которого соединен с шиной входного сигнала, а первый выход - с первым входом блока управления, второй вход которого соединен с вторым ВЫХОДОМ преобразователя тока в напряжение и через нагрузку - с общей .шиной, третий вход блока управления соединен с выходом источника опорного напряжения и с первыми входами первого и второго переключателей, вторые входы которых соединены с выходом квадратора, входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами блока управления, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с третьими входами первого и второго переключателей, выходы которых соединены соответственно с входами первого и второго интеграторов, управляюпдий вход первого интегратора соединен с пятым выходом блока управления, шестой выход которого соединен с первым входом селектора, а седьмой - с четвертым входом первого переключателя, четвертый вход второго переключателя соединен с выходом первого интегратора, выход второго интегратора соединен с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с общей шиной, а выход соединен со вторым 1входом селектора, третий вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а первый выход - со входом счетчика, введены два умножителя частоты, блок сравнения кодов, коммутатор и реверсивный счетчик, причем управляющие входы умножителей частоты соединены с соответствующими выходами счетчика, а выходы подключены ко входам коммутатора, управляющий вход которого соединен с восьмым выходом блока управления, а выход подключен к первому входу реверсивного счетчика, второй вход которого соединен с вторым выходом селектора, а выход - с четвертым входом селектора, третий и четвертый выходы которого соединены с входами соответствующих умножителей частоты, а пятый выход соединен с управляющим входом блока сравнения кодов, входы которого соединены с соответствующими выходами счетчика и первого умножителя частоты.

На чертеже представлена блок-схема цифрового измерителя мощности.

На схеме представлены нагрузка 1, преобразователь 2 тока в напряжение, блок 3 управления, квадратор 4, источник 5 опорного напряжения, переключатели 6, 7, интеграторы 8, 9, компаратор 10, селектор 11, генератор 12 тактовых импульсов, счетчик 13, умножители 14 и 15 частоты, блок 16 сравнения кодов, реверсивный счетчик 17 и коммутатор 18, причем вход преобразователя 2 соединен с щиной 19 входного сигнала, а первый выход соединен с первым входом блока 3, второй вход которого соединен со вторым выходом преобразователя 2 и через нагрузку 1 - с общей шиной 20, третий вход блока 3 соединен с выходом источника бис первыми входами переключателей 6, 7, вторые входы которых соединены с выходом квадратора 4; входы квадратора соединены соответственно с первым и вторым выходами блока управления, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с третьими входами переключателей 6, 7, выходы которых соединены соответственно с входами интеграторов 8, 9; управляющий вход интегратора 8 соединен с пятым выходом блока 3 управления, шестой выход которого соединен с первым входом селектора 11, а седьмой - с четвертым входом переключателя 6. Четвертый вход переключателя 7 соединен с выходом интегратора 8, выход интегратора 9 соединен с первым входом компаратора 10, второй вход которого соединен с общей щиной, а выход - со вторым входом селектора И, третий вход которого соединен с выходом генератора 12, а первый выход- со входом счетчика 13. Управляющие входы умножителей 14, 15 соединены с соответствующими выходами счетчика 13, а выходы подключены ко входам коммутатора 18, управляющий вход которого соединен с восьмым выходом блока 3, а выход подключен к первому входу реверсивного счетчика 17. Второй вход счетчика 17 соединен со вторым выходом селектора И, а выход- с четвертым входом селектора 11, третий и четвертый выходы которого соединены со входами соответствущих умножителей 14, 15 частоты, а пятый выход соединен с управляющим входом блока 16 сравнения кодов, входы которого соединены с соответствующими выходами счетчика 13 и умножителя 14.

Кроме того, умножители 14 и 15 содержат счетчики 21, элементы И 22 и элементы ИЛИ 23.

Измерение активной или реактивной мощности в устройстве осуществляется путем измерения амплитудного значения тока и синфазной и квадратурной составляющих напряжения в нагрузке с последующим перемножением их цифровых эквивалентов в цифровом множительном устройстве. При синусоидальном значении напряжения ((j)f+(p) и тока Im-sm(j)t в нагрузке измерение амплитудного /т значения тока и синфазного и квадратурного значений напряжения происходит следующим образом.

Сигналом с блока 3 управления напряжение й-/т-зш(() с выхода преобразователя 2 тока в напряжение через блок 3 управления и переключатель 6 на время (Ь-а)Т, кратное периоду Т иследуемых колебаний, подключается ко входу интегратора 8. Переключатель 7 находится в положении, при котором напряжение с выхода интегратора 8 подается на вход интегратора 9. При двойном интегрировании напряжения t/m-sin(() от момента времени аТ до момента ЬТ напряжение на выходе

интегратора 9 примет значение

JJ, .а

инт - f f и sin (t + )dt

,) аТаТ

ЬТ t ,,Sin()

r2- J J аТаТ

ьт f cos (сог + р) - cos (аТ +)dt

(U.TI-T;, J аТ

(b - a}T- cos (юаГ + ю).Т|.-2 L

sln( + 9) - sin (шйГ +)

U)

f/.

(b - a)T- cos (2cit + 9) -

UJ.-rj.Tj

2Т

COS IT: (a + if) + cp|. Sin r.() ,

ШJ

где TI, T2 - постоянные времени интеграторов 8 и 9 соответственно; ф - угол сдвига между напряжением и током в нагрузке.

Если начало (аТ) и конец (ЬТ) интегрирования определяются по сигналу, подаваемому на интегрирование, т. е. по Umsin(( ф), то угол сдвига ф по отношению к этому сигналу равен нулю. При выборе а 0... и & 0,1,2... получаем

// -.Un - Um-T -

2jt-t;i --Сг

С,.Т2

где

k - коэффициент передачи преобразователя 2.

Во втором такте интегрирования переключатель 7 переводится в нижнее положение, вследствие чего интегрируется напряжение UQ с выхода источника 5 до момента равенства нулю, который фиксируется компаратором 10.

Из равенства

+ ±(u,-dt Q

и.т, .-с,TS .1

,о Ть /777

имеем f - ,, и в реверсивном

Ю-ТрС/о

счетчике 17 по вычитающему входу зафиксируется дополнительный код числа

/0-6-7A i /о - -

k-I

(О-Т, .f/o

Jo±T uf 2..г,.У„ где FQ - частота следования импульсов генератора 12.

Во втором такте измерения сигналом из блока 3 управления на время ЬТ переключатель 6 переводится в нижнее положение, вследствие чего напряжение f/o двукратно интегрируется в интеграторах 8 и 9 с последующим -преобразованием во временной |1нтервал

ЬТ tt

,,dt (.

) . J

В счетчике 13 зафиксируется число импульсов с выхода селектора

yv,/.,.

Момент окончания интегрирования определяется компаратором 10. После этого на вход счетчика 21 умножителя 15 начинают поступать импульсы с третьего выхода селектора 11 с частотой следования fo. На выход умножителя 15 поступают импульсы с частотой следования

, N,

которые через коммутатор 18 поступают на суммирующий вход реверсивного счетчика 17 до момента его перехода в нулевое состояние. К этому моменту в счетчике 21 умножителя 15 зафиксируется код числа

N f.-f f,.,

где Ло - информационная емкость счетчиков 21.

Из приведенных выражений очевидно, что

2x.f/o-ft

..N,

k-No

т. е. код в счетчике 21 умножителя 15 пропорционален амплитудному значению с.инусоидального тока. Аналогично можно определить и амплитудное значение Um напряжения Ст-з1п().

Измерение синфазной или квадраторной составляющих напряжения отличается от процесса измерения 1т лищь тем, что опорным сигналом служит не измеряемый сигнал, а сигнал с выхода преобразователя тока в напряжение, т. е. k-lmsinot.

Если блок 3 управления из опорного сигнала -/msincoi сформирует временной интервал (Ь-а) Т, начало которого i

, а конец равен (ЬТ), где ,2,3...,

/„„, LAJlcOS p,

2те-Т -1:2

пропорциональный значению синфазной Um-cos(f составляющей напряжения нагрузки. При подаче во втором такте напряжения разряда через переключатель 7 на вход интегратора 9 получим

,dt 0.

2ПТ1-Т2Т2 .)

О

gQ При квантовании длительности второго такта интегрирования на вычитающий вход реверсивного счетчика поступит число имг пульсов

65

Так как в счетчике 13 зафиксирован код

д,.,

числа /Vj , то в третьем такте

ti

импульсы с частотой следования /о поступают на вход счетчика 21 умножителя 14. Поэтому с выхода умножителя 14 частоты через коммутатор 18 на суммирующий вход реверсивного счетчика 17 будут поступать импульсы с частотой следования f. Вследствие этого к моменту перехода в нулевое состояние реверсивного счетчика 17 в счетчике 21 умножителя 14 зафиксируется код числа

N f.,. N,.,

и в результате имеем

cosT - °-A -и

ЛГо

код числа, который пропорционален значению 7т-со5ф синфазной составляющей напряжения нагрузки. Значение коэффициента ----выбирается равным Ю.

Ло

После нахождения значения синфазной составляющей счетчик 13 сбрасывается в нуль, после чего коммутатор 18 подготавливается к пропусканию импульсов в .выхода умножителя 15 частоты.

При поступлении импульсов с частотой следования /о на вход счетчика 13 на выходе умножителя 15 будут импуль.сы с частотой следования

.

N,

Л-N

/о

I

NONO N,

В момент равенства кода в счетчике 13

N,

:7Vft-- В счетчике 21 умноЛ

коду в

жителя 14 срабатывает устройство 16 сравнения кодов, вследствие чего закрывается селектор II по входу счетчика 13. За время поступления импульсов на входе счетчика 17 имеется число импульсов

N .

fj - f f - f 2 - /Vp / .

/0

N.,

()(t)В результате имеем

ДГ m-COS p k-Np P 2K-Ufb 2те-С/о- (2K.Uob)

k-Nn

X/m-f/m-COS p

(2i.C7o-)

где P Ujnlm-cos(p - значениеактивной

мощностив нагрузке 1.

При измерении реактивноймощности

счетчики 13, 17, 21 умножителя 14 сбрасываются в состояние нуля. Из опорного сигнала блок 3 управления формирует временной интервал длительностью (Ь-а) Т, причем значения

а -, b k+4выбирается из условия, когда (Ь-а) равно целому числу, поэтому smn(b-а) превратится в нуль. Так, при а -, b - k -),

44

где k- 1,2, З...П,

П - m (6-Д) Уsin у) -

Аналогично, как при измерении синфазной составляющей, на вход интегратора 9 во втором такте подается напряжение разряда, вследствие чего на вычитающий вход реверсивного счетчика 17 во втором такте интегрирования поступит число импульсор

Л, Л,....

,-t/o

При двукратном интегрировании напряжения Uf, и его преобразовании во временной интервал в счетчике 13 зафиксируется код числа

д. /V, .

С поступлением импульсов на вход счетчика 21 умнол ителя 14 с выхода селектора 11 До момента перехода в состояние нуля реверсивного счетчика 17 в счетчике 21 умножителя 14 зафиксируется код числа

N :Noi, пропорциональный значению

N

синфазной составляющей напряжения в нагрузке

U,,-sm- .N

NO

При сбросе счетчика 13 в нулевое состояние с последующей подачей импульсов с частотой следования fo на его вход в момент равенства кодов в счетчиках 13 и 21 умножителя 14 в реверсивном счетчике 17 зафиксируется код числа, пропорциональный значению реактивной мощности в нагрузке

Л - m-Sny k-Nu -у

ff. т т -tff г t ve

2if/o (2-nUoby

2jt.f/9ft

kNo

7Л

(2r..f/o6y

где ..

Если в счетчике 21 умножителя 15 зафиксировать код числа° , а в

2-IC-C/J-P 21 умножителя 14 - код числа счетчике то в реверсивном счетчике 17 2т. можно получитр код числа, пропорциональный значению нолной мощности, т. е. д; k-Np-Im /о Ло и,п iTi-Uo-b-fu 2.Т.(/о6 .-fm-k-N -U k-N, (l- -Uo-bY (2r..f/o6)2 где S Um-Im - полная мощность в исследуемой нагрузке. При подаче на вычитающий вход счетчика 17 кода числа r --A±.U,,COS., T. и о а на вход счетчика 13 - кода числа N - .....f/,, В счетчике 21 умножителя 14 после обработки получим код числа, пропорциональнь Й созф исследуемой цепи. т. е. код .. числа со5ф Л/о -i- , характеризующий энергетические параметры нагрузки. В данном устройстве путем цифрового преобразования устранено влияние точноети источника опорного напряжения на результат измерения, что привело к повыще.нию точности измерения, особенно на высоких частотах. Формула изобретения Цифровой измеритель мощности, содержащий преобразователь тока в напряжение, вход которого соединен с щнной входного сигнала, а первый выход соединен с первым входом блока управления, второй вход которого соединен с вторым выходом преобразователя тока в напряжение и через нагрузку - с общей шиной, третий вход блока управления соединен с выходом источника опорного напряжения и с первыми входами первого и второго переключатели, вторые входы которых соединены с выходом квадратора, входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами блока управления, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с третьими входами первого и второго переключателей, выходы которых соединены соответственно с входами первого и второго интеграторов, управляющий вход первого интегратора соединен с пятым выходом блока управления, щестой выход которого соединен с первым входом селектора, а седьмой - с четвертым входом первого переключателя, четвертый вход второго переключателя соединен с выходом первого интегратора, выход второго интегратора соешнен с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с общей щиной, а выход соединен со вторым входом селектора, третий вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а первый Г5ыхад соединен со входом счетчика, о т л и ч а ю щ н и с я тем, что, с целью повышения точности, в него введены два умножителя частоты, блок сравнения кодов, коммутатор и ревепсивный счетчик, причем управляющие входы умножителей частоты соединены с соответствующими выходами счетчика, а выхо. подключены ко входам коммутатор., управляющий вход которого соединен с восьмым выходом блока управления, а выход подключен к первому входу реверсивного счетчика, второй вход которого со вторым выходом селектора, а выход- с четвертым входом селектора, третий и четвертый выходы которого соединены со входами соответствующих умножителей частоты, а пятый выход соединен с управляющим входом блока сравнения кодов, входы которого соединены с соответствующими выходами счетчика и нервого умно/кителя частоты. Источники информации, принятые во вниманне прн экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР jYo 516496, кл. G 01 R 21/06, 05. 12.73. 2.Авторское свидетельство СССР № 661378, кл. G 01R 21/06, 24.05.77 (прототип) .

го