Универсальный цифровой прибор Советский патент 1983 года по МПК G01R13/02 

(54) УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ЦИФРОВОЙ ПРИБОР

Изобретение откосится к цифровой электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения напряжений, токов, активной, реактивной и полной мощности, фазовых сдвигов, коэффициента мощности.

Известен универсальный измерительный прибор для измерения электрических параметров Cl1.

Однако указанный прибор позволяет измерить цифровыми методами только напряжение, ток и сопротивление, что существенно ограничивает область его применения в качестве собственно . мультиметра.

Известен также универсальный цифровой прибор, предназначенный для измерения, тока, напряжения, активной, реактивной и полной мощности и коэффициента мощности, содержащий шунт в цепи тока, преобразователи напряжения во временной интервал и напряжения в частоту,хронизатор, реверсивные счетчики активной и реактивной мощности, соединенные между собой устройство возведения в квадрат и извлечения квадратного корня и делитель кодов, вклкг ающий. соединенные вентилями переноса счетчики полной

мощности и COS If ,и логические элементы .

Недостатками этого прибора являются : наличие методических погрешностей, если форма исследуеколх сигнгшов отличается от синусоидальной, ограниченный класс -решаемых задач, так как этот прибор не позволяет проводить измерение амплитуд и действую10щих значений высших гармоник токов и напряжений, а также мощности и фаз высших гармоник.

Целью изобретения является повышение точности и расширение функци15ональных возможностей.

Поставленная цель достигается тем, что в универсальный цифровой прибор, содержащий подключенные к первой входной шине и последователь20но соединенные шунт в цепи тока и блок управления, первый и второй выходы которого подключены соответственно к управлжощему и информационному входам преобразователя ана25лог-код, а второй вход - к второй входной шине, квадратор, выход которого подключен к первому входу делителя кодов, анализатор фазы, реверсивные счетчики активной и реак30тивной мощности, первый и второй элементы И, счетчик фазы, введены измеритель квадратурных составляющи четыре реверсивных счетчика, два цифровых компаратора, третий и четвертый элементы И, блок списывания информации, вычислитель тригонометрических функций, перемножитель кодов и блок логики, причем, выход преобразователя аналог-код подключе к измерителю квадратурных составляю щих, первый выход которого подключе к первым входам первого и третьего элементов И, вторые входы первого и второго элементов И подключены к тр тьему выходу блока управления, четвертый выход которого подключен соо ветственно к второму и первому вход третьего и четвертого элементов И, вторые входы второго и четвертого элементов И подключены к второму вы ходу измерителя квадратурных составляющих , выходы четырех элементов И подключены соответственно к первы входам четырех реверсивных счетчико вторые входы которых подключены соо ветственно к выходам блока списывания информации, другие выходы которого подключены к входу квадратора, второму входу делителя кодов, первым входам реверсивных счетчиков активной и реактивной мощностей и входам перемножителя кодов, управляющий вход блока списывания -информации подключен к пятому выходу бло управления, информационные входы его подключены соответственно к пер вым выходам четырех реверсивных счетчиков, к выходам реверсивных счетчиков активной и реактивной мощ ностей, вторые Bxojcttj которых подключены соответственно к выходам перемножителя кодов, третьи входы к. соответствующим выходам блока логики, входы которого подключены соответственно к анализатору фазы и вторым выходам четырех реверсивных счетчиков, третьи выходы первог и второго реверсивных счетчиков под ключены к входам первого цифрового компаратора, третьи выходы третьего и четвертого реверсивных счетчиков подключены к входам второго цифрово го компаратора, выходы двух цифровы компараторов подключены соответственно к первым и вторым входам вычислителя тригонометрических функций и анализатора фазы, выходы кото рых подключены к счетчику фазы, при этом третий.вход вычислителя тригонометрических функций подключен к выходу делителя кодов. На чертеже приведена блок-схема универсального цифрового прибора. Устройство содержит шунт 1, блок 2 управления, преобразователь 3 аналог-код, измеритель 4 квадратурных составляющих, элементы И 5-8, реверсивные счетчики 9-12, цифровые компараторы 13 и 14, блок 15 списывания информации, квадратор 16, делитель 17 кодов, перемножитель 18 кодов, вычислитель 19 тригонометрических функций, счетчик 20 фазы, анализатор 21 фазы, реверсивные счетчики 22 и 23 активной и реактивной мощностей, блок 24 логики. Токовый вход прибора через шунт 1, а вход напряжения непосредственно соединены с двумя входами блока 2 управления. Блок 2 управления служит для задания режимов работы прибора, для подключения на вход преобразователя 3 аналог-код либо исследуемого напряжения, либо падения напряжения на шунте 1, пропорционального исследуемому току, и для формирования импульсов запуска преобразователя 3 аналог-код в определенные моменты времени. Для этого блок 2 управления соединен по первому выходу с информационным входом, а по второму выходу - с управляющим входом преобразователя 3 аналог-код. Выход последнего связан с входом иэмерит.еля 4 квадратурных составляющих, первый выход которого подключен к входам элементов И 5 и 7, а второй выход - к входам элементов И б и 8, вторые входы первого и второго элементов И 5 и б соединены с третьим выходом блока 2 управления, второй и первый входы третьего и четвертого элементов И 7 и 8 - с четвертым выходом блока 2 управления. Выходы элементов И 5 - 8 соединены с первыми входами реверсивных счетчиков 9-12 соответственно. Реверсивные .. ч счетчики 9-12 попарно соединены с цифровыми компараторами 13 и 14. Вторые входы реверсивных счетчиков 9 - 12, а также входы реверсивных счетчиков 22 и 23 активной и реактивной мощностей подключены к информационным входам блока 15 списывания информации и к входам квадратора 16, делителя 17 кодов и перемножителя 18 кодов. Управляющий вход блока 15 списывания информации подключен к пятому выходу блока 2 управления, а его информационные входы - к выходам всех шести , реверсивных счетчиков 9 - 12, 22, 23. Квадратор 16 соединен с делителем 17 кодов, а последний через вычислитель 19 тригонометрических функций - с входом счетчика фазы 20, к которому подключен также анализатор 21 фазы, входы вычислителя 19 тригонометрических функций и анализатора 21 фазы подключены к выходам цифровых компараторов 13 и 14, выход перемножителя 18 кодов соединен с входами реверсивных счетчиков активной 22 и реактивной 23 мощноетей, третьи входы ( входы реверса которых связаны с выходами блока 24 логики. Входы блока 24 логики и анализатора 21 фазы соединены с третьими выходами счетчиков 9-12 Устройство работает следующим образом. При измерении тока переключатель вида работ блока 2 управления находится в режиме измерения тока. На преобразователя 3 аналог-код с первого выхода блока 2 управления подается напряжение с шунта 1. Одновременно с этим происходит подготовка к работе элементов И 5 и б, путем подачи на их вторые вход напряжения, равного уровню логической единицы с третьего выхода блока 2 управления. С второго выхода блока 2 управле ния поступают запускакндие импульсы на преобразователь 3 в моменты времени tg. В эти моменты преобразователь 3 аналог-код преобразует мгно венные значения тока i(t) в соответствующие коды, которые поступают на вход измерителя 4 квадратурных составлякицих, где за один или несколько периодов i(t ) (цикл измерения ) производится определение квадратурных составляющих 1л)х. Uv соответствукзщей гармоники i(t) . -t m-i v/-lfr| e)5ivi0w - число точек дискретиза-. ции исследуемого сигнала Siriiujt, - коды нормированных гармо cosDurK ,м,. yjjj g точках дискретизации . 1 с первого выхода измери теля 4 квадратурных составляющих через элемент И 5 записывается в-ре версивный счетчик 9 а код 1, со второго выхода измерителя 4 через элемент И 6 записывается в реверсив ный счетчик 10. После окончания цикла измерения по сигналу с блока 2 управления прекращается подача падения напряж ния с шунта 1 на входы преобразова теля 3 аналог-код. Одновременно сигнгш с пятого вы да блока 2 управления поступает на управляющий вход блока 15 списывани информации/ при помощи которого коды Iflx и с реверсивных счет чиков 9 и 10 вводятся в квадратор 16.. В квадраторе 16 производится вы числение действующего Сили .амплитуд ного 1 значения тока При измерении напряжения переключатель блока 2 управления находится в режиме измерения напряжения. На вход преобразователя 3 аналог-код с первого выхода блока 2 управления подагется изм€ ряемое напряжение. Одновременно подготавливаются к работе элементы И 7 и 8 путем подачи на их входы напряжения, равного уровню логической единицы с четвер-г того выхода блока 2 управления. Блок 2 управления начинает формировать по первому выходу импульсы запуска преобразователя 3 аналог-код, которые поступают на последний со второго выхода блока 2 управления в моменты времени tj. В эти моменты преобразователь -3 аналог-код преобразует мгновенные значения напряжения U(t) в соответствующие коды, которые поступают на вход измерителя 4 квадратурных составляющих, где за один или несколько периодов 0(.) (цикл измерения) производится определение квадратурных составляющих Ол и соответствующей гармоники U(tT J М1-1 . . . и. и(Осо5Мш-ЬеVf.o eКод С первого выхода измерителя 4 квадратурных составляющих через элемент И 7 записывается в реверсивный счетчик 11, а код U со второго выхода измерителя 4 через элемент .И 8 записывается в реверсивный счетчик 12. После окончания цикла измерения блок 2 управления прекращает подачу измеряемого напряжения на входы преобразователя 3 аналог-код« Одновременно сигнал с пятого выхода блока 2 управления поступает на управляющий вход блока 15 списывания информации, при помощи которого коды U-p и U-vyC реверсивных счетчиков 11 и 12 вводятся в квадратор 16. В квадраторе 16 производится вычисление действующего (или амплитудного) значения напряжения 1 . I 1 ., При измерении сдвига фаз между напряжением и током переключатель блока 2 управления находится в режиме измерения сдвига фаз. Определение сдвига фаз 1 между исследуемыми гармониками напряжения и тока производится в соответствии с равенством --Ч-.. При этом определение начальной ф зы тока любой гармоники осуществляется в соответствии с выражением Ч-, --or с COS « В этом случае полностью повторяется режим измерения тока как описа выше, а затем код поступает с квадратора 16 на один из входов делителя 17 кодов. На другой вход делителя 17 кодов блоком 15 списывания информации вводится код )у .Код величины выхода делителя 17 кодов поступает на.вычислитель 19 тригонометрических функций, которым решается уравнение ,если (% |$4s° Ч -arcsin ,если1Н. Ч -агссо5 Это сделано для того, чтобы вычислитель 19 тригонометрических фун ций работал по возможности на линей ном участке реализуемых им обратных тригонометрических функций, что поз воляет значительно упростить его ре лизацию при заданной точности вычис Ленин. Режим работы вычислителя 19.триг нометрических функций задается цифровым компаратором 13. Если/lit,, то вычислитель 19 работает в режиме arcs in. Если же/1; / /|- ;, вычислитель работает в режиме arccos. Во втором случае после вычисления углау, про изводится переход к углуА по фор v,-.,, Истинное значение начальной фазы гармоники определяется на основании выражения л,--НЧ „-), где Цд - поправка, определяемая ° пределом, в котором нахо дится начальная фаза исследуемого сигнала (если -90%4,,90, то f 0, если -90, то Чл)о IStf. Знак ф также определяется по ди паэонаи для следует брать знак f, для 180 $1 360знак -. Для определения поправки Ч и ввода ее в счетчик 20 фазы, а так же .для определения знака , служит анализатор 21 фазы. Определение поправки ансшизатором 21 фазы производится по информации о знаке квадратурных составляющих l, . .поступающей на его вход со знаковых разрядов реверсивных счетчиков 9 и 10. Аналогично определяется начальная фаза последуемой гармоники напряжения , согласно выражению vv -ay-tcos в этом случае блоком 2 управления прибор-автоматически переводится в режим измерения напряжения, В результате в счетчике 20 будет зафиксирован код фазового сдвига Ч. При измерении мощности и cosf переключатель блока 2 управления находится в режиме измерения сдвига фаз. Определение активной Ру и реактивной Q,y мощности исследуемой гармоники осуществляется в соответствии с равенствами --44x uvvS Q %4x-%4yРеализуются эти равенства перемножителем 18 кодов, реверсивными счетчиками 22 и 23 активной и реактивной мощности и блоком 24 логики. Работа прибора при определении квадратурных составляющих тока 1 , 1; и- напряжения U , в этом режиме аналогична изложенному. После определения квадратурных составляющих тока и напряжения сигнал с пятого выхода .блока 2 управления, поступает на управляющий вход блока 15 списывания информации. Блок 15 списывания информации вводит в перемножитель 18 кодов сначала коды i)x затем ит , 1 . Произведения этих кодов и) , I Vy и U,)- 1д( с выхода перемножителя 18 кодов записываются в реверсивный счетчик 22 активной мощности с учетом знака произведения. При определении реактивной мощности Q в перемножитель 18 кодов блоком 15 списывания информации вначале вводятся коды U/y , 1 а затем коды i , Произведения этих кодов и , Ц. и 1Ь выхода перемножителя 18 кодов записываются в реверсивный счетчик 23 реактивной мощности с учетом знака произведения. Знаки произведений Цу и,, 1 , Uvv Ivx vv Iv следовательно, и режим работы реверсивных счетчиков активной 22 и реактивной 23 мощностей при записи кодов этих произведений определяются блоком 24 логики, связанным со знаковыми разрядами реверсивных счетчиков 9-12. Для определения полной мощности блоком 15 списывания информации коды активной Ру.и реактивной Q мощностей со счетчкков 22 я 23 соответственно вводятся в квадратор 16, в котором реализуется соотношение S)-- P:J QVПри определении COS код Sv поступает в делитель 17 кодов, в который блоком 15 списывания информации вводится также код активной мощности . В результате на выходе делителя 17 кодов образуется код ). Таким образом, данный прибор позволяет расширить класс решаемых задач за счет измерения характеристик выоиих гармоник. Кроме того, он позволяет повысить точность измерений за счет уменьшения методической погрешности, вносимой несинусоидальностью исследуемого сигнала, и погрешности, обусловленной помехами в исследуемых сигнала. Формула изобретения универсальный цифровой прибор, содержапАИй подключенные к первой вх ной шине и последовательносоединен ные шунт в цепи тока и блок управле ния, первый и второй выходы которог подключены -соответственно к управля щему и информационному входам преобразователя аналог-код, а второй йход - к второй входной шине квадратор, выход которого подключен к первому входу делителя кодов, анали затор фазы, реверсивные счетчики ак тивной и реактивной мовдности, первый и второй элементы И, счетчик фа зы, отличающийся тем, что, с целью повьааения точности и расширения функциональных возможнос тей, в него введены измеритель квад ратурных составляющих, четыре реверсивных счетчика, два цифровых ко паратора , третий и четвертый элемен ты И, блок списывания информации,вы числитель тригонометрических функци перемножитель кодов -и блок логики, причем выход преобразователя аналог- код «подключен к измерителю квад ратурных составляющих, первый выход которого подключен к первым входам первого и . третьего элементов И, вторые входы первого и второго элементов И подключены к третьему выходу блока управления,четвертый выход которого подключен соответственно к второму и первому входам третьего и четвертого элементов И, вторые входы второго и четвертого элементов И подключены к второму выходу измерителя квадратурных составляющих, выходы четырех элементов И подключены соответственно к первым входам четырех реверсивных счетчиков,вторле входы которых подключены соответственно к выходам блока списывания информации, другие выходы которого подключены к входу квадратора, второму входу делителя кодов, первым входам реверсивных счетчиков активной и реактивной мощностей и входам перемножителя кодов, управляющий вход блока списывания информации подключен к пятому выходу блока управления, информационные входы его подключены соответственно к первым выходам четырех реверсивных.счетчиков и выходам реверсивных счетчиков активной и реактивной мощностей, вторые входы которых подключены соответственно к выходам перемножителя кодов, третьи входы - к соответствующим выходам блока логики, входы которого подключены соответ-v ственно к анализатору фазы и вторым выходам четырех реверсивных счетчиков, третьи выходы первого и второго реверсивных счетчиков подключены к входам первого цифрового компат ратора, третьи выходы третьего и четвертого реверсивных счетчиков подключены к входам второго цифрового компаратора, -выходы двух цифровых компараторов подключены соответственно к первым и вторым входам вычислителя тригонометрических функций и анализатора фазы, выходы которых подключены к счетчику фазы, при этом третий вход вычислителя тригонометрических функций подключен к выходу делителя кодов. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Сантони А. .Портативный осциллограф-мультиметр модели 213 Электроника, т. 48, 4, 1975, с.35-36. 2.Авторское свидетельство СССР 517853, кл. G01 R 13/02, 24.03.76,

ifil

uM

Li

X

5/J

с

ff

10

f

г

/

7