Устройство для измерения мощности генератора электротермической установки

 

УСТРСЙ1СТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ i ЖЯДНОСТИ ГЕНЕРАТОРА ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ, содержащее масштабный преобразователь тока, выход которого подключен к первому входу перемножителя и через последовательноv соединен11ые фазовращатель и регулируемый усилитель к первому входу сумматора , второй вход которого подключен к выходу масштабного преобразователя напряжения, а выход - к второму входу перемножителя, выход которого является.выходом устройства, о т л и чающееся тем, что, с целью повьшения точности измерения, в него введены два выпрямителя, генератор имПпульсов, триггер, два реверсивных счетчика, четыре ключа, элемент совпадения, делитель частоты на два , триггер Шмидта и формирователь импульсов, причем входы перемцожителя подключены к выходам сумматора и масштабного преобразователя тока через первый и второй выпрямители соответственно , выход генератора импульсов соединен через первый ключ со счетным входом первого реверсивного счетчика и через второй ключ с входом делителя частоты на два, входы сброса обоих реверсивных счетчиков соединены с входом сброса триггера и входной шиной сброса, вход установки триггера подключен через формирователь импульсов к управляющему входу второго ключа и выходу триггера Шмидта, вход которого соединен с выходом первого выпрямителя, первый выход триггера подключен к управл5иощему входу третьеО ) го ключа и первому входу злемента с совпадения, второй вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, а выход - с входом управления первого ключа, второй выход триггера подключен к управлякщему входу четвертого ключа, счетный вход второго реверсивного счетчика подключен через четвертый со ключ к выходу делителя частоты на два и через третий ключ к четвертому входу первого реверсивного счетчика, оо выход которого соединен с управляющим в5 входом регулируемого усилителя.

СОЮЗ GOBETCHHX

NINUII

РЕСПУБЛИК э(Я) С 01 R 21 06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

М АВТОРСЦОМУ СИИДВТВЪСТВЪ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ. (21) 3362833/18-21 (22) 14. 12; 81 (46) 30.05.84..Бюч. В 20 (72) И,Т.Шпанько (53) 621.317.38(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

В 123616, кл. С 01 R 21/00, 1955.

2» Заявка Франции В 2109083, кл. О 01 R 21/00, 1976. (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ИОЩНОСТИ ГЕНЕРАТОРА ЭЛЕКТРОТЕРИИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ, содержащее масштабный преобразователь тока, выход которого подключен к первому входу перемножителя и через последовательно соединенные фазовращатель.и регулируемый усилитель к первому входу сум,матора, второй вход которого подключен к. выходу масштабного преобразователя напряжения, а выход — к второму входу перемножителя, выход которого является. выходом устройства, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены два выпрямителя, генератор имппульсов, триггер, два реверсивных счетчика, четыре ключа, элемент совпадения, делитель частоты на два, триггер Шмидта и формирователь импульсов, причем входы перемножителя

SU„„1095086 А подключены к выходам сумматора и масштабного преобразователя тока через первый и второй выпрямители соптветственно, выход генератора импульсов соединен через первый ключ со счетным входом первого реверсивного счетчика и через второй ключ с входом делителя частоты на два, входы сброса обоих реверсивных счетчиков соединены с входом сброса триггера и входной шиной сброса, вход установки триггера подключен через формирователь импульсов к управляющему входу второго ключа и выходу триггера Шмидта, вход которого соединен с выходом первого выпрямителя, первый выход триггера 3 подключен к управляющему входу третьего ключа и первому входу элемента совпадения, второй вход которого ñîåдинен с выходом реверсивного счетчика, а выход - с входом управления первого

Ф ключа, второй выход триггера подключен к управляющему входу четвертого ключа, иим счетный вход второго реверсивного счетчика подключен через четвертый ключ к выходу делителя частоты на два и через третий ключ к четвертому «ы входу первого реверсивного счетчика, выход которого соединен с управляющим входом регулируемого усилителя.

109508

Изобретение относится к электроиэмерительной технике и может быть использовано для измерения мощности в нагрузке генераторов, применяющихся в электротермических установках, например, в качестве чувствительного элемента системы автоматического управления выходной мощностью генератора.

Мощность в нагрузке генераторов, которые применяются для индукционного 16 или диэлектрического нагрева материалов или плазмы в зависимости от требований технологического процесса изменяется не более чем на 10-20Х. При этом напряжение и ток нагрузки изменяются на 10-15Х, а фазовый угол составляет 80-87 .

Выходная мощность генератора в основном рассчитывается по данным косвенных измерений. Решение задачи 26 прямого измерения мощности генераторов в диапазоне радиочастот связана с исключением частотной и фазовой погрешностей измерения. Для этого используются устройства, основанные на фазо-2 чувствительном выпрямлении тока или напряжения нагрузки с последующим перемножением двух сигналов постоянного тока, один из которых пропорционален активному току или напряжению при наг-30 рузКе, а другой - напряжению или току.

Известно устройство содержащее масштабные преобразователи напряженчя и тока нагрузки, фоточувствительный выпрямитель, перемножающее устройство, выпрямитель, выход которого через фильтр низких частот включен в коммутирующую цепь фаэочувствительного выпрямителя, и индикатор. На выходе фазочувствительного выпрямителя полу- р чается напряжение, пропорциональное активному току, которое перемножается с выходным. напряжением выпрямителя (1

Однако точность такого устройства недостаточна по следующим причинам.

Измерение-мощности нагрузки осуществляется по формуле

Р = Ugа 3а = 3соз, р (1) где P — мощность, U — действующее значение напряжения на нагрузке, и Э вЂ” действующие значения тока а нагрузки и его активной составляющей соответственно, Ч вЂ” фазовый угол нагрузки.

Фактические значения измеряемых величин Рф,Uy, 3цф с учетом погрешностей й, вносимых преобразователями, будут

АЭ а н где Ри, UH Э„ — номинальные значения мощности, напряжения и тока нагрузки соответственно.

После совместного решения (выражений) (3) и (4) можно записать и+ ° а 0 (5) Если при регулировании генератора мощность изменяется, например, от

0 до 100Х, среднее значение погрешности устройства составляет д"р 0,56"и + 0,5д" . у так как ", Таким образом, среднее значение погрешности определяется погрешностями как линейного преобразователя (датчика напряжения), так и нелинейного элемента (фазочувствительного выпрямителя).

Линейность передаточной функции фаеочувствительного выпрямителя уменьшается с увеличением диапазона измеряемой величины. В области малых токов его точность еще снижается из-за дрейфа преобразователя.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для измерения мощности, содержащее масштабный преобразователь тока, выход которого подключен к первому входу перемножнтеля и через . последовательно соединенные фаэовращатель и регулируемый усилитель к первому входу сумматора, второй вход которого подключен к выходу масштабного преобразователя напряжения, а выход — к второму входу перемножителя, к первому индикатору, причем выход перемножителя соединен с вторым индикатором.

6 2

Р4, Р+аР, U<= дБ, 3 4, =- д+,ЮЭ . (2)

С учетом выраженных (2) выражение (1) можно записать пренебрегая величинами второго порядка дР = .3а U+УаЭ,.

Относительные погрешности величины P U и а составляют аР

Р

Н 0 уи= — (41

" 0Н

1095086

Отличительной особенностью известного устройства является получение сигнала, пропорционального активной составляющей напряжения, с помощью алгебраического суммирования двух сигналов, один иэ которых пропорционален напряжению на нагрузке, а второй по величине пропорционален току нагрузки и отстает от него по фазе на 90 . Для получения сигна- 10 ла, находящегося в квадратуре с током нагрузки, в устройстве использован фаэовращатель. Регулировка в устройстве производится с помощью усилителя с регулируемым коэффициентом усиле- 15 ния для получения на выходе сумматора сигнала, совпадающего по фазе с током нагрузки, т.е. сигнала, пропорционального активной составляющей напряжения на нагрузке. Контроль, 10 нулевого фазового сдвига этих сигналов проводят по минимуму показаний первого индикатора. После окончания этой регулировки измеряют выходной сигнал устройства, пропорциональный 25 активной мощности, с помощью второго индикатора t2>.

Однако необходимость в предварительной регулировке увеличивает время

30 измерения и его трудоемкость.

Точность измерения известным

ycTpqAcTBoM низка вследствие того, что при произведении измерений в малокосинусных цепях регистрируемый первым индикатором минимум напряжения выражен нечетко и фазовая погрешность измерения велика. Применение высокочастотного перемножителя также снижа» ет точность измерения.

Цель изобретения — повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее масштабный преобразователь тока, выход которого подключен к первому входу пере45 множителя и через последовательно соединенные фазовращатель и регулируемый усилитель к первому входу сумматора, второй вход которого подключен к выходу масштабного преобразователя напряжения, а выход — к второму входу перемножителя, выход которого является выходом устройства, введены два выпрямителя, генератор импульсов, триггер. два реверсивных счетчика, четыре 55 ключа, элемент совпадения, делитель частоты на два, триггер Шмидта и формирователь импульсов, причем входы перемножителя подключены к выходам сумматора и масштабного преобразователя тока через первый и второй выпрямители соответственно, выход генератора импульсов соединен через первый ключ с счетным входом первого ревер- . сивного счетчика и через второй ключ о с входом делителя частоты на два, входы вброса обоих реверсивных счетчиков соединены с входем сброса триггера и входной шиной сброса, вход установки триггера подключен, через формирователь импульсов к управляющему входу второго ключа и выходу триггера Шмидта. вход которого соединен с выходом первого выпрямителяф первый выход триггера подключен к управляющему входу ,третьего ключа и первому входу элемента совпадения, второй вход которого соединен с выходом второго реверсивного счетчика, а выход — с входом управления первого ключа, второй выход триггера подключен к управляющему входу четвертого ключа, счетный вход второго реверсивного счетчика подключен через четвертый ключ к выходу делителя частоты на два и через третий ключ к счетному входу первого реверсивного счетчика, выход которого соединен с управляющим входом регулируемого усилителя.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 — векторная диаграмма напряже-ний и токов нагрузки генератора.

Устройство содержит масштабные преобразователи 1 и 2 тока и напряжения соответственно, фазовращатель 3 регулируемый усилитель 4, первый выпрямитель 5, сумматор 6, второй выпрямитель 7, перемножитель 8, генератор 9 импульсов,. первый 10 и второй

11 ключи, делитель 12 частоты на два, третий 13 и четвертый 14 ключи, первый реверсивный счетчик 15, элемент

15, элемент 16 совпадения, второй реверсивный счетчик 17, триггер 18

Шмидта, формирователь 19 импульсов, триггер 20 и шину 21 сброса.

Элементы устройства соединены следующим образом.

Первый сумматор 6 соединен с выходом масштабного преобразователя 2 напряжения, а второй era вход через последовательно соединенные усилитель

4 и фазовращатель 3 соединен с выходом масштабного предобразователя тока.

1095086

Первый вход перемножителя 8 соединен с выходом сумматора 6 через первый выпрямитель 5. Второй вход перемножителя 8 через второй выпрямитель

7 соединен с выходом масштабного 5 преобразователя 1 тока. Выход перемножителя 8 является выходом устройства для измерения мощности. Выход генератора 9 соединен с входами первого 10 и второго 11 ключей, выход ключа 1О 10 соединен со счетным входом первого реверсивного счетчика 15, и через третий ключ 13 со счетным входом второго реверсивного счетчика 17, к которому через последовательно 15 соединенные делитель 12 частоты на два и четвертый ключ 14 подключен выход второго ключа 11. Выход второго реверси*ного счетчика 17 соединен с первым входом элемента 16 20 совпадения, выход которого подключен к управляющему входу первого ключа 10, Выход первого выпрямителя 5 соединен с входом триггера 18 Шмидта, выход которого подключен к управляющему входу второго ключа 11 и через формирователь 19 — к входу триггера 20.

Управляющие входы обоих реверсивных счетчиков 15 и 17 соединены с шиной 21 сброса. Первый выход триггера 20 соединен с управляющим входом третьего ключа 13 и с вторым входом элемента 16 совпадения, второй выход триггера 20 подключен к управляющему входу четвертого ключа 1 4.

Выход первого реверсивного счетчика

15 соединен с управляющим входом усилителя 4.

Устройство работает следующим

40 образом.

Сигнал на выходе масштабного преобразователя 1 тока по величине пропорционален току нагрузки, а по фазе совпадает с ним..Напряжение на

45 выходе фазовращателя 3 отстает от сигнала на выходе масштабного преобразователя 1 тока на 90о Выходное напряжение блока 3 поступает на вход усилителя 4. В исходном состоянии ключи 11 и 15 закрываются, а ключи 12 и 14 — открываются.

Для запуска устройства иа шину 12 подается импульс сброса, приводящий в исходное состояние оба реверсивных счетчика 15 и 17, а также триггер 20. 55

В результате на вход первого реверсивного счетчика 15 с генератора 9 импульсов через открытый первый ключ

10 поступают импульсы, а четвертый ключ 14 открывается, Код с выхода первого реверсивного счетчика 15 поступает на вход управления усилителя 4. Усилитель 4 снабжен магазином резисторов, которые могут быть включены, например, в цепь его обратной связи. Переключение резисторов по сигналу на управляющем входе усилителя вызывает соответствующее изменение его коэффициента усиления и, следовательно, выходного напряжения.

В исходном состоянии напряжение на выходе усилителя 4 минимально, оно увеличивается по мере заполнения первого реверсивного счетчика 15.

При условии, что фазовые искажения, вносимые усилителем 4 сведены к минимуму, увеличение вектора выходного напряжения усилителя по величине происходит по линии, перпендикулярной вектору тока нагрузки, и вектор выходного напряжения усилителя 4 постоянно отстает по фазе на 90 от нестора тока нагрузки. При возрастании выходного усилителя 4 напряжение на выходе сумматора 6 уменьшается. Угол сдвига фаз между векторами напряжения на выходе сумматора 6 и тока нагрузки также уменьшается.

В сумматоре 6 происходит сложе<ние выходных напряжений усилителя 4 масштабного преобразователя 2 напрякения на нагрузке. Суммарное напря-. г жение выпрямляется в первом выпрямителе 5. Когда выходное напряжение выпрямителя 5 достигнет некоторого порогового значение R срабатывает триггер 18 Шмидта. При этом открывается второй ключ 11, и с этого момента,начинают работать оба реверсивных счетчика 15 и 17, причем на вход второго счетчика 17 импульсы поступают через делитель 12 частоты на два и открытый четвертый ключ 14. Во втором реверсивном счетчике 17 записывается число, вдвое меньшее числа импульсов, поступивших на счетчик 15.

При дальнейшем возрастании выходногонапряжения усилителя 4 сигнал на входе сумматора 6, пройдя 6, пойдя через минимум (точка А), который соот ветствует совпадению этого сигнала по фазе с током нагрузки начинает

1 возрастать в направлении точки N

Когда напряжение на выходе выпрямителя 5 достигает величины, равной порогу отпускания триггера 18

10950

10

7 (точка N )), последний срабатывает.

Выходной снгнап триггера 18 Шмидта, пройдя через формирователь 19, вызывает срабатывание триггера 20. По сигналу триггера 20 направление счета реверсивных счетчиков 15 и 17 изменяется, открывается -ключ 13, и закрывается ключ 14. С этого момента импульсы с генератора 9 импульсов поступают на второй реверсивный счетчик 17 через открытый ключ 13, минуя делитель 12 частоты на два.

Когда во втором реверсивном счетчике 17 наступает нулевое состояние, потенциал на выходе элемента 16 совпаде- 15 ния изменяются. Это вызывает эапирание ключа 10 и прекращает поступление импульсов на счетчики 15 и 17.

Выходной сигнал выпрямителя 5, пропорциональный активной составля- 20 ющей напряжения U, подается на первый вход перемножителя 8, на второй вход которого через второй выпрямитель 7 поступает сигнал, пропорциональный току нагрузки. Нап- 25 ряжение на выходе всего устройства

U 3„, U 3 Сов Ч = P, т.е. пропорционально активной мощности нагрузки.

Докажем, что в рабочем диапазоне измерений напряжения и фазового угла 30 нагрузки генератора точность измерения мощности практически не изменяется (фиг. 2). Предположим, что

Ч„ и 1 — предельные значения фазовых углов нагрузки, a U и U> - cooT- 35 ветствующие им напряжения на выходе масштабного преобразователя 2.

Тогда Д„ и и характеризуют предельные величины изменения 0„ и 0,в пре- . делах которых устройство теоретически40 работоспособно. Их треугольников

ОВ С и ОВ1С следует, что

Л„ р а 1- <45 tg

R c05 Ч„R сов У2

Считая, что Ч„85, а ЧУ=87 30, находим, что 41- = 10,+ 23, т.е. и изменение 0„ и 0 может превышать порог срабатывания триггера 18 в 50

10-20 раэ.

В реальных условиях эти величины одного порядка. Действительно, коэффициент передачи масштабного преобразователя 2 (емкостью делителя или трансформатора напряжения) обычно равен 50-60. При напряжении нагрузки

300-500 В U4=5-60, à Uic 8-10D. Порог срабатывания триггера 18, реализованного на современных микросхемах, можно выбрать равным 2-3 В. Таким образом, в рабочем диапазоне изменения мощности генератора в электротермической установке точность ее измерения зависит от стабильности порога, срабатывания и отпускания триггера (точки А. и А., — A2 и А2), но не" от его величийы. Время измерения. изменяется пропорционально величинам; отрезков А„А„ и А А (фиг. 2).

В качестве устройства квадратурного сигнала в ваттметре использован магнитный пояс Роговского. Йояс представляет собой обмотку иэ очень тонкого медного провода в изоляции, намотанного плотно, виток к китку, вокруг изоляционного стержня малого сечения. Стержень с обмоткой размещается вокруг токоведущей жилы с минимальным зазором . Значение мгновенного напряжения U< на зажимах пояса, обусловленного взаимной индуктивностью М между обмоткой пояса и измеряемым током i, равно а

u„=--м, следовательно, и сдвинуто относительно на 90о в сторону отставания.

Этим обеспечивается квадратурный сдвиг сигнала, пропорционального току нагрузки, на любой частоте. Введение новых элементов и связей между ними в предлагаемое устройство выгодно отличает его от известного, так как устранение ручных регулировок и автоматическая перестройка усилителя с регулируемым коэффициентом усиления позволяет повысить точность определения момента совпадения векторов выходного напряжения нагрузки определяется только точностью срабатывания триггера Шмидта.

Реализация этого блока на современных интегральных микросхемах с временем задержки срабатывания не более нескольких наносекунд и точностью

:поддержания порога срабатывания не более нескольких десятых долей мил1 ливольта позволяет достичь точности получения сигнала, пропорционального активной составляющей напряжения нагрузки (при соответствующем выборе величины выходного напряжения измерительного преобразователя напряжения нагрузки) не хуже 0,5Х. Повышению точности измерения способствует также 9 10950à и то, что в предлагаемом ваттметре исключена составляющая погрешности, обусловленная фазовыми искааениями в фаэовращателе, с помощью которого и известном вь1рабатывается сигнап, npq 5 порциональный активной составляющей напрюкения.

Граничная частота определяется частотными свойствами выпрямителей и составляет несколько десятков мегагерц. Частотный диапазон устройства расширен по сравнению с известным за счет того,. что в ием иснольэован перемношитель сигналов постоян- И ного тока, точность которого такше

10 вьипе, чем у аналогичных устройств, использованных в известном.

Применейие;B устройстве в качестве устройства квадратурного сдвига сигнала, пропорционального току нагрузки, магнитного. пояса Роговского позволяет исключить погрешность измерения, зависящую от параметров элементов, входящих в фазовращатель и перемношитель мгновенных значений сигналов, которые долины находиться в квадратуре. К преимуществам пояса следует такие отнести удобство

его располошения на токоведущнх шинах, простоту и технологичность изготовления.!

095086

Составитель С. Кабиков

Редактор 0. Черниченко Техред . П,Мартяиова аванец

Заказ 3587/26

Корректор Н. Яцола

Тирам 711

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делан изобретений и открытий

113035, Москва, N-35, Рауиская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент" ° r. Умгород, ул. Проектная, 4