Электронный измеритель мощности и энергии

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при построении измерителей активной мощности и счетчиков энергии сигналов переменного тока. Цель изобретения - повышение точности - достигается за счет преобразования двухполярньгх входных сигналов в униполярные, получения кодов мгновенных значений от однополярных сигналов и формирования знака произведения двух мгновенных значений тока и напряжения в аналоговой форме. Для этого в устройство введены аналоговый выпрямитель 6 и блок 7 определения знака. Кроме того, электронный измеритель мощности и энергии содержит блоки выборки и хранения 1 и 2 соответственно, аналоговый коммутатор 3, аналого-цифровой преобразователь 4, блок 5 управления и обработки. 4 ил. S (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„, 16 8653 (g1)g G 01 R 21/06, 21/133

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

Н А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4607407/21 (22) 22.11.88 (46) 30.03.91. Бюл. Р 12 (71) Ленинградский электротехнический институт им.В.И.Ульянова (Ленина) (72) А.Н.Альшевский и А.И.Смирнов (53) 621 ° 317.38(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 1298672, кл. G 01 Р ?1/Об, 1985.

i:àòåíò ФРГ Ф 3414520, кл. G 01 R 21/06, 1986. (54) ЭЛЕКТРОННЫЙ ИЭИЕРИТЕЛЬ МОЩНОСТИ И ЭНЕРГИИ (57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может. быть использовано при построении измерителей активной мощности и счетчиков энергии сигналов переменного тока. Цель изобретения — повышение точности — достигается за счет преобразования двухполярных входных сигналов в униполярные, получения кодов мгновенных значений от одно— полярных сигналов и формирования знака произведения двух мгновенных значений тока и напряжения в аналоговой форме. Для этого в устройство введены аналоговый выпрямитель 6 и блок 7 определения знака. Кроме того, электронный измеритель мощности и энергии содержит блоки выборки и хранения 1 и 2 соответственно, аналоговый коммутатор 3, «налого-цифровой преобразователь 4, блок 5 управления и обработки. 4 ил.

1638653

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при построении измерителей активной мощности и энер5 гии сигналов переменного тока. Целью изобретения„является повышение точности определения значений энергии и мощности.

На фиг. 1 изображена функциональная схема электронного измерителя мощности и энергии; на фиг. 2 — функ-. циональная схема блока управления и обработки; на фиг. 3 - функциональная схема блока определения знака ; на фиг, 4 †.. временные диаграммы работы электронного измерителя мощности и энергии.

Электронный измеритель мощности и энергии (фиг.1) содержит блоки 1 и 2 20 выборки и хранения (БВХ), аналоговый коммутатор 3, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 4, блок 5 управления и обработки (БУО), аналоговый выпрямитель 6 и блок 7 определения знака 25 (БЗ). Вход данных БВХ 1 является входом измерителя по напряжению, а вход

1 данных БВХ 2 — входом измерителя для напряжения, пропорционального току в сети. Выходы БВХ 1 и 2 соединены с первым и вторым входами данных аналогового коммутатора 3 и БЗ 7. Входы управления БВХ 1 и 2 соединены с первым выходом БУО 5. Вход управления аналогового коммутатора 3 соединен с вторым выходом БУО 5. Вход запуска АПП 4 соединен с третьим выходом БУО 5. Выход БЗ 7 соединен с входом для знакового разряда: БУО 5.

Выход аналогового коммутатора 3 со- 40 единен с входом аналогового выпрямителя 6, выход которого соединен с входом данных АЦП 4. Вьгход АПП 4 соединен с входами данных БУО 5, группа выходов которого является информационным выходом измерителя.

БУО 5 может быть реализован на .однокристалльной микроЭВМ.

БУО 5 (фиг.2) содержит два цифровых умножителя 8 я 9, сумматор-вычи татель 10 два регистра 11 и 12, двоичный счетчик 13, два Р-триггера

14 и 15, три одновибратора 16, 17 и 18, генератор 19 опорных импульсов (ГОИ), два двухвходовых элементов И

20 и 21, двухвходовой элемент ИЛИ-НЕ

22 и элемент HF 23. Входы первого (A) и второго (В) сомножителей умножителя

8 соединены между собой и являются входами данных БУО 5, выходы умножителя 8 соединены с входами второго (В) сомножителя умножителя 9, входы первого (А) сомножителя которого соединен с шинами нулевого и единичного потенциалов так, что в качестве этого сомножителя умножителя 9 является код N, пропорциональный .периоду дискретизации входных сигналов, явЛяющийся постоянной величиной.

Выходы умножителя 9 соединены с входами первого, слагаемого сумматора 10, входы второго слагаемого которого соединены с выходами регистра 11 и входами регистра 12. Выходы сумматора 10 соединены с входами данных регистра 11, а выходы регистра 12 являются информационными выходами БУО 5 и измерителя в целом. Вход синхронизации приема первого сомножителя умножителя 8 соединен с прямым выходом триггера 15, которнй соединен также с входом запуска одновибратора 16 и является вторым выходом БУО 5 Вход синхронизации приема второго сомножителя умножителя 8 соединен с инверсным выходом триггера 15, который соединен также с входами синхрониза-. ции приема данных регистра 11 и триггера 14 и с D-входом триггера 15, вход синхронизации которого соединен с выходом ГОИ 19, инверсным входом Г запуска одновибратора 18, первым входои элемента И 20 и входом синхрони" зации приема первого (А) сомножителя умножителя 9. Вход синхронизации приема второго сомножителя (В) умножителя 9 соединен с инверсным выходом од- > новибратора 16, прямой выход которого соединен с суммирующим входом счетчика 13 и является первым выходом ЕУО 5.

Вход задания режима суммирования, ли- . бо вычитания сумматора 10 соединен с выходом триггера 14, вход D которого является входом БУО 5 для знакового разряда. Вход сброса регистра 11 соединен с выходом одновибратора i7, инверсный вход запуска которого соединен с выходом элемента И 21 и первым входом элемента ИЛИ-HF ?2, второй вход которого соединен с выходом элемента И 20, а выход — с входом синхронизации регистра 12. Инверсный выход переполнения счетчика 13 соединен с первым входом элемента И 21, второй вход которого соединен с выходом элемента HF. 23, вход которого, а также второй вход элемента И 20

16 соединены с шиной единичного потенциала в случае измерения энергии и с шиной нулевого потенциала при измерении активной мощности. Выход одновибратора 18 является третьим выходом БУО 5.

БЗ 7 может содержать (фиг.3) два компаратора 24 и 25 напряжения и элемент ИСКЛЮЧАВШЕЕ ИЛИ 26, выход которого является выходом БЗ 7. Первый и второй входы элемента HCKJ3WAЮЩЕЕ ИЛИ 26 соединены с выходами компараторов 24 и 25 соответственно, инверсные входы которых соединены с шиной нулевого потенциала, а прямые входы являются первым и вторым входами БЗ 7 соответственно.

Электронный измеритель работает следующим образом (фиг.4).

ГОИ 19 вырабатывает импульсы с периодом Т/2, где Т вЂ” период дискретизации входных периодических сигналов.

Триггер 15 работает в режиме делителя частоты с коэффициентом деления 2 и вырабатывает импульсы с периодом Т.

По каждому перепаду сигнала с выхода триггера 15 из "0" в "1" запускается одновибратор 16, импульсом с которого в БВХ 1 и 2 записываются мгновенные значения входных напряжений, пропорциональных напряжению и току сети.

По окончании этого импульса величины мгновенных значений сохраняются в БВХ

1 и 2. Знак мгновенного напряжения сети определяется компаратором 24, а тока — компаратором 25, которые сравнивают величины запомненных в БВХ 1 и

2 мгновенных значений с нулевым потенциалом. При этом, если величина мгновенного значения положительна, на выходе соответствующего компаратора формируется сигнал "1", если отрицательная — то "0". Элемент HCKJIIO×AIÎt|IEE ИЛИ 26 в зависимости от знаков двух входных величин вырабатывает на своем выходе и на выходе БЗ 7 знак из произведения, который используется при выполнении операции цифрового интегрирования при усреднении мгновенных мощностей.

Первую половину периода дискретизации при единичном сигнале с выхода триггера 15 мгновенное значение напряжения, хранящегося на БВХ 1, подается на аналоговый выпрямитель

6 и после выпрямления на вход АЦП 4..

Во второй половине то же самое про38653

6 исходит с мгновенным значением, хранящимся на БВХ 2. Независимо от полярности напряжений, хранящихся и на БВХ 1, и на БВХ 2, на вход АпП 4 поступает однополярный сигнал, величина которого может изменяться в пределах 0-Импекс где ПиакС вЂ” максимальная величина входных для измеритепя напряжений. При этом, если АЦП 4 имеет разрядность и, приведенная погрешность преобразования определяется выражением

Uon

"макс

15 где Н „ — опорное напряжение АЦП

4, являющееся постоянной величиной.

Это в два раза точнее, чем в случае преобразования двухполярного напряжения, изменяющегося в диапазоне -U

25 имеет вид

2Uon имакс 2"

Ир, = Ng. Иy. ) где И . — цифровой эквивалент входно-.

Ц1 го напряжения, В середине первой половины пери30 ода дискретизации перепадом сигнала с выхода ГОИ 19 из "1" в "0" запускается одновибратор 18, импульс которого своим окончанием запускает процесс преобразования выпрямленноg5 го мгновенного значения напряжения с выхода БВХ 1 в цифровой код.

Полученный код заносится во внутренний ре -истр В умножителя 8 спадом в "0" сигнала с выхода. триггера

40 15 (переход в "1" сигнала на его инверсном выходе). Этим же сигналом B триггер 14 заносится знак произведения двух величин, хранящихся в

БВХ 1 и 2, выработанный блоком БЗ 7.

45 Во второй половине периода дискретизации аналогично преобразуется выпрямленное мгновенное значение напряжения с выхода БВХ 2 и код по перепаду из "0" в "1" сигнала с выхода триг. гера 15 заносится в регистр А умножителя 8. Через интервал времени, равный времени задержки работы умножителя 9, на его выходе появляется код

l б38653 цифровой эквивалент входно1 го тока, Этот код задним фронтом импульса, поступающего с одновибратора 16 запи— сывается в регистр В умножителя 9.

Код N заносится в регистр Л умножителя 9 в темпе работы ГОИ 19„ После умножения на выходе умножителя 9 10 появляется код I

Г,. — Р р tiTT = ".ХХ, г)

3 1 который по перепаду сигнала с инверсного выхода триггера 15 из "0" в "1" 15 вычитается или суммируется в зависимо-сти от знака полученного произведения, значение которого сохраняется в триггере 14, с содержимым накапливающего сумматора, построенного на регистре 1120 и комбинационном сумматоре-вычитателе

10, В результате на выходе регистра

11 формируется код алгебраической суммы вида

Ы = 11 . =,>И „. ИТ, 1 „ (= i= где 1 — число просуммированных квантов энергии„

Если измеритель настроен на измепение энергии и сигнал Е/Р = 1, то на вход одновибратора 17 поступает постоянный сигнал 0" и он никогда не запускается, т.е. содержимое регистра 11 никогда »е сбрасывается, Одновременно на вход синхронизации приема регистра 35

12 через элементы И 20 и ИЛИ-11Е 22 поступают импульсы с выхода ГОИ 19. Тем самым в регистр 12 остоянно перезаписывается содержимое регистра 11, 40 что соответствует значению электроэнергии в сети.

При Е/Р = 0 на вход синхрониза-, ции приема кода регистра 12 через элементы И 21 и ИЛИ-НЕ 22 подключается выход переноса счетчика 13, Этот же выход через элемент И 21 подключен к инверсному запускающему входу одновибратора 17. Так как активная мощность представляет собой энергию, выделенную в единицу времени, то ее можно определить путем деления полученной энергии на интервал времени.

Время, в течение которого необходимо измерять энергию, выбирают из условия

Т м Т, где Тьх — период входного и м сигнала, для того, чтобы появилось свойство усреднения. C другой стороны, при Ти = 2i ° Т, где j — произвольное целое число, деление заменяется операцией сдвига. Так как операция сдвига не изменяет вид кода, а только передвигает запятую, то при Т ®= 2 Т и м код полученной энергии на выходе регистра 11 имеет такой же вид, что и код активной мощности. Счетчик 13 подсчитывает количество циклов вычисления. На его выходе появляется сигнал переполнения, когда время измерения ".,„= 2 Т, где К вЂ” разрядность счетчика 13. При этом код на выходе регистра 11, совпадающий по виду с кодом активной мощности, по переднему фронту сигнала переполнения перезаписывается в регистр 12 и появляется на выходе измерителя. Одновременно запускается одновибратор 17, который своим импульсом сбрасывает в ноль содержимое регистра 11. Лалее процесс вычисления активной мощности в сети повторяется.

Таким образом, предлагаемый измеритель имеет более высокую точность определения активной. мощности и энергии благодаря тому, что знаковый разряд АЦП используется в качестве разряда данных, а знак формируется с использованием дополнительных аппаратных средств.

Формула изобретения

Электронный измеритель мощности и энергии, соцержащий два блока выборки и хранения. аналоговый коммутатор, аналого-цифровой преобразователь и блок управления и обработки причем вход данных первого блока выборки и хранения является входом измерителя по напряжению, вход данных второго блока выборки и хранения является входом измерителя для напряжения, пропорционального току в сети, выходы первого и второго блоков выборки и хранения соединены с первым и вторым входами данных аналогового коммутатора соответственного, а входы управления блоков выборки и хранения соединены с первым выходом блока управления и обработки, вход управления аналогового коммутатора соединен с вторьм выходом блока управления и обработки, вход запуска аналогоцифрового. преобразователя соединен

10 аналогового выпрямителя соединен с выходом аналогового коммутататора, а выход — с входом данных аналого-цифрового преобразователя, выходы первого и второго блоков выборки и хранения соединены с первым и вторым входами блока определения знака, выход которого соединен с входом для знакового разряда блока управления и обработки.

9 1638653

/ с третьим выходом блока управления и обработки, выходы аналого-цифрового преобразователя соединены с входами данных блока управления и обработки, а группа выходов блока управления и обработки- является информационным выходом измерителя, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения точности, в него дополнительно введенЫ аналоговый выпрямитель и блок определения знака, причем вход

) 638653

Составитель С.Хромов

Техред P.;.Kðàí÷óê Корректор Л.Пилипенко

Редактор А.Лежнина

Заказ 9?6 Тираж 417. Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101