Счетчик ампер-часов

 

Изобретение относится к измеритель- .ной технике и может быть использовано для контроля количества электричества, получаемого или отдаваемого от источника питания с обеспечением гальваническойразвязки. Цель изобретения - повышение точности измерения. Поставленная цель достигается введением резистора 3, преобразователя 6 напряжение-частота и выпрямительного моста 5, а также конструкцией трансформатора 1 постоянного тока (ТПТ). ТПТ, резистор 3, операционный усилитель 2 (ОУ) образуют колебательную систему. При наличии тока в первичной обмотке ТПТ, разница длительностей положительного и отрицательного Импульсов на выходе ОУ пропорциональна току в первичной обмотке ТПТ, которая суммируется счетчиком 4 импульсов. Выпрямительный мост 5 с преобразователем 6 напряжение частота исключают зависимость результата измерения от напряжения питания ОУ. 2 ил.^Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля количества электричества, получаемого или отдаваемого от источника питания с обеспечением гальванической развязкц.Известен реверсивный счетчик амперчасов, содержащий шунт, усилитель, генератор импульсов, реверсивный счетчик, два блока сравнения кодов, два блока программ, два триггера, коммутатор, два счетчика, элемент И, блок сравнения и элемент ИЛИ.Известен также счетчик ампер-часов, содержащий шунт, усилитель, генератор импульсов, двоичный счетчик, две схемы совпадения, реверсивный счетчик, два блока дешифратора, анализатор, устройство записи, устройство сброса и два триггера. Недостатками известных устройств является сложность из-за наличия большого числа блоков и относител-ьно низкая точность и помехозащищенность, так как в них сигнал, пропорциональный измеряемому тЬку, снимается в активного сопротивления, включенного пос'ледовательно с нагрузкой (шунта), поэтому они не имеют гальванической развязки.Известен также счетчик ампер-часов, содержащий трансформатор постоянного тока, выполненный на двух сердечниках из материала с прямоугольной петлей гистерезиса, выпрямительный мост, резистор, преобразователь напряжение-частота, реверсивный счетчик импульсов, RC-цепочку, два пороговых устройства и триггер. Вторичные обмотки трансформатора запитываются от генератора переменного4^ (Л ;ND СО

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 R 11/34

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ 4 Ц

,Ы

1() К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 476413 1 /21 (22) 27,11.89 (46) 23.02.92. Бюл. ¹ 7 (71) Харьковский авиационный институт им.

Н.Е.Жуковского (72) А.А.Окороков (53) 621,317.787(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 759964, кл. G 01 R 11/34, 1976.

Авторское свидетельство СССР

N. 1511693, кл. G 01 R(11/34, 1988. (54) СЧЕТЧИК АМПЕР-ЧАСОВ (57) Изобретение относится к измеритель.ной технике и может быть использовано для контроля количества электричества, получаемого или отдаваемого от источника питания с обеспечением гальванической

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля количества электричества, получаемого или отдаваемого от источника питания с обеспечением гальванической развязки.

Известен реверсивный счетчик амперчасов, содержащий шунт, усилитель, генератор импульсов, реверсивный счетчик, два блока сравнения кодов, два блока программ, два триггера, коммутатор, два счетчика, элемент И, блок сравнения и элемент

ИЛИ, Известен также счетчик ампер-часов, содержащий шунт, усилитель, генератор импульсов, двоичный счетчик, две схемы совпадения, реверсивный счетчик, два блока дешифратора, анализатор, устройство записи, устройство сброса и два триггера, Недо„„ рЦ„„1714523 A l развязки, Цель изобретения — повышение точности измерения. Поставленная цель достигается введением резистора 3, преобразователя 6 напряжение-частота и выпрямительного моста 5, а также конструкцией трансформатора 1 постоянного тока (ТПТ). ТПТ, резистор 3, операционный усилитель 2 (ОУ) образуют колебательную систему. При наличии тока в первичной обмотке

ТПТ, разница длительностей положительного и отрицательного. Импульсов на выходе

ОУ пропорциональна току в первичной обмотке ТПТ, которая суммируется счетчиком

4 импульсов. Выпрямительный мост 5 с преобразователем 6 напряжение частота исключают зависимость результата измерения от напряжения питания ОУ, 2 ил. статками известных устройств является сложность из-за наличия большого числа блоков и относительно низкая точность и помехозащищенность, так как в них сигнал, пропорциональный измеряемому току, снимается в активного сопротивления, включенного последовательно с нагрузкой (шунта), поэтому они не имеют гальванической развязки.

Известен также счетчик ампер-часов, содержащий трансформатор постоянного тока, выполненный на двух сердечниках из материала с прямоугольной петлей гистерезиса, выпрямительный мост, резистор, преобразователь напряжение-частота, реверсивный счетчик импульсов, RC-цепочку, два пороговых устройства и триггер. Вторичные обмотки трансформатора запитываются от генератора переменного

1714523 напряжения. Счетчик ампер-часов позволяет определить количество электричества, проходящего через нагрузку, в случае, если изменяется не только его величина, но и направление, Недостатками известного счетчика является относительная сложность из-за наличия RC-цепочки, операционного усилителя, триггера, резистора, преобразователя напряжения-частота и сердечника

1 трансформатора постоянного тока с размещенными на нем обмотками; а также относительно низкая точность из-за погрешностей, вносимой преобразователем напряжение-частота и выпрямительным мостом. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому счетчику является выбранный в качестве прототипа счетчик ампер-часов, содержащий трансформатор постоянного тока с двумя сердечниками, на каждом сердечнике которого размещены первичные обмотки, вторичные обмотки и обмотки обратной связи, четыре диода, генератор переменного напряжения и операционный усилитель.

Недостатком известного счетчика является относительно низкая точность из-за падения напряжения на диодах, включенных между выходом операционного усилителя и вторичными обмотками, зависимости выходного сигнала от стабильности напряжения питания и неидентичности магнитных характеристик сердечников трансформатора постоянного тока.

Цель изобретения — повышение точности измерения. Указанная цель достигается тем, что в счетчике ампер-часов, содержащем счетчик импульсов, операционный усилитель, выпрямительный мост, резистор, преобразователь напряжения в частоту импульсов и трансформатор постоянного тока, на сердечнике которого размещены первичная обмотка, вторичная обмртка, конец которой соединен с общей шиной, а начало с одним концом резистора, и обмотка обратной связи, конец которой соединен с общей шиной, а начало — с прямым входом операционного усилителя, выход операционного усилителя соединен с другим концом резистора и входом выпрямительного моста, а выход выпрямительного моста — с входом преобразователя напряжения в частоту импульсов, выход которого соединен со счетным входом счетчика импульсов, старшие разряды которого соединены с выходом устройства. Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в предлагаемый счетчик введены выпрямительный мост, резистор и преобразователи напряжения в частоту импульсов, причем выход операционного усилителя соединен с одним концом резистора и входом выпрямительного моста, другой конец резистора соединен с началом вторичной обмотки

5 трансформатора постоянного тока, а выход выпрямительного моста — с входом преобразователя напряжения в частоту импульсов, выход которого соединен со счетным входом счетчика импульсов. В предлагаемом

10 счетчике по сравнению с прототипом имеются новые элементы: выпрямительный мост, резистор и преобразователь напряжения в частоту импульсов, На фиг. 1 представлена принципиаль15 ная электрическая схема счетчика ампер-часов; на фиг. 2, показаны временные диаграммы работы счетчика, Счетчик ампер-часов содержит трансформатор 1 постоянного тока, операцион20 ный усилитель 2, резистор 3, счетчик 4 импульсов, выпрямительный мост 5,-преобразователь 6 напряжения в частоту импульсов. На сердечнике трансформатора 1 постоянного тока расположены первичная

25 обмотка, через которую пропускается измеряемый ток 1, вторичная обмотка, конец которой соединен с общей шиной, а начало— с одним концом резистора 3, обмотка обратной связи, конец которой соединен с общей

30 шиной, а начало — с прямым входом операционного усилителя 2, Выход операционного усилителя 2 соединен с другим концом резистора 3, с входом управления реверсом счетчика 4 импульсов и входом выпрями35 тельного моста 5. Выход выпрямительного моста 5 соединен с входом преобразователя

6 напряжения в частоту, выход которого соединен со счетным входом счетчика 4 импульсов, старшие разряды которого

40 соединены с выходом устройств.

Счетчик работает следующим образом.

Операционный усилитель 2, резистор 3 и трансформатор 1 постоянного тока включены таким образом, что представляют со45 бой релаксационный генератор, вырабатывающий на выходе операционного усилителя 2 прямоугольные униполярные импульсы напряжения (см, фиг, 2 б). Длительности положительного и отрицательно50 го импульсов равны, если через первичную обмотку трансформатора 1 постоянного тока не проходит измеряемый ток . А если через первичную обмотку этого трансформатора пропустить измеряемый ток. то

55 длительность одного полупериода униполярного импульса будет увеличиваться, а другого уменьшаться, причем разница между длительностями отрицательного и положительного полупериодов зависит от величины измеряемого тока I. Определение

1714523

tRRM

И/2 О

50 величины разницы длительности полупериодов импульсов осуществляется путем подачи униполярных импульсов с выхода операционного усилителя 2 на вход управляющим реверсом счетчика 4 импульсов.

Если к входу, управляющему реверсом, приложено положительное напряжение,то реализуются логический сигнал "1" и высокочастотные импульсы, подаваемые на счетный вход счетчика 4 с выхода преобразователя 6 напряжения в частоту импульсов, суммируются, а при подаче на вход управления реверсом отрицательного напряжения реализуются логический сигнал "0" и импульсы, подаваемые на счетный вход, вычитаются. Таким образом, на старших кодовых разрядах реверсивного счетчика 4, представляющих собой кодовый. выход устройства формируется цифровой сигнал, пропорциональный величине ампер-часов, Запитка преобразователя 6 напряжения в частоту импульсов осуществляется через выпрямительный мост 5 от выхода операционного усилителя 2 с тем, чтобы частота импульсов, подаваемых на счетный вход счетчика, изменялась при изменении амплитуды униполярных импульсов на выходе усилителя 2. Если частота импульсов, подаваемых на счетный вход счетчика, изменяется при изменении амплитуды униполярных импульсов, выходной сигнал не изменяется при изменении напряжения питания и тем самым увеличивается точность счетчика ампер-часов, на выходе которого реализуется сигнал, определяемый выражением где N — число импульсов, поступающих на счетчик;

l(t) — измеряемый ток;

t время;

R — сопротивление резистора 3;

W1, W2 — число витков первичной и вторичной обмотки трансформатора постоянного тока соответственно; .

К вЂ” коэффициент чувствительности преобразователя 6 напряжения в частоту импульсовв. .Покажем справедливость выражения (1). Измеряемый ток I(t), проходящий через первичную обмотку трансформатора постоянного тока, наводит в сердечнике трансформатора постоянного тока поток Ф„, равный Ф„= IW

5 была реализована положительная обратная связь. Поэтому, если на выходе усилителя 2 имеется какое-либо напряжение, то оно увеличивается до. максимальной величины. Под воздействием максимального выходного

10 напряжения U в сердечнике тоансформатора 1 начнет расти магнитный поток Ф по экс поненциальному закону, т.к. последовательно с вторичной. обмотки включен резистор 3 сопротивлением R. Как

15 только магнитный поток в сердечнике, складывающийся из измеряемого потока Ф„и магнитного потока Ф, наводимого током, протекающим по вторичной обмотке, достигает потока насыщения трансформатора

20 IQsl, магнитная проницаемость сердечника резко уменьшается, генератор перебрасывается, а на выходе операционного усилителя 2 выходное напряжение изменяет знак.

Работа релаксационного генератора при из25 менившемся знаке на выходе усилителя аналогично вышеописанной, Устойчивость генераторного режима обеспечивается выбором материала сердечника трансформатора с прямоугольной петлей

30 перемагничивания. Магнитный поток Ф, наводимый током вторичной обмотки, в первом полупериоде Tz описывается следую-. щим уравнением

Выражение (2) получено из условия, что при

40 т=0

Ф =о =- Фи- Фз(см. фиг.2 а).

Из уравнения (2) определяется длительность полупериода Tz, учитывая, что магнитный поток в конце полупериода равен

45 Ф вЂ” Фи (см, фиг. 2 а).

UWg

ы

Т,= Е. (3) м p p

И 5 р

Магнитный поток Ф, наводимый током вторичной обмотки в сердечнике трансформатора, в течение полупериода Т>, описывается уравнением

55 ЯКА р 2 I UWe 2 р (и+ в — e * (4) учитывая, что при t = 0 Ф -о = Ф вЂ” Ф (см. фиг, 2 а).

1714523

N= " JФ бс о (7) 50

Длительность полупериода Т2 с учетом того, что магнитный поток в конце полупериода равен -Ф -Ф, (cM. фиг. 2а) определяется уравнением

UW2

Ъ2 Ри Ps p

g К (5) R ОФ2

И 5

RR

Число импульсов N, записываемых в счетчике импульсов 4, определяется следующим выражением

N=(Tt-Т2) nF= Т +Т КUdt, (6) о Т1+Т2 где n — число периодов выходных импульсов, генерируемых за время;

F — частота импульсов на выходе преобразователя напряжения в частоту импульсов;

К вЂ” коэффициент чувствительности преобразователя напряжения в частоту импульсов;

U — величина напряжения на выходе операционного усилителя.

Подставив в выражение (6) уравнения (3) и (5), с учетом того, что устройство проектируется таким образом, чтобы 0И/г/RR<»

"Фз,а Фи < Ф, получают

Подставив в выражение (7) Фи= IW1/R>, получим выражение (1).

Технико-экономический эффект применения предлагаемого устройства, по сравнению с известным, заключается в упрощении устройства и увеличении точности измерения. Упрощение устройства достигается за счет того, что из него выведен один сердечник трансформатора постоянного тока с тремя намотанными на нем обмотками. Введение новых блоков в предлагаемый счетчик (выпрямительный мост и преобразователь напряжения в частоту импульсов) не усложняет устройства, так как

5 эти блоки по сложности одинаковы с четырьмя диодами и генератором переменного напряжения, имеющимся в известном устройстве. Использование трансформатора постоянного тока с одним сердечником

10 позволяет повысить точность измерения изза отсутствия погрешностей, связанных с разбросом магнитных характеристик сердечников, Кроме того, точность измерения в данном устройстве повышается из-за того, 15 что результаты измерений в нем не зависят от нестабильности напряжения питания. В известном устройстве результат измерений зависит от величины амплитуды напряжения униполярных импульсов, что снижает

20 точность измерений, Формула изобретения

Счетчик ампер-часов, содержащий счетчик импульсов, старшие разряды которого

25 соединены с выходом устройства, операционный усилитель, выход которого соединен с входом управления реверсом счетчика импульсов, и трансформатор постоянного тока, на сердечнике которого размещены

30 первичная обмотка, вторичная обмотка, конец которой соединен с общей шиной, и обмотка обратной связи, конец которой соединен с общей шиной, а начало с прямым входом операционного усилителя, о т л и ч а35 ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введен выпрямительный мост, резистор и преобразователь напряжения в частоту импульсов, причем выход операционного усилителя со40 единен с одним выводом резистора и в1одом выпрямительного моста, другой вывод резистора соединен с началом вторичной обмотки трансформатора постоянного тока, выход выпрямительного моста подключен к

45 входу преобразователя в частоту импульсов, выход которого соединен со счетным входом счетчика импульсов, 1714523

Бьат

Ща/! 1

Югг

Составитель А. Окороков

Техред M,Ìîðãåíòàë

Корректор Т, Малец

Редактор Т. Шагова

Заказ 690 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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