Образцовый измерительный преобразователь мощности и энергии

 

Использование: изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для передачи размера единицы электрической мощности от государственного и рабочего эталонов к образцовым средствам измерений (СИ) мощности и энергии, находящимся в удаленных от эталона регионах. Целью изобретения является повышение точности и быстродействия. Сущность изобретения: образцовый измерительный преобразователь мощности и энергии содержит источник опорного напряжения 3, масштабные преобразователи напряжения и тока 1, 2 связанное с ним термоэлектрическое множительное устройство 7 и преобразователь напряжения в частоту 8, синхронно управляемые калибратор постоянных напряжений 4 и генератор опорных частот, два аналоговых коммутатора, дифференциальный усилитель 9, нуль-индикатор и измеритель отношения частот 11, причем выход масштабного преобразователя напряжения и источник опорного напряжения чены через первый коммутатор 5 к входу напряжения термоэлектрического множительного коммутатора, а выход масштабного преобразователя тока и калибратор постоянных напряжений через второй коммутатор 6 к входу тока множительного устройства , выход которого подключен также к первому входу дифференциального усили f Ё

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 R 35/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ4ЕТЕЛЬСТВУ 00 О (21) 4889119/21 (22) 05.12.90 (46) 23.03.93. Бюл. ¹ 11 (71) Научно-производственное объединение

"Всесоюзный научно-исследовательский институт метрологии им. Д. И. Менделеева (72) Е. 3. Шапиро и И. Ф. Будовский (56) Авторское свидетельство СССР № 346680, кл. G 01 R 21/06, 1972.

N. 1., Kusters and 1 . G. Сох, Тпе

development or on autometic — reversing

differential thermal wattweter, in IEEE trans, IM vol, 29, ¹ 4, р, 426 — 431, (54) ОБРАЗЦОВЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МОЩНОСТИ И

ЭНЕРГИИ (57) Использование: изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для передачи размера единицы электрической мощности от государственного и рабочего эталонов к образцовым средствам измерений (СИ) мощности и энергии, находящимся в удаленных от эталона регионах. Целью изобретения являет„, ЯЛ„„1803894 À1 ся повышение точности и быстродействия.

Сущность изобретения: образцовый измерительный преобразователь мощности и энергии содержит источник опорного напряжения 3, масштабные преобразователи напряжения и тока 1, 2 связанное с ним термоэлектрическое множительное устройство 7 и преобразователь напря ения в частоту 8, синхронно управляемые калибратор постоянных напряжений 4 и генератор опорных частот, два аналоговых коммутатора, дифференциальный усилитель 9, нуль-индикатор и измеритель отношения частот 11, причем выход масштабного преобразователя напряжения и источник опорного напряжения подключены через первый коммутатор 5 к входу Б напряжения термоэлектрического множительного коммутатора, а выход масштабного преобразователя тока и калибратор постоянных напряжений через второй коммутатор 6 к входу тока множительного уст- 2 ройства, выход которого подключен также к первому входу дифференциального усили1803894 теля, к второму входу которого подключен выход калибратора постоянных напряжений, а выход дифференциального усилителя соединен с нуль-индикатором, генератор опорных частот 12 подключен к первому входу измерителя отношения частот; второй вход которого соединен с выходом преобразователя напряжения в частоту. При этом

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для передачи размера единицы электрической мощности от государственного и рабочего эталонов к образцовым средствам измерений (СИ) мощности и энергии, находящихся в удаленных от эталона регионах, в частности может быть использовано для создания транспортируемого эталона сравнения для проведения международных сличений эталонов.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности и быстродействия. Поставленная цель достигается тем, что в образцовый измерительный преобразователь мощно..ти и энергии, содержащий источник опорного напряжения, масштабные преобразователи напряжения и тока, связанное с ними термоэлектрическое множительное устройство и подключенный к его выходу преобразователь напряжения в частоту, введены синхронно управляемые калибратор постоянных напряжений и генератор опорных частот, два аналоговых коммутатора, дифференциальный усилитель, нуль-индикатор и измеритель отношения частот, причем выход масштабного преобразователя напряжения и источник опорного напряжения подключены через первый коммутатор ко входу напряжения множительного устройства, а выход масштабного преобразователя тока и калибратор постоянных напряжений — через второй коммутатор — ко входу тока множительного устройства, выход которого подключен также к первому входу дифференциального усилителя, ко второму входу которого подключен выход калибратора постоянных напряжений, а выход дифференциального усилителя соединен с нуль-индикатором; генератор опорных частот подключен к первому входу измерителя отношения частот, второй вход которого соединен с выходом преобразователя напряжения в частоту, при этом множительное устройство имеет коэффициент преобразования по каналу тока равный единице, а преобразователь напряжения в частоту выполнен с коэффициентом

45 множительное устройство имеет коэффициент преобразования по каналу тока, равный единице, а преобразователь напряжения в частоту выполнен с коэффициентом преобразования, равным отношению частоты генератора опорных частот к напряжению калибратора постоянных напряжений, 2 ил, преобразования, равным отношению частоты генератора опорных частот к напряжению калибратора постоянных напряжений

Е, Заявителю неизвестны образцовые измерительные преобразователи мощности и энергии, содержащие синхронно управляемые калибратор постоянных напряжений и генератор опорных частот, два аналоговых коммутатора, дифференциальный усилитель, нуль-индикатор и измеритель отношения частот, причем коэффициент преобразования множительного устройства по каналу тока равен единице, а коэффициент преобразования напряжения в частоту — отношению частоты генератора опорных частот к напряжению калибратора постоянных напряжений, Указанные признаки позволяют осуществить комплектную аттестацию преобразователя путем перехода на постоянный ток и, тем самым, существенно снизить требования к долговременной стабильности узлов преобразователя и повысить точность измерения, кроме того, благодаря указанным признакам погрешность измерительного преобразователя не зависит от погрешности преобразователя напряжения в частоту, поэтому последний может быть выполнен с большой номинальной частотой (до 1 МГц), что позволяет повысить быстродействие.

Таким образом, по мнению заявителя, зти признаки придают заявляемому техническому решению существенное отличие.

На фиг. 1 — структурная схема заявляемого устройства; на фиг. 2 представлена структурная схема известного преобразователя, B заявляемом устройстве (см. фиг, 2) масштабный преобразователь напряжения (МПц) 1 и масштабный преобразователь тока (МП1) 2 представляют собой соответственно делитель напряжения и шунт, источник опорного напряжения (ИОН) 3 выполнен на основе термокомпенсирован ного стабилитрона, а калибратор постоянных напряжений (КПН) 4 содержит дополнительно прецизионный двухдекадный резистивный

1803894 делитель постоянного напряжения. Выходы

Mflu 1 и ИОН 3 соответственно подключены ко входам аналогового коммутатора 5, а выходы Mill 2 и КПН 3 — ко входам аналогового коммутатора 6, Аналоговые коммутаторы .5 (АК) 5 и 6 представляют собой электронные ключи на МОП-транзисторах. Выходы АК 5 и 6 подключены ко входам термоэлектрического множительного устройства (ТМУ) 7, реализующего сумморазностный метод из- 10 мерения мощности (3, стр. 901, К выходу ТМУ 7 подключены преобразователь напряжения в частоту (ПНЧ! 8 с номинальной частотой 100 кГц и один из входов дифференциального усилителя (ДУ) 15

9, другой вход которого подключен к выходу

КПН 4, а выход — к нуль-индикатору (НИ) 10, в качестве которого испбльзуется 3,5-разрядный АЦП. Выход ПНЧ 8 соединен с одним из входов измерителя отношения 20 частот (ИОН) 11, к другому входу которого пОдключен генератор опорных частот 12, представляющий собой кварцевый генерагор и кодоуправляемый делитель частоты, коэффициент деления которого изменяется 25 синхронно с коэффициентом деления делителя КПН 4 с помощью одних и тех же органов управления.

Предлагаемый преобразователь рабо- тает следующим образом. П роцесс и реоб- 30 р4зования измеряемой мощности (P =

= 0.!,.сов Ф) в постоянное напряжение Up u (или) в частоту fp состоит из двух этапов: коррекция погрешностей коэффициентов преобразования мощности в напряжение, 35 частоту и измерение, причем первый этап выполняется в ходе каждого преобразования мощности или один раз перед серией преобразований одного значения мощности. 40

Назначение коррекции состоит в том, чтобы установить с высокой точностью равным единице коэффициент преобразования

TIVIY 7 по каналу тока;

К i up = Up/Ui при Uu.= 0ном, где Up — напряжение ТМУ 7;

0;, О,.— постоянные напряжения на выходах КПН 4 и ИОН 3; 50

0ном номинальное значение напряжения на входе канала напряжения ТМУ 7; и коэффициент преобразования ПНЧ 8:

К Up f = fp/Up, где 1р — частота на выходе ПНЧ 8, Up — выходное напряжение на выходе

ТМУ 7, установить равным отношению частоты ГОЧ

12 к соответствующему напряжению КПН 4, В ходе коррекции (этап 1) через коммутаторы 5 и 6, управляемые кнопкой "Коррекция — работа", на входы ТМУ 7 подаются сигналы от ИОН 3 (0ц ) и КПН 4 (О ..), произведение которых U, U; близко к Uu Uiсоз Ф, причем Uu с высокой точностью равно UH ì, Выходной сигнал TMY 7 (Up) сравнивается с сигналом Ц с помощью дифференциального усилителя 9 и нуль индикатора 10. Очевидно, что если Ki Up = 1, показания нуль индикатора должны быть равны нулю. В противном случае регулируют коэффициент преобразования ТМУ 7 до получения нулевых показаний НИ 10, Одновременно производится коррекция коэффициента К вЂ”, если используется частотный выход ИПМЭ, Для этого частоты fp с выхода ПНЧ 8 и fo с выхода ГОЧ

12 подаются на измеритель отношения частот 11 и коэффициент К U регулируют до получения отношения fp/fo, равного единице.

При условии, что Uu..0 ..отличается от Uu

Ui cos Ф не более, чем на 10, указанная коррекция устраняет аддитивные и мультипликативные составляющие погрешности множительного устройства 7 с точностью до разрешающей способности ДУ 9 и НИ 10, которая составляет 2 10 %.

В ходе измерения (2 этап) через коммутаторы 5 и 6 на входы ТМУ 7 подаются сигналы Uu. и Ц от масштабных преобразователей 1 и 2. Напряжение Uð и частота fp, возникающие при этом на выходах ИПМЭ, являются результатом преобразований мощности.

0р = (1/0ном) К i -«0р Uu Ui соз Ф(1 +

+ ) к + п) где ) » — погрешность коэффициента преобразования К i — и — отклонение его от 1; уп — погрешность перехода ТМУ 7 от переменного тока к постоянному; ук — погрешность К up -«, Поскольку погрешность g», как было показано выше, в ходе коррекции устраняется до пренебрежимо малых значений и не превосходитдопустимыхзначений+1 10 в течение 500 с после коррекции и при времени процесса измерения 5 — 50 с, практически единственной составляющей погрешности преобразования предлагае1803894

55 мого ИПМЭ 7 остается погрешность переходами, которая по результатам многократных исследований аналогичных множительных устройств, входящих в состав государственного и рабочего эталонов, не превосходит

1 10 .

Устранение в ходе коррекции погрешности Kf позволяет снизить требования к точности П НЧ, увеличить номинал ьную частоту до 100 кГц и уменьшить в связи с этим время измерения до 1 — 10 с.

Предлагаемый преобразователь, в отличие от прототипа, позволяет измерять как мощность переменного тока так и мощность постоянного тока, т.е, он допускает полное замещение переменного напряжения U, и тока I,< на входах масштабных преобразователей постоянным напряжением Uo и током тех же значений. Благодаря этому преобразователь может быть откалиброван полностью, включая масштабные преобразователи, по исходным средствам измерений постоянного напряжения и тока.

Таким образом, использование синхронно управляемых КПН и ГОЧ, аналоговых коммутаторов, нуль индикатора и измерителя отношения частот позволяет уменьшить погрешнос-ь образцового ИПМ до суммы погрешностей масштабных преобразователей и погрешности перехода (М + М + у ) за счет коррекции и уменьшить погрешность ИПМЭ до погрешности перехода и за счет калибровки на постоянном токе, что делается при метрологических работах высшей точности — при сличениях эталонов. На нашем предприятии изготовлен макет предлагаемого преобразователя. В макете использованы масштабные преобразователи напряжения и тока и ТМУ от ГЭМ, аналоговые коммутаторы на основе микросхем серии КР590, ПНЧ на основе микросхемы

КР1108ПП1А, ДУ на основе микросхемы

К140УД17А, НИ на основе микросхемы

КР572П 2, КПН и ИОН выполнены на термокомпенсированных стабилитронах типа

КС191Ф и резисторах С5 — 60; в качестве

ИОЧ использован частотомер типа Ч3-57.

Исследования макета показали, что погреш10

45 ность предлагаемого преобразователя по отношению к Государственному эталону единицы электрической мощности (ГЭМ) составляет 1-2 10 в диапазоне частот

40 †5 Гц при cos Ф = 1 и сохраняется в течение 2 — 3 мес, Формула изобретения

Образцовый измерительный преобразователь мощности и энергии, содержащий источник опорного напряжения, масштабные преобразователи напряжения и тока, термоэлектрическое множительное устройство, преобразователь напряжения в частоту, отличающийся тем,что,сцелью повышения точности и быстродействия, в преобразователь введены синхронно управляемые калибратор постоянных напряжений и генератор опорных частот, два аналоговых коммутатора, дифференциальный усилитель, нуль-индикатор и измеритель отношения частот, причем выход масштабного преобразователя напряжения и источник опорного напряжения подключены через первый коммутатор к входу напряжения термоэлектрического множительного устройства, а выход масштабного преобразователя тока и калибратор постоянных напряжений — через второй коммутатор к входу тока указанного множительного устройства, выход которого подключен также к первому входу дифференциального усилителя, к второму входу которого подключен выход калибратора постоянных напряжений, а выход дифференциального усилителя соединен с нуль-индикатором, генератор опорных частот подключен к первому входу измерителя отношения частот, второй вход которого соединен с выходом преобразователя напряжения в частоту, при этом термоэлектрическое множител ьное устройство имеет коэффициент преобразования по каналу тока, равный единице, а преобразователь напряжения в частоту выполнен с коэффициентом преобразования, равным отношению частоты генератора опорных частот к напряжению калибратора постоянн ых нап ряжен ий.

1803894

Составитель Е.Шарипо

Редактор Т.Купрякова Техред М,Моргентал Корректор M.Ìàêcèìèøèíåö

Заказ 1056 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