Электронный счетчик электроэнергии

 

Использование: в измерительной технике. Сущность изобретения: электронный счетчик электроэнергии содержит два входных согласующих устройства 1, 2, мультиплексор 3, интегратор 4, преобразователь уровня 5, генератор импульсов 6, два триггера 7, 8, источники опорных напряжений 9, 10, преобразователь напряжения в частоту 11, регистратор 12. 1 - 3, 2 - 4 - 5 - 7 - 3 - 4, 6 - 7, 6 - 8 - 3, 3 - 11 - 12. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах учета и контроля мощности и потребления электрической энергии.

Известен электронный ваттметр или счетчик ватт-часов электроэнергии с автоматической коррекцией погрешности измерения, содержащий первое и второе согласующие устройства, выполненные соответственно в виде трансформаторов тока и напряжения, сдвоенный двухканальный мультиплексор, информационные входы которого попарно подключены к прямому и инверсному выходам первого согласующего устройства (трансформатора тока), генератор пилообразного напряжения, компаратор и преобразователь частоты в напряжение, входы которого подключены к выходам сдвоенного двухканального мультиплексора, а выход подключен к входу регистратора. Причем выходы второго согласующего устройства (трансформатора напряжения) и генератора пилообразного напряжения подключены соответственно к первому и второму входам компаратора, выход которого соединен с управляющим входом сдвоенного двухканального мультиплексора.

Недостатком устройства является пониженная точность измерений. Это обусловлено следующими причинами: во-первых, результат измерения в существенной степени зависит от симметричности выходного сигнала генератора пилообразного напряжения.

Неточное равенство величин положительного и отрицательного опорных напряжений, изменения напряжений смещения нуля компараторов и интегратора в генераторе пилообразного напряжения приводит к рассогласованию положительных и отрицательных амплитуд выходного сигнала этого генератора. Это изменяет скважность сигнала управления мультиплексором и появляется неустpанимая в последующем погрешноcть измерения.

Во-вторых, в данном устройстве при малых входных напряжениях (в частности в моменты перехода синусоидального напряжения через нулевой уровень), когда произведение тока на напряжение близко к нулю, сигнал управления мультиплексором имеет скважность, равную двум. Поэтому при малой мощности (за счет малой величины рабочего напряжения) наблюдаются повышение пульсации выходного напряжения перемножителя, что приводит к дополнительной погрешности измерения за счет ограниченного коэффициента сглаживания пульсаций в преобразователе частоты в напряжение.

Наиболее близким к предложенному является электронный счетчик ватт-часов, содержащий первое и второе входные согласующие устройства, выполненные соответственно в виде трансформаторов тока и напряжения, широтно-импульсный модулятор, содержащий последовательно соединенные интегратор и преобразователь уровня (двухпороговый компаратор), сдвоенный двухканальный мультиплексор, информационные входы и выходы которого подключены соответственно к выходам первого входного согласующего устройства (трансформатора тока) и к входам преобразователя напряжения в частоту, а также устройство определения полярности сигналов, логический блок и регистратор, вход которого подключен к выходу преобразователя напряжения в частоту. Причем входы логического блока подключены к выходам преобpазователя уровня и устройства определения полярности сигнала, входы которого подключены к выходам первого и второго входных согласующих устройств, выходы логического блока подключены к управляющим входам мультиплексора, а вход широтно-импульсного модулятора подключен к выходу второго входного согласующего устройства.

Недостатком этого устройства является зависимость результатов измерений от параметров широтно-импульсного модулятора. В частности, изменение параметров резисторов и конденсатора в интеграторе и выходного напряжения преобразователя уровня при изменении температуры окружающей среды или в течение определенного срока наработки приводит к пропорциональному изменению результата измерения и, соответственно, к возникновению погрешности измерений.

Кроме того, наличие в счетчике устройства определения полярности сигнала и логического блока, обладающих повышенной сложностью, снижает его надежность.

Цель изобретения повышение точности счетчика с одновременным упрощением его путем исключения влияния колебаний параметров интегратора и преобразователя уровня на изменение результатов измерения.

Это достигается тем, что в электронный счетчик электроэнергии, содержащий первое и второе входные согласующие устройства, мультиплексор, первый и второй информационные входы которого подключены к прямому и инверсному выходам первого входного согласующего устройства, интегратор, выход которого подключен к входу преобразователя уровня, а также преобразователь напряжения в частоту, вход и выход которого подключены соответственно к выходу мультиплексора и к входу регистратора, дополнительно введены генератор импульсов, первый и второй триггеры и источники положительного и отрицательного опорных напряжений, мультиплексор снабжен дополнительными информационными входами и выходами, интегратор первым входом подключен к выходу второго входного согласующего устройства, а вторым к дополнительному выходу мультиплексора, два из дополнительных входов которого подключены к источнику отрицательного опорного напряжения, выход генератора импульсов подключен к входам синхронизации первого и второго триггеров, выход первого триггера подключен к информационному входу второго триггера и к первому адресному входу мультиплексора, выход второго триггера соединен с вторым адресным входом мультиплексора, а выход преобразователя уровня подключен к информационному входу первого триггера.

Благодаря использованию новых элементов и новых связей в предложенном устройстве результат измерения мощности и количества электроэнергии не зависит от постоянной времени интегратора (сопротивления резистора и емкости конденсатора) и параметров преобразователя уровня. В сочетании с отсутствием в устройстве других резисторов и конденсаторов, влияющих на результат измерений, это приводит к существенному повышению точности счетчика электроэнергии.

Кроме того, введение в предложенное устройство генератора импульсов, первого и второго триггеров и источников опорных напряжений, а также соответствующее изменение связей между элементами, приводит к существенному упрощению счетчика электроэнергии. Благодаря этому повышается надежность устройства.

На чертеже представлена структурная схема предложенного устройства.

Электронный счетчик электроэнергии содержит первое 1 и второе 2 входные согласующие устройства, выходы которых подключены к информационным входам мультиплексора 3 и к первому входу интегратора 4, выход которого подключен к входу преобразователя уровня 5, генератор импульсов 6, первый 7 и второй 8 триггеры, источники положительного 9 и отрицательного 10 опорных напряжений, которые подключены к первому-второму и третьему-четвертому дополнительным информационным входам мультиплексора 3, дополнительный выход которого подключен к второму входу интегратора 4, а также преобразователь напряжения в частоту 11, вход и выход которого подключены соответственно к выходу мультиплексора 3 и входу регистратора 12. Выход генератора импульсов 6 при этом подключен к входам синхронизации первого 7 и второго 8 триггеров, выход преобразователя уровня 5 подключен к информационному входу первого триггера 7, выход которого подключен к информационному входу второго триггера 8 и к первому адресному входу мультиплексора 3, второй адресный вход которого подключен к выходу второго триггера 8.

Первое 1 и второе 2 входные согласующие устройства могут быть выполнены соответственно в виде трансформатора тока 13 с нагрузочным резистором 14 и трансформатора напряжения 15. На выходах трансформаторов 13, 15 в согласующих устройствах могут быть дополнительно установлены усилители и ограничители напряжения. Второе согласующее устройство 2 может быть выполнено также в виде бестрансформаторного дифференциального усилителя.

В качестве мультиплексора 3 может быть использован сдвоенный четырехканальный мультиплексор типа КР590КН3. Интегратор 4 содержит операционный усилитель 16, конденсатор 17 и резистор 18. В качестве преобразователя уровня 5 может быть использован компаратор с заземленным инвертирующим входом, ограничитель или делитель напряжения. В качестве генератора импульсов 6 целесообразно использовать кварцевый генератор с делителем частоты, выполненный, например, на микросхеме К176ИЕ12. При частоте кварцевого резонатора 32768 Гц на входы первого 7 и второго 8 триггеров может быть подана частота около 1 кГц, взятая с четвертого разряда делителя этой микросхемы.

Преобразователь частоты в напряжение 11 может содержать входной фильтр, выполненный на резисторе 19 и конденсаторе 20, второй интегратор, содержащий операционный усилитель 21, конденсатор 22 и резистор 23, ограничитель напряжения, выполненный на резисторе 24 и стабилитроне 25, а также третий триггер 26 и переключатель 27.

Вход синхронизации третьего триггера 26 целесообразно подключить к дополнительному выходу генератора импульсов 6, например к другому выходу делителя микросхемы К176ИЕ12 с более низкой частотой следования импульсов.

Регистратор 12 может содержать электромеханический или электронный счетчик импульсов 28 и индикатор 29.

Электронный счетчик электроэнергии работает следующим образом.

Напряжение сети ≈ U_c через трансформатор тока 13 поступает на нагрузку Z_н, потребление энергии которой необходимо измерить.

На вторичной обмотке трансформатора тока 13, а следовательно, на резисторе 14 и на выходе первого входного согласующего устройства 1 появляется симметричное относительно общего провода переменное напряжение, величина которого пропорциональна току нагрузки.

Одновременно на выходе второго входного согласующего устройства 2 (трансформатора напряжения 15) присутствует переменное напряжение, пропорциональное напряжению сети.

Это напряжение поступает на вход операционного усилителя 16 (интегратора 4). На другой вход интегратора 4 (на резистор 18) подается положительное (+U₀) или отрицательное (-U₀) опорное напряжение. Переключение полярности опорного напряжения (источников опорного напряжения 9, 10) осуществляет мультиплексор 3 по сигналам первого триггера 7.

Ввиду того, что опорные напряжения поступают на попарно объединенные дополнительные информационные входы мультиплексора 3, изменение состояния второго триггера 8 не оказывает влияния на процесс переключения опорных напряжений.

В зависимости от знака напряжения на выходе интегратора 4 преобразователь уровня 5 подает на информационный вход первого триггера 7 логические сигналы "0" или "1". Импульсы опорной частоты f_о с генератора импульсов 6 устанавливают первый триггер 7 в состояние, соответствующее этим сигналам.

Каждый раз, когда приходит импульс опорной частоты, мультиплексор 3 подает на вход интегратора 4 такое опорное напряжение, которое уменьшает напряжение на его входе.

При выходном напряжении трансформатора напряжения 15 равном нулю первый триггер 7 с каждым импульсом опорной частоты будет изменять свое состояние. В соответствии с этим с каждым импульсом опорной частоты будет изменяться также и состояние второго триггера 8, причем его состояние будет противоположным состоянию первого триггера 7.

Поэтому на адресных входах мультиплексора 3 будут присутствовать логические сигналы "10" или "01", выход Y мультиплексора 3 будет подключаться к информационным входам Y₂ и Y₃ (см. чертеж) и напряжение на выходе мультиплексора 3 будет отсутствовать независимо от величины тока нагрузки.

При выходном напряжении трансформатора напряжения 15, отличном от нуля, появляются моменты времени, когда первый триггер 7 находится в одном и том же состоянии в течение двух и более периодов опорной частоты. Это приводит к появлению моментов времени, когда состояния первого 7 и второго 8 триггеров совпадают.

Причем при положительном входном напряжении появляются логические состояния "11", а при отрицательном состояние "00". Чем больше мгновенное значение входного напряжения, тем более интенсивно изменяется выходное напряжение интегратора 4 и тем чаще устройство переходит в состояние, соответствующее появлению на адресных входах мультиплексора логических состояний "11" или "00".

При логическом состоянии "11" на выход мультиплексора 3 подключается входной сигнал Y₄ (см. чертеж), т.е. прямой сигнал с трансформатора тока 13. При состоянии "00" сигнал Y₁, т.е. инверсный сигнал с трансформатора тока 13.

Причем очевидно, что независимо от параметров конденсатора 17 и резистора 18 интегратора 4 и порога срабатывания преобразователя уровня 5 вольт-секундная площадь выходного сигнала трансформатора напряжения 15 всегда равна вольт-секундной площади импульсной последовательности на дополнительном выходе мультиплексора.

Поэтому для обеспечения высокой точности преобразования достаточно стабилизировать опорную частоту выходную частоту генератора импульсов 6 и опорные напряжения 9, 10.

Поскольку длительность нахождения мультиплексора в состоянии "11" ("00") пропорциональна положительному (отрицательному) мгновенному значению напряжения на выходе второго согласующего устройства 2 (трансформатора напряжения 15), а мультиплексор 3 переключает сигнал, пропорциональный току нагрузки, среднее значение напряжения на выходе Y мультиплексора 3 пропорционально произведению мгновенных значений тока и напряжения нагрузки: U_вых UIcosϕ где ϕ угол сдвига фаз между током и напряжением.

Напряжение с выхода мультиплексора поступает на выход преобразователя частоты в напряжение 11. Резистор 19 и конденсатор 20 обеспечивают выделение постоянной составляющей этого напряжения.

В показанном на чертеже варианте преобразователя напряжения в частоту 11 используется примерно аналогичный принцип построения, что и в описанном выше преобразователе выходного сигнала трансформатора напряжения 15 в сигналы управления мультиплексором 3.

В данном преобразователе в частоту преобразуется напряжение только положительной полярности. Поэтому ключ 27 коммутирует опорное напряжение только одной полярности.

На вход синхронизации этого триггера целесообразно подавать импульсы синхронизации с более низкой частотой, чтобы уменьшить число разрядов в счетчике 28 регистратора 12.

Импульсы, частота следования которых пропорциональна мощности, потребляемой нагрузкой, с выхода третьего триггера 26 поступают на регистратор 12.

Регистратор в зависимости от конструктивного исполнения счетчика 28 на индикаторе 29 может отображать количество ампер-часов потребляемой электроэнергии или потребляемую мощность. В первом случае должен быть использован накапливающий счетчик импульсов, а во втором счетчик, осуществляющий подсчет количества импульсов за заданный (эталонный) интервал времени.

Погрешность измерения в предложенном устройстве определяется нестабильностью частоты генератора импульсов (кварцевого генератора) и опорных напряжений, не зависит от параметров используемых резисторов и конденсаторов и по этим причинам имеет малую величину, существенно меньшую, чем в прототипе. Это дает возможность использовать предложенное устройство не только в бытовых, но и в эталонных прецизионных счетчиках электроэнергии. Кроме того, предложенное устройство существенно проще, а следовательно, более надежно, чем прототип.

Формула изобретения

ЭЛЕКТРОННЫЙ СЧЕТЧИК ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ, содержащий первое и второе входные согласующие устройства, мультиплексор, первый и второй информационные входы которого подключены к прямому и инверсному выходам первого входного согласующего устройства, последовательно соединенные интегратор и преобразователь уровня, а также преобразователь напряжения в частоту, вход и выход которого подключены соответственно к выходу мультиплексора и к входу регистратора, отличающийся тем, что в него дополнительно введены генератор импульсов, первый и второй триггеры и источники положительного и отрицательного опорных напряжений, мультиплексор снабжен дополнительными информационными входами и выходом, интегратор первым входом подключен к выходу второго согласующего устройства, а вторым - к дополнительному выходу мультиплексора, два из дополнительных входов которого подключены к источнику отрицательного опорного напряжения, а два других - к источнику положительного опорного напряжения, выход генератора импульсов подключен к входам синхронизации первого и второго триггеров, выход первого триггера подключен к информационному входу второго триггера и к первому адресному входу мультиплексора, выход второго триггера соединен с вторым адресным входом мультиплексора, а выход преобразователя уровня подключен к информационному входу первого триггера.

РИСУНКИ

Рисунок 1