Быстродействующий прецизионный частомер промышленного напряжения

Изобретение относится к области информационно-измерительной и вычислительной техники и может быть использовано в электроэнергетике для контроля усредненных значений частоты в промышленных электрических сетях переменного тока с номинальной частотой 50 или 60 Гц. Техническим результатом является упрощение схемы устройства, повышение его быстродействия и точности. Устройство содержит входную клемму, фильтр нижних частот, компаратор. Источник опорного напряжения, четыре одновибратора, генератор прямоугольных импульсов, таймер. Оперативное запоминающее устройство, три регистра, первый и второй сумматоры, блок коррекции. Первый и второй блоки деления, индикатор. Блок множителя, первый и второй счетчики, распределитель импульсов, элемент ИЛИ, триггер, блок задания числа периодов. Техническим результатом является упрощение схемы устройства, повышение его быстродействия и точности. 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области информационно-измерительной и вычислительной техники и может быть использовано в электроэнергетике для контроля усредненных значений частоты в промышленных электрических сетях переменного тока с номинальной частотой 50 или 60 Гц.

Известен цифровой датчик промышленной частоты [1], содержащий фильтр нижних частот, аналоговый компаратор, эталонный генератор, блоки формирования импульсов "Перенос Т" и "Установка 0", блоки "Контроль", "Ограничение", "Коррекция", блок цифроуправляемых сопротивлений, счетчик импульсов, счетчик с предустановкой, регистр, цифроаналоговый преобразователь, аналоговый сумматор.

Недостатками указанного аналога являются невысокая точность, а также неудобство в эксплуатации, обусловленные необходимостью для отображения в цифровом виде значения контролируемой частоты подключения к выходу датчика аналого-цифрового преобразователя (поскольку на выходе датчика появляется напряжение, пропорциональное частоте сети).

Известен цифровой измеритель частоты [2], содержащий формирователь интервала измерения, генератор образцовых частот, счетчики импульсов, сумматор, блок индикации, элемент задержки, RS-триггер, ключ, регистр, D-триггер, двухвходовой элемент И.

Недостатком измерителя является значительное время усреднения (счета), необходимое для получения требуемой точности измерений.

К аналогам предлагаемого технического решения также относится устройство для измерения частоты синусоидального сигнала [3], содержащее генератор импульсов, распределитель импульсов, счетчик импульсов, регистр, цифровые индикаторы, входной формирователь импульсов, выпрямитель, n входных формирователей импульсов, (n+1) выходных формирователей импульсов, источник опорных напряжений, элемент ИЛИ.

Недостатками данного аналога являются значительное время измерения, а также невысокая точность.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является система для измерения отклонений частоты промышленного напряжения [4], содержащая входную клемму, компаратор, генератор эталонной частоты, делители частоты, два оперативных запоминающих устройства, два двоично-десятичных счетчика, четыре двоичных счетчика, два шифратора, два распределителя импульсов, два индикатора, три триггера, регистр, многоканальный коммутатор, элементы И и ИЛИ, многопозиционный и двухпозиционный переключатели, кнопку управления.

Недостатками прототипа являются сложность схемы, слишком большой интервал усреднения наблюдаемой частоты (10 минут), снижающий быстродействие прототипа, недостаточно высокая точность.

Технические задачи, решаемые изобретением, - упрощение схемы устройства, повышение его быстродействия и точности.

Указанные технические задачи решаются благодаря тому, что в систему для измерения отклонений частоты промышленного напряжения, содержащую входную клемму, компаратор, генератор прямоугольных импульсов, первый и второй счетчики, первый регистр, распределитель импульсов, оперативное запоминающее устройство, первый-четвертый одновибраторы, элемент ИЛИ, триггер, вход установки единицы которого подключен к инверсному выходу второго одновибратора, а вход установки нуля подключен к инверсному выходу третьего одновибратора, инверсный вход которого подключен к выходу старшего разряда второго счетчика, выход элемента ИЛИ соединен с тактовым входом первого счетчика, информационный выход которого соединен с адресным входом оперативного запоминающего устройства, информационный выход первого регистра соединен с информационным входом индикатора, дополнительно введены таймер, второй и третий регистры, первый и второй сумматоры, первый и второй блоки деления, блок множителя, блок коррекции, блок задания числа периодов, источник опорного напряжения, фильтр нижних частот, вход которого подключен к входной клемме, а выход соединен с первым входом компаратора, второй вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, а выход компаратора соединен с входом первого одновибратора, выход которого соединен с инверсным входом второго одновибратора и с входом управления записью оперативного запоминающего устройства, информационный вход которого через таймер подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, а информационный выход соединен с первым входом первого сумматора, выход которого через второй регистр соединен с информационным входом третьего регистра, информационный выход которого соединен с объединенными вторым входом первого сумматора и первым входом второго сумматора, второй вход которого подключен к выходу блока коррекции, выход второго сумматора соединен с входом делимого первого блока деления, вход делителя которого подключен к выходу блока задания числа периодов, а выход первого блока деления соединен с входом делителя второго блока деления, вход делимого которого подключен к выходу блока множителя, а выход второго делителя соединен с информационным входом первого регистра, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с тактовым входом распределителя импульсов, выходы которого соединены соответственно второй - с входом управления записью второго регистра, третий - с входом управления записью третьего регистра, четвертый - с первым входом элемента ИЛИ, пятый - с тактовым входом второго счетчика, выход старшего разряда которого соединен с инверсным входом третьего одновибратора, прямой выход которого соединен с объединенными вторым входом элемента ИЛИ, входом управления записью первого регистра и с инверсным входом четвертого одновибратора, выход которого соединен с входом установки нуля третьего регистра, прямой выход второго одновибратора соединен с входом установки нуля таймера.

Существенными отличиями предлагаемого технического решения являются введение новых элементов в схему устройства (таймера, второго и третьего регистров, первого и второго сумматоров, первого и второго блоков деления, блока множителя, блока коррекции, блока задания числа периодов, источника опорного напряжения, фильтра нижних частот), организация новой структуры устройства и введение новых связей между элементами его схемы; при этом достигается существенное уменьшение общего числа компонентов элементной базы устройства и сокращение числа связей между элементами. Указанные существенные отличия обеспечивают достижение положительного эффекта - упрощение схемы устройства, повышение его быстродействия и точности.

На чертеже представлена структурная схема быстродействующего прецизионного частотомера промышленного напряжения.

Частотомер содержит входную клемму 1, фильтр нижних частот (ФНЧ) 2, компаратор 3, источник опорного напряжения (ИОН) 4, первый 5, второй 6 и третий 7 одновибраторы, генератор прямоугольных импульсов (ГПИ) 8, таймер 9, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 10, второй 11 и третий 12 регистры, первый 13 и второй 14 сумматоры, блок коррекции (БК) 15, первый 16 и второй 17 блоки деления (БД), первый регистр 18, индикатор 19, блок множителя (БМ) 20, первый 21 и второй 22 счетчики, распределитель импульсов (РИ) 23, элемент ИЛИ 24, триггер 25, блок задания числа периодов (БЗЧП) 26, четвертый одновибратор 27.

Входная клемма 1 через фильтр 2 нижних частот соединена с первым входом компаратора 3, второй вход которого подключен к выходу источника 4 опорного напряжения, а выход компаратора 3 соединен с входом первого одновибратора 5, выход которого соединен с инверсным входом второго одновибратора 6 и с входом управления записью оперативного запоминающего устройства 10, информационный вход которого через таймер 9 подключен к выходу генератора 8 прямоугольных импульсов, а информационный выход соединен с первым входом первого сумматора 13, выход которого через второй регистр 11 соединен с информационным входом третьего регистра 12, информационный выход которого соединен с вторым входом первого сумматора 13, а также с первым входом второго сумматора 14, второй вход которого подключен к выходу блока 15 коррекции, а выход соединен с входом делимого первого блока 16 деления, вход делителя которого подключен к выходу блока 26 задания числа периодов, а выход первого блока 16 деления соединен с входом делителя второго блока 17 деления, вход делимого которого подключен к выходу блока 20 множителя, а выход соединен с информационным входом первого регистра 18, информационный выход которого соединен с информационным входом индикатора 19, выход генератора 8 прямоугольных импульсов соединен с тактовым входом распределителя 23 импульсов, выходы которого соединены соответственно: второй - с входом управления записью второго регистра 11, третий - с входом управления записью третьего регистра 12, четвертый - с первым входом элемента ИЛИ 24, пятый - с тактовым входом второго счетчика 22, выход старшего разряда которого соединен с инверсным входом третьего одновибратора 7, прямой выход которого соединен с объединенными вторым входом элемента ИЛИ 24, входом управления записью первого регистра 18 и с инверсным входом четвертого одновибратора 27, выход которого соединен с входом установки нуля третьего регистра 12, прямой выход второго одновибратора 6 соединен с входом установки нуля таймера 9, а инверсный выход второго одновибратора 6 соединен с входом установки единицы триггера 25, вход установки нуля которого подключен к инверсному выходу третьего одновибратора 7, а инверсный выход соединен с входом установки нуля распределителя 23 импульсов, выход элемента ИЛИ 24 соединен с тактовым входом первого счетчика 21, информационный выход которого соединен с адресным входом оперативного запоминающего устройства 10.

Генератор 8 выполнен кварцевым, его частота равняется 1-20 МГц (в зависимости от необходимой точности). Частота среза ФНЧ 2 выбирается равной 90 Гц. Счетчики 21 и 22 имеют одинаковую емкость, которая равна числу периодов входного сигнала, в течение которых усредняется частота, и числу ячеек памяти ОЗУ 10; в БМ 20 содержится константа К₂₀=100000000. В качестве примера рассмотрим работу частотомера, в котором счетчики имеют емкость 10, в этом случае блоком 26 также задается число N=10.

Частотомер работает следующим образом.

Рассмотрим работу частотомера с момента, в который содержимое счетчиков 21, 22 и регистра 12 равно нулю.

После прохождения через ФНЧ 2 синусоидальное напряжение поступает на вход компаратора 3. При превышении входным напряжением выходного напряжения ИОН 4 компаратор срабатывает и на его выходе появляется единичное напряжение. По переднему фронту выходного напряжения компаратора 3 запускается одновибратор 5, который своим выходным импульсом переписывает содержимое n_i таймера 9, накопленное в нем за предыдущий период входного напряжения и пропорциональное длительности периода, в ячейку ОЗУ 10 с адресом 0000. Ко входу сумматора 13 прикладываются коды n₁ (с выхода ОЗУ 10) и "0" (с выхода регистра 12). На выходе сумматора 13 при этом появляется код n_i.

По заднему фронту выходного импульса одновибратора 5 запускается одновибратор 6, импульс с прямого выхода которого обнуляет содержимое таймера 9 (после чего таймер 9 начинает подсчитывать выходные импульсы ГПИ 8, определяя код числа n_j за очередной период входного напряжения), а импульс с инверсного выхода одновибратора 6 переводит триггер 25 в единичное состояние. При этом триггер 25 снимает единичное напряжение со входа установки нуля РИ 23 - последний переходит в активное состояние.

Появляющийся на втором выходе РИ 23 импульс управляет записью в промежуточный регистр 11 кода n_i с выхода сумматора 13.

Затем появляющийся на третьем выходе РИ 23 импульс переписывает код n_i из промежуточного регистра 11 в регистр 12.

Появляющийся на четвертом выходе РИ 23 импульс увеличивает на единицу содержимое счетчика 21 - оно становится равным 0001.

Появляющийся на пятом выходе РИ 23 импульс увеличивает на единицу содержимое счетчика 22 - оно также становится равным 0001.

В следующем цикле работы РИ 23 с помощью элементов 11-13 в регистре 12 появляется сумма содержимого двух соседних ячеек ОЗУ 10 с адресами 0000 и 0001: n_i+n_i+1.

После прохождения 10 циклов работы РИ 23 в регистре 12 находится сумма содержимого всех 10 ячеек ОЗУ 10, накопленных в нем за последние 10 периодов .

Эта сумма прикладывается к первому входу сумматора 14, на второй вход которого с выхода БК 15 поступает код коррекции K₁₅, компенсирующий погрешности частотомера. На выходе сумматора 14 появляется сумма

Эта сумма поступает на вход делимого БД 16, ко входу делителя которого с выхода БЗЧП 26 прикладывается код, равный 10.

На выходе первого блока 16 деления появляется частное, приложенное ко входу делителя второго блока 17 деления .

Ко входу делимого БД 17 с выхода БМ 20 приложен код константы К₂₀=100000000. В результате на выходе блока 17 деления присутствует код

Этот код пропорционален частоте сети входного напряжения частотомера, усредненной за 50 периодов.

Например, при неизменной номинальной частоте сети 50 Гц, частоте ГПИ 8 1 МГц и неучете погрешности (т.е. K₁₅=0) таймером 8 за каждый период подсчитывается число n_н=1000000/50=20000. За 10 периодов в регистре 12 накапливается сумма S₁₀=200000. На выходе БД 17 присутствует код

.

Этот код записывается в регистр 18 и отображается на индикаторе 19. После первых двух цифр непрерывно засвечена запятая. В результате на индикаторе отображена частота "50,00 Гц".

После прохождения 10 циклов работы РИ 23 содержимое счетчиков 21 и 22 вновь становится равным 0000. Однако при переполнении счетчика 22 по спаду напряжения на его выходе старшего разряда запускается одновибратор 7, который импульсом с прямого выхода увеличивает на единицу содержимое счетчика 21 (оно становится равным 0001), а импульсом с инверсного выхода переводит триггер 25 в нулевое состояние. Единичное напряжение инверсного выхода триггера 25, воздействуя на вход установки нуля распределителя 23, удерживает последний в нулевом состоянии покоя, при котором управляющее напряжение непрерывно находится на свободном первом выходе РИ 23.

При срабатывании компаратора 3 в начале следующего периода входного сигнала накопленная в таймере 9 информация n_j будет записана в ячейку ОЗУ 10 по адресу 0001 и т.д.

Таким образом, на индикаторе 19 отображается частота, усредненная за N периодов на интервале, скользящем с шагом в один период.

Преимуществами предлагаемого частотомера по сравнению с известными являются более простая и более надежная схема, большее быстродействие и меньшая погрешность устройства.

Источники информации

1. Розенблюм Ф.М., Гришанов В.Г, Белов В.П., Иванов Л.К. Цифровой датчик промышленной частоты // Электрические станции. - 1077. - №1. - С.65-68.

2. Патент 1290190 РФ, МПК G01R 23/00. Цифровой измеритель частоты / Ю.С.Антипов, В.А.Астапов, В.Г.Леонов и Н.Н.Родионова (РФ). - 1987, Бюл. №6.

3. Патент 2169927 РФ, МКП G01R 23/00, 23/10. Устройство для измерения частоты синусоидального сигнала / А.П.Карасев, В.Е.Булдин (РФ). - 2001, Бюл. №18.

4. Патент 1485145 РФ, МКП G01R 23/02, G06F 17/18. Система для измерения отклонений частоты промышленного напряжения / В.Ф.Ермаков (РФ). - 1989, Бюл. №21.

Быстродействующий прецизионный частотомер промышленного напряжения, содержащий входную клемму, компаратор, генератор прямоугольных импульсов, первый и второй счетчики, первый регистр, распределитель импульсов, оперативное запоминающее устройство, первый-четвертый одновибраторы, элемент ИЛИ, триггер, вход установки единицы которого подключен к инверсному выходу второго одновибратора, а вход установки нуля подключен к инверсному выходу третьего одновибратора, инверсный вход которого подключен к выходу старшего разряда второго счетчика, выход элемента ИЛИ соединен с тактовым входом первого счетчика, информационный выход которого соединен с адресным входом оперативного запоминающего устройства, информационный выход первого регистра соединен с информационным входом индикатора, отличающийся тем, что в него дополнительно введены таймер, второй и третий регистры, первый и второй сумматоры, первый и второй блоки деления, блок множителя, блок коррекции, блок задания числа периодов, источник опорного напряжения, фильтр нижних частот, вход которого подключен к входной клемме, а выход соединен с первым входом компаратора, второй вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, а выход компаратора соединен с входом первого одновибратора, выход которого соединен с инверсным входом второго одновибратора и с входом управления записью оперативного запоминающего устройства, информационный вход которого через таймер подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, а информационный выход соединен с первым входом первого сумматора, выход которого через второй регистр соединен с информационным входом третьего регистра, информационный выход которого соединен с объединенными вторым входом первого сумматора и первым входом второго сумматора, второй вход которого подключен к выходу блока коррекции, выход второго сумматора соединен с входом делимого первого блока деления, вход делителя которого подключен к выходу блока задания числа периодов, а выход первого блока деления соединен с входом делителя второго блока деления, вход делимого которого подключен к выходу блока множителя, а выход второго делителя соединен с информационным входом первого регистра, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с тактовым входом распределителя импульсов, выходы которого соединены соответственно второй - с входом управления записью второго регистра, третий - с входом управления записью третьего регистра, четвертый - с первым входом элемента ИЛИ, пятый - с тактовым входом второго счетчика, выход старшего разряда которого соединен с инверсным входом третьего одновибратора, прямой выход которого соединен с объединенными вторым входом элемента ИЛИ, входом управления записью первого регистра и с инверсным входом четвертого одновибратора, выход которого соединен с входом установки нуля третьего регистра, прямой выход второго одновибратора соединен с входом установки нуля таймера.