Счетчик постоянного тока

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Соавтскнк

Социалистических

Республик (») 579586

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное ы авт. свид-ву (22) Заявлено 0201-73 (21)1865147/24-07 с присоединением заявыи ЭЙ— (23) Приоритет (43) Опубликовано 051177- Бтоллетент, И 41 (45) Дата опублиыования описания 2111-77 (51) М. Кл.

401 .R 11/00 т аа)дафатааааыа аааатат

Вааата Иаааатраа ИСР аа 1ааая ааабратаааа а атаритай (оо) УДК 621. 317. 787. 1 (088. 8) (72) -Авторы изобретения

Л. Н. Волков, И.С. Белицкая и В. И . Цв етков

- Pl) ЗаявитЕлт Научно-исследовательский институт постоянного тока (54) СЧЕТЧИК ПОСТОЯННОГО ТОКА

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для учета количества электричества в цепях постоянного тока.

В связи с развитием некоторых отраслей промышленности, использующих счетчики ампер-часов постоянного тока, существенно возросли требования к метрологическим характеристикам этих счетчиков. В частности, для правильного ведения различных технологических режимов требуются счетчики с широким рабочим диапазоном, в котором сохраняется высокая точность измерения. Например, в передаче энергии постоянного тока требуется учитывать ток, протекающий по линии заземления с относительной погрешностью не ниже 0,5Ъ при изменении тока от 0,1 до 1,3 номинального значения.

Относительная погрешность счетчиков постоянного тока, выпускаемых отечественной промышленностью, в соответствии с ГОСТом 1028-62 нормируется для класса 0,5 в диапазоне от

0,75 до 1,2, а для класса 1,5 — от

0,2 до 1,2 номинального значения тока контролируемой цепи. Электронный счетчик ампер- асов типа СА-Ф601, содержащий формирователь пилообразного напряжения, формирователь счетных импульсов и суммирующий счетчик, имеет более широкий диапаэрн измере5 ния — от 0,1 до 1,5 3„ Однако нормированная относительная погрешность этого счетчика велика и при токе 0,1 составляет +6,0% в диапазоне от

0,5 до 1,2 3„ - 2,5%, а при токе 1,5

10 J„ — 3,0Ъ. Кроме того, дополнительная поГрешность счетчика or влияния температуры окружающего воздуха нормируется только для номинального тока и может достигать 2% на каждые .15 10 С.

Таким образом, выпускаемые в настоящее время счетчики постоянного тока, как правило, не удовлетворяют требования современной промышленно20 сти .

Целью изобретения является создание счетчика постоянного тока широкого назначения, удовлетворяющего современным требованиям. В этом слу:ае or25 носительная погрешность счетчиков во всем диапазоне изменения нагрузки, т.е. 0,05 до 1,5 3„ не должна превышать +0,5Ъ, а его дополнительна л т:мпературная погрешность э номинал::-о«

3Q режиме не должна бы h вьплс I,2":

579586 каждые 10 С в рабочем диапазоне температур от +15 до +35 С. Кроме того, включение счетчика в цепь измеряемого тока должно производиться с помощью стандартного шунта, например на 75 мВ.

Такие параметры могут быть осуществлены в электронном счетчике тока.

Однако метрологические характеристики известного электронного счетчика тока (CA-Ф601) не удовлетворяют этим требованиям. Принятое в нем преобразование измеряемого параметра (с шунта 150 MB) во временной интервал обуславливает появление погрешности дискретности и осуществленное с помощью магнитных элементов приводит к температурному и временному дрейфам.

Примененный в счетчике СА-Ф601 интегратор недостаточно линеен, и работа его зависит от длительности интервалов времени, поступаемых с импульсного модулятора, что отражается на мет- рологических характеристиках счетчика. Схема счетчика сложна (шестнадцать транзисторов, магнитные элементы иэ пермаллоя). Это снижает технологичность, затрудняет его сборку в условиях производства и усложняет эксплуатацию.

С целью повышения точности и чувствительности предлагаемый счетчик снабжен усилителем постоянного тока, нелинеиным преобразователем пилообразного напряжения, формирователем интервала восстановления схемы с времяэадающим звеном и ключом восстановления, причем усилитель соединен непосредственно с формирователем пилообразного напряжения, выход которого связан со входом формирователя счетных импульсов через ключ восстановления схемы, а также через нелинейный преобразователь пилообразного напряжения < формирователем интервала восстановления схемы, между входом и выходом которого включено времяэадающее звено. Пля повышения температурной и време1 пой стабильности работы счетчика нелинейный преобразователь пилообраэ11o(о напряжения содержит интегрирующее звено и соединенный с ням поленов транзистор, исток которого

При<.оеднпен к общей точке схемы, а сток — к базе входного транзистора форл<ирователя интервала воc(òàíîâëения схемы и через времяэадающее звено — к коллектору выходного транзистора указанного формирователя, база которого 1ереэ резистор соединена с коллектором нход11ого транзистора формирователи и чер(э резисторы с базой ключа 1«i«-..òàíîâIIeíèÿ, соединенной также чере» резистор со своим эмиттером, с положительным 11опюсом источника питании и <= змиттером выходного тра1<э11<..тора формирователя, а коллектор l(JIK> è нос< та нов лени я через реэи<.—

65 тор подключен к затвору полевого транзистора. Для упрощения и повышения надежности накопительный счетчик импульсов подключен к выходу формирователя интервала восстановления схемы через формирователь счетных импульсов, содержащий однополупериодный выпрямитель, первый и второй последовательно соединенные конденсаторы и тиристор, управляющий электрод которого присоединен к выходу формирователя интервала восстановления схемы, а анод и катод присоединены к свободНым обкладхам соответственно первого и второго конденсаторов, причем обкладки последнего, одна из которых совместно с катодом тиристора присоединена к общей точке схемы, образуют выход формирователя счетных импульсов, к которому подключена сбмотка питания шагового двигателя, а к обкладке первого конденсатора, соединенной с анодом тиристора, подключен указанный однополупериодный выпрямитель.

На фиг.1 приведена блок-схема описываемого счетчика, на фиг.2 — принципиальная электрическа схема счетчика; на фиг.3 — временные диаграммы, поясняющие работу счетчика.

Счетчик постоянного тока содержиу усилитель постоянного тока 1, формирователь 2 пилообразного напряжения, нелинейныи преобразователь 3 пилообразного напряжения, формирователь 4 интервала < в — времени восстановления схемы, времязадающее звено 5, ключ восстановления схемы 6, формирователь 7 счетных импульсов разной полярности, суммирующий счетчик 8 импульсов .

Усилитель пс стоянного тока 1 представляет собой операционный усилитель в интегральном исполнении.

Формирова1ель 2 пилообразного напряжения содержит генераторы стабильного тока — входной 9, компенсирующий 10, выполненные на транзисторах, и интегрирующий конденсатор 11.

Нелинейный преобразователь 3 пилообразного напряжения состоит из интегрирующего 3Ве11« (12, 13) и полевого транзистора 14.

Формирователь 4 интервала времени восстановления выполнен на транзисторах )5 и 16.

Времяэадаюцее звено 5 со(тоит иэ резистора 17 и конденсатора 18. Ключ восстановлепия схемы 6 выполнен на транзисторе 19.

Формирователь счетных импульсов разной поляоно<.ти содержит тиристор

20, конденсdI< ры 2) и 22, одпополупериодный выпрямитель 23, резистор.24 и выход 25. (9e<чнк 8 импульсов выполняется на 111;<1 звом двигателе, механически соеди11.впом о (четным меха57gс86 низмом. Ua» овь:й двигатель работает как поляризованное реле и управляется формирователе»л 7 импульсами разной полярности.

Выходные зажимы счетчика присое8 динены к шунту 26, устанавливаемому в цепь измеряемого тока, а через резисторы 27 и 28 — ко входу усилителя

1 (фиг.2). Один из входных зажимов усилителя потенциометром 29 через резисторы присоединен к минусу и плюсу

10 соответственно источников 0

» а другой потенциометром 30 — к пег 1 выходу усилителя 1, который резисторами 31 и 32 соединен с минусом источника 0, а резистором 31 — с эмит- 15 тером входного генератора стабильного тока 9. База последнего соединена с общей точка» схемы 33, а коллектор с однсй из обкладок интегрирующего конденсатора 11, куда также присоедине- 20 ны коллекторы транзистора 19 и генератора 10. База и эмиттер последнего соединены с плюсом источника 0, а

» с z эмиттер кроме того с потенциометром

34 подключен к плюсу источника 0

Вторая обкладка конденсатора 11 п1 исоединена к общей точке 33. Точка соединения коллекторов транзисторов (генераторов) 9 и 10 интегрирующим звеном 12 и 13 присоединена к затво- Э0 ру полевого транзистора 14, исток которого подключен к общей точке схемы

33, сток резистором 35 — к минусу источника 0, непосредственно к базе ис1 входного транзистора 15 формирователя 4 и времязадающим звеном 17, 18— к коллектору выходного транзистора 16 упомянутого формирователя. Эмиттер транзистора 15 делителем 36 соединен с минусом источника U,, a коллектор резисторами 37 и 38 — с базами транзисторов соответственно 19 и 16, эмиттеры которых резистором 39 соединены с базой транзистора 19 и непосредственно с плюсом источника U с г

Выход 40 формирователя 4 резистором 41 соединен с управляющим электродом тиристора 20 формирователя 7.

Анод эиристора через однополупериодный выпрямитель 23, резистор 24, подключен к источнику г»еременного напряжения 0 и к одной из обкладок конденсатора 21, который соединен после4 довательно с конденсатором 22. Последний непосредственно подключен к общей точке схемы 33 и к катоду тиристора

20. Выход 25 формирователя 7 образован конденсатором 22, далее он соединяется со входом шагового двигателя, т.е. с его обмоткой возбуждения.

Счетчик постоянного тока работает следующим образом.

При отсут- †ñ входного си=;-.ла (измеряе»ый ток 3 равен нулю) транэ.» сторы 14,15,16 и .»9 закрыты. Интегрирующии к з»»», »»сатoр 11 и конденсатор

13 заряжены до одинакового положи ел»вЂ” ного потенциала, г»риблизиты:ьно равного напряжению и то»н»»кч (Ча с 2 чальные токи генераторов 9 и 10, значение которых определяется положением рабочей точки на входных характеристиках генераторов (начало линейного о участка), равны и противоположно направлены. В этом случае уровень напряжения на выходе 40 благ, даря наличию конденсатора 18 равен нулю.

При подаче сигнала Uö„ ñ шунта 26 (J 4 О) начинается разряд конденсаторов 11 и 13 стабильным током генератора 9, значение которого прямо пропорционально входному напряжению и не зависит от величины напряжения в цепи коллектора транзистора 9, поскольку последний включен по схеме с общей базой. Величина тока разряда определяется коэффициентом усиления транзистора и входным сопротивлением формирователя 2 пилообразного напряжения (резистора 31), которое в устройстве составляет 100-200 ком в зависимости от типа усилителя постоянного тока 1.

Разряд конденсаторов 11 и 13 происходит практически линейно, так как ток разряда для данного значения 0 постоянен, параметры элементов 11,12 и 13 также постоянны, а сопротивление полевого транзистора 14 велико, и ток, потребляемый этим транзистором со стороны затвора, намного меньше тока разряда.

Разряд конденсаторов 11 и 13 продолжается до тех пор, пока не откроется ключ (19) восстановления схемы.

С этого момента начинается заряд обоих конденсаторов током источника и т.е. восстановление схемы в uc z ходное состояние. При этом на выходе

40 формирователя 4 появляется постоянное напряжение 0 „,„(+ 0„, ) . За время восстановления t z кондейсатор 11 заряжается до напряжения +0 . В моис мент окончания заряда конденсатора

11 (окончания интервала ) напряжение на выходе 40 становится равным

Нулю, а конденсатор 11 начинает разряжаться током генератора 9 и одновременно через конденсатор 13, напряжение на котором за интервал успевает увеличиться примерно до 0

KoM) напр> "жение на конденсаторе 13 при этом повышается до сравнения с напряжением на конденсаторе 11. Далее оба конденсатора разряжаются одновременно, примерно до 0,02 0, (0,15 в), что соответстыс2 вует напряжению отпирания транзисторов 14, 15, 16 и 19 (см. кривые на фиг.

3) . После очередного открытия транзистора 19 цикл повторяется.

Таким образом перепад напряжения на . ;=г-.: рующем конденсаторе 11 со579586

19

Ъ ставляет U -0,02 V c, т.е. для

\б.С 2 формирования амплитуды пилообразного йапряження используется = 98% напряжении источника. Это обесПечивает максимальное значение крутизны пило6бразного напряжения при данном напряжении источника питания.

Частота выходных импульсов на выходе 40 пропорциональна входному напряжению U „ или, что все равно, измеряемому току. Длительность интервалов времени между двумя выходными импульсами при номинальном значении измеряемого тока равна Т„= 1 сек, при токе 1,53„ — Т 0,666 сек, при токе 0,05 Э„ — Т = 20 сек. Время восстановления схемы 4В = 0,7 мсек.

Сигнал с выхода 40 поступает на управляющий электрод тиристора 20 формирователя 7. На аноде тиристора действует положительное напряжение, равное амплитуде однополупериодного напряжения источника U приложенного к конденсатору 21 через выпрями+ тель 23. Конденсатор 22, замкнутый на обмотку питания шагового двигателя, разряжен, .а якорь двигателя находится в исходном состоянии. При поступлении импульса с выхода 40 тиристор 20 открывается, конденсатор 21 разряжается через открытый тиристор

20 и конденсатор 22, который заряжается. При этом через обмотку .двигателя проходит импульс тока, сдвигающий якорь двигателя на один шаг. Затем происходит заряд обоих конденсаторов, и через обмотку двигателя проходит импульс тока в обратном направлении, возвращая якорь двигателя в исходное положение.

Перемещение якоря на один шаг соответствует срабатыванию одного знака младшего разряда суммирующего счетчика импульсов. Постоянная счетчика тока соответственно рави"

0 „т

С „= К„лмп час () ) где К„= р — коэффициент преобразования шунта.

Предлагаемая схема формирования счетных импульсов разной полярности для питания шагового двигателя отличается простотой и надежностью.

Для правильной работы счетчика необходимо, чтобы соотношение (1) сохранялось постоянным при любом значении входного параметра в диапазоне от 0,05 до 1,5 3„ как при нормальной температуре окружающего воздуха, так и при ее изменении в рабочем диапазоне (+15 до +40 C) .

Для постоянства (1) необходимо, чтобы 0 В„., =const, Длительность интервала Т при 0В„ =const определяется амплитудой пилообразного напряжения при заряде конденсатора 11 и двумя моментами времени. Один из них соответствует окончанию разряда конденсаторов 11 и 13, а другой — началу разряда конденсатора 11, причем

Фг- „ = В . Отсюда следует, что при Ф,=const интервал т тоже должен быть постоянным и не зависеть от величины входного напряжения и температуры окружающей среды.

Так как при данном значении

Вх скорость разряда конденсаторов 11 и

13 постоянна, т о моменты т и 4 onz ределяются лишь уровнями напряжений, до которых разряжаются конденсаторы

11 и 13 и заряжается конденсатор 11.

Укаэанные уровни в схеме на фиг.2 практически постоянны во времени и не зависят от температуры. Это достигается следующим образом. На выходе нелинейного преобразователя 3 (резистор 12) действует линейное пилообразное напряжение конденсатора 11, а на его выходе (сток транзистора 14) напряжение имеет нелинейный характер.

Нри одновременном разряде конденсаторов 11 и 13 (после момента tz ) напряжение сток-исток транзистора 14 длительное время остается практически постоянным, и транзисторы 15,16 и 19 все это время остаются запертыми. Лишь после того, как напряжение на затворе транзистора 14 достигает напряжения отсечки, ток в цепи его стока начнет изменяться. Когда этот ток достигнет значения тока базы транзистора 15, при котором последний отпирается, транзисторы 16 и 19 также отпираются, что сопровождается началом заряда конденсаторов 11 и 13.

Причем конденсатор 11 через переход эмиттер-коллектор ключа (19) быстро заряжается до напряжения + U тогда как конденсатор 13, напряжение на котором является интегралом напряжения конденсатора 11, заряжается медленно, и напряжение на нем за это же время достигает- -0 . Благодаря этоucz му замедляется рост напряжения на затворе транзистора 14 по сравнению с ростом напряжения на конденсаторе

11 и соответственно задерживается уменьшение тока базы транзистора 15, который еще некоторое время остается открытым (примерно 0,15 мсек), несмотря на начавшийся процесс восстановления конденсаторов. Это обеспечивает возможность ввода в действие цепи положительной обратной связи по переменному току (17,18), посредством которой при открытии транзистора 16 формируется импульсный ток с крутым фронтом нарастания. Ток, поступая на базу транзистора 15, обеспечивает лавинный характер открытия транзисторов

15,16 и 19 в первой фазе восстановления конденсаторов 11 и 13, т.е. еще

579586 при открытом транзисторе 14, и поддерживает упомянутые транзисторы в бткрытом состоянии но второй фазе восстановления, когда транзистор 14 уже закрыт ° Восстановление конденсатора 11 длится до тех пор, пока уменьшающийся по экспотенциальному закону гок звена 17,18 не запрет транзистор

15. Таким образом, момент восстановления схемы, а следовательно, и вре-. мя нссстановления ее 4н определяется лишь постоянными параметрами звена

17,18.

Высокий коэффициент использования напряжения источника питания (98Ъ) для фсрмирования пилообразного напряжения с максимально возможной для конкретных парамет он схемы крутизной преобразования и фиксирсвание уровней этого напряжения, а также формирование стабильной длительности

10 интервала восстановления схемы в предлагаемом счетчике тока достигается связью формирователя пилообразного нагряжения с формирователем интервала восстанонления посредством нели- 28 нейного преобразователя, содержащего интегрирующее звено 12,13 и полевой транзистор 14, исток которого присоединен к общей точке схемы, а сток непс>средственно — к базе входного ЗО транзистора 15 формирователя интервала восстановления схемы и через времяэадак>щее звено 17,18 — к коллектору выходного транзистора 16 этого формирователя, база которого через 35i резистор (38) соединена с коллектором входного транзистора 15 и через резисторы (38,37) — с базой ключа восстановления (19), а эмиттер через резистор (39) — с базой упомянутого 4О ключа, непосредственно с плюсом источника и эмиттером ключа (19), коллектор которого подключен ко входу нелинейного преобразователя.

Поскольку нходное сопротивление формирователя 2 пилообразного напряжения велико (не менее 100 ком), к

его входу непосредственно может быть . подключен усилитель постоянного тока без согласующих элементов, что значительно упрощает схему счетчика и повышает ее надежность.

Высокое входное сопротивление нелинейного преобразователя 3 обеспечивает линейность пилообразного напряжения формирователя 2, дейстнующего на входе преобразователя 3.

Коэффициент передачи напряжения преобразователя 3, условно принятый равным отно((>ению приращения напряжения на базе транзистора 15 к г(рира- ®» щению напряжения за то же время на затворе транзистора 14 в зоне открытия 15, составляет ь (.(ЕЭ 1S

-1

5Af (."» 6Ь

Это означает, что любые изменения уровня срабатывания транзисторов формирователя 4 и транзистора 14 будут восприняты на затворе транзистора 14 как — . Указанное в таком же отно16 шенин ослабляет влияние температуры на длительность интервала Т (частоту выходных импульсов), и обеспечивает температурную и временн ю стабильность счетчика в целом.

Это подтверждается результатами стендового испытания макетного образца счетчика постоянного тока.

Формула изобретения

1. Счетчик постоянного тока, содержащий формирователь пилообразного напряжения, формирователь счетных импульсов, суммирующий счетчик импульсов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности, он снабжен усилителем постоянного тока, нелинейным преобразсвателем пилообразного наг;ряжения, формирователем интервала времени восстановления схемы с нремязадающим звеном и ключом восстановления, причем усилитель соединен непосредственно с формирователем пилообразного напряжения, ныход которого связан со входом формирователя счетных импульсов через ключ восстановления схемы, а также через нелинейный преобразователь пилсобразного напряжения с формирователем интервала времени восстановления схемы, между входом и выходом которого включено времязадающее звено.

2. Счетчи.; по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения температурной и временной стабильности его работы, нелинейный преобразователь пилообразного напряжения содержит интегрирующее звено и соединенный с ним полевой транзистор, исток которого присоединен к общей точке схемы, а сток — к базе входного транзистора формирователя интервала времени восстановления схемы и через времязадающее звено — к коллектору выходного транзистора указанного формирователя, база которого через резистор соединена с коллектором вход. ного транзистора формирователя и через резисторы-с базой ключа восст.-.— новления, соединенной также через резистор со своим эмиттером, с положительным полюсом источника питания и с эмиттером выходного транзистора формирователя, а коллектор ключа восстановления через Резистор подключен к затвору полевого транзис.тора.

3. Счетчик пс и((. 1 и 2, о т л нч а ю шийся тем, что, с ((е>(ь(.>(lpo@>=ниR H (lîíûøå((11)l> на,-.:> э но тн, ">, ммирующ;; и >>(o(>(.„1>> н (.:з(,:. : .: >

579 5Вб!

Вх

27 чен к выходу формирователя интервала времени восстановления схемы через

Формирователь счетных импульсов, содержащий однополупериодный выпрямитель, первый и второй последовательно аоединенные конденсаторы и тиристор, управляющий =-лектрод которого присоединен к выходу формирователя интервала времени восстановления схемы, а анод и катод присоединены к свободным обкладкам соответственно перного и второго конденсатороя. п v÷åì обкладки последнего, одна из ксл оных совместно с катодом тиристора присоединена к общей точке схеьы, образу :т выход формирователя счетных импульсов, к которому подключена обмотка питания шагового двигателя, а к обкладке первого конденсатора, соединенной с анодом тиристора, подключен указанный однополупериодный выпря— митель.

579586

4f

42—

>> 4Ъюею Риг. д

Составитель И.Днепровская

Редактор В.Фельдман Техред A.Áoãäàí Корректор В.Сердюк

Заказ 4389/43 Тираж 1101 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП Патент, r. ужгород, ул. Проектная, 4