Универсальный цифровой прибор

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскими

Социалистииескик

Республик о 998964 (63) Дополнительное к авт. свмд-ву(22) Заявлено 240381 (21) 32б4857/18-21 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет—

Опубликовано 23.02.83.Бюллетень ¹7

51)М Кл з

501 R 13/02

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 621.317. 3 (088. 8.)

Дата опубликования описания 23.02.83.Й.

С.A.Êðàâ÷åíêî, В.В.Фокин и В.И.Анохин;- -,:. щ v, ä Ф

1

;::.Ъ,: " .М =.

1 г

1 г (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ЦИФРОВОЙ ПРИБОР

cos т,и логические элеИзобретение относится к цифровой электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения напряжений, токов, активной, реактивной и полной мощности, фазовых сдвигов, коэффициента мощности.

Известен универсальный измерительный прибор для измерения электрических параметров (1 j.

Однако указанный прибор позволяет измерить цифровыми методами только напряжение, ток и.сопротивление, что существенно ограничивает область его применения в качестве собственно мультиметра.

Известен также универсальный цифровой прибор, предназначенный для измерения, тока, напряжения, актив-ной, реактивной и полной мощностии коэффициента мощности, содержащий шунт в цепи тока, преобразователи напряжения во временной интервал и напряжения B частоту хронизатор, реверсивные счетчики активной и реактивной мощности, соединенные между со. бой устройство возведения в квадрат и извлечения квадратного корня и делитель кодов, "вкла4ающий соединенные вентилями переноса счетчики. полной. мощности и менты g2).

Недостатками этого прибора являются: наличие методических погрешностей, если форма исследуемых сигналов отличается от сннусоидальной, ограниченный класс -решаемых задач, так как этот прибор не позволяет проводить измерение амплитуд и действующих значений высших гармоник токов и напряжений, а также мощности и фаз высших гармоник.

Целью изобретения является nomaшение точности и расширение функци. овальных воэможностей.

Поставленная цель достигается тем, что в универсальный цифровой прибор, содержащий подключенные к первой входной шине и последовательно соединенные шувт в цепи тока и блок управления, первый и второй выходы которого подключены соответственно к управляющему и йнформационкому входам преобразователя аналог-код, а второй вход — к второй входной шине, квадратор, выход которого подключен к первому входу делителя кодов, анализатор фазы, реверсивные счетчики активной и реактивной мощности, первый и второй

998964 элементы И, счетчик фазы, введены измеритель квадратурных составляющих четыре реверсивных счетчика, два цифровых компаратора, третий и четвертый элементы И, блок списывания информации, вычислитель тригонометрических функций, перемножитель кодов и блок логики, причем, выход преобразователя аналог-код подключен к измерителю квадратурных составляющих, первый выход которого подключен 1О к первым входам первого и третьего элементов И, вторые входы первого и второго элементов И подключены к третьему выходу блока управления, четвертый выход которого подключен- соот-1. ветственно к второму и первому входам третьего и четвертого элементов И, вторые входы второго и четвертого элементов И подключены к второму выходу измерителя квадратурных сос- 20 тавляющих, выходы четырех элементов

И подключены соответственно к первым входам четырех реверсивных счетчиков, вторые входы которых подключены соответственно к выходам блока списы- 25 вания информации, другие выходы которого подключены к входу квадратора, второму входу делителя кодов, первым входам реверсивных счетчиков активной и реактивной мощностей и щ входам перемножителя кодов, управляющий вход блока списывания информации подключен к пятому выходу блока управления, информационные входы

его подключены соответственно к первым выходам четырех реверсивных счетчиков, к выходам реверсивных счетчиков активной и реактивной мощностей, вторые входы которых подключены соответственно к выходам перемножителя кодов, третьи входы— к. соответствующим выходам блока логики, входы которого подключены соответственно к анализатору фазы и вторым выходам четырех реверсивных счетчиков, третьи выходы первого и второго реверсивных счетчиков подключены к входам первого цифрового компаратора, третьи выходы третьего и четвертого реверсивных счетчиков подключены к входам второго цифрово" 5О

ro компаратора, выходы двух цифровых компараторов подключены соответственно к первым и вторым входам вычислителя тригонометрических функций и анализатора фазы, выходы кото- 55 рых подключены к счетчику фазы, при этом третий вход вычислителя тригонометрических функций подключен к выходу делителя кодов.

На чертеже приведена блок-схема универсального цифрового прибора.

Устройство содержит шунт 1, блок

2 управления, преобразователь 3 аналог-код, измеритель 4 квадратурных составляющих, элементы И 5-8, реверсивные счетчики 9-12, цифровые компараторы 13 и 14, блок 15 списывания информации, квадратор 16, делитель 17 кодов, перемножитель 18 кодов, вычислитель 19 тригонометрических функций, счетчик 20 фазы, анализатор 21 фазы, реверсивные счетчики 22 и 23 активной и реактивной мощностей, блок 24 логики. !

Токовый вход прибора через шунт

1, а вход напряжения непосредственно соединены с двумя входами блока

2 управления. Блок 2 управления служит для задания режимов работы прибора, для подключения на вход преобразователя 3 аналог-код либо исследуемого напряжения, либо падения напряжения на шунте 1, пропорционального исследуемому току, и для формирования импульсов запуска преобразователя 3 аналог-код в определенные моменты времени. Для этого блок 2 управления соединен по первому выходу с информационным входом, а по второму выходу — с управляющим входом преобразователя 3 аналог-код.

Выход последнего связан с входом измерителя 4 квадратурных составляющих, первый выход которого подключен к входам элементов И 5 и 7, а второй выход — к входам элементов И 6 ц 8, вторые входы первого и второго элементов И 5 и 6 соединены с третьим выходом блока 2 управления, второй и первый входы третьего и четвертого элементов И 7 и 8 — с четвертым выходом блока 2 управления. Выходы элементов И 5 - 8 соединены с первыми входами реверсивных счетчиков

9-12 соответственно . Реверсивные счетчики 9-12 попарно соединены с цифровыми компараторами 13 и 14.

Вторые входы реверсивных счетчиков

9 — 12, а также входы реверсивных счетчиков 22 и 23 активной и реактивной мощностей подключены к информационным входам блока 15 списывания информации и к входам квадратора 16, делителя 17 кодов и перемножителя 18 кодов. Управляющий вход блока 15 списывания информации подключен к пятому выходу блока 2 управления, а его информационные входы — к выходам всех шести . реверсивных счетчиков 9 — 12, 22, "

23. Квадратор 16 соединен с делителем 17 кодов, а последний через вычислитель 19 тригонометрических функций — с входом счетчика фазы 20, к которому подключен также анализатор 21 фазы, входы вычислителя 19 тригонометрических функций и анализатора 21 фазы подключены к выходам цифровых компараторов 13 и 14, выход перемножителя 18 кодов соединен с входами реверсивных счетчиков активной 22 и реактивной 23 мощнос998964 т-1

U = — x. ЩО)c05Vu)4e, ™ Е=о

35 ()= / р

ЧХ МУ, тей, третьи входы (входы реверса) которых связаны с выходами блока

24 логики. Входы блока 24 логики и анализатора 21 фазы соединены с третьими выходами счетчиков 9 — 12 ° устройство работает следующим образом.

При измерении тока переключатель вида работ блока 2 управления находится в режиме измерения тока. На вХод преобразователя 3 аналог-код с первого выхода блока 2 управления подается напряжение с шунта 1.

Одновременно с этим происходит подготовка к работе элементов И 5 и 6, путем подачи на их вторые входы напряжения, равного уровню логической единицы с третьего выхода блока

2 управления.

С второго выхода блока 2 управления поступают запускающие импульсы . 20 на преобразователь 3 в моменты времени tg. В эти моменты преобразователь 3 аналог-код преобразует мгновенные значения тока i(t ) в соответствующие коды, которые поступают 25 на вход измерителя 4 квадратурных составляющих, где за один или несколько периодов i(t ) (цикл измерения ) производится определение квадратурных составляющих 1 „ и 1,„ У 30 соответствующей гармоники i(t) ) È1-4. (е) ео5 )(Ие, К Е 0

И -1 . = м 2 "(е)5 " )® е

i!=o где m — число точек дискретизации исследуемого сигнала, з Мш1в, — коды ноРмиРованных гаРмо- 40

cos4urt< ник в точках дискретизации.

Код (,, с первого выхода измери4х теля 4 квадратурных составляющих через элемент И 5 записывается в-ре- 45 версивный счетчик 9; а код l со

У второго выхода измерителя 4 через элемент И 6 записывается в реверсивный счетчик 10.

После окончания цикла измерения по сигналу с блока 2 управления прекращается. подача падения напряжения с шунта 1 на входы преобразователя 3 аналог-код.

Одновременно сигнал с пятого выхода блока 2 управления поступает на управляющий вход блока 15 списывания информации, при помощи которого коды lyz и !.д„ с реверсивных счетчиков 9 и 10 вводятся в квадратор 16. .60

В квадраторе 16 производится вычисление действующего (или амплитуд.ного1 значения тока Х Ч

При измерении напряжения переклю чатель блока 2 управления находится в режиме измерения напряжения. На вход преобразователя 3 аналог-код с первого выхода блока 2 управления подается измеряемое напряжение.

Одновременно подготавливаются к работе элементы И 7 и 8 путем подачи на их входы напряжения, равного уровню логической единицы с четвер-. того выхода блока 2 управления.

Блок 2 управления начинает формировать по первому выходу импульсы запуска преобразователя 3 аналог-код, которые поступают на последний со второго выхода блока 2 управления в моменты времени t . В эти моменты преобразователь 3 аналог-код преобразует мгновенные значения напряжения U(t ) э соответствующие коЛы, которые поступают на вход измерителя 4 квадратурных составляющих, где за один или несколько периодов ()(t ) (цикл измерения) производится определеHHE. квадратурных составляющих

Ц и ()ЧЧ соответствующей гармоники U(t) N-3

U< = - Z u(t) S n V <8.

Ч 1 Е-о

Ko* Q с первого выхода измерителя 4 квадратурных составлякщих через элемент И 7 записывается в реверсивный счетчик 11, а код 0 „ со второго выхода измерителя 4 через элемент И 8 записывается в реверсивный счетчик 12.

После окончания цикла измеренйя блок 2 управления прекращает подачу измеряемого напряжения на входы преобразователя 3 аналог-Код.

Одновременно сигнал с пятого вы-. хода блока 2 управления поступает на управляющий вход блока 15 списывания информации, при помощи которого кодыО „ и()уус реверсивных счетчиков

11 и 12 вводятся в квадратор 16.

В квадраторе 16 производится вычисление действующего (или амплитудного) значения напряжения

При измерении сдвига фаз между напряжением и током переключатель блока 2 управления находится в режиме измерения сдвига фаз.

Определение сдвига фаз (между исследуемыми гармониками напряжения и тока производится в соответствии с равенством

ЧЧФм -Ч,, 998964

Ч -- сй-ceo s о

М UV

10 или

Р< 0 1, +Ц„1

QV 04У VX UV 11

При этом определение начальной фазы тока любой гармоники осуществляется в соответствии с выражением

1 х

% =си"сcos—

М,= 1„

В этом случае полностью повторяется режим измерения тока как описано выше, а затем код 111 поступает с квадратора 16 на один из входов делителя 17 кодов. На другой вход делителя 17 кодов блоком 15 списывания информации вводится код Iyz .Код величины ф 1 с выхода делителя 17 кодов поступает на вычислитель 19 тригонометрических функций, которым решается уравнение (, х

Ч -archie, ",Ее и (Ч,> j 45

1 1v t

Ч =orccos I — ", Есьи Ч )45

М1=

Это сделано для того, чтобы вычислитель 19 тригонометрических функ-25 ций работал по возможности на линейном участке реализуемых им обратных тригонометрических функций, что позволяет значительно упростить его реализацию при заданной точности вычис- 30 ления.

Режим работы вычислителя 19.тригонометрических функций задается цифРовым компаРатоРом 13. Если/! х/ъЦу, то вычислитель 19 работает в режиме З5

arcs i и. Если же/Iy/ вычислитель работает в режиме arccos. Во втором случае после вычисления угла про1

t изводится переход к углу(по форl

Ч =90-9 40 ), М, Истинное значение начальной фазы гармоники ф, определяется на основании выражения.

9у =+(9V -Чд ) 45 где ф — поправка, определяемая

О пределом, в котором находится начальная Фаза исследуемого сигнала (если

-90«Ч р,с 90, то Ч до = О, если 90 «Ч .д, < -90, то

Ч.о, - 18У).

Знак ф, также определяется по диапазонам: для 0 -Му,с 180 следует брать знак " ", для 180 «Чр<360 — 55 знак "-". Для определения поправкиЧ > о и ввода ее в счетчик 20 фазы, а также .для определения знака Ч,.служит анализатор 21 фазы. Определение поправки анализатором 21 фазы произ- 60 .водится по информации о знаке квадратурных составляющих ly 1 „,поступающей íà его вход со знаковых разрядов реверсивных счетчиков 9 и 10. 65

Аналогично определяется начальная фаза последуемой гармоники напряжения, согласно выражению

В этом случае блоком 2 управления прибор-автоматически переводится в режим измерения напряжения.

В результате в счетчике 20 будет зафиксирован код фазового сдвигаЧ .у.

При измерении мощности и cos9. переключатель блока 2 управления находится в режиме измерения сдвига фаз.

Определение активной Ру и реактивной Q< мощности исследуемой гармоники осуществляется в соответствии с равенствами

Реализуются эти равенства перемножителем 18 кодов, реверсивными счетчиками 22 и 23 активной и реактивной мощности и блоком 24 логики.

Работа прибора при определении квадратурных составляющих тока !>„, и. напряжения U,U< в этом режиме аналогична изложенному.

После определения квадратурных составляющих тока и напряжения сигнал с пятого выхода .блока 2 управления, поступает на управляющий вход блока 15 списывания информации. Блок

15 списывания информации вводит в перемножитель 18 кодов сначала коды

Qq>, l >, а затем Uy>, i „. Про изведения этих кодов 0„ „, l@„v (l<>. I< с выхода перемножителя 18 кодов заУ писываются в реверсивный счетчик 22 активной мощности с учетом знака произведения. При определении реактивной мощности Qy в перемножитель

18 кодов блоком 15 списывания инфоРмаЦии вначале ввоДЯтсЯ кот,ы О.УУ, iq> а затем коды U, l . Произведения этих кодов UQ P 1, и Цх } фУc выхо да перемножителя 18 кодов записыу ваются в реверсивный счетчик 23 реактивной мощности с учетом знака произведения. Знаки произведений

0Х ЮУ 0 „1, У 04У 1 Х " У",„ИУ, а сл;— довательйо, и режим работы реверсивных счетчиков активной 22 и реактивной 23 мощностей при записи кодов этих произведений определяются блоком 24 логики, связанным со знаковыми разрядами реверсивных счетчиков 9 - 12, Для определения полной мощности блоком 15 списывания информации коды активной Р и реактивной Q > мощностей со счетчиков 22 и 23 соответ998964 ственно вводятся в квадратор 16, в котором реализуется соотношение

5„)= 4Р + с@

При определении совЧ и код Sy 5 поступает в делитель 17 кодов, в который блоком 15 списывания информации вводится также код активной мощности Р. . В результате на выходе делителя 17 кодов образуется код 10

CO 5 Ц .

CO54 =Р„, б,д.

Таким образом, данный прибор позволяет расширить класс решаемых задач за счет измерения характеристик высших гармоник. Кроме того, он позволяет повысить точность измерений за счет уменьшения методической погрешности, вносимой несинусоидальностью исследуемого сигнала, и погрешности, обусловленной помехами в исследуеьых .сигнала.

Формула изобретения

Универсальный цифровой прибор, содержащий подключенные к первой входной шине и последовательно соединенные шунт в цепи тока и блок управления, первый и второй выходы которого подключены соответственно к управляющему и информационному входам преобразователя аналог-код, а второй вход — к второй входной шине квад- 35 ратор, выход которого подключен к первому входу делителя кодов, анализатор фазы, реверсивные счетчики активной и реактивной мощности, первый и второй элементы И, счетчик фа- 4Q эы, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей, в него введены измеритель квадратурных составляющих, четыре ре- 45 версивных счетчика, два цифровых компаратора, третий и четвертый элементы И, блок списывания информации,вычислитель тригонометрических функций, перемножитель кодов .и блок логики, -причем выход преобразователя аналог-код подключен к измерителю квадратурных составляющих, первый выходкоторого подключен к первым входам первого и третьего элементов И, вторые входы первого и второго элементов И подключены к третьему выходу блока управления, четвертый выход которого подключен соответственно к второму и первому входам третьего и четвертого элементов И, вторые входы второго и четвертого элементов И подключены к второму выходу измерителя квадратурных составляющих, выходы четырех элементов И подключены соответственно к первым входам четырех реверсивных счетчиков, вторые входы которых подключены соответственно к выходам блока списывания информации, другие выходы которого подключены к входу квадратора, второму входу делителя кодов, первым входам реверсивных счетчиков активной и реактивной мощностей и входам перемножителя кодов, управляющий вход блока списывания информации подключен к пятому выходу блока управления, информационные входы его подключены соответственно к первым выходам четырех реверсивных-. счетчиков и выходам реверсивных счетчиков активной и реактивной мощностей, вторые входы которых подключены соответственно к выходам перемножителя кодов,третьи входы — к соответствующим выходам блока логики, входы которого подключены соответ.Мственно к анализатору фазы и вторым выходам четырех реверсивных счетчиков, третьи выходы первого и второго реверсивных счетчиков подключены к входам первого цифрового компа-,. ратора, третьи выходы третьего и четвертого реверсивных счетчиков подключены к входам второго цифрового комларатора, выходы двух цифровых компараторов подключены соответственно к первым и вторым вхрдам вычислителя тригонометрических функций и анализатора фазы, выходы которых подключены к счетчику фазы, при этом третий вход вычислителя тригонометрических функций подключен к выходу делителя кодов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Сантони A.,Ïîðòàòèâíûé осциллограф-мультиметр модели 213. "Электроника", т. 48, Р 4, 1975, с.35-36.

2. Авторское свидетельство СССР

9 551177885533, кл. G01 К 13/02, 24.03.76,