Цифровий вимірювач електричної потужності

Цифровий вимірювач електричної потужності, який містить датчик струму, датчик напруги, перший суматор, мікро-ЕОМ, земляну шину, два перетворювальних канали, які включають послідовно з'єднані термоелектричні перетворювачі, генератор і формувач імпульсів, який відрізняється тим, що в нього додатково введені другий суматор, цифро-аналоговий перетворювач, перший та другий підсилювачі потужності, перший, другий, третій, четвертий, п'ятий, шостий, сьомий і восьмий автоматичні перемикачі, три інвертори, при цьому перший та другий підсилювачі потужності підключені до входів ВІДПОВІДНИХ перетворювальних каналів, вихід восьмого автоматичного перемикача підключений до мікро-ЕОМ, а його вхід керування приєднаний через третій інвертор до першого виходу дешифратора, перший і другий входи підключені до виходів формувачів імпульсів першого і другого перетворювальних каналів, вхо сьомого автоматичних перемикачів, керуючі входи яких з'єднані між собою, і з керуючими входами четвертого і п'ятого автоматичних перемикачів і, через другий інвертор підключені до другого виходу дешифратора, другі входи шостого і сьомого автоматичних перемикачів з'єднані з другими входами першого, другого, третього, четвертого і п'ятого автоматичних перемикачів і підключені до земляної шини, перші входи шостого і сьомого автоматичних перемикачів підключені, ВІДПОВІДНО, до виходів першого і другого суматорів, перші входи суматорів підключені до виходів четвертого і п'ятого автоматичних перемикачів, ВІДПОВІДНО, перші входи четвертого і п'ятого автоматичних перемикачів з'єднані між собою і через цифроаналоговий перетворювач підключені до загальної шини мікро-ЕОМ, другі входи суматорів підключені, ВІДПОВІДНО, до виходів першого і другого автоматичних перемикачів, треті входи суматорів з'єднані між собою і підключені до виходу третього автоматичного перемикача, перший вхід якого з'єднаний з датчиком напруги, керуючі входи першого, другого і третього автоматичних перемикачів з'єднані між собою і через перший інвертор підключені до третього виходу дешифратора, а перші входи першого і другого автоматичних перемикачів підключені до виходів датчика струму ди яких приєднані, ВІДПОВІДНО, ДО ВИХОДІВ ШОСТОГО І со Винахід відноситься до області вимірювальної техніки і може бути використаний для вимірювання електричної потужності сигналів, в тому числі сигналів складної форми Відомий перетворювач електричної потужності (див, А с №337727 СССР, МКИ G01R21/00 №1360182/18-10 Опубл 05 05 1972), що включає пристрої підсумовування та віднімання, перший та другий термоелектричні перетворювачі, два частотних (широтно-імпульсних) пристроїв та диференціальний формувач Нелінійність та нестабільність функції перетворення термоелектричних перетворювачів знижує точність перетворення електричної потужності в частоту імпульсів, отже зменшується точність вимірювання потужності Відомий пристрій для вимірювання потужності (див пат 1721529 А1 СССР, МКИ G01R21/06, 21/133 Опубл 23 03 92), який містить вимірювачі току та напруги електричної мережі, блок перемноження сигналів, квадратори та інтегратори, з'єднані між собою визначеним чином Нелінійність та нестабільність функції перетворення блоку перемноження сигналів, а також похибка формування ортогональних сигналів діапазону частот приводить до низької точності вимірювання потужності відомим пристроєм Відомий вимірювач активної потужності (пат 1817033 А1 Россия, МКИ G01R21/06 Опубл 23 05 93), який містить датчики току та напруги, перемножувач, пристрій виборки-збереження, фільтр верхніх частот, нуль-орган, блок керування, керований блок виборки-збереження та суматор Нестабільність та нелінійність функції пере Ю 57321 творення перемножувача сигналів, нестабільність земляної шини, перші входи шостого і сьомого характеристики нуль-органу та пристрою виборкиавтоматичних перемикачів підключені, ВІДПОВІДНО, збереження також обумовлюють недостатню точдо виходів першого і другого суматорів, перші вхоність вимірювання активної потужності ди суматорів підключені до виходів четвертого і Відомий також цифровий вимірювач електричп'ятого автоматичних перемикачів, ВІДПОВІДНО, ної потужності (див Малов В В Пьезорезонансперші входи четвертого і п'ятого автоматичних ные датчики - М Энергия, 1978 - С 121-124), який перемикачів з'єднані між собою і через цифромістить датчик струму, датчик напруги, перший аналоговий перетворювач підключені до загальної суматор, мікро-ЕОМ, земляну шину, два перетвошини мікро-ЕОМ, другі входи суматорів підключерювальних канали, які включають послідовно з'єдні, ВІДПОВІДНО, до виходів першого і другого автонані термоелектричні перетворювачі, генератор і матичних перемикачів, треті входи суматорів з'єдформувач імпульсів нані між собою і підключені до виходу третього автоматичного перемикача, перший вхід якого Недоліком відомого пристрою є низька точз'єднаний з датчиком напруги, керуючі входи перність вимірювання потужності, зазначений недолік шого, другого і третього автоматичних перемикачів зумовлений нелінійністю та нестабільністю харакз'єднані між собою і через перший інвертор підтеристик термоелектричних перетворювачів, паключені до третього виходу дешифратора, а перші раметри нелінійної функції перетворення п'єзоревходи першого і другого автоматичних перемиказонаторів і генераторів згодом змінюються через чів підключені до виходів датчика струму вплив ЗОВНІШНІХ дестабілізуючих факторів, нестабільність нелінійної функції перетворення і старінНа кресленні (див фіг) зображена структурна ня елементів термоелектричного перетворювача схема цифрового вимірювача електричної потужприводить до появи нелінійної, адитивної і мульності Пристрій містить датчик 1 струму, датчик 2 типлікативної складових похибки, електрична схенапруги, що підключені до об'єкту 3 вимірювання, ма генератора піддається впливам нестабільності перший 4 та другий 5 суматори підключені до вхонапруги живлення, імпульсним перешкодам, стадів ВІДПОВІДНИХ перетворювальних каналів 6 і 7, рінню елементів і т д , що також приводить до які, ВІДПОВІДНО, складаються з послідовно з'єднанестабільності його характеристик, наявність неліних термоелектричного перетворювача (ТПР) 8 і 9, нійної та інших складових похибки вимірювання не генератора 10 і 11 і формувача імпульсів 12 і 13, дає можливості вимірювати потужність з високою вихід восьмого автоматичного 14 перемикача (АП) точністю, особливо в області малих значень потупідключений до мікро-ЕОМ 15, що включає до сежності бе мікропроцесор 16 з підключеними до нього оперативним запам'ятовуючим пристроєм (ОЗП) В основу винаходу покладена задача створити 17, постійним перепрограмованим запам'ятовуютакий цифровий вимірювач електричної потужносчим пристроєм (ППЗП) 18, дешифратором 19 із ті, в якому введення нових елементів та їх зв'язків передввімкненим регістром 20 числа і цифровий забезпечило б підвищення точності вимірювання 21 ВІДЛІКОВИЙ пристрій, вхід керування восьмого потужності при розширенні діапазону вимірюванАП 14 приєднаний через третій інвертор 22 до виня ходу а дешифратора 19, вхід першого перетворюПоставлена задача вирішується тим, що завального каналу 6 підключений через перший підпропонований цифровий вимірювач електричної силювач 23 потужності (ПП) до виходу шостого АП потужності, який містить датчик струму, датчик 24, вхід другого перетворювального каналу 7 принапруги, перший суматор, мікро-ЕОМ, земляну єднаний через другий ПП 25 до виходу сьомого АП шину, два перетворювальних канали, які включа26, керуючі входи четвертого 27 і п'ятого 28 АП ють послідовно з'єднані термоелектричні перетвоВІДПОВІДНО, через другий інвертор 29, підключені рювачі, генератор і формувач імпульсів, згідно з до виходу b дешифратора 19, перші входи четвервинаходом, в нього додатково введені другий сутого 27 і п'ятого 28 АП через цифро-аналоговий ЗО матор, цифро-аналоговий перетворювач, перший перетворювач підключені до загальної шини мікта другий підсилювачі потужності, перший, другий, ропроцесора 16, другі входи суматорів 4 і 5 приєдтретій, четвертий, п'ятий, шостий, сьомий і восьнані ВІДПОВІДНО до виходів першого 31 і другого 32 мий автоматичні перемикачі, три інвертори, при АП, треті входи суматорів 4 і 5 підключені до вихоцьому перший та другий підсилювачі потужності ду третього АП 33, керуючі входи першого 31, друпідключені до входів ВІДПОВІДНИХ перетворювальгого 32 і третього 33 АП підключені через перший них каналів, вихід восьмого автоматичного переінвертор 34 до виходу с дешифратора 19, парофамикача підключений до мікро-ЕОМ, а його вхід зні виходи датчика 1 струму підключені до перших керування приєднаний через третій інвертор до входів АП 31, 32 першого виходу дешифратора, перший і другий входи підключені до виходів формувачів імпульсів Датчик 2 напруги виконаний у вигляді знижуюпершого і другого перетворювальних каналів, вхочого трансформатора напруги з коефіцієнтом педи яких приєднані, ВІДПОВІДНО, ДО ВИХОДІВ ШОСТОГО І редачі (трансформації) п=200 250 і має виходи сьомого автоматичних перемикачів, керуючі входи для паралельного підключення до об'єкту 3 виміяких з'єднані між собою, і з керуючими входами рювання Датчик 1 струму виконаний у вигляді четвертого і п'ятого автоматичних перемикачів і, трансформатора струму на феритовому КІЛЬЦІ З через другий інвертор підключені до другого вихокоефіцієнтом трансформації n=10 103, підключеду дешифратора, другі входи шостого і сьомого ний послідовно до об'єкту 3 вимірювання Датчик 1 автоматичних перемикачів з'єднані з другими вхоструму перетворює магнітне поле, наведене у федами першого, другого, третього, четвертого і п'яритовому КІЛЬЦІ електричним струмом, що тече того автоматичних перемикачів і підключені до через первинну обмотку, у змінну напругу на вто 57321 ринній обмотці за рахунок взаємної індукції Весь процес вимірювання дійсного значення потужності містить у собі п'ять тактів вимірювання і один такт обробки отриманих результатів Після включення живлення пристрою автоматичні перемикачі АП 31-33, 24, 26-28, 22 встановлюються в положення, що показане на кресленні Мікропроцесор 16 і регістр 20 числа встановлюються у вихідний стан У ППЗП 18 зберігаються коди значення опору першого та другого нагрівальних елементів (НЕ1 і НЕ2) (при {RHI}={RH2}), КОДИ Nui, Nu2, і N I B значень напруг Uoi, U02 і Uo3, що формує цифро-аналоговий ЗО перетворювач, і код каліброваного (що обчислюється за допомогою мікропроцесора 16) значення потужності Ро (Npo={Uoi} /{RHI}) Крім того, у пам'яті мікропроцесора 16 зберігається програма виконання всіх послідовностей операцій, що забезпечує функціонування цифрового вимірювача потужності як єдиного програмно-технічного засобу вимірювання На цифровому 21 відліковому пристою висвічуються нулі В першому такті вимірювань на ПП 23 і ПП 25 сигнали не надходять В результаті здійснюється вимірювання теплової потужності, що розсіюється на елементах НЕ ТПР 8 і 9 при температурі навколишнього середовища ТОКР і при нульових значеннях струму через перший і другий нагрівальні елементи НЕ1 і НЕ2 Потужність Роо ({Роо}-0), що відповідає температурі ТОКР, за допомогою ТПР 8 і ТПР 9 перетворюється в частоти f = 00 )0 fii - uz QH _L p , f 1I _ ff1 0~ 0 (1) "Г I n — T 1 1 _ f o 'o - 'o ^' електричних сигналів u'i(t) і u"i(t), що формуються генераторами 10 і 11 ВІДПОВІДНО S'H І Э'Л - параметри нелінійної функції перетворення ТПР 8 і 9 Електричні сигнали u'i(t) і u"i(t) нормуються по амплітуді і тривалості за допомогою формувачів імпульсів 12 і 13 і по черзі через АП 14 надходять у мікропроцесор 16 через послідовний порт АП 14 керується по команді з мікропроцесора 16, що надходить через регістр числа 20 і третій вихід дешифратора 19 і інвертора 22 на керуючий вхід АП 14 За допомогою мікропроцесора 16 частоти f'i і f"i сигналів u'i(t) і u"i(t) вимірюються й у вигляді кодів чисел N'n і N"fi запам'ятовуються в ОЗП 17 мікропроцесора 16 T В другому такті вимірювань з виходів мікропроцесора 16 на вхід цифро-аналогового ЗО перетворювача надходить код числа ІЧш В результаті на виході цифро-аналогового ЗО перетворювача формується калібрована за значенням напруга Uo2, що є менша за значенням напруги Uoi на калібровану за значенням величину AUo По команді з мікропроцесора 16 АП 24, 26-28 перемикаються в положення, протилежне зазначеним на кресленні Теплова потужність Pi ({PI}={UO2} 2 /RH), виділена на першому і другому резистивних нагрівальних елементах НЕ1 і НЕ2 перетворюється в частоти fl (3) (4) електричних сигналів u'2(t) і u''2(t) Частоти сигналів u'2(t) і u''2(t) вимірюються та у вигляді кодів чисел N'f2 і N"f2 запам'ятовуються в ОЗП 17 мікропроцесора 16 Для цього вони, як і в першому такті, з виходів генераторів 10 і 11 через формувачі імпульсів 12 і 13 надходять на перший і другий входи АП 14 По команді з мікропроцесора 16 з третього виходу дешифратора 19 на інвертор 22 надходять сигнали керування роботою АП 14 У третьому такті вимірювань положення АП 24, 26-28 не змінюється 3 виходу мікропроцесора 16 на вхід цифро-аналогового ЗО перетворювача надходить код числа ІЧиз В результаті на виході цифро-аналогового ЗО перетворювача формується каліброване за значенням напруга ІІоз, більша за Uoi на калібровану за значенням величину ДІІоі На першому і другому резистивних нагрівальних елементах НЕ1 і НЕ2 виділяється теплова потужність Рг, що за допомогою першого та другого чутливих елементів (ЧЕ1 і ЧЕ2) перетворюється в електричні сигнали іїз(Ч і u''3(t) з частотами f3 = S H (Ро + А Р ) 2 л (Р о + АР) + f 0 (5) f3 = S(l (Ро + АР) 2 + Бл (Ро + АР) + f0' (6) Як і в попередніх тактах, частоти сигналів и'з® І U''3(t) ВИМІРЮЮТЬСЯ І у ВИГЛЯДІ КОДІВ ЧИСеЛ N'f3 I N"f3 запам'ятовуються в ОЗП 17 мікропроцесора 16 Оскільки ДО виконання четвертого такту АП 3 1 33 знаходилися в положеннях, зазначених на кресленні, то на перші входи суматорів 4 і 5 надходили тільки ВИХІДНІ напруги з цифро-аналогового ЗО перетворювача У четвертому такті АП 31-33 встановлюються в положення, протилежне зазначених на кресленні, а положення АП 24, 26-28 залишається таким же, як і в попередньому такті На другий і третій входи суматорів 4 і 5 надходять електричні сигнали uci(t) і Uc2(t) з виходів датчика 1 струму і датчика 2 напруги ВІДПОВІДНО На перші входи суматорів 4 і 5 надходить напруга LJ02 з виходу цифроаналогового ЗО перетворювача, тому що в четвертому такті на його входи з мікропроцесора 16 подається код числа Nu2 Оскільки на другий і третій входи першого суматора 4 надходять електричні сигнали uci(t) і Uc2(t) з прямих виходів датчика 1 струму і датчика 2 напруги, то ці сигнали в суматорі 4 складаються, тобто формується сумарний сигнал u^(t) На другий і третій входи другого суматору 5 надходять електричні сигнали -Uc2(t) і uci(t) , ВІДПОВІДНО з інверсного і прямого виходів датчика 1 струму і датчика 3 напруги Ці сигнали в суматорі 5 віднімаються, тобто формується різницевий сигнал У четвертому такті вимірювань сумарний (u^(t)) і різницевий (u A (t)) сигнали в суматорах 4 і 5 ВІДПОВІДНО, збільшуються на значення вихідної напруги Uo2, що надходить з цифро-аналогового ЗО перетворювача Отримані за допомогою суматорів 4 і 5 напруги u^i(t) і uді(t) підсилюються за допомогою ПП 23 і 25 і надходять на перший і другий резистивні нагрівальні елементи НЕ1 і НЕ2 ВІДПОВІДНО Виділена на нагрівальних елементах НЕ1 і НЕ2 теплова потужність Р'і і Р'д, ВІДПОВІДНО, перетворюється в електричні сигнали uVft) і u'Vft) з частотами 57321 8 ділена на нагрівальних елементах НЕ1 і НЕ2 тепU) лова потужність Р^" і Рд", перетвориться в електричні сигнали u'sft) і u''5(t) з частотами 1 2 1 fi = S H (PE + Po - AP) + S\ (PE + Po - ДР) + fJ (8) FI Аналогічним чином частоти сигналів виміряються й у вигляді кодів чисел N'f4 і N"f4 запам'ятовуються в ОЗП 17 мікропроцесора 16 У п'ятому такті вимірювань положення АП 24, 26-28, 31-33 не змінюється, на входи цифроаналогового ЗО перетворювача з виходів мікропроцесора 16 надходить код числа ІЧиз В результаті відбувається збільшення миттєвих значень сигналів u^(t) і uA(t) на значення напруги ІІоз Напруги u^2(t) і uA2(t) з виходів суматорів 4 і 5 через _ оі /п , п , л п\2 сі /п , п , л п \ , -fl (9) ПО) Частоти сигналів u's(t) і u"s(t) вимірюються описаним ВИЩЄ ЧИНОМ І у ВИГЛЯДІ КОДІВ ЧИСеЛ N'f5 I N"f5 запам'ятовуються в ОЗП 17 Отримані в кожному з п'яти тактів значення результатів вимірювання частот кожної пари електричних сигналів обробляються згідно з рівнянням числових значень ПП 23 і 25 надходять на НЕ1 і НЕ2 ВІДПОВІДНО ВИ2Np0NAp(N'f2 NРО N Px J - 2N'f1) N'f2) f5 = 2N P 0 N A P (N[ 2 + N'ra - (Ng0 N'f2) (11) g P0 N'f's-I ми J f3 2NP0NAp(Nlfl2 ~ N' f ' 2 ) кін Запропоноване технічне рішення цифрового вимірювача електричної потужності забезпечує автоматичне виключення систематичної похибки результату визначення дійсного значення потужності, у тому числі й похибки від нелінійності Це свідчить про перспективність реалізації електротеплових методів надлишкових вимірювання з автоматичною корекцією систематичних похибок взагалі і електротеплових методів виміру потужності зокрема Таким чином, запропоноване технічне рішення цифрового вимірювача електричної потужності 2M\\) забезпечує підвищення точності вимірювання за рахунок виключення адитивної, мультиплікативної та нелінійної складових систематичних похибок результатів вимірювань З аналізу методичних похибок встановлено, що запропонований цифровий вимірювач забезпечує зростання точності вимірювання на порядок При чому виключається нелінійна складова похибки На основі цифрового вимірювача електричної потужності можливо створення вимірювачів класу точності 0,01-0,05 ФІГ. Комп'ютерна верстка Л Ціхановська Підписано до друку 05 07 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна