Пристрій для вимірювання електричної енергії (варіанти)

1. Устройство для измерения электрической энергии, содержащее подключенные к электрической сети входной преобразователь тока и входной преобразователь напряжения, выходы которых присоединены соответственно к первому и второму входам аналогового перемножителя, блок реверсирования заряда, к первому входу которого подключен выход аналогового перемножителя, интегрирующая емкость, один вывод которой соединен с первым выходом блока реверсирования заряда и с первым входом компаратора, а другой вывод со вторым выходом блока реверсирования заряда и со вторым входом компаратора, причем выход компаратора соединен с входом счетчика, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что аналоговый перемножитель выполнен в виде перемножителя с нулевой аддитивной составляющей, а компаратор выполнен гистерезисыым, причем его выход подключен к управляющему входу блока реверсирования заряда. 2, Устройство для измерения электрической энергии, содержащее подключенные к электрической сети входной преобразователь тока и входной преобразователь напряжения, выходы которых присоединены соответственно к первому и второму входам аналогового перемножителя, блок реверсирования заряда, к первому входу которого подключен выход аналогового перемножителя, интегрирующая емкость, один вывод которой соединен с первым выходом блока реверсирования заряда и с первым входом компаратора, а другой вывод со вторым выходом блока реверсирования заряда и со вторым входом компаратора, причем выход компаратора соединен с входом счетчика и первым входом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ И Л И , о т л и ч а ю щ е е с я тем, что аналоговый перемножитель выполнен в виде одноквадрантного перемножителя, выход которого является первым выходом аналогового перемножителя, первого и второго блоков выделения модуля, первые выходы которых подсоединены соответственно к первому и второму входам одноквадрантного перемножителя, их входы соединены соответственно с выходами входного преобразователя тока и входного преобразователя напряжения, схемы вычисления знака, к входам которой подключены вторые выходы блоков выделения модуля, а ее выход является вторым выходом аналогового перемножителя, компаратор выполнен гистерезисным, второй вход логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединен с вторым выходом аналогового перемножителя, а ее выход соединен суправляющим входом блока реверсирования заряда. 3. Устройства по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю щ ие с я тем, что аналоговый перемножитель выполнен с токовым выходом. с > ю го 00 со 22783 Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения активной электрической энергии в цепях переменного и постоянного тока. 5 Известен счетчик электрической энергии [Авт. св. СССР № 1224735, кл. G 01 R 22/00, опублик. 15.04.86], содержащий аналоговый перемножитель, преобразователь напряжение-частота, реверсивный счетчик, 10 переключатель полярности, интегрирующую емкость. Недостатком устройства является низкая точность измерения электрической энергии, обусловленная наличием аддитивных ошибок реализации 15 операций интегрирования и преобразования напряжение-частота. Наиболее близким по совокупности существенных признаков является, выбранное в качестве прототипа, устройство для 20 измерения электрической энергии, содержащее входные преобразователи тока и напряжения, выходы которых подключены к входам аналогового перемножителя, блок реверсирования заряда, к входу которого 25 подключены выходы аналогового перемножителя, интегрирующую емкость, один вывод которой соединен с первым выходом компаратора, а другой выход - со вторым входом компаратора и со вторым выходом 30 блока реверсирования заряда, причем выход компаратора соединен с входом счетчика и первым входом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ [Патент Великобритании № 2197083,кл. G 01 R 21/06, опублик. 35 11.05.88]. В устройстве-прототипе решается задача приспособления для построения измерителя электрической энергии аналогового перемножителя с большим уровнем адди- 40 тивной составляющей в выходном сигнале, в частности перемножителя Гильберта (перемножителя, использующего принцип переменной крутизны). Недостатками этого устройства являются малый диапазон изме- 45 нения мощности нагрузки с гарантированной относительной погрешностью, а также значительная сложность реализации. Фактором, ограничивающим диапазон точной работы прототипа, является практическая 50 недостижимость компенсации до необходимого уровня аддитивных ошибок (не зависящих от уровня мощности нагрузки), возникающих как при перемножении входных сигналов тока и напряжения, так и при 55 преобразовании результата произведения (полной ИЛИ мгновенной мощности нагрузки) в импульсный сигнал, частота которого пропорциональна активной мощности нагрузки. Для измерителей электрической энергии величина относительной погрешности преобразования нормируется в широком динамическом диапазоне и достигает в соответствии с ГОСТ 26035-83 для счетчиков непосредственного включения трех декад. Для получения относительной погрешности, например, 1% уровень аддитивной составляющей ошибки не должен превышать 0,001% максимальной величины сигнала, что определяет требования к эффективности компенсации возможных ошибок перемножителя. В конкретном случае использования аналогового перемножителя Гильберта, изготовляемого по интегральной технологии, технологический разброс параметров выходной цепи и, соответственно, уровня аддитивной составляющей, достигает 10%, а ее компенсации при ручной или автоматизированной настройке позволяет уменьшить эту погрешность не более, чем в 10-50 раз. В тоже время значительное преобладание в выходном сигнале аналогового перемножителя компоненты смещения (аддитивной составляющей) в сравнении с уровнем полезной составляющей (в 5-10 раз) соответственно усиливает влияние аддитивной погрешности и на порядок повышает требования к степени ее подавления (до 1000000). Практически такая величина недостижима, поскольку находится ниже уровня шумов и коммутационных помех, а требуемые по принципу действия устройства-прототипа дополнительные преобразования входных и промежуточных сигналов сами являются источниками аддитивных ошибок. Например, таковыми являются периодическое реверсирование одного из входных сигналов аналогового перемножителя, а также его выходного сигнала в блоке реверсирования заряда с частотой, значительно превышающей частоту входных сигналов. Погрешность измерения электрической энергии, вызванная этими источниками, пропорциональна отношению уровня этой ошибки и уровня полезного сигнала мгновенной мощности на выходе аналогового перемножителя. Указанные причины ограничивают диапазон работы устройства с гарантированной величиной относительной погрешности до 1-1,5 декад. Невозможность достижения необходимой степени компенсации аддитивной составляющей погрешности обуславливает применение в устройстве-прототипе средств устранения самохода, фактически основанного на ограничении его чувствительности и, кроме того, усложняющих схему устройства. Применение же в схеме устройства-прототипа аналогового перемножителя другого типа, в том 22783 числе и с нулевой аддитивной погрешностью делает устройство неработоспособным. Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение диапазона изменения нагрузки при гарантированной величине относительной погрешности измерения электрической энергии, Поставленная задача решается тем, что в устройстве для измерения электрической энергии по первому варианту, содержащему подключенные к электрической сети входной преобразователь тока и входной преобразователь напряжения, выходы которых присоединены соответственно к первому и второму входам аналогового перемножителя, блок реверсирования заряда, к первому входу которого подключен выход аналогового перемножителя, интегрирующую емкость, один выход которой соединен с первым выходом блока реверсирования заряда и с первым входом компаратора, а другой вывод со вторым выходом блока реверсирования заряда и со вторым входом компаратора, причем выход компаратора соединен с входом счетчика, аналоговый перемножитель выполнен в виде перемножителя с нулевой аддитивной составляющей, а компаратор выполнен гистерезисным, причем его выход подключен к управляющему входу блока реверсирования заряда. 5 10 15 20 25 30 ходам входного преобразователя тока и входного преобразователя напряжения, вторые выходы блоков выделения модуля подключены к входам схемы вычисления знака, выход которой является вторым выходом перемножителя, компаратор выполнен гистерезисным, второй вход схемы "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ" соединен с вторым выходом аналогового перемножителя, а ее выход соединен с управляющим входом блока реверсирования заряда. ^ В первом и втором вариантах выполнения устройства целесообразно аналоговый перемножитель выполнить с токовым выходом. Объединение двух технических решений в одну заявку связано с тем, что два данных устройства решают одну и ту же задачу - измерение электрической энергии с малой относительной погрешностью принципиально одним и тем же путем - за счет выполнения перемножителя с нулевой аддитивной составляющей, выполнения компаратора гистерезисным и введения связи его выхода с управляющим входом блока реверсирования заряда (во втором варианте через логический элемент И С К Л Ю Ч А Ю Щ Е Е ИЛИ). Сущность изобретения по каждому из вариантов является равноценной, а существенные отличия не могут быть объединены обобщающими признаками. За счет наличия указанных отличительных признаков в обоих вариантах предлагаемого устройства для и з м е р е н и я электрической энергии в сравнении с известными аналогами и прототипом достигается меньшая величина аддитивной ошибки. Погрешность измерения, источником которой может быть аддитивная ошибка блока реверсирования заряда, находится в квадратичной зависимости от отношения уровня этой ошибки и уровня полезного сигнала мгновенной мощности на выходе аналогового перемножителя, то есть в сравнении с прототипом является величиной второго порядка малости. Кроме того, если в предлагаемом устройстве аналоговый перемножитель обеспечивает уровень аддитивной ошибки, меньший, чем у блока реверсирования заряда, то преобразование средней мощности в частоту прекращается, то есть частота выходного сигнала компаратора равна нулю, за счет чего обеспечивается отсутствие явления самохода без применения специальных дополнительных средств. В устройстве для измерения электрической энергии по второму варианту, содержащем подключенные к электрической сети 35 входной преобразователь тока и входной преобразователь напряжения, выходы которых присоединены соответственно к первому и второму входам аналогового перемножителя, блок реверсирования заря- 40 да, к первому входу которого подключен выход аналогового перемножителя, интегрирующую емкость, один выход которой соединен с первым выходом блока реверсирования заряда и с первым входом 45 компаратора, а другой вывод со вторым выходом блока реверсирования заряда и со вторым входом компаратора, причем выход компаратора соединен с входом счетчика и первым входом логического элемента ИСК- 50 Л ЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, аналоговый перемножитель выполнен в виде перемножителя с нулевой аддитивной составляющей и содержит одноквддрантный перемножитель, выход которого является выходом аналогового 55 перемножителя, к первому и второму входам одноквадрантного перемножителя подключены выходы соответственно первого и Предлагаемое выполнение по первому и второго блоков выделения модуля, входы ковторому вариантам устройства аналогового торых подсоединены соответственно к выперемножителя с токовым характером вы 11 12 22783 знаковой компоненты результата перемножения модульных компонент в одноквадрантном перемножителе 23 в соответствии с естественным законом формирования знака произведения знакопеременных сомножителей. Выходной сигнал схемы вычисления знака 34 наряду с выходным сигналом гистерезисного компаратора 18 определяет состояние блока реверсирования заряда 12 через логический элемент 37 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Это обеспечивает изменение направления заряда интегрирующей емкости 15 как при изменении полярности любого из входных сигналов устройства, так и при достижении напряжения на интегрирующей емкости 15 верхнего или нижнего порога срабатывания гистерезисного компаратора 18. Частота импульсного сигнала на его выходе 19 пропорциональна активной мощности, протекающей в измеряемой цепи. Оба варианта предлагаемого устройства работоспособны и в сети постоянного тока с неизменным направлением мощности, а также при знакопеременной нагрузке с неизменным направлением средней потребляемой мощности за время перезаряда "интегрирующей емкости 15 на величину ширины петли гистерезиса гистерезисного компаратора 18. При использовании второго варианта устройства для измерения энергии в случае, когда одна из входных переменных - ток или напряжение нагрузки - не изменяет своего знака, возможно исключение по этому каналу блока выделения модуля (28 или 29), а также блока вычисления знака 34. При этом знаковая компонента оставшегося блока выделения модуля подается непосредственно на вход 36 логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 37. Указанное упрощение допускается также и в сети с периодическими знакопеременными сигналами тока и напряжения, что, однако, приводит к появлению методической погрешности при несимметрии формы кривой входных сигналов по полярностям, а также увеличению аппаратурной погрешности. Если на выходе аналогового перемножителя 9 отсутствует аддитивная составляющая погрешности или ее уровень ниже, чем величина возможной аддитивной составляющей ошибки блока реверсирования заряда 18, то при токовом характере его выходного сигнала преобразование мощности в частоту импульсов также не будет аддитивных ошибок. Возможные источники аддитивных ошибок в виде напряжений на интегрирующей емкости 15 или порогов срабатывания гистерезисного компаратора 18 проявляют 5 10 15 20 25 30 ся на фоне больших по величине уровней указанных порогов независимо от значения измеряемой мощности нагрузки, то есть проявляются в частотном выходном сигнале в виде относительной погрешности. Таким образом, предлагаемое устройство (его варианты) при низком уровне аддитивной погрешности аналогового перемножителя обеспечивает отсутствие аддитивной ошибки преобразования в частоту импульсов, то есть явления самохода. Перемножители с низким уровнем аддитивной погрешности в настоящее время хорошо известны. Указанным свойством обладает, например, логарифмические аналоговые перемножители [Справочник по нелинейным схемам. Под ред. Д. Ш ей н гол да. М., "Мир", 1977]. В отличие от других известных методов перемножения, логарифмический алгоритм не содержит в заключительной стадии аддитивных операций (сложение или вычитание), а операция суммирования логарифмов входных переменных отделена от результата произведения экспоненциальным преобразованием. Поэтому ошибки суммирования Da, также как и приведенная к логарифмической области аддитивные ошибки логарифмического и экспоненциального преобразований DI и De, проявляются в выходном сигнале в виде мультипликативной составляющей D: m F = П XI - ехр( Dli) + Da + De) = 35 П XI • (1 + D), 1=1 40 2 1=1 Отдельного рассмотрения заслуживает влияние приведенных к входу перемножите45 л я е г 0 аддитивных ошибок. Ошибки такого характера проходят на выход перемножителя независимо от его алгоритма работы. В логарифмическом таковыми являются приведенные к входу аддитивные ошибки лога50 рифмических преобразователей Для случая двух переменных: F = (Х1 + D1) • (Х2 + D2) = Х1 • Х2 + Х1 х XD2 + X2-D1 + D1 -D2, 55 где аддитивная ошибка преобразования D1 *D2 является величиной второго порядка малости и при небольших значениях D1 и D2 пренебрежимо мала. Таким образом, логарифмический перемножитель практически 13 14 22783 не содержит на выходе аддитивных составструктурными средствами (Бонч-Бруевич ляющих погрешности. A.M. и др. Бесконтактные элементы самонаНеобходимая для работы устройства по страивающихся систем. - М., "Машиностропервому варианту четырехквадрантность ение", 1967, с. 137], как это реализовано, аналогового перемножителя при ислользо- 5 например, в устройстве по авт. св. СССР № вании такового логарифмического типа мо1619316, кл. G 06 G 7/16, опублик. 07.01.91, жет быть достигнута известными бюл. № 1. < 10 20 11 13 1 Б 1Є 12 8 ' 18 19 22 •Фиг. 1 3 4 1 2 s e г 1 39 | 1 1 7^ 28 l 1— 1 I lI 33 32 ч 29 36 26 3? 20 •2A 10 1 1 Z'3 —131 8, 35 34 27 ,38 39 13 l s 12 *— < 9. 1 22 19 16. 18 17 °Pur. 2 13 . о Упорядник Замовлення 4505 Техред М.Келемеш Коректор М.Куль Тираж Підписне Державне патентне відомство України, 254655, ГСП, КиТв-53, Львівська пл., 8 Відкрите акціонерне товариство "Патент", м. Ужгород, вул.Гагаріна, 101 .