Вимірювальний перетворювач сигналів змінної напруги або струму

Реферат: UA 118997 U UA 118997 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі електровимірювальної техніки та може бути використана для узгодження та гальванічного розділення контрольованих кіл змінної напруги і струму від входів вимірювальних перетворювачів параметрів електроенергії (фазні напруги і струму, зсуви фаз між ними, активна, реактивна і повна потужність та енергія, т. п.). В загальному, цей пристрій можна також застосувати для роботи з великим переліком інших електричних сигналів. При цьому, цей винахід являє собою певний, практично самостійний пристрій, який може здійснювати первинне опрацювання електричних сигналів змінної напруги і струму. Відомим аналогом є вимірювальний перетворювач сигналів змінної напруги і струму (Деклараційний патент України №71856А, МПК G 01 R 19/00, від 15.12.2004), що містить три калібровані резистори, три ключі, трансформатор струму з первинною та вторинною обмотками, операційний підсилювач. Однак цей перетворювач характеризується складною організацією управління його роботою та низькою точністю перетворення реальних сигналів електричної мережі - особливо у другому режимі, коли рівень вихідного сигналу визначається третім каліброваним резистором. Крім того, відомий вимірювальний перетворювач має обмежені функціональні можливості стосовно перетворення сигналів напруги і струму, які полягають лише у зміні границі вихідної напруги відносно до трансформованих вхідних сигналів, в залежності від сигналів управління другим і третім ключами. Найближчим аналогом до корисної моделі є вимірювальний перетворювач сигналів змінної напруги або струму (А. св. СРСР №1647426, МПК G01R19/00, від 07.05.1991), що містить перший та другий калібровані резистори, трансформатор струму з первинною і вторинною обмотками, повторювач напруги, перший ключ, перший вивід першого каліброваного резистора є першим входом даного пристрою та з'єднаний з першим виводом першого ключа, другий вивід якого підключений до другого виводу першого каліброваного резистора та до початку первинної обмотки трансформатора струму, кінець якої є другим входом пристрою, кінець вторинної обмотки трансформатора струму з'єднано з виходом повторювача напруги, вхід якого підключений до початку вторинної обмотки трансформатора струму та першого виводу другого каліброваного резистора. Слід зазначити, що часто виникає потреба у детальнішому дослідженні вхідних сигналів змінної напруги і струму, наприклад окремій фіксації додатних і від'ємних півхвиль, синхронізації початку/закінчення сигналу у порівнянні з певним моментом часу, вимірюванні не одного, а декількох параметрів, т.п. Тому, відомий вимірювальний перетворювач сигналів змінної напруги і струму характеризується обмеженими функціональними властивостями щодо вимірювання різних видів параметрів змінної напруги та струму, наприклад в електричній мережі, коли визначають показники якості електроенергії згідно з ГОСТІ 3109-97. В основу корисної моделі поставлена задача створити вимірювальний перетворювач сигналів змінної напруги і струму з розширеними функціональними можливостями, в якому завдяки введенню нових елементів та зв'язків, крім нормування рівнів вихідних сигналів, забезпечується також додаткова інформація стосовно часових та інтегральних характеристик вхідних сигналів. Поставлена задача вирішується тим, що вимірювальний перетворювач сигналів змінної напруги або струму, котрий містить перший та другий калібровані резистори, трансформатор струму з первинною і вторинною обмотками, повторювач напруги, перший ключ, перший вивід першого каліброваного резистора є першим входом даного пристрою та з'єднаний з першим виводом першого ключа, другий вивід якого підключений до другого виводу першого каліброваного резистора та до початку первинної обмотки трансформатора струму, кінець якої є другим входом пристрою, кінець вторинної обмотки трансформатора струму з'єднано з виходом повторювача напруги, вхід якого підключений до початку вторинної обмотки трансформатора струму та першого виводу другого каліброваного резистора, згідно з корисною моделлю, додатково містить третій калібрований резистор, аналоговий комутатор, блок перетворення і опрацювання даних, перший і другий компаратори напруги, блок еталонних напруг, другий вивід другого каліброваного резистора з'єднано з першим інформаційним входом аналогового комутатора та першим виводом третього каліброваного резистора, другий вивід якого з'єднаний з земляною шиною, вхід повторювача напруги підключений до перших входів обох компараторів напруги та до другого інформаційного входу аналогового комутатора, перший та другий входи керування якого з'єднані відповідно з першим та другим керуючими виходами блока перетворення і опрацювання даних, інформаційний вихід аналогового комутатора підключений до першого входу керування блока перетворення і опрацювання 1 UA 118997 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 даних, другий та третій входи керування якого з'єднані відповідно з виходами першого та другого компараторів напруги, другі входи яких підключені відповідно до першого і другого виходів блока еталонних напруг, виходи блока перетворення і опрацювання даних є виходами даного вимірювального перетворювача сигналів змінної напруги або струму. За рахунок введення нових елементів та взаємозв'язків одержана універсальна структура, що забезпечує розширення функціональних можливостей, а саме проведення різноманітних досліджень вхідних сигналів змінної напруги або струму - відхилень форми у додатній і від'ємній півхвилях, фіксації і запам'ятовуванні окремих ділянок сигналів у заданому часовому інтервалі, формуванні додаткової інформації про часові (фазні) зміни для реалізації у подальшому вимірювань комплексу параметрів часових і інтегральних параметрів (включно параметрів електроенергії). Корисна модель пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 представлена функціональна схема вимірювального перетворювача сигналів змінної напруги або струму; на фіг.2 - функціональна схема блока перетворення і опрацювання даних. Запропонований вимірювальний перетворювач сигналів змінної напруги або струму містить перший, другий і третій калібровані резистори 1, 7, 8, перший ключ 2, трансформатор 5 струму з первинною 3 і вторинною 4 обмотками, повторювач 6 напруги, аналоговий комутатор 9, блок перетворення і опрацювання даних 10, перший 11 і другий 12 компаратори напруги, блок еталонних напруг 13. Перший вивід першого каліброваного резистора 1 є першим входом даного пристрою та з'єднаний з першим виводом першого ключа 2. Другий вивід першого ключа 2 підключений до другого виводу першого каліброваного резистора 1 та до початку первинної обмотки 3 трансформатора струму 5, кінець якої є другим входом пристрою. Кінець вторинної обмотки 4 трансформатора струму 5 з'єднано з виходом повторювача напруги 6, вхід якого підключений до початку вторинної обмотки 4 трансформатора струму 5 та першого виводу другого каліброваного резистора 7. Додатково введені третій калібрований резистор 8, аналоговий комутатор 9, блок перетворення і опрацювання даних 10, перший 11 і другий 12 компаратори напруги, блок еталонних напруг 13. Другий вивід другого каліброваного резистора 7 з'єднано з першим інформаційним входом аналогового комутатора 9 та першим виводом третього каліброваного резистора 8, другий вивід якого з'єднаний з земляною шиною. Вхід повторювача напруги 6 підключений до перших входів обох компараторів напруги 1 1, 12 та до другого інформаційного входу аналогового комутатора 9, перший та другий входи керування якого з'єднані відповідно з першим та другим керуючими виходами блока перетворення і опрацювання даних 10. Інформаційний вихід аналогового комутатора 9 підключений до першого входу керування блока перетворення і опрацювання даних 10, другий та третій входи керування якого з'єднані відповідно з виходами першого 11 та другого 12 компараторів напруги, другі входи яких підключені відповідно до першого і другого виходів блока еталонних напруг 13. Виходи блока перетворення і опрацювання даних 10 є виходами даного вимірювального перетворювача сигналів змінної напруги або струму. Блок перетворення і опрацювання даних 10 (фіг. 2) містить повторювач напруги 14, аналогоцифровий перетворювач напруги 15, однокристальний мікроконтролер 16, операційний запам'ятовуючий пристрій 17, цифровий годинник 18. Перший 19 та другий 20 керуючі виходи блока перетворення і опрацювання даних 10 для аналогового комутатора є відповідно першим та другим виходами мікроконтролера 16. Першим входом керування 21 блока перетворення і опрацювання даних 10 вважається вхід повторювача напруги 14, вихід якого через аналого-цифровий перетворювач 15 підключено до інформаційних входів мікроконтролера 16. Вхід управління аналого-цифрового перетворювача 15 з'єднано з третім керівним виходом мікроконтролера 16. До останнього через першу та другу шини даних відповідно підключено оперативний запам'ятовуючий пристрій 17 та цифровий годинник 18. Четвертий керівний вихід мікроконтролерв 16 з'єднано з входом управління оперативного запам'ятовуючого пристрою 17. Другий 22 та третій 23 входи керування блока перетворення і опрацювання даних 10 відповідно є першим та другим входами керування мікроконтролера 16, вихідна шина якого вважається виходами блока перетворення і опрацювання даних 10. Блок еталонних напруг 13 являє собою два стабілізатори - додатної U+ та від'ємної Uнапруг, котрі фіксуються відповідно на першому і другому виходах блока 13. Вимірювальний перетворювач сигналів змінної напруги або струму працює наступним чином. При перетворенні вхідного струму І1 перший ключ 2 замкнено, а у випадку напруги U1 розімкнено. 2 UA 118997 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 По первинній обмотці 3 трансформатора струму 5 протікає вхідний струм І 1, який створює в осерді магнітний потік Ф1. Його компенсує магнітний потік Ф2, що виникає під дією вихідного струму І2 повторювача напруги 6, що проходить через вторинну обмотку 4 трансформатора струму 5. Відповідно на другому 7 R2 та третьому 8 R3 каліброваних резисторах створюються напруги U21=I2 • (R2+R3), (1) U22 = І2 • R3, (2), які являють собою границі двох діапазонів перетворення вхідних сигналів змінної напруги або струму. При цьому вибір одного з них здійснюється за сигналом на першому вході керування аналоговим комутатором 9 (фіг. 1), що надходить від першого керуючого виходу 19 блока перетворення і опрацювання даних 10 (фіг. 2). За допомогою сигналу другого керуючого виходу 20 блока перетворення і опрацювання даних 10, котрий подається на другий вхід керування аналогового комутатора 9, виконується дискретизація досліджуваного сигналу. В кожній точці дискретизації останнього забезпечується отримання за допомогою аналого-цифрового перетворювача 15 (фіг. 2) відповідного цифрового коду миттєвого значення вхідного сигналу напруги U1 чи струму І1. Для узгодження рівнів сигналів у всьому частотному спектрі перед аналого-цифровим перетворювачем 15 встановлено повторювач напруги 14. Потік цих кодів за посередництвом мікроконтролера 16 надсилається в оперативний запам'ятовуючий пристрій 17, де зберігається для подальшого застосування. Одночасно за допомогою цифрового годинника 18 у тій же пам'яті фіксується код часу, коли здійснювалась процедура вибірки вхідного сигналу. Завдяки блокові перетворення і опрацювання даних 10 у запропонованому вимірювальному перетворювачі реалізується три режими роботи: - задання параметрів опрацювання вхідних даних; - забезпечення вимірювань часових та інтегральних характеристик; - синхронізація перетворення вхідних сигналів. Під час першого режиму може змінюватись час дискретизації вхідного сигналу, наприклад періодичного, коли на другому керівному виході 20 блока перетворення і опрацювання даних 10 програмно встановлюється періодичність роботи аналого-цифрового перетворювача 15 необхідний час перетворення (сталий або змінний програмно). Також можна програмно керувати об'ємом оперативного запам'ятовуючого пристрою 17: використовуючи його повністю, як єдиний вузол, або частинами - формально (уявно) чи реально розподіляючи у вигляді окремих вузлів пам'яті з різним призначенням. При цьому оперативний запам'ятовуючий пристрій 17 може функціонувати неперервно чи у різні, ймовірно спеціально вибрані моменти часу. Наприклад, вимогою запису або/і відтворення ділянки вхідного сигналу може бути умова, пов'язана із рівнем опорного сигналу від блока еталонних напруг 13, чи часова/фазна умова (початок/закінчення періоду повторення, півхвилі, т.п.). Другий режим стосується ймовірного використання даного вимірювального перетворювача для вимірювання часових (періоду повторення, частоти повторення, фази і фазних співвідношень, тривалості, шпаруватості) та інтегральних (діюче, середнє, середнє за модулем значення) характеристик. Всі потрібні обчислення будуть виконуватись за допомогою зовнішнього потужного обчислювача, наприклад персонального комп'ютера, підключеного до виходів запропонованого вимірювального перетворювача. Для реалізації таких можливостей у структурі цього вимірювального перетворювача також містяться додаткові вузли: перший 11 і другий 12 компаратори напруги, блок еталонних напруг 13. Ці вузли виробляють спеціальні сигнали на другому 22 та третьому 23 входах керування блока перетворення і опрацювання даних 10 (фіг. 2), що дозволяють фіксувати відхилення досліджуваного сигналу від значень опорних напруг: U+ та U-. Завдяки цьому (як і за спеціальною програмною вказівкою мікроконтролера 16) реалізується третій режим роботи, пов'язаний із неперервною або синхронізованою у потрібний момент часу роботою даного вимірювального перетворювача із досліджуваним сигналом. Наприклад, ймовірне прив'язання вхідного сигналу до початку періоду, конкретної півхвилі (додатної чи від'ємної), певного рівня опорного сигналу від блока еталонних напруг 13, деякого опорного прямокутного сигналу від мікроконтролера 16 або певного встановленого моменту часу - за цифровим годинником 18. Слід зазначити, що описані режими функціонування даного вимірювального перетворювача дозволяють зберігати у вигляді цифрового масиву отриману інформацію, а також, передавати її по виходах на зовнішні пристрої, наприклад на комп'ютер або у вимірювальну інформаційну систему. Таким чином, запропонований вимірювальний перетворювач сигналів змінної напруги або струму являє собою універсальну закінчену структуру з широкими функціональними 3 UA 118997 U 5 можливостями, що полягають не лише у нормуванні рівнів вхідних сигналів, але й у збиранні необхідних додаткових даних, завдяки яким у подальшому отримують повнішу вимірювальну інформацію про досліджуваний об'єкт. Прикладом застосування цього вимірювального перетворювача може бути покращене забезпечення аналізу, дослідження та відображення якості електроенергії за його допомогою, виходячи із сукупності ймовірних негативних явищ в електричних мережах. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 20 25 30 Вимірювальний перетворювач сигналів змінної напруги або струму, що містить перший та другий калібровані резистори, трансформатор струму з первинною і вторинною обмотками, повторювач напруги, перший ключ, перший вивід першого каліброваного резистора є першим входом даного пристрою та з'єднаний з першим виводом першого ключа, другий вивід якого підключений до другого виводу першого каліброваного резистора та до початку первинної обмотки трансформатора струму, кінець якої є другим входом пристрою, кінець вторинної обмотки трансформатора струму з'єднано з виходом повторювача напруги, вхід якого підключений до початку вторинної обмотки трансформатора струму та першого виводу другого каліброваного резистора, який відрізняється тим, що в нього додатково введені третій калібрований резистор, аналоговий комутатор, блок перетворення і опрацювання даних, перший і другий компаратори напруги, блок еталонних напруг, другий вивід другого каліброваного резистора з'єднано з першим інформаційним входом аналогового комутатора та першим виводом третього каліброваного резистора, другий вивід якого з'єднаний з земляною шиною, вхід повторювача напруги підключений до перших входів обох компараторів напруги та до другого інформаційного входу аналогового комутатора, перший та другий входи керування якого з'єднані відповідно з першим та другим керуючими виходами блока перетворення і опрацювання даних, інформаційний вихід аналогового комутатора підключений до першого входу керування блока перетворення і опрацювання даних, другий та третій входи керування якого з'єднані відповідно з виходами першого та другого компараторів напруги, другі входи яких підключені відповідно до першого і другого виходів блока еталонних напруг, виходи блока перетворення і опрацювання даних є виходами даного вимірювального перетворювача сигналів змінної напруги або струму. 4 UA 118997 U Комп’ютерна верстка В. Мацело Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5