Ватметр змінного струму

Реферат: Ватметр змінного струму містить вхідний пристрій на основі елементів активного електричного опору, з'єднаний через комутатор з послідовно сполученими підсилювачем, квадратичним детектором. Додатково оснащений контролером з можливістю керування комутатором, аналогово-цифровим перетворювачем та процесором, причому зв'язок між аналоговоцифровим перетворювачем і контролером виконано двостороннім. Вхідний пристрій виконано з основним шунтом та паралельно під'єднаним до нього допоміжним розподіленим шунтом, з'єднаним з основним опором подільника напруги. UA 94817 U (54) ВАТМЕТР ЗМІННОГО СТРУМУ UA 94817 U UA 94817 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Корисна модель належить до галузі електротехніки, зокрема до засобів вимірювання потужності електричного струму, і може бути використана, наприклад, при виробництві ватметрів для вимірювання потужності з підвищеними параметрами точності. Відомий ватметр [1] подібного призначення, що включає пристрої підсумовування та віднімання, перший та другий термоелектричні перетворювачі, два частотних (широтноімпульсних) пристрої 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 [2] для вимірювання потужності, який містить вимірювачі струму 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 пристрій [3] для вимірювання потужності містить 2 додаткові резистори вхідного подільника напруги, один з яких підключається через перемикач до одного із входів комутатора, а інший під'єднаний до другого входу комутатора, входи порівнювального пристрою під'єднані відповідно до першого і третього входів комутатора, а вихід через його подільник напруги - до одного із входів суматора. Відомий пристрій характеризується присутністю похибки від власного споживання і тритактовим вимірюванням напруги. Як найближчий аналог прийнято ватметр [4] змінного струму, що містить вхідний пристрій на основі елементів активного електричного опору, з'єднаний через комутатор з послідовно сполученими підсилювачем, квадратичним детектором, аналогово-цифровим перетворювачем та процесором, та додатково оснащений контролером з можливістю керування комутатором, аналогово-цифровим перетворювачем та процесором, причому зв'язок між аналоговоцифровим перетворювачем і контролером виконано двостороннім. В порівнянні з аналогами характеризується тим, що вимірювання напруг відбувається відносно точки заземлення джерела сигналу, а також відсутністю додаткових пристроїв для знешкодження похибки від власного споживання. Але зберігається такий недолік як низький коефіцієнт перетворення, тритактовість вимірювання та вплив на вимірювання потужності похибки від власного споживання. В корисній моделі поставлена задача вдосконалення ватметру змінного струму шляхом виконання вхідного пристрою ватметра із шунтом, паралельно якому підключені два послідовно з'єднаних резистори, спільна точка яких під'єднана до резистора подільника напруги, другий полюс якого з'єднаний з навантаженням. Це дозволяє отримати технічний результат позбавлення впливу похибки від власного споживання, підвищення точності вимірювання потужності та збереження високого коефіцієнту перетворення. Поставлена задача досягається тим, що у ватметрі змінного струму, що містить вхідний пристрій на основі елементів активного електричного опору, з'єднаний через комутатор з послідовно сполученими підсилювачем, квадратичним детектором, аналогово-цифровим перетворювачем та процесором, та додатково оснащений контролером з можливістю керування комутатором, аналогово-цифровим перетворювачем та процесором, причому зв'язок між аналогово-цифровим перетворювачем і контролером виконано двостороннім. Згідно з корисною моделлю, вхідний пристрій виконано таким, що забезпечується інваріантність щодо квадратів струму та напруги та інваріантність щодо власного споживання у вхідних колах ватметра. Це дозволяє виключити вплив похибки від власного споживання та оптимізувати вхідний пристрій для підвищення точності в широкому діапазоні частот. Сутність корисної моделі пояснюється кресленням, де зображено схему електричну принципову ватметру змінного струму. Ватметр змінного струму містить вхідний пристрій 1 на основі елементів активного електричного опору Z1 , Z , Z , Z , з'єднаний через комутатор 2 з послідовно сполученими 2 55 3 4 підсилювачем 3, квадратичним детектором 4, аналогово-цифровим перетворювачем 5, процесором 6 та додатково оснащений контролером 7 з можливістю керування комутатором, аналогово-цифровим перетворювачем та процесором, причому зв'язок між аналоговоцифровим перетворювачем і контролером виконано двостороннім. Ватметр змінного струму працює таким чином. При знаходженні комутатора 2 у положенні "e" на вхід підсилювача 3 подається напруга uba , пропорційна геометричній сумі струму і напруги навантаження. 1 UA 94817 U 5 При знаходженні комутатора 2 у положенні "f" на вхід підсилювача 3 подається напруга ubc , пропорційна геометричній різниці струму і напруги навантаження. Для отримання значення потужності напруги uba і ubc підносять до квадрату і беруть їх різницю з ваговими коефіцієнтами. Вагові коефіцієнти знаходять, виходячи з умов інваріантності щодо впливу квадратів струму і напруги навантаження. Значення коефіцієнтів та рівняння перетворення знаходять з системи рівнянь, що описують електричну схему вхідного пристрою 1 наведеної фігури та нижче описаного алгоритму роботи корисної моделі. Система рівнянь має вигляд: i2  i3  i4 i1  i4 i3 Z3 i 4 Z 4  0, (1)  iн , (2)  uн , (3) 10 i1Z1 i 2 Z 2 i 4 Z 4  0. (4) Матричне рівняння системи (1) - (4) має вигляд: 15 1 -1 1 Z3 Z1 -Z2 1 -1 Z4 Z4 × i1 i2 i3 i4 = ін . (5) uн Напруги uba і ubc дорівнюють: uba  i 2 Z 2 , (6) ubc  i 4 Z 4 . (7) 20 Струми i 2 та i 4 знаходять за формулами (8) та (9) i2  30 (8) i4  25 D2 , Dc D4 , Dc (9) де D c - визначник системи (5); D 2 - визначник системи (5), в якому другий стовпчик замінений матрицею стовпчиком правих частин матричного рівняння (5), D 4 - визначник системи (5), в якому четвертий стовпчик замінений матрицею стовпчиком правих частин матричного рівняння (5). Згідно запропонованого алгоритму роботи результат цифрового перетворення аналогових величин uba і ubc дорівнює: N  N1  N2 , (10) де 2 N1  k1uba , (11) 2 N2  k 2ubc . (12) 35 2 UA 94817 U k 1 та k 2 - вагові коефіцієнти для досягнення інваріантності щодо квадратів напруги і струму навантаження. В корисній моделі k1  1 , (13) 5 2  Z  k 2  1  1  .  Z  4  (14) Вимірювана потужність дорівнює: p  iнu н  10 2 Dc N1  N 2 ,  4Z1 Z 2 Z 3 Z1  Z 4 2 (15) або 2  Z  2 2 uba  1  1  ubc  2 Z4  Dc , (16)   p  iнuн   2 4Z1 Z2Z3 Z1  Z4  2 D c  Z 3 Z 4  Z 3 Z1  Z 4 Z 2  Z 3 Z 2 2 . 15 (17) Пропонується такий порядок розрахунку значень резисторів Z1 , Z 2 , Z 3 , Z 4 вхідного пристрою 1: - розраховують опір шунта Z1  Zш , виходячи з номінального значення струму навантаження інн та номінального падіння напруги на шунті: u Z1  шн ; інн (18) 20 25 - вибирають опір частини допоміжного шунта Z 4 , виходячи з оптимальної частотної характеристики; - опір частини подільника напруги Z 3 розраховують, виходячи з номінальної напруги навантаження так, щоб падіння напруги на частини допоміжного шунта Z 4 , дорівнювало номінальному падінню напруги на шунті: інн Z1  0,5Z 4 uнн ; Z 3  0,5Z 4 (19) де інн , uнн - номінальні значення струму і напруги навантаження. Після перетворень (19) отримаємо: 30 u  Z 3  0,5Z 4  нн  1 ; u   шн  (20) - опір Z 2 знаходять через Z1 , Z 3 , Z 4 за формулою, яка задовольняє умови інваріантності щодо квадратів струму і напруги: Z2  Z1  Z 4 Z 3 . Z3  Z 4 (21) 3 UA 94817 U 5 10 15 20 Наприклад, якщо інн=10А, uнн=100В, uшн=0,1В, Z4=100 Oм, Z1=0,01 Oм, Z3=49950 Ом, Z2=99,8102 Ом. Перевагами корисної моделі є: - формула (16) дає точне значення виміряної потужності на навантаженні, не зважаючи на власне споживання вхідним пристроєм 1; - значення елементів вхідного пристрою може бути оптимізовано за критерієм максимальної широкосмуговості, оскільки похибка від власного споживання врахована; - в схемі застосовується один низькоомний шунт, що здешевлює ватметр; - мінімізуються адитивні похибки каналу перетворення напруг, що підвищує чутливість. Джерела інформації: 1. Структурные методы повышения точности измерительных устройств. Туз Ю.М. Издательское объединение "Вища школа", 1976, 256 с. 2. УДК 681.3.05 № держ. реєстрації 0112U005384 Звіт про науково-дослідну роботу "Підготовка до розробки ватметра для вимірювання потужності витрат в індуктивних елементах при не синусоїдальному струмі. Розробка методів мінімізації похибок від власного споживання в послідовно-паралельних колах ватметра" Туз Ю.М 30.07.2012. 3. Патент України № 464838, МПК G01 R 21/00 Ватметр змінного струму / Ю.М. Туз, О.П. Синицкий, К.Л. Серпилин - Заявка № 1925525/18-10 від 01.06.73 - Опубліковано 25.03.75, бюл. № 11. 4. Вимірювання параметрів електричних сигналів. Під редакцією В.І. Губара. Навч. посіб. для студ. вищих навч. зак. - К.: [Університет "Україна"], 2007. - 352 с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 35 Ватметр змінного струму, що містить вхідний пристрій на основі елементів активного електричного опору, з'єднаний через комутатор з послідовно сполученими підсилювачем, квадратичним детектором, додатково оснащений контролером з можливістю керування комутатором, аналогово-цифровим перетворювачем та процесором, причому зв'язок між аналогово-цифровим перетворювачем і контролером виконано двостороннім, який відрізняється тим, що вхідний пристрій виконано з основним шунтом та паралельно під'єднаним до нього допоміжним розподіленим шунтом, з'єднаним з основним опором подільника напруги, при цьому значення всіх опорів резисторів вхідного пристрою вибрані з врахуванням умов інваріантності до квадратів напруги та струму навантаження, а частково розподілений допоміжний шунт вибрано з додатковими ваговими коефіцієнтами для забезпечення умов інваріантності квадратів напруги та струму та усунення похибки від власного споживання. 4 UA 94817 U Комп’ютерна верстка М. Шамоніна Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5