Устройство измерения электрических параметров

 

Изобретение относится к цифровой электроизмерительной технике и может быть использовано в системах контроля за электроэнергетическими параметрами бортовых систем. Сущность изобретения: устройство измерения электрических параметров содержит последовательно соединенные объект контроля 1, согласователи 2 уровней входных измеряемых параметров объекта контроля, аналоговый коммутатор 3, фильтр 4, элемент 5 выборки-хранения, аналого-цифровой преобразователь 6, информационный вход которого соединен с информационным выходом элемента 5 выборки-хранения, вычислительный блок 7, адресную шину 8, шину управления 21 и информационные шины вывода 19 и ввода 20 данных вычислительного блока, посредством которых соединены информационные выходы аналого-цифрового преобразователя 6 и вычислительного блока 7, формирователь 9 импульсов частоты, преобразователь 10 период-код, формирователь 11 интервалов дискретизации, генератор 12 эталонной частоты, делитель 13 частоты на два, два дешифратора 14,15, два элемента И 16,17 и элемент 18 задержки. 4 ил.

Изобретение относится к цифровой электроизмерительной технике и может быть использовано в системах контроля за электроэнергетическими узлами, в частности в бортовых системах электроснабжения.

Известны устройства для измерения электрических параметров (токов и напряжений), основанные на цифровом преобразовании измеряемой аналоговой величины и последующей отработке полученных цифровых значений в микропроцессоре для получения значения измеряемого параметра.

В зависимости от программной реализации в цифровом вычислителе эти устройства позволяют осуществить измерение амплитудных, средних, среднеквадратических значений напряжений и токов.

Основным недостатком их является низкая точность измерения при отклонении частоты измеряемого параметра от номинальной и значительные временные затраты на выполнение программы из-за необходимости увеличения числа дискретных отсчетов за период измерения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство, которое содержит последовательно соединенные объект контроля, согласователи уровней входных измеряемых параметров объекта контроля, аналоговый коммутатор (АК), фильтр, схему выборки-хранения, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), информационный вход которого соединен с информационным выходом схемы выборки-хранения, вычислительное устройство (ВУ), адресную шину, шину управления, информационные шины вывода и ввода данных вычислительного устройства, посредством которых соединены информационные выходы АЦП и ВУ.

Этому устройству также присуще низкая точность при отклонении частоты измеряемых параметров от заданных значений, а также невысокое быстродействие из-за значительных временных затрат на обработку информации.

Цель изобретения - повышение точности и быстродействия измерения электрических параметров.

Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство измерения электрических параметров, содержащее последовательно соединенные объект контроля, согласователи уровней входных измеряемых параметров объекта контроля, аналоговый коммутатор АК, фильтр Ф, схему выборки-хранения, аналого-цифровой преобразователь АЦП, информационный вход которого соединен с информационным выходом схемы выборки-хранения, вычислительное устройство ВУ, адресную шину, шину управления и информационные шины вывода и ввода данных вычислительного устройства, посредством которых соединены информационные выходы АЦП и ВУ, введены формирователь импульсов частоты ФИЧ, преобразователь период-код ППК, формирователь интервалов дискретизации ФИД, генератор эталонной частоты, делитель частоты на 2, два дешифратора, две схемы И схема задержки так, что информационный выход аналогового коммутатора АК соединен через фильтр с входом формирователя импульсов частоты ФИЧ и информационным входом схемы выборки-хранения, выход формирователя импульсов частоты ФИЧ соединен с входом преобразователя период-код ППК, первым входом первой схемы И и с входом делителя частоты на 2, выход которого соединен с вторым входом второй схемы И, выход которой соединен с входом "Пуск" формирователя интервалов дискретизации ФИД; информационные выходы преобразователя период-код ППК соединены с шиной ввода данных вычислительного устройства ВУ, а информационные входы преобразователя период-код соединены с информационной шиной вывода данных вычислительного устройства ВУ, выход преобразователя период-код ППК "Конец преобразования" ("КП") соединен с первым входом "ТПР1" (Требование прерывания) вычислительного устройства ВУ, а вход "Пуск" преобразователя период-код ППК соединен с выходом первой схемы И; к шине вывода данных вычислительного устройства подключены информационные входы формирователя интервалов дискретизации ФИД, а к шине управления вводом/выводом ВУ подключены входы управления АЦП (6), ФИД (11), ППК (10), вход "эталонная частота" преобразователя период-код ППК и формирователя интервалов дискретизации ФИД соединены с выходом генератора эталонной частоты; выход управления формирователя интервалов дискретизации ФИД соединен с входом "Пуск" схемы выборки-хранения и с входом схемы задержки, выход которой соединен с входом "Пуск" аналого-цифрового преобразователя АЦП, выход "Готов" которого соединен со вторым входом "ТПР2" (требование прерывания) вычислительного устройства ВУ, информационные выходы которого через адресную шину подсоединены к входам обоих дешифраторов, причем выходы первого дешифратора соединены с входом управления аналогового коммутатора АК, первый выход второго дешифратора соединен с вторым входом первой схемы И, а второй выход второго дешифратора соединен с первым входом второй схемы И.

В известных технических решениях не найдены признаки, отличающие предлагаемое решение от прототипа, поэтому можно сделать вывод, что данное решение обладает "существенными отличиями".

На фиг.1 представлена блок-схема устройства измерения электрических параметров; на фиг.1 - временная диаграмма сигналов на входе и выходе формирователя импульсов частоты (ФИЧ); на фиг.3 - временная диаграмма, поясняющая принцип синхронизации числа отсчетов с периодом измеряемого сигнала; на фиг. 4 - иллюстрация появления погрешности опережения вследствие приближенного вычисления интервала дискретизации.

Предлагаемое устройство измерения электрических параметров (фиг.1) содержит объект контроля 1, согласователи уровней 2 входных измеряемых параметров объекта контроля, аналоговый 3 коммутатор (АК), фильтр 4, схему 5 выборки-хранения, аналого-цифровой 6 преобразователь АЦП, информационный вход которого соединен с информационным выходом схемы выборки-хранения 5, выборки-хранения, аналого-цифровой 6 преобразователь АЦП, информационный вход которого соединен с информационным выходом схемы выборки-хранения 5, вычислительное 7 устройство ВУ, адресную шину 8, шину управления 21, информационные шины вывода 19 и ввода 20 данных ВУ 7, посредством которых соединены информационные выходы аналого-цифрового 6 преобразователя АЦП и вычислительного 7 устройства ВУ. Кроме того, предлагаемое устройство содержит формирователь 9 импульсов частоты ФИЧ, преобразователь 10, период-код ППК, формирователь 11 интервалов дискретизации ФИЛ, генератор 12 эталонной частоты, делитель 13 частоты на 2, дешифраторы 14 и 15, две схемы И 16 и 17 и схему задержки 18. Информационный выход аналогового 3 коммутатора АК соединен через фильтр Ф 4 с входом формирователя 9 импульсов частоты ФИЧ и информационным входом схемы 5 выборки-хранения. Выход ФИЧ 9 соединен с входом преобразователя 10 период-код ППК, первым входом второй схемы И 16 и с входом делителя 13 частоты на 2, выход которого соединен с вторым входом второй схемы 17 И. Выход второй 17 схемы И соединен с входом "Пуск" формирователя 11 интервалов дискретизации ФИД. Информационные выходы ППК 10 соединены с информационной шиной ввода данных 20 вычислительного устройства 20. Выход ППК 10 "КП" соединен с первым входом "ТПР1" вычислительного 7 устройства ВУ, а вход "Пуск" ППК 10 соединен с выходом первой 16 схемы И. К информационной шине вывода данных 19 подключены информационные входы ФИД 11. Входы "Эталонная частота" ППК 10 и ФИД 11 соединены с выходом генератора 12 эталонной частоты. Выход управления ФИД 11 соединен с входом "Пуск" схемы 5 выборки-хранения и с входом схемы задержки 18, выход которой соединен с входом "Пуск" аналого-цифрового 6 преобразователя (АЦП). Выход "Готов" АЦП 6 соединен с вторым входом "ТПР2" вычислительного 7 устройства ВУ, информационные выходы которого через адресную шину 8 подсоединены к входам обоих дешифраторов 14 и 15. Выходы первого 14 дешифратора соединены с входами управления аналогового 3 коммутатора АК, первый выход второго 15 дешифратора соединен с вторым входом первой 16 схемы И, а второй выход второго 15 дешифратора соединен с первым входом второй 17 схемы И.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Электрические параметры (переменные напряжения и токи) объекта контроля 1 поступают на входы согласователей уровней 2, которые обеспечивают приведение уровней входных сигналов к уровню допустимых напряжений аналогового коммутатора АК 3. В качестве согласователей уровня могут быть использованы, например, резистивные делители для входных напряжений или шунты и балластные сопротивления для токов с применением операционных усилителей. После начального пуска вычислительное устройство БУ 7 в соответствии с заложенной в него программой функционирования посредством адресной шины 8 адресуется к первому дешифратору 14, на выходе которого формируется код управления, по которому аналоговый коммутатор АК 3 передает на свой информационный выход нормализованное напряжение одного из параметров. Код управления АК 3 сохраняется неизменным в течение цикла измерения соответствующего параметра.

Фильтр Ф 4 низких частот подавляет высшие гармоники, имеющиеся во входных сигналах. Далее отфильтрованный сигнал поступает на формирователь импульсов частоты ФИЧ 9, который вырабатывает на выходе униполярные прямоугольные импульсы с частотой, соответствующей частоте входного сигнала (см. фиг. 2). Формирователь 9 импульсов частоты ФИЧ выполнен на интегральном компараторе типа 512СА3.

Вычислительное устройство ВУ 7 выставляет на адресной шине 8 адрес, соответствующий преобразователю ППК 10, и по информационной шине вывода 19 выдает код единицы, который записывается в ППК 10, производя тем самым программирование ППК 10 на режим измерения одного периода. Затем ВУ 7 адресуется к второму дешифратору ДШ2 15, выставляя на адресной шине 8 код, соответствующий появлению на первом выходе этого дешифратора сигнала, поступающего на вход первой схемы И 16. По переднему фронту импульса с выхода схемы И происходит запуск ППК 10.

С этого момента в ППК 10 происходит заполнение импульсами эталонной частоты F_эт временного интервала, соответствующего периоду входного сигнала и поступающего в форме прямоугольного импульса из ФИЧ 9.

В ППК 10 происходит сравнение информации, записанной в ППК при его программировании числом периодов входного сигнала, и после совпадения информации на выходе ППК формируется код числа импульсов эталонной частоты, укладывающихся на периоде входного сигнала, т.е. код периода.

После того, как преобразование закончено и информация готова к дальнейшей обработке, ППК 10 выдает сигнал об окончании преобразования "КП", поступающий на вход ТПР1 ВУ 7.

При поступлении сигнала прерывания ВУ 7 в соответствии с подпрограммой обработки данного прерывания адресуется к дешифратору ДШ2 15, осуществляя сброс сигнала на его первом входе; выставляет на адресной шине 8 адрес ППК и принимает по информационной шине ввод 20 из ППК код периода входного сигнала N_т.

В ВУ 7 происходит вычисление интервала дискретизации Т_i, т.е. код числа импульсов эталонной частоты, укладывающихся на интервале дискретизации, с помощью выражения T_i= , где n - число отсчетов за период входного сигнала, хранится в памяти ВУ 7 в виде константы и выбирается в соответствии с теоремой Котельникова >2f_max , где Т - период входного гармонического сигнала; f_max - частота высшей гармоники в спектре этого сигнала.

В этом случае погрешность от влияния высших гармоник при вычислении значений измеряемых параметров равна нулю. Если же входной сигнал содержит достаточно широкий спектр гармоник, то устранение этой погрешности обеспечивается согласованием частотной характеристики фильтра Ф 4 с технически реализуемым n. Таким образом, при изменении частоты входного сигнала число отсчетов n остается постоянным, а изменяется интервал дискретизации (см. фиг.3), поэтому значение измеряемой величины не зависит от изменения частоты сигнала (см. формулы 2-4 ниже). Напротив, если бы при изменении частоты сигналов интервал дискретизации оставался бы постоянным, то появилась бы погрешность, уменьшение которой потребовало бы увеличения числа отсчетов за период Т входного сигнала, что привело бы к увеличению времени обработки и уменьшению быстродействия измерения параметров.

После вычисления в ВУ 7 интервала дискретизации, ВУ 7 адресуется к ФИД 11, выставляя на адресной шине 8 код этого устройства, и передает по информационной шине вывода 19 в ФИД 11 код дискретизации (Т_i).

Затем ВУ 7 выставляет адрес, вызывающий появление сигнала на втором выходе второго дешифратора ДШ 15.

Появление этого сигнала совместно с поступлением очередного импульса с выхода делителя частоты на 2 ДЧ 13 обеспечивает запуск ФИД 11: сигнал на выходе второй схемы И 17 поступает на вход "Пуск" ФИД.

В ФИД 11 на входы информационный (F₁) и эталонной частоты (F₂) (см. фиг.6) поступают импульсы эталонной частоты. После того, как число поступающих импульсов совпадает с информацией в ФИД 11 при его программировании, на выходе ФИД 11 формируется сигнал окончания преобразования (Y_пр), который запускает схему выборки и хранения и с задержкой - АЦП. Таким образом, сигнал на выходе "Y_пр" ФИД формируется после каждой серии подсчитанных импульсов, т.е. с частотой дискретизации.

Временная задержка реализуется с помощью R-C-цепи. В качестве делителя частоты на 2 - микросхема типа 56ИЕ10. Готовность информации на выходе АЦП 6 сопровождается сигналом "Готов", который поступает на вход ТПР2 (требование прерывания) ВУ 7 и переводит ВУ 7 на подпрограмму считывания информации из АЦП 6. При этом ВУ выдает адрес, соответствующий адресу АЦП, и принимает по информационной шине вода 20 дискретное значение входного сигнала.

С поступлением очередного отсчета в ВУ 7 содержимое программного счетчика отсчетов увеличивается на единицу. После достижения содержимого программного счетчика заданного значения числа отсчетов n, ВУ адресуется к ДШ2 15 и сбрасывает сигнал на его втором выходе.

В результате в ОЗУ вычислительного устройства хранится n дискретных значений входного сигнала, взятых на периоде. Дальнейшей обработке в ВУ 7 эти значения подвергаются в соответствии с одним из алгоритмов (2-5), представленных в описании заявки.

В зависимости от алгоритма, реализованного программным путем в ВУ 7, предлагаемое устройство может осуществлять вычисление среднего, средневыпрямленного, среднеквадратического значений напряжений и токов в трехфазных системах нестабильной частоты.

Так для среднего и среднеквадратического значений параметров алгоритмы вычислений имеют вид U_ср= U_i, (2) U_ср.кв= , (3) где U_i - дискретные отсчеты входного сигнала (напряжение, токи).

Кроме того, возможно получение амплитуд гармонических составляющих сигналов в соответствии с алгоритмом U₁= ^U=
(4)
Результаты вычислений значений параметров объекта контроля 1 хранятся в соответствующих ячейках ОЗУ ВУ 7 и могут быть использованы в алгоритмах контроля за объектом/ которые реализует данное ВУ.

Предлагаемое устройство позволяет также устранить погрешность измерения/ связанную с округлением или усечением результата вычисления в ВУ по формуле (1). Данная погрешность появляется из-за того/ что при изменении частоты входного сигнала N_т в формуле (1) значение интервала дмскретизации Т_i может оказаться дробным. Тогда при усечении результата деления интервал дискретизации принимается равным целой части полученного числа/ при округлении - ближайшему целому числу.

Так как результат деления является кодом числа импульсов эталонной частоты на интервале дискретизации/ то максимальная погрешность выдачи сигнала управления на запуск схемы 5 выборки-хранения и АЦП 6 модет достигать величины периода (при усечении) и полпериода (при округлении) следования импульсов эталонной частоты (Т_эт и Т_эт/2). В этом случае сигнал управления из ФИД 11 на получение n-го отсчета измеряемого сигнала будет выдаваться с опережением на величину Т_эт n и n соответственно. Так как Т_эт = Т_i/m, где m число импульсов эталонной частоты на интервале дискретизации, погрешность опережения будет n и n при усечении и округлении соответственно. В частности, когда m = n, максимальная погрешность составит T_i или , что соответствует смещению на эту величину последнего отсчета входного сигнала относительно точки окончания его периода (перехода через ноль) (см. фиг.4). Эта погрешность может быть устранена путем реализации вычисления значения измеряемого параметра с помощью формулы, учитывающей величину этого запаздывания.

Так, при измерении среднеквадратического значения в этом случае можно пользоваться следующим выражением
U_ср.кв=,
(5) где t - расстояние от последнего отсчета до точки окончания периода измеряемого сигнала (см. Шалыгин В.И. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. с.68 "Цифровые методы измерения параметров для повышения эффективности контроля").

Следует отметить, что алгоритм работы ВУ 7 является алгоритмом обработки прерываний. В период времени между окончанием очередного прерывания и началом следующего ВУ 7 может выполнять работу по другим программам с учетом их приоритета.

Временные диаграммы функционирования ППК 10, ФИД 11, АЦП 6 и ВУ 7 приведены на фиг.3 материалов.

На фиг. 4 представлен, в качестве примера, фрагмент схемы устройства, раскрывающий блоки ППК 10, ФИД 11, АЦП 6 и ВУ 7г и поясняющий принцип работы устройства в целом.

Здесь для преобразования период-код и формирования импульсов дискретизации использована микросхема преобразования частота-код 512ПС11, которая позволяет определить число импульсов эталонной частоты, подаваемых на ее вход F₂, за интервал времени, равный некоторому числу периодов сигнала, поступающего на вход F₁. Число периодов, определяющих временной интервал, программируется ВУ 7.

Так, для ППК 10 это число постоянно и равно одному периоду входного сигнала, а для ФИД 11 информация, адресуемая от ВУ 7, обновляется каждый раз после определения в ВУ 7 интервала дискретизации Т_i (числа импульсов эталонной частоты за интервал дискретизации).

Для аналого-цифрового преобразователя АЦП 6 входного сигнала использована микросхема 111ЗПВ1, которая запускается по сигналу "Пуск", инициируемому ФИД.

В качестве буферного регистра для записи результата аналого-цифрового преобразования использована микросхема многорежимного буферного регистра (МРБ) 588ИР1. Для организации обращения и обмена информацией ППК, ФИФ и АЦП с ВУ используется микросхема селектора адреса 588ВТ1, которая обеспечивает сопряжение указанных блоков с общей магистралью типа МПИ по ГОСТ 26765.51-86 (ОСТ 11.305.903-80). Микросхема сравнивает коды адресных посылок с адресом на ее входах А 4-12 и в случаях их совпадения инициирует цикл обмена.

В качестве вычислительного устройства ВУ, например, могут быть использованы ЭВМ или микропроцессорные устройства, рассчитанные на работу с общей магистралью типа МПИ по ГОСТ 26755.51-86.

Таким образом, предлагаемое устройство реализует измерение среднего, среднеквадратичного и других значений и напряжений и токов и при этом полностью устраняется погрешность, вызванная изменением частоты за счет постоянства числа отсчетов n при соответствующем изменении интервала дискретизации, а также повышается быстродействие измерений за счет возможности при этом уменьшить число отсчетов n и тем самым уменьшить время на обработку алгоритма измерения.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ, содержащее последовательно соединенные объект контроля, согласователи уровней входных измеряемых параметров объекта контроля и аналоговый коммутатор, а также фильтр, элемент выборки-хранения, аналого-цифровой преобразователь, информационный вход которого соединен с информационным выходом элемента выборки-хранения, вычислительный блок, адресную шину, шину управления и информационные шины вывода и ввода данных вычислительного блока, адресный вход аналого-цифрового преобразователя соединен с адресной шиной, информационные выходы аналого-цифрового преобразователя соединены с входом вычислительного блока через информационную шину ввода данных, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и быстродействия измерения электрических параметров, в него введены формирователь импульсов частоты, преобразователь период-код, формирователь интервалов дискретизации, генератор эталонной частоты, делитель частоты на 2, два дешифратора, два элемента И и элемент задержки, причем информационный выход аналогового коммутатора соединен через фильтр с входом формирователя импульсов частоты и информационным входом элемента выборки-хранения, выход формирователя импульсов частоты соединен с входом преобразователя период-код, первым входом первого элемента И и с входом делителя частоты на 2, выход которого соединен с вторым входом второго элемента И, выход которого соединен с входом "Пуск" формирователя интервалов дискретизации, информационные выходы преобразователя период-код соединены с информационной шиной ввода данных вычислительного блока, информационные входы преобразователя период-код соединены с информационной шиной вывода данных вычислительного блока, выход преобразователя период-код "Конец преобразования" соединен с первым входом "Требование прерывания" вычислительного блока, а вход "Пуск" преобразователя период-код соединен с выходом первого элемента И, к информационной шине вывода данных вычислительного блока подключены информационные входы формирователя интервалов дискретизации, к шине управления вводом/выводом вычислительного блока подключены входы управления аналого-цифрового преобразователя, формирователя импульсов дискретизации и преобразователя период-код, входы "Эталонная частота" преобразователя период-код и формирователя интервалов дискретизации соединены с выходом генератора эталонной частоты, выход управления формирователя интервалов дискретизации соединен с входом "Пуск" элемента выборки-хранения и с входом элемента задержки, выход которого соединен с входом "Пуск" аналого-цифрового преобразователя, выход "Готов" которого соединен с вторым входом "Требование прерывания" вычислительного блока, информационные выходы которого через адресную шину подсоединены к входам обоих дешифраторов и к адресным входам преобразователя период-код, формирователя интервалов дискретизации, выходы первого дешифратора соединены с входами управления аналогового коммутатора, первый выход второго дешифратора соединен с вторым входом первого элемента И, второй выход второго дешифратора соединен с первым входом второго элемента И.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4