Счетчик электрической энергии

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в системах учета электрической энергии в сетях различного назначения. Цель изобретения - повышение точности за счет снижения погрешности от действия колебаний напряжения электрической сети и внешней температуры. Сущность изобретения: для измерения энергии ток нагрузки электрической сети пропускается через формирователь 1 магнитного потока, в котором размещен преобразователь 5 напряженности магнитного поля в электрическое сопротивление. Выпрямленное напряжение сети через датчик 4 напряжения подается на первый блок интегрирования, состоящий из включенных в последовательную электрическую цепь преобразователя 5 напряженности магнитного поля в электрическое сопротивление, масштабного активного сопротивления 6 и накопительного конденсатора 7, обеспечивая заряд конденсатора 7 до напряжения срабатывания порогового элемента 8 - неоновой лампы, циклически передающего часть энергии конденсатора 7 первому конденсатору 9 отбора порции энергии. Энергия конденсатора 9 поступает на вход прямого счета отсчетного блока 14, выполненного в виде реверсивного счетчика импульсов. Одновременно напряжение сети через датчик 4 напряжения подается на второй блок интегрирования, состоящий из включенных в последовательную электрическую цепь масштабного активного сопротивления 10 и накопительного конденсатора 11, обеспечивая заряд конденсатора 11 до напряжения срабатывания второго порогового элемента 12 - неоновой лампы, циклически передающего часть энергии конденсатора 11 второму конденсатору 13 отбора порции энергии. Энергия конденсатора 13 поступает на вход обратного счета отсчетного блока 14 - реверсивного счетчика импульсов. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в системах учета электроэнергии в сетях переменного и постоянного тока различного назначения.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является счетчик электрической энергии, содержащий формирователь магнитного потока в зависимости от тока нагрузки электрической сети, выполненный, например, в виде образующего катушку токового проводника, включенного последовательно с нагрузкой электрической сети, датчик напряжения, выполненный, например, в виде двухполупериодного выпрямителя, который входом подключен к электрической сети, первый блок интегрирования, который снабжен включенными в последовательную электрическую цепь с выходом датчика напряжения преобразователем напряженности магнитного поля в электрическое сопротивление, масштабным активным сопротивлением и накопительным конденсатором, первый пороговый элемент и первый конденсатор отбора порции энергии, которые включены последовательно между собой и параллельно накопительному конденсатору первого блока интегрирования, и отсчетный блок, выполненный, например, в виде электронного счетчика импульсов, который снабжен входом прямого счета, входом установки коэффициента пересчета импульсов, учитывающего единицу измерения энергии, входом электропитания и подключенным к нему источником электропитания, причем преобразователь напряженности магнитного поля в электрическое сопротивление выполнен, например, в виде магнитного полупроводника, размещенного в магнитном поле катушки токового проводника.

Недостатком этого устройства является относительно высокая погрешность, обусловленная действием колебаний напряжения электрической сети и внешней температуры, так как колебания напряжения электрической сети приводят к ложным срабатываниям или же несрабатываниям порогового элемента при малых значениях измеряемой энергии, а колебания внешней температуры приводят к изменениям порога срабатывания порогового элемента, полностью не компенсируемых терморезистивным сопротивлением, входящим в состав масштабного активного сопротивления блока интегрирования.

Цель изобретения снижение погрешности от действия колебаний напряжения электрической сети и внешней температуры.

Цель достигается тем, что счетчик электрической энергии, содержащий формирователь магнитного потока в зависимости от тока нагрузки электрической сети, выполненный, например, в виде образующего катушку токового проводника, включенного последовательно с нагрузкой электрической сети, датчик напряжения, выполненный, например, в виде двухполупериодного выпрямителя, который входом подключен к электрической сети, первый блок интегрирования, который снабжен включенными в последовательную электрическую цепь с выходом датчика напряжения преобразователем напряженности магнитного поля в электрическое сопротивление, масштабным активным сопротивлением и накопительным конденсатором, первый пороговый элемент и первый конденсатор отбора порции энергии, которые включены последовательно между собой и параллельно накопительному конденсатору первого блока интегрирования, и отсчетный блок, выполненный, например, в виде электронного счетчика импульсов, который снабжен входом прямого счета, входом установки коэффициента пересчета импульсов, учитывающего единицу измерения энергии, входом электропитания и подключенным к нему источником электропитания, причем преобразователь напряженности магнитного поля в электрическое сопротивление выполнен, например, в виде магнитного полупроводника, размещенного в магнитном поле катушки токового проводника, снабжен вторым блоком интегрирования, выполненным в виде включенных в последовательную электрическую цепь с выходом датчика напряжения масштабного активного сопротивления и накопительного конденсатора, вторым пороговым элементом и вторым конденсатором отбора порции энергии, которые включены последовательно между собой и параллельно накопительному конденсатору второго блока интегрирования, отсчетный блок выполнен реверсивным и снабжен входом обратного счета, а входы прямого и обратного счета отсчетного блока подключены к выходам соответственно первого и второго конденсаторов отбора порции энергии.

Цель достигается тем, что в счетчике каждый пороговый элемент выполнен в виде газоразрядного прибора с холодным катодом, например, в виде неоновой лампы.

Цель достигается также тем, что в счетчике каждая неоновая лампа снабжена экраном защиты от внешних магнитных и электрических полей с окном для световой индикации режима работы счетчика.

На чертеже представлена структурная схема счетчика электрической энергии.

Счетчик электрической энергии содержит формирователь 1 магнитного потока в зависимости от тока нагрузки 2 электрической сети 3, выполненный, например, в виде образующего катушку токового проводника, включенного последовательно с нагрузкой 2 электрической сети 3, датчик 4 напряжения, выполненный, например, в виде двухполупериодного выпрямителя, который входом подключен к электрической сети 3, первый блок (не обозначен) интегрирования, который снабжен включенными в последовательную электрическую цепь с выходом датчика 4 напряжения преобразователем 5 напряженности магнитного поля в электрическое сопротивление, выполненным, например, в виде магнитного полупроводника, размещенного в магнитном поле формирователя 1 магнитного потока в магнитном поле катушки токового проводника, масштабным активным сопротивлением 6 и накопительным конденсатором 7, первый пороговый элемент 8 и первый конденсатор 9 отбора порции энергии, которые включены последовательно между собой и параллельно накопительному конденсатору 7 первого блока интегрирования, второй блок (не обозначен) интегрирования, выполненный в виде включенных в последовательную электрическую цепь с выходом датчика 4 напряжения масштабного активного сопротивления 10 и накопительного конденсатора 11, второй пороговый элемент 12 и второй конденсатор 13 отбора порции энергии, которые включены последовательно между собой и параллельно накопительному конденсатору 11 второго блока интегрирования, и отсчетный блок 14, который выполнен, например, в виде реверсивного электронного счетчика импульсов и снабжен входом 15 прямого счета, входом 16 обратного счета, входом 17 установки коэффициента пересчета импульсов, учитывающего единицу измерения энергии, входом 18 электропитания и подключенным к нему источником 19 электропитания, а входы 15 и 16 прямого и обратного счета отчетного блока 14 подключены к выходам соответственно первого и второго конденсаторов 9 и 13 отбора порции энергии. Каждый пороговый элемент 8 и 12 выполнен в виде газоразрядного прибора с холодным катодом, например, в виде неоновой лампы, а каждая неоновая лампа снабжена своим экраном 20 и 21 защиты от внешних магнитных и электрических полей с окном (не обозначено) для световой индикации режима работы счетчика электрической энергии. Каждый экран 20 и 21 может быть электрически соединен, например, с заземляющим проводником 22. Формирователь 1 магнитного потока и преобразователь 5 напряженности магнитного поля в электрическое сопротивление могут быть снабжены общим экраном (не обозначен) защиты от внешних магнитных и электрических полей, также электрически соединенным, например, с заземляющим проводником 22. Каждое масштабное активное сопротивление 6 и 10 соответственно первого и второго блоков интегрирования может быть выполнено в виде комбинированного сопротивления из последовательно соединенных переменного активного сопротивления для выбора масштаба интегрирования и терморезистора, частично компенсирующего изменение порога срабатывания каждого из пороговых элементов 8 и 12 от колебаний внешней температуры.

Счетчик электрической энергии работает следующим образом.

В одном состоянии нагрузка 2 через формирователь 1 магнитного потока не подключена к электрической сети 3. Формирователь 1 магнитного потока, выполненный в виде образующего катушку токового проводника, не создает магнитного потока. В связи с этим преобразователь 5 напряженности магнитного поля в электрическое сопротивление, выполненный в виде магнитного полупроводника, размещенного в магнитном поле катушки токового проводника, обеспечивает в цепи заряда накопительного конденсатора 7 через масштабное активное сопротивление 6 первого блока интегрирования высокое сопротивление. Накопительный конденсатор 7 начинает заряжаться напряжением выхода датчика 4 напряжения, выполненного в виде двухполупериодного выпрямителя, который входом подключен к электрической сети 3. Заряд накопительного конденсатора 7 происходит до напряжения срабатывания первого порогового элемента 8, выполненного в виде неоновой лампы. Наиболее высокая линейность нарастания зарядного сопротивления на накопительном конденсаторе 7 через высокие масштабное активное сопротивление 6 и сопротивление преобразователя 5 напряженности магнитного поля в электрическое сопротивление достигается в том случае, когда максимальное напряжение на накопительном конденсаторе 7 составляет порядка до 60% от напряжения датчика 4 напряжения. Поэтому порог срабатывания первого порогового элемента 8 неоновой лампы выбирается в этом же пределе напряжения. При срабатывании первого порогового элемента 8 напряжение с накопительного конденсатора 7 первоначально поступает на первый конденсатор 9 отбора порции энергии, емкость которого относительно емкости накопительного конденсатора 7 выбрана таким образом, чтобы величина его заряда была достаточна для передачи электрического напряжения через разрядный вход 15 прямого счета отсчетного блока 14 в электрическую схему отсчетного блока 14, выполненного в виде реверсивного электронного счетчика импульсов, который снабжен входом 15 прямого счета, входом 16 обратного счета, входом 17 установки коэффициента пересчета импульсов, учитывающего единицу измерения энергии, входом 18 электропитания и подключенным к нему источником 19 электропитания, причем вход 15 прямого счета и вход 16 обратного счета подключены к выходам соответственно первого и второго конденсаторов 9 и 13 отбора порции энергии. Согласно закону сохранения электрического заряда полный заряд системы из двух конденсаторов 7 и 9 до и после соединения их в замкнутую цепь один и тот же. Поэтому после соединения конденсаторов 7 и 9 первым пороговым элементом 8 напряжения обоих конденсаторов 7 и 9 будут равны между собой. Но этого должно быть достаточно, чтобы напряжение на накопительном конденсаторе 7 стало меньше порога удержания порогового элемента 8 в открытом состоянии, т.е. чтобы конденсатор 9 отбора порции энергии полученным напряжением закрыл пороговый элемент 8. Затем первый конденсатор 9 отбора порции энергии начинает разряжаться на относительно низкоомный вход 15 прямого счета отсчетного блока 14 электронного счетчика импульсов, импульс разряда поступает в схему отсчетного блока 14, производящую суммирование этого импульса с находящимися в памяти отсчетного блока 14 импульсами. После чего процесс заряда накопительного конденсатора 7, его частичного разряда на первый конденсатор 9 отбора порции энергии и полного разряда конденсатора 9 на вход 15 прямого счета отсчетного блока 14 будет циклически повторяться.

Одновременно напряжение датчика 4 напряжения поступает на второй блок интегрирования, выполненный в виде включенных в последовательную электрическую цепь с выходом датчика 4 напряжения масштабного активного сопротивления 10 и накопительного конденсатора 11. При этом накопительный конденсатор 11 также начинает заражаться напряжением выхода датчика 4 напряжения. Заряд накопительного конденсатора 11 происходит до напряжения срабатывания второго порогового элемента 12 неоновой лампы. Параметры элементов 10 и 11 второго блока интегрирования, второго порогового элемента 12 и второго конденсатора 13 отбора порции энергии подобраны таким образом, что когда нагрузка 2 не подключены к электрической сети 3, срабатывание второго порогового элемента 12 происходит одновременно (точнее, через одинаковое время) со срабатыванием первого порогового элемента 8. При срабатывании второго порогового элемента 12 второй конденсатор 13 отбора порции энергии получает заряд от накопительного конденсатора 11 второго блока интегрирования, который передается на вход 16 обратного счета отсчетного блока 14, и далее, в форме короткого электрического импульса, поступает в схему отсчетного блока 14, производящую вычитание этого импульса от находящихся в памяти отсчетного блока 14 импульсов. После чего процесс заряда накопительного конденсатора 11, его частичного разряда на второй конденсатор 13 отбора порции энергии и полного разряда конденсатора 13 отбора порции энергии на вход 16 обратного счета отсчетного блока 14 будет циклически повторяться.

В результате, в том случае, когда нагрузку 2 не подключена к электрической сети 3, частота импульсов, поступающих на вход 15 прямого счета отсчетного блока 14, оказывается равной частоте импульсов, поступающих на вход 16 обратного счета отсчетного блока 14. Суммирование и одновременно вычитание, поступающих с первого и второго блоков интегрирования импульсов, не вызывает изменений в содержании памяти отсчетного блока 14. Колебания напряжения электрической сети 3 и внешней температуры оказывают одинаковые влияния на параметры элементов электрической схемы счетчика электрической энергии на элементы первого и второго блоков интегрирования, пороговые элементы 8 и 12 и конденсаторы 9 и 13, тем самым не вызывают изменений в памяти отсчетного блока 14.

В другом состоянии нагрузка 2 подключена к электрической сети 3 и через формирователь 1 магнитного потока протекает ток нагрузки 2, создающий в катушке токового проводника пропорционально току напряженность магнитного поля, в котором находится преобразователь 5 напряженности магнитного поля в электрическое сопротивление, выполненный в виде магнитного полупроводника. Преобразователь 5 напряженности магнитного поля в электрическое сопротивление магнитный полупроводник имеет обратную зависимость: больше напряженность магнитного поля меньше электрическое сопротивление. Таким образом, под действием магнитного поля магнитный полупроводник уменьшает свое сопротивление пропорционально напряженности магнитного поля, создаваемого формирователем 1 магнитного потока в зависимости от тока нагрузки 2, в связи с чем накопительный конденсатор 7 первого блока интегрирования более интенсивно начинает заряжаться действующим напряжением выхода датчика 4 напряжения до напряжения срабатывания первого порогового элемента 8. Поскольку время передачи импульсов от конденсаторов 9 и 13 отбора порции энергии мало и постоянно, то при этом изменяется частота срабатывания первого порогового элемента 8, а, следовательно, и частота принимаемых отсчетным блоком 14 импульсов через его вход 15 прямого счета. Причем с возрастанием потребляемого нагрузкой 2 тока частота принимаемых отсчетным блоком 14 импульсов возрастает, и, наоборот, с убыванием потребляемого тока нагрузкой 2 частота принимаемых импульсов убывает. Частота импульсов на входе 15 прямого счета отсчетного блока 14 оказывается выше частоты импульсов на входе 16 обратного счета отсчетного блока 14. Путем тарировки счетчика электрической энергии определяется весовой параметр регистрируемого импульса, который вручную вводится в память отсчетного блока 14 через вход 17 установки коэффициента пересчета импульсов, учитывающего единицу измерения энергии. Показания отсчетного блока 14 оказывается пропорциональными количеству электрической энергии, прошедшей через нагрузку 2 за время подключения ее к электрической сети 3.

Контроль за режимом работы счетчика электрической энергии осуществляется визуально по частоте световых импульсов, проходящих через окна в экранах 20 и 21 защиты пороговых элементов 8 и 12 неоновых ламп от внешних магнитных и электрических полей.

Формирователь 1 магнитного потока может быть также выполнен в виде стержня из материала с малым коэффициентом изменения внутреннего сопротивления от изменения внешней температуры. В этом случае проходящий через стержень ток нагрузки 2 создает вокруг стержня круговое магнитное поле, напряженность которого пропорциональна току нагрузки 2, а преобразователь 5 напряженности магнитного поля в электрическое сопротивление при этом может быть выполнен в виде тонкой магнитной пленки, размещаемой на поверхности стержня, например, в виде ленточной обмотки.

Формирователь 1 магнитного потока может быть выплонен в виде катушки из нескольких витков толстого провода, в которую введен ферромагнитный сердечник, изменяющий свою магнитную проницаемость в зависимости от напряженности магнитного поля, создаваемого катушкой (управляющая часть магнитного усилителя электрического тока). В этом случае преобразователь 5 напряженности магнитного поля в электрическое сопротивление может быть выполнен в виде рабочей обмотки, размещаемой на сердечнике (управляемая часть магнитного усилителя электрического тока).

Датчик 4 напряжения может быть выполнен и в виде однополупериодного выпрямителя полупроводникового диода, а также с применением на своем входе трансформатора напряжения или же, например, емкостного или активного делителя напряжения при использовании счетчика электрической энергии в электрических сетях высокого напряжения.

Преобразователь 5 напряженности магнитного поля в электрическое сопротивление может быть выполнен также в виде катушки индуктивности и транзистора, вход управления которого база-эмиттер подключен к катушке индуктивности, а выход транзистора эмиттер коллектор образует выход преобразователя 5 напряженности магнитного поля в электрическое сопротивление. При этом катушка индуктивности одновременно образует собой включенный последовательно с нагрузкой 2 электрической сети 3 формирователь 1 магнитного потока, образующий магнитный поток витками катушки, в свою очередь образующий небольшое, зависимое от тока нагрузки 2, падение напряжения на катушке, используемое для управления транзистором, а сам транзистор способствует линейному заряду накопительного конденсатора 7 вне зависимости от остаточного на нем напряжения.

Преобразователь 5 напряженности магнитного поля в электрическое сопротивление может быть выполнен и в виде вторичной обмотки трансформатора напряжения, первичная обмотка которого из нескольких витков толстого провода и сердечник одновременно образуют формирователь 1 магнитного потока.

Преобразователь 5 напряженности магнитного поля в электрическое сопротивление может быть выполнен в виде магнитоуправляемого резистора, например, магнитострикционного стержня, а также в виде магнитоуправляемого диода, датчика Холла и т.д. если одновременно принимаются меры по линеаризации выходной характеристики преобразователя 5 напряженности магнитного поля в электрическое сопротивление, например, путем выбора начального тока нагрузки 2 и предела нагрузочного тока, обеспечивающих линейность преобразования напряженности магнитного поля в электрическое сопротивление, при которых ведется учет электрической энергии, потребляемой нагрузкой 2.

Конденсаторы 7, 11, 9 и 13 должны выбираться с малыми токами утечки.

Пороговые элементы 8 и 12 должны выбираться с наиболее высоким предпороговым сопротивлением, малой зависимостью порога срабатывания от температуры и относительно небольшим сопротивлением во включенном состоянии, а также по возможности не требующими дополнительного источника электропитания и не имеющими собственного энергопотребления. Этим условиям, более, чем, например, стабилитроны, тиратроны, полупроводниковые динисторы, компараторы и триггеры Шмитта, удовлетворяют неоновые лампы. Однако неоновые лампы, даже одного типоразмера, характеризуются исходным разбросом параметров и наличием отказов, которые чаще всего проявляются в первые 100-150 ч работы. Поэтому при серийном производстве счетчиков электрической энергии неоновые лампы должны подвергаться предварительным испытаниям, тренировке, выбраковке и подбору по основным параметрам.

Отсчетный блок 14, как реверсивный электронный счетчик импульсов, может представлять собой малогабаритный микрокалькулятор. При этом весовая стоимость одного регистрируемого импульса, определяемая в процессе тарировки счетчика электрической энергии, через устройство ввода данных исходно вводится в память микрокалькулятора, а выходы клавиш (+) и (-) могут подключаться соответственно к первому и второму конденсаторам 9 и 13 отбора порции энергии непосредственно или же через дополнительно введенные электронные ключи управления, например, транзисторы.

Отсчетный блок 14 может быть выполнен также в виде не требующего электропитания от отдельного источника для сохранения памяти реверсивного электромеханического счетчика импульсов, работающего за счет энергии самих электрических импульсов. При этом вход 15 прямого счета и вход 16 обратного счета электромеханического счетчика импульсов подключаются соответственно к выходам конденсаторов 9 и 13 отбора порции энергии. Весовая стоимость одного регистрируемого импульса при этом устанавливается выбором масштабных активных сопротивлений 6 и 10, емкостей накопительных конденсаторов 7 и 11, емкостей конденсаторов 9 и 13 отбора порции энергии, порогов срабатывания пороговых элементов 8 и 12, параметров формирователя 1 магнитного потока и преобразователя 5 напряженности магнитного поля в электрическое сопротивление.

Отсчетный блок 14, как реверсивный электронный счетчик импульсов, может быть выполнен также с применением ЦМД-микросхем или же, например, запоминающих устройств на магнитных сердечниках или тонких пленках, способных работать за счет энергии самих электрических импульсов и сохраняющих память при их отсутствии. При этом входы 15 и 16 прямого и обратного счета могут быть включены через дополнительные разделительные диоды параллельно с входом 18 электропитания отсчетного блока 14, а для осуществления дешифрации и индикации памяти такой электронный счетчик импульсов может быть снабжен вспомогательным блоком формирования напряжения электропитания от электрической сети 3 для электропитания дешифратора и индикатора электронного счетчика импульсов, содержащим кнопку подключения этого блока к электрической сети 3 на время съема показаний счетчика.

При использовании отсчетного блока 14 с собственным источником 19 электропитания, например, аккумулятором, для поддержания напряжения источника 19 электропитания при одном и том же значении выходного напряжения, выход конденсатора 9 или же 13 отбора порции энергии может быть параллельно подключен к источнику 19 электропитания через дополнительно введенные зарядный резистор и самоуправляемый ключ полупроводниковый диод.

Применение счетчика электрической энергии позволяет снизить погрешность от колебаний напряжения электрической сети и внешней температуры при одновременном низком собственном энергопотреблении.

Формула изобретения

1. СЧЕТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ, содержащий формирователь магнитного потока в зависимости от тока нагрузки электрической сети, выполненный в виде образующего катушку токового проводника, включенного последовательно с нагрузкой электрической сети, датчик напряжения, выполненный в виде двухполупериодного выпрямителя, который входом подключен к электрической сети, первый блок интегрирования, который снабжен включенный в последовательную электрическую цепь с выходом датчика напряжения преобразователем напряженности магнитного поля в электрическое сопротивление масштабным активным сопротивлением и накопительным конденсатором, первый пороговый элемент и первый конденсатор отбора порции энергии, включенные последовательно между собой и параллельно накопительному конденсатору первого блока интегрирования, а также отсчетный блок, выполненный в виде электронного счетчика импульсов, с входом прямого счета, входом установки коэффициента пересчета импульсов, учитывающего единицу измерения энергии, входом электропитания и подключенным к нему источником электропитания, причем преобразователь напряженности магнитного поля в электрическое сопротивление выполнено в виде магнитного полупроводника, размещенного в магнитном поле катушки токового проводника, отличающийся тем, что, с целью повышения точности за счет снижения погрешности от действия колебаний напряжения электрической сети и внешней температуры, он снабжен вторым блоком интегрирования, выполненным в виде включенных в последовательную электрическую цепь с выходом датчика напряжения масштабного активного сопротивления и накопительного конденсатора вторым пороговым элементом и вторым конденсатором отбора порции энергии, которые включены последовательно между собой и параллельно накопительному конденсатору второго блока интегрирования, а отсчетный блок выполнен реверсивным и снабжен входом обратного счета, а входы прямого и обратного счета отсчетного блока подключены к выходам соответственно первого и второго конденсаторов отбора порции энергии.

2. Счетчик по п.1, отличающийся тем, что в нем каждый пороговый элемент выполнен в виде газоразрядного прибора с холодным катодом, например, в виде неоновой лампы.

3. Счетчик по п. 2, отличающийся тем, что в нем каждая неоновая лампа снабжена экраном защиты от внешних магнитных и электрических полей с окном для световой индикации режима работы счетчика.

РИСУНКИ

Рисунок 1