Счетчик ампер-часов

(55 О 01 н 11/34 ОСУДАРСТВЕННЫЙПО ИЗОБРЕТЕНИЯМПРИ ГКНТ СССР ОМИТЕТОТКРЫТИ ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ВТОРСКОМ ВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Харьковский авиационный институт им. Н. Е,Жуковского(56) Авторское свидетельство СССР й. 759964, кл. 6 01 В 11/34, 1976,Авторское свидетельство СССР М 1511693, кл. 0 01 811/34, 1988.(57) Изобретение относится к измеритель.ной технике и может быть использовано для контроля количества электричества, получаемого или отдаваемого от источника питания с обеспечением гальванической Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля количества электричества, получаемого или отдаваемого от источника питания с обеспечением гальванической развязки.Известен реверсивный счетчик ампер- часов, содержащий шунт, усилитель, генератор импульсов, реверсивный счетчик, два блока сравнения кодов, два блока программ, два триггера, коммутатор, два счетчика, элемент И, блок сравнения и элемент ИЛИ,Известен также счетчик ампер-часов, содержащий шунт, усилитель, генератор импульсов, двоичный счетчик, две схемы совпадения, реверсивный счетчик, два блока дешифратора, анализатор, устройство записи, устройство сброса и два триггера, Недоразвязки, Цель изобретения - повышение точности измерения. Поставленная цель достигается введением резистора 3, преобразователя 6 напряжение-частота и выпрямительного моста 5, а также конструкцией трансформатора 1 постоянного тока (ТПТ). ТПТ, резистор 3, операционный усилитель 2 (ОУ) образуют колебательную систему. При наличии тока в первичной обмотке ТПТ, разница длительностей положительного и отрицательного. Импульсов на выходе ОУ пропорциональна току в первичной обмотке ТПТ, которая суммируется счетчиком 4 импульсов. Выпрямительный мост 5 с преобразователем 6 напряжение частота исключают зависимость результата измерения от напряжения питания ОУ, 2 ил. статками известных устроиств является сложность из-за наличия большого числа блоков и относительно низкая точность и помехозащищенность, так как в них сигнал, пропорциональный измеряемому току, снимается в активного сопротивления, включенного последовательно с нагрузкой (шунта), поэтому они не имеют гальванической развязки,Известен также счетчик ампер-часов, содержащий трансформатор постоянного тока, выполненный на двух сердечниках из материала с прямоугольной петлей гистерезиса, выпрямительный мост, резистор, преобразователь напряжение-частота, реверсивный счетчик импульсов, ЯС-цепочку, два пороговых устройства и триггер, Вторичные обмотки трансформатора запитываются от генератора переменногонапряжения. Счетчик ампер-часов позволяет определить количество электричества, проходящего через нагрузку, в случае, если изменяется не только его величина, но и направление, Недостатками известного счетчика является относительная сложность из-за наличия КС-цепочки, операционного усилителя, триггера, резистора, преобразователя напряжения-частота и сердечника трансформатора постоянного тока с размещенными на нем обмотками; а также относительно низкая точность из-за погрешностей, вносимой преобразователем напряжение-частота и выпрямительным мостом, Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому счетчику является выбранный в качестве прототипа счетчик ампер-часов, содержащий трансформатор постоянного тока с двумя сердечниками, на каждом сердечнике которого размещены первичные обмотки, вторичные обмотки и обмотки обратной связи, четыре диода, генератор переменного напряжения и операционный усилитель, Недостатком известного счетчика является относительно низкая точность из-за падения напряжения на диодах, включенных между выходом операционного усилителя и вторичными обмотками, зависимости выходного сигнала от стабильности напряжения питания и неидентичности магнитных характеристик сердечников трансформато. ра постоянного тока.Цель изобретения - повышение точности измерения.Указанная цель достигается тем, что в счетчике ампер-часов, содержащем счетчик импульсов, операционный усилитель, выпрямительный мост, резистор, преобразователь напряжения в частоту импульсов и трансформатор постоянного тока, на сердечнике которого размещены первичная обмотка, вторичная обмртка, конец которой соединен с общей шиной, а начало с одним концом резистора, и обмотка обратной связи, конец которой соединен с общей шиной, а начало - с прямым входом операционного усилителя, выход операционного усилителя соединен с другим концом резистора и входом выпрямительного моста, а выход выпрямительного моста - с входом преобразователя напряжения в частоту импульсов, выход которого соединен со счетным входом счетчика импульсов, старшие разряды которого соединены с выходом устройства. Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в предлагаемый счетчик введены выпрямительный мост, резистор и преобразователи напряжения в частоту импульсов, причем выход операционного усилителя соединен с однимконцом резистора и входом выпрямительного моста, другой конец резистора соединен с началом вторичной обмотки5 трансформатора постоянного тока, а выходвыпрямительного моста - с входом преобразователя напряжения в частоту импульсов,выход которого соединен со счетным входом счетчика импульсов. В предлагаемом10 счетчике по сравнению с прототипом имеются новые элементы; выпрямительныймост, резистор и преобразователь напряжения в частоту импульсов,На фиг. 1 представлена принципиаль 15 ная электрическая схема счетчика ампер-часов; на фиг. 2, показаны временныедиаграммы работы счетчика,Счетчик ампер-часов содержит трансформатор 1 постоянного тока, операцион 20 ный усилитель 2, резистор 3, счетчик 4импульсов, выпрямительный мост 5,-преобразователь 6 напряжения в частоту импульсов. На сердечнике трансформатора 1постоянного тока расположены первичная25 обмотка, через которую пропускается измеряемый ток 1, вторичная обмотка, конец которой соединен с общей шиной, а начало -с одним концом резистора 3, обмотка обратной связи, конец которой соединен с общей30 шиной, а начало - с прямым входом операционного усилителя 2, Выход операционного усилителя 2 соединен с другим концомрезистора 3, с входом управления реверсомсчетчика 4 импульсов и входом выпрями 35 тельного моста 5, Выход выпрямительногомоста 5 соединен с входом преобразователя6 напряжения в частоту, выход которого соединен со счетным входом счетчика 4 импульсов, старшие разряды которого40 соединены с выходом устройств,Счетчик работает следующим образом.Операционный усилитель 2, резистор 3и трансформатор 1 постоянного тока включены таким образом, что представляют со 45 бой релаксационныйгенератор,вырабатывающий на выходе операционногоусилителя 2 прямоугольные униполярныеимпульсы напряжения (см, фиг, 2 б). Длительности положительного и отрицательно 50 го импульсов равны, если через первичнуюобмотку трансформатора 1 постоянного тока не проходит измеряемый ток 1. А есличерез первичную обмотку этого трансформатора пропустить измеряемый ток, то55 длительность одного полупериода униполярного импульса будет увеличиваться, адругого уменьшаться, причем разница между длительностями отрицательного и положительного полупериодов зависит отвеличины измеряемого тока. Определение1714523 35 где И - число импульсов, поступающих на счетчик;11) - измеряемый ток;т- время;В - сопротивление резистора 3;Ю 1, И 2 числО ВиткОВ перВичной и ВТО ричной обмотки трансформатора постоянного тока соответственно; .К - коэффициент чувствительности преобразователя 6 напряжения в частоту импульсовв.Покажем справедливость выражения (1). Измеряемый ток 1(т), проходящий через первичную обмотку трансформатора постоянного тока, наводит в сердечнике трансформатора постоянного тока поток Ф, равный Ф = ИИ 1/йм, гдеЯее - магнитиое сопротивление сердечника, Генераторный режим работы релаксационного генератора на базе операционного усилителя, резисто 50 55ееемфеЮ,фи+е )Е(4)ф в( величины разницы длительности полупериодов импульсов осуществляется путем подачи униполярных импульсов с выхода операционного усилителя 2 на вход управляющим реверсом счетчика 4 импульсов. Если к входу, управляющему реверсом, приложено положительное напряжение,то реализуются логический сигнал "1" и высокочастотные импульсы, подаваемые на счетный вход счетчика 4 с выхода преобразователя 6 напряжения в частоту импульсов, суммируются, а при подаче на вход управления реверсом отрицательного напряжения реализуются логический сигнал "0" и импульсы, подаваемые на счетный вход, вычитаются, Таким образом, нэ старших кодовых разрядах реверсивного счетчика 4, представляющих собой кодовый. выход устройства формируется цифровой сигнал, пропорциональный величине ампер-часов, Запитка преобразователя 6 напряжения в частоту импульсов осуществляется через выпрямительный мост 5 от выхода операционного усилителя 2 с тем, чтобы частота импульсов, подаваемых на счетный вход счетчика, изменялась при изменении амплитуды униполярных импульсов на выходе усилителя 2. Если частота импульсов, подаваемых на счетный вход счетчика, изменяется при изменении амплитуды униполярных импульсов, выходной сигнал не изменяется при изменении напряжения питания и тем самым увеличивается точность счетчика ампер-часов, на выходе которого реализуется сигнал, определяемый выражением ра и трансформатора постоянного тока обеспечивается таким включением вторичной обмотки и обмотки обратной связи трансформатора постоянного тока, чтобы 5 была реализована положительная обратнаясвязь, Поэтому, если на выходе усилителя 2 имеется какое-либо напряжение, то оно увеличивается до. максимальной величины. Под воздействием максимального выходного 10 напряжения О в сердечнике тоансформатора 1 начнет расти магнитный поток Ф по экс поненциальному закону, т.к.последовательно с вторичной обмотки включен резистор 3 сопротивлением й. Как 15 только магнитный поток в сердечнике, складывающийся из измеряемого потока Фи магнитного потока Ф, наводимого током, протекающим по вторичной обмотке, достигает потока насыщения трансформатора 20 1 Фз, магнитная проницаемость сердечникарезко уменьшается, генератор перебрасывается, а на выходе операционного усилителя 2 выходное напряжение изменяет знак, Работа релаксационного генератора при из менившемся знаке на выходе усилителяаналогично вышеописанной, Устойчивость генераторного режима обеспечивается выбором материала сердечника трансформатора с прямоугольной петлей 30 перемагничивания. Магнитный поток Ф,наводимый током вторичной обмотки, в первом полупериоде Т 2 описывается следующим уравнением Выражение (2) получено из условия, что при 40 т=0Фт=о=- Фи- Фз(см, фиг.2 а).Из уравнения (2) определяется длительность полупериода Т 2, учитывая, что магнитный поток в конце полупериода равен 45 Фз - Фи (см, фиг, 2 а).Ой,-и-В ЫТ= Оп (3)м д д ффИ 5Магнитный поток Ф, наводимый токомвторичной обмотки в сердечнике трансформатора, в течение полупериода Т 1, описывается уравнением учитывая, что при 1=0 Ф-о= Фз- Фи(см.фиг, 2 а).(7) 50 55 Длительность полупериода Т 2 с учетом того, что магнитный поток в конце полупериода равен -Ф -Ф, (см. фиг, 2 а) определяется уравнени- ем Число импульсов й, записываемых в счетчике импульсов 4, определяется следующимвыражением М=(Т 1-Т 2) пРТ +Т КОцс, (б)Т 1 +Т 2где и - число периодов выходных импульсов, генерируемых за время;Г - частота импульсов на выходе преобразователя напряжения в частоту импульсов;К - коэффициент чувствительности преобразователя напряжения в частоту импульсов;О - величина напряжения на выходе операционного усилителя,Подставив в выражение(6) уравнения(3) и (5), с учетом того, что устройство проектиоуется таким образом, чтобы ОИ/2/ЯЯм "Фз,а ФиФ, получают Подставив в выражение (7) Фи= Ю 1/Я 1,получим выражение (1). Технико-экономический эффект применения предлагаемого устройства, по сравнению с известным, заключается в упрощении устройства и увеличении точности измерения, Упрощение устройства достигается за счет того, что из него выведен один сердечник трансформатора постоянного тока с тремя намотанными на нем обмотками. Введение новых блоков в предлагаемый счетчик (выпрямительный мост и преобразователь напряжения в частоту импульсов) не усложняет устройства, так как 5 эти блоки по сложности одинаковы с четырьмя диодами и генератором переменного напряжения, имеющимся в известном устройстве, Использование трансформатора постоянного тока с одним сердечником 10 позволяет повысить точность измерения изза отсутствия погрешностей, связанных с разбросом магнитных характеристик сердечников, Кроме того, точность измерения в данном устройстве повышается из-за того, 15 что результаты измерений в нем не зависятот нестабильности напряжения питания. В известном устройстве результат измерений зависит от величины амплитуды напряжения униполярных импульсов, что снижает 20 точность измерений,Формула изобретенияСчетчик ампер-часов, содержащий счетчик импульсов, старшие разряды которого25 соединены с выходом устройства, операционный усилитель, выход которого соединенс входом управления реверсом счетчика импульсов, и трансформатор постоянного тока, на сердечнике которого размещены30 первичная обмотка, вторичная обмотка, конец которой соединен с общей шиной, иобмотка обратной связи, конец которой соединен с общей шиной, а начало с прямымвходом операционного усилителя, о т л и ч а 35 ю щ и й с я тем, что, с целью повышенияточности измерения, в него введен выпрямительный мост, резистор и преобразователь напряжения в частоту импульсов,причем выход операционного усилителя со 40 единен с одним выводом резистора и в 1 одом выпрямительного моста, другой выводрезистора соединен с началом вторичнойобмотки трансформатора постоянного тока,выход выпрямительного моста подключен к45 входу преобразователя в частоту импульсов, выход которого соединен со счетнымвходом счетчика импульсов,1714523 Бьат Составитель А. ОкороковРедактор Т, Шагова Техред М,Моргентал орректор Т, Мале аказ 690 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 оизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 10