Устройство для измерения мощности генератора электротермической установки

СОЮЗ СОВЕТСКИХееееееРЕСПУБЛИК з(я) С 01 К 21 06 ф .эу ч ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯА ТО РСЦОУ ИД е ВЪСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(56) 1. Авторское свидетельство СССР В 123616, кл. С 01 К .21/00, 1955.2 Заявка Франции В 2109083, кл. О 01 К 21/00, 1976.(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИОЩНОСТИ ГЕНЕРАТОРА ЭЛЕКТРОТЕРИ- ЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ, содержащее масштабный преобразователь тока, выход которого подключен к первому входу перемножителя и через последовательноф соединенные фазовращатель и регулируемый усилитель к первому входу сум,матора, второй вход которого подключен к. выходу масштабного преобразователя напряжения, а выход - к второму входу перемножителя, выход которого является. выходом устройства, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены два выпрямителя, генератор имппульсов, триггер, два реверсивных счетчика, четыре ключа, элемент совпадения, делитель частоты на два, триггер Шмидта и формирователь импульсов, причем входы перемножителя 801095086 А подключены к выходам сумматора и масштабного преобразователя тока через первый и второй выпрямители соптветственно, выход генератора импульсов соединен через первый ключ со счетным входом первого реверсивного счетчика и через второй ключ с входом делителя частоты на два, входы сброса обоих реверсивных счетчиков соединены с входом сброса триггера и входной шиной сброса, вход установки триггера подключен через формирователь импульсов к управляющему входу второго ключа и выходу триггера Шмидта, вход которого соединен с выходом первого выпрямителя, первый выход триггера 3 подключен к управляющему входу третьего ключа и первому входу элемента совпадения, второй вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, а выход - с входом управления первого ключа, второй выход триггера подключен к управляющему входу четвертого ключа, вам счетный вход второго реверсивного счетчика подключен через четвертый ключ к выходу делителя частоты на два и через третий ключ к четвертому ы входу первого реверсивного счетчика, выход которого соединен с управляющим входом регулируемого усилителя.1 Ь109508Изобретение относится к электроиэмерительной технике и может бытьиспользовано для измерения мощностив нагрузке генераторов, применяющихсяв электротермических установках, например, в качестве чувствительногоэлемента системы автоматического управления выходной мощностью генератора.Мощность в нагрузке генераторов,которые применяются для индукционного 16или диэлектрического нагрева материалов или плазмы в зависимости от требований технологического процесса изменяется не более чем на 10-203. Приэтом напряжение и ток нагрузки изменяются на 10-157, а фазовый угол составляет 80-87 О,Выходная мощность генератора восновном рассчитывается по даннымкосвенных измерений. Решение задачи 26прямого измерения мощности генераторовв диапазоне радиочастот связана с исключением частотной и фазовой погрешностей измерения. Для этого используются устройства, основанные на фазо чувствительном выпрямлении тока илинапряжения нагрузки с последующимперемножением двух сигналов постоянноготока, один из которых пропорционаленактивному току илн напряжению при наг рузКе, а другой " напряжению или току.Известно устройство, содержащеемасштабные преобразователи напряженчя и тока нагрузки, фоточувствительный выпрямитель, перемножающее устройство, выпрямитель, выход которогочерез фильтр низких частот включен вкоммутирующую цепь фаэочувствительноговыпрямителя, и индикатор. На выходефазочувствительного выпрямителя получается напряжение, пропорциональноеактивному току, которое переиножаетсяс выходным. напряжением выпрямителя 1Однако точность такого устройстванедостаточна по следующим причинам. 4 уИзмерение. мощности нагрузки осуществляется по формулеР = ОЭа, Эд=фЭс 059,р (1)где Р - мощность,О - действующее значение напряжения на нагрузке,Э и Э - действующие значения токаанагрузки и его активнойсоставляющей соответственноф,Ч - фазовый угол нагрузки.Фактические значения измеряемыхвеличин Рф,У, Эаф с учетом погрешностей й, вносимых преобразователями,будутгде Рнэ ЦнЭн номинальные значения мощности, напряжения и тока нагрузки соответственно.После совместного решения (выражений) (3) и (4) можно записать он+, о"Эа(5) Если при регулировании генератора мощность изменяется, например, от 0 до 1003, среднее значение погрешности устройства составляет с)"р0,5 6"р + 0,5 д"Э. так как ", ш у дО Такии Ьбраэом, среднее значениепогрешности определяется погрешностями как линейного преобразователя(датчика напряжения), так и нелинейного элемента (фазочувствительноговыпрямителя),Линейность передаточной функциифаеочувствительного выпрямителяуменьшается с увеличением диапазонаизмеряемой величины. В области малыхтоков его точность еще снижаетсяиз-за дрейфа преобразователя.Наиболее близким к изобретениюпо технической сущности являетсяустройство для измерения мощности,содержащее масштабный преобразовательтока, выход которого подключен кпервому входу перемножителя и черезпоследовательно соединенные фаэовра"щатель и регулируемый усилитель кпервому входу сумматора, второйвход которого подключен к выходумасштабного преобразователя напряжения, а выход - к второму входуперемножителя, к первому индикатору,причем выход перемножителя соединенс вторым индикатором. 6 2Р,р Р+ЬР, 0= дБ, Э, =.Эд+ЬЭ, . (2)С учетом выраженных (2) выражение (1) можно записать пренебрегая величинами второго порядкадР = .ЭУ+УЬЭ,.Относительные погрешности величины Р, У и Эа составляютРррН0Отличительной особенностью известного устройства является получение сигнала, пропорционального активной составляющей напряжения, с помощью алгебраического суммирования двух сигналов, один иэ которых пропорционален напряжению на нагрузке, а второй по величине пропорционален току нагрузки и отстает от него по фазе на 90 . Для получения сигна ла, находящегося в квадратуре с током нагрузки, в устройстве использован фаэовращатель. Регулировка в устройстве производится с помощью усилителя с регулируемым коэффициентом усиле ния для получения на выходе сумматора сигнала, совпадающего по фазе с током нагрузки, т.е. сигнала, пропорционального активной составляющей напряжения на нагрузке. Контроль 20 нулевого фазового сдвига этих сигналов проводят по минимуму показаний первого индикатора, После окончания этой регулировки измеряют выходной сигнал устройства, пропорциональный 25 активной мощности, с помощью второго индикатора 23.Однако необходимость в предварительной регулировке увеличивает время30 измерения и его трудоемкость.Точность измерения известным устройством низка вследствие того, что при произведении измерений в малокосинусных цепях регистрируемый первым индикатором минимум напряжения выражен нечетко и фазовая погрешность измерения велика. Применение высокочастотного перемножителя также снижа ет точность измерения.Цель изобретения - повышение точности измерения.Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее масштабный преобразователь тока, выход которого подключен к первому входу пере 45 множителя и через последовательно соединенные фазовращатель и регулируемый усилитель к первому входу сумматора, второй вход которого подключен к выходу масштабного преобразователя напряжения, а выход - к второму входу перемножителя, выход которого является выходом устройства, введены два выпрямителя, генератор импульсов, триггер. два реверсивных счетчика, четыре 55 ключа, элемент совпадения, делитель частоты на два, триггер Шмидта и формирователь импульсов, причем входы перемножителя подключены к выходам сумматора и масштабного преобразователя тока через первый и второй выпрямители соответственно, выход генератора импульсов соединен через первый ключ с счетным входом первого реверсивного счетчика и через второй ключос входом делителя частоты на два, входы вброса обоих реверсивных счетчиков соединены с входем сброса триггера и входной шиной сброса, вход установки триггера подключен, через формирователь импульсов к управляющему входу второго ключа и выходу триггера Шмидта. вход которого соединен с выходом первого выпрямителяф первый выход триггера подключен к управляющему входу ,третьего ключа и первому входу элемента совпадения, второй вход которого соединен с выходом второго реверсивного счетчика, а выход - с входом управления первого ключа, второй выход триггера подключен к управляющему входу четвертого ключа, счетный вход второго реверсивного счетчика подключен через четвертый ключ к выходу дели" теля частоты на два и через третий ключ к счетному входу первого реверсивного счетчика, выход которого соединен с управляющим входом регулируемого усилителя. На фиг, 1 представлена структурная схема предлагаемого устройстваф на фиг. 2 - векторная диаграмма напряже-. ний и токов нагрузки генератора.Устройство содержит масштабные преобразователи 1 и 2 тока и напряжения соответственно, фазовращатель 3 регулируемый усилитель 4, первый выпрямитель 5, сумматор 6, второй выпрямитель 7, перемножитель 8, генератор 9 импульсов первый 10 и второй 11 ключи, делитель 12 частоты на два, третий 13 и четвертый 14 ключи, первый реверсивный счетчик 15, элемент 15, элемент 16 совпадения, второй реверсивный счетчик 17, триггер 18 Шмидта, формирователь 19 импульсов, триггер 20 и шину 21 сброса.Элементы устройства соединены следующим образом.Первый сумматор 6 соединен с выходом масштабного преобразователя 2 напряжения, а второй его вход через последовательно соединенные усилитель 4 и фазовращатель 3 соединен с выходом масштабного предобразователя тока.Первый вход перемножителя 8 соединен с выходом сумматора 6 через первый выпрямитель 5. Второй вход пере- множителя 8 через второй выпрямитель 7 соединен с выходом масштабного 5 преобразователя 1 тока. Выход перемножителя 8 является выходом устройства для измерения мощности. Выход генератора 9 соединен с входами первого 10 и второго 11 ключей, выход ключа 1 О 10 соединен со счетным входом первого реверсивного счетчика 15, и через третий ключ 13 со счетным входом второго реверсивного счетчика 17, к которому через последовательно 15 соединенные делитель 12 частоты на два и четвертый ключ 14 подключен выход второго ключа 11. Выход второго реверсиного счетчика 17 соединен с первым входом элемента 16 20 совпадения, выход которого подключен к управляющему входу первого ключа 10, Выход первого выпрямителя 5 соединен с входом триггера 18 Шмидта, выход которого подключен к управляющему входу второго ключа 11 и через формирователь 19 - к входу триггера 20.Управляющие входы обоих реверсивных счетчиков 15 и 17 соединены с шиной 21 сброса, Первый выход триггера 20 соединен с управляющим входом третьего ключа 13 и с вторым входом элемента 16 совпадения, второй выход триггера 20 подключен к управляющему входу четвертого ключа 14. Выход первого реверсивного счетчика 15 соединен с управляющим входом усилителя 4.Устройство работает следующим40 образом.Сигнал на выходе масштабного преобразователя 1 тока по величине пропорционален току нагрузки, а по фазе совпадает с нимНапряжение на45 выходе фазовращателя 3 отстает от сигнала на выходе масштабного преобразователя 1 тока на 90 О, Выходное напряжение блока 3 поступает на вход усилителя 4. В исходном состоянии ключи 11 и 15 закрываются, а ключи 12 и 14 - открываются.Для запуска устройства иа шину 12 подается импульс сброса, приводящий в исходное состояние оба реверсивных счетчика 15 и 17, а также триггер 20. 55 В результате на вход первого реверсивного счетчика 15 с генератора 9 импульсов через открытый первый ключ 10 поступают импульсы а четвертыйключ 14 открывается, Код с выходапервого реверсивного счетчика 15поступает на вход управления усилителя 4. Усилитель 4 снабжен магазиномрезисторов, которые могут быть включены, например, в цепь его обратнойсвязи, Переключение резисторов посигналу на управляющем входе усилителя вызывает соответствующее изменение его коэффициента усиления и,следовательно, выходного напряжения.В исходном состоянии напряжение навыходе усилителя 4 минимально,оно увеличивается по мере заполненияпервого реверсивного счетчика 15.При условии, что фазовые искажения,вносимые усилителем 4 сведены к минимуму,увеличение вектора выходного напряжения усилителя по величине происходитпо линии, перпендикулярной векторутока нагрузки, и вектор выходногонапряжения усилителя 4 постоянноотстает по фазе на 90 от несторатока нагрузки. При возрастании выходного усилителя 4 напряжение на выходе сумматора 6 уменьшается, Уголсдвига фаз между векторами напряженияна выходе сумматора 6 и тока нагрузкитакже уменьшается.В сумматоре 6 происходит сложение выходных напряжений усилителя 4 масштабного преобразователя 2 напрякения на нагрузке. Суммарное напря-.гжение выпрямляется в первом выпрямителе 5. Когда выходное напряжение выпрямителя 5 достигнет некоторого порогового значение К, срабатывает триггер 18 Шмидта. При этом открывается второй ключ 11, и с этого момента,начинают работать оба реверсивных счетчика 15 и 17, причем на вход второго счетчика 17 импульсы поступают через делитель 12 частоты на два и открытый четвертый ключ 14, Во втором реверсивном счетчике 17 записывается число, вдвое меньшее числа импульсов, поступивших на счетчик 15. При дальнейшем возрастании выходного . напряжения усилителя 4 сигнал на входе сумматора 6, пройдя 6, пойдя через минимум (точка А), который соот ветствует совпадению этого сигнала по фазе с током нагрузки начинает1 возрастать в направлении точки ЯКогда напряжевие на выходе выпрямителя 5 достигает величины, равной порогу отпускания триггера 1810 изменение О и О может превышатьпорог срабатывания триггера 18 в у 10-20 раэ,В реальных условиях эти величины одного порядка. Действительно, коэффициент передачи масштабного преобразователя 2 (емкостью делителя или трансформатора напряжения) обычно равен 50-60. При напряжении нагрузки 300-500 В О=5-60, а О 8-100. По(точка И), последний срабатывает.Выходной снгнап триггера 18 Шмидта,пройдя через формирователь 19, вызывает срабатывание триггера 20. Посигналу триггера 20 направление счета реверсивных счетчиков 15 и 17изменяется, открывается -ключ 13, изакрывается ключ 14. С этого моментаимпульсы с генератора 9 импульсовпоступают на второй реверсивныйсчетчик 17 через открытый ключ 13,минуя делитель 12 частоты на два.Когда во втором реверсивном счетчике 17наступает нулевое состояние, потенциал на выходе элемента 16 совпадения изменяются. Это вызывает запирание ключа 10 и прекращает поступление импульсов на счетчики 15 и 17.Выходной сигнал выпрямителя 5,пропорциональный активной составляющей напряжения О , подается напервый вход перемножителя 8, навторой вход которого через второйвыпрямитель 7 поступает сигнал,пропорциональный току нагрузки. Напряжение на выходе всего устройстваО Эе, О 3 Сов Ч = Р, т.е, пропорционально активной мощности нагрузки.Докажем, что в рабочем диапазонеизмерений напряжения и фазового угла ЗОнагрузки генератора точность измерения мощности практически не изменяется (фиг. 2). Предположим, чтоЧ и- предельные значения фазовыхУглов нагрузки, а О 1 и О - соответствующие им напряжения на выходемасштабного преобразователя 2.Тогда Д и й характеризуют предельные величины изменения О и О ,в пре- .делах которых устройство теоретически 40работоспособно. Их треугольниковОВС и ОВ 1 С следует, чтоД 1 1 С 05 Я Д 1- ЫБЧк С 05 ЧЙ СОВ Чу45Считая, что Ч= 85, а Ч=87 30,находим, что й- = 10,-ф, т.е.й рог срабатывания триггера 18, реализованного на современных микросхемах, можно выбрать равным 2-3 В. Таким образом, в рабочем диапазоне изменения мощности генератора в электротермической установке точность ее измерения зависит от стабильности порога, срабатывания и отпускания триггера (точки А. и А - А и А ), но не" от его величийы. Время измерения. изменяется пропорционально величинам; отрезков АА., и А 2 А (фиг, 2).В качестве устройства квадратур- ного сигнала в ваттметре использован магнитный пояс Роговского. Пояс представляет собой обмотку иэ очень тонкого медного провода в изоляции, намотанного плотно, виток к китку, вокруг изоляционного стержня малого сечения. Стержень с обмоткой размещается вокруг токоведущей жилы с минимальным зазором. Значение мгновенного напряжения О на зажимах пояса, обусловленного взаимной индуктивностью М между обмоткой пояса и измеряемым током д, равноа0: -м,следовательно, о сдвинуто относительно на 90 о в сторону отставания. Этим обеспечивается квадратурный сдвиг сигнала, пропорционального току нагрузки, на любой частоте. ф Введение новых элементов и связей между ними в предлагаемое устройство выгодно отличает его от известного, так как устранение ручных регулировок и автоматическая перестройка усилителя с регулируемым коэффициентом усиления позволяет повысить точность определения момента совпадения векторов выходного напряжения нагрузки определяется только точностью срабатывания триггера Шмидта. Реализация этого блока на современных интегральных микросхемах с временем задержки срабатывания не более нескольких наносекунд и точностью поддержания порога срабатывания не более нескольких десятых долей мил - в,ливольта позволяет достичь точности получения сигнала, пропорционального активной составляющей напряжения нагрузки (при соответствующем выборе величины выходного напряжения измерительного преобразователя напряжения нагрузки) не хуже 0,5 Х. Повышению точности измерения способствует также9 10950 аи то, что в предлагаемом ваттметреисключена составляющая погрешности,обусловленная фазовыми искааениямив фаэовращателе, с помощью которого визвестном вырабатывается сигнап, про 5порциональный активной составляющейнапряжения. Граничная частота определяется частотными свойствами выпрямителей и составляет несколько десятков мегагерц. Частотный диапазон устройства расширен по сравнению с известным за счет того, что в ием испольэо" ван перемношитель сигналов постоян ного тока, точность которого также 10 вьве, чем у аналогичных устройств, использованных в известном.Применейие;в устройстве в качестве устройства квадратурного сдвига сигнала, пропорционального току нагрузки, магнитного, пояса Роговского позволяет исключить погрешность иэмерения, зависящую от параметров элементов, входящих в фазовращатель и перемноаитель мгновенных значений сигналов, которые долкны находиться в квадратуре. К преимуществам пояса следует такие отнести удобство его располонения на токоведущнх шинах, простоту и технологичность изготовления.095086 Корректор Н, Яцол аа 71 587/26 е Редаквене еЗаказ Составитель С. КабикоТир 1 Подпися ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делан изобретений и открытий 13035, Иосква, И, Раущская наб., д. 4/5