Цифровой измеритель

)5 с 0 9/ ГОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР ИЗОБРЕТЕНИЯ ПИСА К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ 2 кимипарамЦель гротехни цо ва (Ле- сследоцо- ктр змерцте в,сов объе обра иков яццого(56) Авторск 11 1308913, кАвторское11 1337791, кл (54) ЦИФРОВО (57) Изобрет рольно-иэмер жет быть исп контроля и у СССР1987ССР1987 уп р а вл 0 щл матор 7, сд ходцой реги тельно андл аналоговых 11-13 и дцд ое свл. Ссви тельств К 21/06 детельство С С 01 К 19/25, 113 МЕРИТЕЛЬие относится к контельной технике и моьзовдцо и системах аьления технологичес Веденц(71) Ленинградский элеккий институт им. Б.И.Улнина) и Всесоюзный науч вательский институт энетельных приборов (72) В.Б.Слолоп, Е.П,УгАИСмирнов, А.Х.МурсаеА,И,Альшевский, В.М,Маши БА.фуки(53) 681325(0888) процессдл в электроэнергетикегих областях при вычисленииетров сигнала переменного тоха,изобретения - расширение Функциональных возлонностепутем обес" печения вычисления активной мощнос" тц - достигдется тем, что в цифро" вой цзмертель, содержащий умножильчастоты, генератор 2 цмпульблок 3 управления, счетчик 4ма выборки, аналого-цифровой презовдтель 5, блок 6 преобразова гця кода, выполеццый в виде постозапомццдющего устройства свходами, цифровой сумвцгающий регистр 8, быстр 9, введены дополниоговый вычитатець 10, тризапоминающих усгройствалоговый коммутатор 14е новых элементов позволяет змерять как пдраметры переменного апряжения, так ц мощности. 2 ил10 20 25 30 35 45 50 55 Изобретение относится к контрольно измерительной технике и может бытьиспользовано н системах контроля иуправления технологическими процессами в электроэнергетике и других областях при вычислении параметров сигнала переменного тока, таих каксреднее действующее значение и активная мощностьЦель изобретения расширениефункциональных возможностей устройства путем обеспечения возможности вычисления активной мощности в цеписигнала переменного тока,На фиг1 изображена функциональная схема цифрового измерителя; нафиг 2 функциональная схема блокауправленияЦифровой измеритель содержит умножитель 1 частоты (УЧ), генератор 2импульсов (ГИ), блок 3 управления(БУ), счетчик 4 объема выборки, АЦП5, блок 6 преобразования кода (БПК),сумматор 7, регистр 8 сдвига, выходной регистр 9, аналоговый вычитатель 10, аналоговые запоминающие бло"ки (АЗУ) 11-13 и анапогоный коммутатор 14, причем выход ГИ 2 соединен спервыми входами УЧ 1 и БУ 3, выходУЧ 1 ссединен с вторым входом БУ 3,вход суммирования счетчика 4 объемавыборки соединен с первым выходомБУ 3, а выход переполнения с третьим входом БУ 3, входы тактированияи управления АЦП 5 соединены с вторыми третьим выходами БУ 3 соответственно, а выход готовности АЦП 5 счетвертым входом БУ 3, цифровой входАЦЛ 5 соединен с выходом переполнения сумматора 7, а информационные выходы АЦП 5 - с входами БПК 6 и выходного регистра 9, выходы которогоявляются ныходами цифрового измерителя, выходы БПК 6 соединены с первыми входами сумматора 7, вторые входыкоторого соединены с выходами регистра 8 сдвига, входы которого соединены с выходами данных сумматоравходы тактирования и управления регистра 8 сдвига соединены с четвертым и седьмым выходами БУ 3, а входсброса регистра 8 сдвига - с входомтактирования выходного регистра 9 ипятым выходом БУ 3, первый вход аналогового вычитателя 10 соединен свходом данных АЗУ 11 и является первым входом цифрового измерителя для напряжения, пропорционального току всети, второй вход аналогового нычитателя 10 соединен с входом данныхАЗУ 13 и вторым входом УЧ 1 и является нторьм входом цифрового измерителя для напряжения сети, ныход аналогового нычитателя 10 соединен свходом данных АЗУ 12, выход которогссоединен с третьим входом аналоговогокоммутатора 14, выход АЗУ 11 снедине; с первым входом аналоговсг.; коммутатора 14, а выход АЗУ 13 - с вторым входом, входы управления АЗУ 1113 соединены с ш стым выходом БУ 3,восьмой и девятый выходы которогосоединены с первым н вторым входамиуправления анаис; оного коммутатора14, десятый выход - с входом переноса сумматора 7, одиннадцатый и двенадцатый выходы -с упрапляющнми входами БПК Ь, пятый, шестой н седьмойвходы БУ 3 являются входами заданиярежима работы цифрового измерителяПри этом БУ 3 содержит суммирующийсчетчик 15, постоянный запоминающийблок (ПЗУ) 1 б, вычитаюшнй счетчик 17,элементы И 18-22, элементы 1 ПИ 23 и24 и элемент НЕ 25Выходы данныхсчетчика 15 соединены с входами млздших адресных разрядов ПЗУ 16, входсуммирон: пня счетчика 15 соединен свыходом элемента И 18, а вход сбросасчетчика 15 является вторым входомБУ 3, первый вход элемента И 18 соед.нен с входом вычитания счетчика17, с первыми входами элементов И 21и 22 и является первым входом БУ 3,второй вход элемента И 18 являетсячетвертым входом БУ 3, третий входэлемента И 18 соединен с выходом элемента ИЛИ 23, четвертый вход - с выходом элемента ИЛИ 24, а пятый входс пятнадцатым выходом ПЗУ 16. Четвертый адресный вход ПЗУ 16 соединенс выходом элемента И 19, пятый - свыходом элемента И 20, а шестой свходом элемента НЕ 25 и являетсяседьмым входом БУ 3, первый десятый выходы ПЗУ 16 являются первым,третьим, седьмым, пятым, шестым,восьмым, девятым, десятым, одиннадцатым и двенадцатым выходами БУ 3 соответ гненно, одиннадцатый и двенадцатый выходы ПЗУ 16 соединены с нторыми нходами элементов И 21 и 22 соответственно, ныходы которых являются вторым и четвертым выходами БУ 3,тринадцатый выход ПЗУ 1 Ь соедйнен спервым входом элементЧИ 23, нто рой нход которого является третьим входом БУ 3, четь 1 рнадцатьй н,ход НУ 16 соединен с первым входом элемент; И 311 24 и входом синхроьизании з;писи параллельного кода счетчика 7, выход переполнения которого содинен с вторым входом элемент ЦПН 24, выход элемента НЕ 25 соединен с Г 1 е 1,м 3 входами элементов И 19 и 20, вторые входы которых ннлиютсн соотн тствен но пятым и шестым входами БУ З,нходц данных счетчика 17 соединены с шина ми уровней логических нули и едиип 1 ы В .ь . тНЕтСтИИ С КОДОМ ИСЛ 1 ОВ где М - . бъе. выборк 1, ныхо; к м ута тора 14 соеди:ен с анаис 1.оным входом АЦП 5Цифронсй измеритель работает сле дующим образом,Перел началом работц л 1 ан т ти 1 измеряемого 1 прам.тра ц пи перемени го тока (среднего или цейс. 3 ую 111 е 1 о значения тока или и прнже 11 и н с ти или активной мощности) путем подачи соответствующих колониХ кОМ.ИвН 1 и 11 на пятый, шестой и се 111.Ой нхсдц Бу 3Преднарител ной уст 11 О 13,и цифровой иэмерител, не требует, так к:1 кпосле 13 ычис ен 11 н не;11111 О 1 о с 3 ультцта о 1: пеГ еходит н исхдное состояниеПериодический сипал, 1 редстанляющий входнОй с 11 гна з 11;прнс 1 ин, ио" ступает на суммпру.сщий ход аналогового нычит; тели 1 О, вход;1,11 цх ЛЗ)3 и вход УЧ 1, Последий формирует на своем выходе импуньец иере.3 о 1 н 1- наконые интерна 3 п н сме 11, ра 1 це ЦЕЛОИ ЧаСтн ПЕР 11 ОДа НХОДНОГО СИГаЛа. Это Гоэнолнет зме 11 гь 131 численин интегра 31 а при оределении всех пара" метров вычислением суммц.В нача 1 е очередного 1 цкла ньчисления с 13 г 1 а 1 ом с ныхГ 1 а УЧсбрасывается н нуль счетчик 5 В зависимости от выбранного ржима устанав ливаетсн соответствую 111 й начальный адрес ПЗУ 16. При н 111 ислении действующего значения входого напряжения начальный адрес ранен нулю. На шес" том и седьмом выходах ПЗУ 6 устанав ливается код, который через коммута тор 14 на аналоговый вход АЦП 5 под ключает вьГход АЗУ 13, сигнал на выходе которого представляет мгновенное значение напряжения сети На втором выходе ПЗУ 16 появляется сигнал, чстанавливающий АЦП 5 в режим преоб 510 15 20 25 30 35 40 45 50 55 р 3 о 33 иин яна 1101 и 1 нходноо сГ 1 г 1 аф 11 а н код, На управляющие ьхо,1 ц БНК Ь 1 ода тон ксд, состиетствующий выдаче с его выхода кода крадр 3 та входной неличинь 1 (девятьй и десятыи выходы ПЗУ 16) и регистр 8 сдвига устанав пинается н режим приема параллельноо кода (третий выход ПЗУ 16)На и Гом в 1;ходе НЗУ 16 появляется сигнал, по которому нрекращаетсн зались аналоговых входных переменных во все АЗУТем самым н АЗУ запоминаются мгнонен 1 ые:Значения входных величин,соотнстстнуюшие моменту поступленияимпульса от УЧ 1Ближайший импульсот 1 Н 2 проходит через элемент И 18на вход суммирования счетчика 15 измеин т адрес ПЗУ 16 нд единицу, Наодиннадцатом выходе ПЗУ Ь появляетси логическая "1", которан разрешаетпрохождеш 1 е импульсов от П 2 на АЦП5 через элемент И 21За щ тактовпроисходит преобразование мгновенногозначения входного напряжения сети вкод, где ш - разрядность кода, Дотех пор, пока идет преобразование,от ЛЦН 5 на второй вход элемента И 181 оступает сигнал логического нуля иблокирует прохождение импульсов отП 1 2 на вход счетчика 15, Таким образом, импульсы от ГИ 2 посту 11 ают наЛПН 5 до окончания преобразованияНо окоцан ю преобразования на выходе АЦП 5 появляется код мгновенногозначения ходного напрнженин, а навыходе БПК 6 - квадрат этого кода,По первому после оконч 13 нин преобразования импульсу от П 2 счетчик 5 перенодитсн в следующее состоя ние, и на выходе 11 ЗУ 16 появляются новые сигналы управления, благодаря которым происходит увеличение значе" ния счетчика 4 объема выборки на единицу (сигнал с первого выхода ПЗУ 16), разрешается запись новых значений входных величин в АЗУ (сигнал с пятого выхода ПЗУ 16) и увели чивается содержимое регистра 8 сдви га на величину квадрата кода полученного мгновенного значения путем подачи импульса на его вход записи (сигнал с двенадцатого выхода ПЗУ 16). Одновременно устанавливается признак оконча 1 оя обработки очередного отсчета мгновенного значения входного напряжения на тринадцатом выходе ПЗУ 16, который через элементы ИЛИ162670 35 23 и И 18 блокирует поступление импульсов от ГИ 2 на счетчик 15Очередной цикл обработки мгновенногозначения начинается сбросом счетчика15 импульсом от УЧ 1После Б-го цикла счетчик 4 объема выборки сбрасывается и выдаетсигнал переполнения (конца выборки),При этсм сигнал с тринадцатого выхода ПЗУ 16 не блокирует поступлениеимпульсов от ГИ 2 на счетчик 15,таккак сигнал переполнения счетчика 4объема выборки, поступив на второйвход элемента ИЛИ 23, формирует5сигнал лоГической единицы на еговыходе. Таким образом, после снятияпоследнего отсчета мгновенного значения входного напряжения очереднымимпульсом от ГИ 2 счетчик 15 перево 2дится н следуошее состояние, Приэтом на двенадцатом выходе ПЗУ 16появляетс, сигнал логической "1",который через элемент И 22 пропускает импульсы от П 2 на вход тактирования сдвигаюшего регистра 9, установленного н режим сдвига содержимогоКроме того, сигналом с девятого выхода ПЗУ 16 устанавливается признаквыбор .зверсных значений квадратов из БПК 6, что необходимо для подготовки ныполне п.я операции извлечения квадратного корняОдновременно с тактировани м регистра 8 сдвига снимается сигнал записи параллельного кода со счетчика 17, в который занесен код 1 оя М, представляющий число операций сдвига, которое необходимо произвс.сти для выполнения делениясодержимого регистра 8 сдвига на И, 40Пока осуществляется сдвиг (деление) на выходе элемечта ИИ 24 установлен сигнал логического нуля, который запрещает прохождение ил 1 пульсов на суммирующий вход счетчика 15, а со держимое счетчика 17 уменьшается на "1" с каждым тактом сдвига. По окончании операции сдвига на выходе лере- полнения счетчика 17 устанавливается сигнал логической "1", который, про ходя через элемент И 1 И 24 на вход элемента И 18, разрешает дапьнейшее поступление импульсов от ГИ 2 на вход счетчика 15. Очередной импульс с ГИ 2 переводит счетчик 15 н состоя ние, при котором нз вход тактироиания ЛЦП 5 через элемент И 21 передаются импульсы от ГИ 2Б 1 К 6 формирует на выходе код, представляющийинверсию квадрата входного кода, Регистр последовательного приближенияв АЦП 5 реализует стандартный алго"ритм последовательных приближений,но нместо ответа схемы сравнения(сигнала от компаратора) используетвыход переполнения сумматора 7, Приэтом происходит подбор, числа, квадрат которо; о ранен или близок к числу, хранящемуся в регистре 8 сдвига.По окончании выполнения перацииизнлеЧения квадратного корня из суммы квадратов фор ируется сигнал готонности от АЦ 11 5, который позволяетперевести счетчик 15 очередным импульсом от ГИ 2 н его последнее состояние, Сигналом с четвертого выхсда ПЗУ 16 производятся перезаписьрезультата с выхода АЦП 5 н выходнойрегистр 9 и сброс содержимого регист"ра 8 сдвигаОдновременно формируется сигнац окончания вычисления напятнадцатом выходе ПЗУ 16, которыйзапрещает любые дальнейшие изменениясостояния счетчика 15 блокировкойего входа суммированияПовторныйпроцесс измерения начинается по очеф.редному импульсу с выхода УЧ 1При вычислении действующего значения протекающего в цепи тока устанавливается код управления аналоговым коммутатором 14, соответствующийподключению к входу АЦП 5 выхода АЗУ11, в котором запоминаются мгновен"ные значения напряжения, пропорционального току н сети, Дальнейшие вы числения не отличаются от вычисленийаналогичного параметра напряжениясетию1При измерении среднего значения напряжения или тока отсчеты мгно венных значений с выхода АЦП 5 пере даются на вход сумматора 7, минуя БПК Ь или через него, но при этом БПК 6 работает как повторитель при накоплении суммы и как иннертор при окончательном вычислении результата,Вычисление активной мощности начинается также по импульсу, посту паюшему от УЧ 1, При этом запоминаются мгновенные значения нходных величин н АЗУ и к входу АЦП 5 подклю чается выход АЗУ 13, в который зане сено мгновенное значение напряжения сети. Затем осуществляется преобразование этого мгновенного значения в2 Я, 62 Цифровой измеритель, содержащийумножитель частоты, генератор импульсов, блок управления, счетчик объемавыборки, аналого-цифровой преобразо ватель, рлок преобразования кода, сумматор, регистр сдвига и выходной регистр, причем выход генератора импульсов соединен с первыми входами умножителя частоты и блока управле код аналогично такому же преобрдзо ванию при вычислении действующего значения. Квадрат мгновенного значения напряжения добавляется к соцер 5 жимому регистра 8 сдвига и к входу АЦП 5 подключается выход АЗУ 11, в котором хранится мгновенное значение напряжения, пропорционального току в сети, После этого производится 1 О преобразование в код этого мгновенного значения и его квадрат также добавляется к содержимому регистра 8 сдвига. Затем вход АЦП 5 подключается к выходу АЗУ 12, хрдн 5 нцему мгно венное значение разности двух г(реды дущих величин, БПК б переключается на Формирование инверсии квадрата входной величины, а на вход (ереноса сумматора 7 с восьмого выхода ПЗУ 16 20 подается логическая единицаПроизводится преобразование мгновенного значения разности двух величинПосле описанных действийнд выходе сумматора 7 получается сумма квадратов 25 мгновенных значений ндпряже(ня сети и напряжения, пропорционального току в сети, инверсии квадрата разности двух величин, к которой прибдвляется единица младшего разряда сумматора Зп 7, поступившая на вход переноса от БУ 3, те, реапизуетс 5 соотношение= 20 (тЗ) 9;,2где 9 (1) - код кв адрд гд мгновенногозначения напряжения сети;(1) - код квадрата мгновенного2значения наряжения, пропорционального току в се 40ти вВ результате обработки одного отсчета мгновенных значений входныхсигналов в регистре 8 Формируетсяудвоенное произведение мгновенногозначения напряжения, пропорционального току в сети, и мгновенного значения напряжения сети.,Как и в случае вычисления действующих значений, перечисленные действия повторяются для всех мгновенныхзначений одной выборки. Затем осуществляется деление результата суммирования на Б путем сдвига содержимого в регистре 8 сдвига. Так кдк приобработке каждого отдельного отсчетав регистре 8 сдвига получалось удвоенное произведение мгновенных значе 51 ии ипряжпня сети и нднр 51 жели(я у про(орц(онально 1 о току в сети, то необходимо произнести делени суммь еще нд два путем сдвига нд один разряд, Прн этом нд четырнадцатом вь(ходе ПЗУ. 16 устанавливается сигнал логической диниць 1, в отличие от сдвига нд 1 о 1111 разрядов, 1 ля того чтобы счетчик 17, определяющий количество сдвигов нри делении, оставался в исходном состоянии и не блокировал прохождение импульсов от П 1 2 на вход суммировдння счетчика 15Окончательное вычисление результата производится аналогично вычислению среднего значения, При этом на девятом и десятом выходах ПЗУ 16 устдндвлипается код, который переклю"чает БПК б нд работу в качестве ин"верторд входного кода, д ЛЦП 5 - наприел( цифрового сигнала с выхода пе"реоса суммдтора 7После запускаАЦП 5 н его регистре последовдтельного приближения формруется код результата, который в последнем такте работы перезаписывдется и выходной регистр 9 по импульсу, поступающемус четвертого выхода НЗУ Ь, 1 а этомпроцесс вычисления ондчеиия активнойлоцности 13 цепи 3 дкд 11 чин етс 51Тдкил( образом, предлагаемый цифрово измеритель имеет более широкие Фукциона 51 ьн(е возможности по сравнению с известным, имея способность вьчислять как средние и действующие значения входных ндпряжешш н тока, так и активную мощность. При этом до полнительные аппаратурные затраты не значительны. Применение АЗУ нд входе измерителя позволяет применять его в области как инфранизких и низких частот, так и в среднечастотной облвсги, вплоть до сотен килогерц при точностях вычисления перечисленных параметров около 0,17Формула изобретенияности в цеп; спг 11 лла перемеццого то" кл, г него дополнительно введьп Л:) логовый вьпитдтель, первый, гзтог ойтретий аналоговые запом Лющие бло ки и ацд.,ого и коммутатор, ри:ем 40 ция, выход угцОжтел част оты соег- цец с втсрым входом блока унрдвле" ния, вход суммирования и выход переиопцецич счетчика обьед вборки со 5 едицепы с и рвым вьгходом третьим вкладом блока упав еция соответствеццо, входы тактировлция и управле циЯ лцллогоф П 1 фРОВОГО п 1 зео)Рлзон 1 те ля соедицецы с вторым и тр тьцм выходдля блока управлеция соот.зе",ст. ицо, выход готовности ацалозс "и 1:151.г ного преобразователя соедице с етвертым входом блока управле 1, , 4 гропОц Вход аналого"цифрового преоб" рдзователя соедццец с вьходом пере" полцеция сумматора, д ицфорл иоцв е выходыс входам Ддцц,х блока Гре збрдзоп.ция е. . ьыхо,ного регистРд, ВЫХОДЫ КОТООГО 51115 ЯЮТС 5 ЦЬХСми длВых и.1 зрового измерителя, 51" ходы С о д преобрдзования кода со " едиев с перззы 5 п 1 ходамц с млторд, вгорь;е входы .;Отерозо соеди;1,цы с зход;и р 1 ист;.д е, иигл, входа ко, оф ро д соедцнеы с выходами данных сумматора, вход тдктцровдния сдвигющего регистра соедицен с ч тв. р., входом блок;, иВ.ения, вход . аьгировдц.я з,е диого регистр;соед;1- цец с, ым п,гходом б.о: л упявления, отличающий сл ем, цт 1,целью рдсшзренз его фуцкпо ,ш 1- ных возможцостеи путе Обеспечения возможности вьЧислец 5 актив Ой мо." первый вход ацалогового вычитател соединен с входом даццых первого диалогового запоминающего блока и является первым входом цифрового измерителя для напряжения, пропорциоцапьцого току в сети, второй вход диалогового вычзггдтеля соединен с входомДЛЦЦЫХ ВТОРОГО аНаЛОГОВОГО З;И зм- цлющего блока, вторым входом умцо, т. ь ,стоты и я,:яеся вторы :одом ц 1 зовоги изм ритеДля ц,.рн" жеци 1 с" ти, выход 1,Ого ого вычитд- Г"ЛЯ сОг 1 ЕЦ С ЛХО,ОМ ДаННЫХ ТРс - тьего анлле: ового злпомилюцего блакд, выходы первого, Гторого и тре. ьего ца оговг; зало цицлющих блоковседицены со.т:зетствеццо с первым,вторымТретьим входами аналогового коммутлтс рл, входы управления нерво- ГО, второГО и тр "т ОГО з 5 Логовых запоминдкщх блоков соединены с шее" тым 11 ходом блока упрдпл.ция, седьмой выход като ого соедицец с входомупр,Впеция реги трл сдвига, восьмой и девятый и.;Ходе " соответственно спервь 5 м и втооым входами управлегця ,зцОо О.ого коммут тора, десятый выход - с ходом перецоса сумматора, ОДЦЧЦЛДЦ ГЫй И ДВепаДЦДТЫй ВЫХОДЫ- с перлы; 1 вт, рым входами блока преобр; о;запив кода соответственно, пягый, кестой и седьмой входы блока управ. еия являются входами задания ;.ежма работы цифрового измерителя, д вход сброса регистра сдвига подклю ец к п 1 тому выходу блока управления, ГЫХО 5 ДпаЛОГОВОГО КОММУТ-тОРа СОЕДИ-и с дцалоговьм входом аналого-ци 4 г" роноз о преобразователяоставитель ЕЗверевехред И.Дидык Корректор МДемчи И,Горная роиэводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, О 1 Заказ 275ВНИИПИ Госуда Тираж 418венного комитета по изобрете3035, Москва, Ж, Раушск Подписное м и открытиям при ГКНТ ССС наб., д. 4/5