Способ измерения частоты переменного напряжения и устройство для его осуществления

(71) Киевский институт инженеров гражданской авиации им,60-летия СССР(56) Авторское свидетельство СССРМ 1185260, кл, О 01 В 23/00, 1985,(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в автоматике энергосистем. Способ ормиру, опреИзобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в автоматике энергосистем,Известен способ определения частоты переменного напряжения (а.с. СССР йг 1048529, МКИ 6 01 В 23/00. 1983), согласно которому формируют эталонные промежутки времени. Недостатком способа является низкое быстродействие определения частоты.Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения частоты переменного напряжения и устройство для его реализации (а,с. СССР М 1185260, МКИ 6 01 В 23/00, 1985), по которому формируют эталонные интервалы времени Л т, измеряют мгновенные значения контролируемого напряжения, фиксируют три из 1(их Ч 1; Ч 2; Чз, следующих через эталоннь 1 е интервалы времени Ж, а частоту 1 определяют согласно математическому выражению1 + 1/3= -- - -- . асс сов ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) измерения заключается в том, что ют эталонные интервалы времени деляют частоту по формуле 1 1 а 1 2 7 т т 2 Г 2 дГССОЗ - Й, 11 =.а; -13 1151= 3 Ф)бт, 82 Х Ч(1)а,=ТО+ Л(:10 22 = 10 + 3 Ж тз = со + 4 й.Устройство содержит один генератор импульсов, четыре времязадающих элемента, два аналого-цифровых преобразователя, одно решающее устройство, один ключ, два интегратора, одно устройство индикации. 3 ил,Устроиство для определения частоты переменного напряжения содержит генератор импульсов, последовательно соединенные первый и второй блоки задержки, последовательно соединенные первый и второй регистры памяти, управляющие входы которых подключены соответственно к выходам первого и второго блоков задержки, сумматор, первый вход которого подключен к выходу первого регистра памяти, АЦП, третий регистр памяти, последовательно соединенные делитель, ЦАП и функциональный преобразователь, выход генератора импульсов соединен с управляющим входом АЦП, входом первого блока задержки и управляющим входом третьего регистра памяти, выход второго регистра памяти соединен с входом третьего регистра памяти и первым входом делителя, выход третьего регистра памяти - с втооым входом сумматора, а выход сумматора - с вторым входом делителя, выход АЦП соединен с входом первого регистра памяти. Этот способ выбран в качестве прототипа, 1780036Недостаток данного способа заключается в низкой точности измерений при низких отношениях сигнал - шум.Средства автоматики энергосистем (как силовые цепи, так и измерительные каналы) подвержены действию помех и шумов, Кроме того, напряжение силовых цепей не остается стабильным и меняется в зависимости от изменяющейся нагрузки, сопровождается бросками напряжения при включении и выключении силовых агрегатов. Влияют на всплески напряжения и тиристорные ключевые элементы автоматики, Указанные воздействия проявляются в виде аддитивных помех и шумов. При этих условиях контролируемое напряжение имеет вид:Ч(1) = Ази вт+,где А - амплитуда;О= 2 Угу;1 - частота;- случайная помеха,Отношение сигнал - шум равно:А= о.9;о- СКО помехи;9 - коэффициент, равный 2 при доверительной вероятности Р =0,95 и при нормальном законе распределения помехи,Представим напряжения Ч 1; Ч 2; Чз в виде:Ч = Ази р 1 +1; Ч 2 = А 81 п а +Чз = Ази р+Определим отношениеМ Ч 1 +ЧзЧг3 и ф 1 + 8 и ф 3 + ( 1 + 3 ) А118 и У 72 + 2 -Агде р 1, 02, ОЗ - фазы сигнала Ч 1) в моментыизмерений.Преобразуем отношение М, приняв дляопределенности ф = - фз, тогдапасс 1М8 и ф 2 +Агде, ф = фг, Учитывая равенство = с9,получим:М -02При отсутствии помех получ 3 П РгРезультат измереи помех равен: я частоты при отс 1 1- в в -; - асоса 1 МРезультат измерения частоты при действии помех равен,5 - 1Г - -- - - . асссоа - М,Абсолютная погрешность измерениячастоты равна:д=1- ,10 Относительная погрешность измерениячастоты авна;е = 100%,П р и м е р. В сети действуют помехи=15 =3 В с дисперсией ог = 2,25 В, Математи 2 2ческое ожидание помехи равно нулю, а интервал корреляции меньше периоданапряжения, Действующее значение напряжения Чз = 220 В, амплитуда А = 308 В.20 Отношение сигнал - шум равно:А 2Ь --- 21080,2 о;Выбран интервал времени й = 3 10 с,Фазы сигнала, отвечающие напряжениямЧ 1, Чг, Чз соответственно равны 1 р =-2,26 рад; рг =.3,2 рад, р= 4,14 рад, Приотсутствии помех (когда 1 = со) результатизмерения частоты равен:30, - агссоз х1Ъ 27 г 310х - 1,18=50 Гц,12При действии помехи результат измере 35 ния частоты равен:1 12 л 3 103 и 2,26 + зи 4,14 41 65 Гх 41,65 Гц,ао ап 32+/ 221080Абсолютная погрешность. измерениячастоты равна:д = 50 = 41,65 = 8,34 Гц.Относительная погрешность равна е = -ф = 16,7%,8,34,При уменьшении отношения сигнал - шум погрешность соответственно возрастает.Таким. образом, известный способ обладает низкой точностью измерения частоты при низких отношениях сигнал - шум,Цель изобретения - повышение точности измерений при низких отношениях сигнал - шум,Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения частоты переменного напряжения, при котором форми 178003 бруют эталонные интервалы времени Ьс, определяют частоту по формуле1 11= -2 2 д - ассовтй,выполняют интегрирование переменногонапряжения Ч(с) согласно математическимвыражениям:со 131 = Ч(с)й; 3 г= Ч(с)й,сз ггде с 1=со+ Ьс;сг = со+3 Ьс;сэ=со+4 Ьс; .со - момент начала измерений;а величину К определяют как частное отделения первого результата интегрирования 31 на второй результат интегрирования3 г, а также тем, что величину эталонногоинтервала времени Ьс выбирают в зависимости от требований к длительности одногоцикла измерений по условию:Ь с = в0,25 сдоп,Лд2 к 1 -где Р - приращение фазы переменного напряжения за интервал времени Ьс;сдоп - допустимая длительность одногоцикла измерений,Поставленная цель достигается такжетем, что в устройство для определения частоты переменного напряжения, содержащее генератор импульсов, первый и второйвремязадающие элементы, первый аналогоцифровой преобразователь, решающее устройство, включающее первый и второйрегистры памяти, причем выходы первого ивторого времязадающих элементов соединены с управляющими входами соответственно первого и второго регистров памяти,выход первого аналого-цифрового преобразователя соединен с входом первого регистра памяти, введены третий и четвертыйвремязадающие элементы, второй аналогоцифровой преобразователь, ключ, первый ивторой интеграторы, устройство индикации,причем входы интеграторов соединены свходом устройства, выходы первого и второго интеграторов соединены с входами соответственно первого и второгоаналого-цифровых преобразователей, выход второго аналого-цифрового преобразователя соединен с входом второго регистрапамяти, выход генератора импульсов черезключ соединен с входами первого, второго,третьего и четвертого времяэадающих элементов, выход первого времязадающегоэлемента соединен со вторым управляющим входом первого интегратора и управляющим входом первого аналого-цифровогопреобразователя, выход второго времязадающего элемента соединен со вторым управляющим входом второго интегратора иуправляющим входом второго аналого-цифрового преобразователя, выход третьеговремязадающего элемента соединен с пер 5 вым управляющим входом второго интегратора, выход четвертого времязадающегоэлемента соединен с входами "Сброс" соответственного первого и второго интеграторов, первого и второго регистров памяти,10 управляющим входом решающего устройства, а также с первым управляющим входомключа, второй управляющий вход которогосоединен с клеммой "Пуск" и первым управляющим входом первого интегратора, вы 15 ход решающего устройства соединен свходом ус 1 ройства индикации.На фиг.1 приведена временная диаграмма, поясняющая сущность способа; нафиг.2 - структурная схема устройства, реа 20 лизующего способ; на фиг,З - структурнаясхема решающего устройства,Способ заключается в следующем.Выбирают величину эталонного интервала времени Ьс по формуле25 ЛоЬ с = --0,25 сдоп,2 л 1где Ьр - приращение фазы переменногонапряжения на интервале времени Ьс;сдоп - допустимая длительность одного30 цикла измерений;1 - частота, известная по априорнымданным или по результатам измерения напредыдущем цикле измерений,По условиям измерений на переменное35 напряжениеЧ(с) = А зп а с+ ,где А - амплитуда;а=2 л 1;5 - частота;40 наложена помеха ф с нулевым математическим ожиданием и дисперсией о Интергвал корреляции помехи по условиямизмерений меньше периода переменногонапряжения,Выполняют интегрирование напряже.ния Чс) согласно математическим выражениямсз т 131 =Ч(с)бс, 3 г = / Ч(с)й, Р)50где с 1 = со + Ьс; сг = со + ЗЬ с; сз = со + 4 Ь с;со - момент начала измерений.Определяют результат интегрирования31 на интервале времени со-сз:31 = - Соз Р - Соз(Р + 4 Ь у) =АИ= - ,2 зп(Р+ 2 Ьр) зп 2 Ьр,Агде Р - начальная фаза напряжения Ч(с) вмомент со начала измерений, 17800365 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Значение 51 получено из предположения, что интервал корреляции помехи меньше периода напряжения, что выполняетсяна практике, Учтено, что математическоеожидание помехи равно нулю, Поэтому1 с,й=0,б=0, (3)3 12Определяют результат интегрирования52 на интервале времени 11 - т 2. С учетомпринятых допущений находят:52 --- (С о з(Г + Л р ) - Соз(Г + 3 и Л рЦ ==. - 2 зп(Р+ 2 Лр) зп Лр.АОпределяют величину М по формулеМ = - =-2 соз ЛрЪЗ 2Находят результат косвенного измерения частоты 1 по формулеагссоз М,12 лЛ 1Особенность способа в том, что интервал интегрирования о-тз в два раза большеинтервала т 1 - 12, Поэтому на результат измерения частоты не влияет начальная фаза Енапряжения Ц 1), что повышает точность измерений. Высокая точность измеренийобеспечивается и тем, что по условиям измерений результат интегрирования помехина указанных интервалах времени равен нулю (поскольку математическое ожиданиепомехи равно нулю).Устройство, реализующее способ содержит: интеграторы 1 и 2, аналого-цифровь,е преобразователи 3 и 4, времязадающиеэлементы 5 - 8, ключ 9, генератор 10 импульсов, решающее устройство 11, устройствоиндикации 12,Решающее устройство 11 содержит регистры памяти 14 и 15, центральный блок 16,выход которого служит выходом решающего устройства 11, Выходы интеграторов 1 и2 соединены с входами соответственно первого 3 и второго 4 АЦП, выходы которыхсоединены с входами соответственно первого 14 и второго 15 регистров памяти, выходы которых соединены с входамицентрального блока 16, выход последнегосоединен с входом устройства 12 индикации. Выход генератора 10 через ключ 9 соединен с входами времязадающихэлементов 5-8, выход первого времяэадающего элемента 5 соединен со вторым управляющим входом первого интегоатора 1,управляющими входами первого АЦП 3 ипервого регистра 14 памяти, выход второговремязадающего элемента 6 соединен совторым управляющим входом второго ингеграгора 2 и упоавляющими входами второго АЦП 4 и второго регистра 15 памяти, выход третьего времязадающего элемента 7 соединен с первым управляющим входом второго интегратора 2, выход четвертого времязадающего элемента 8 соединен с входами "Сброс" первого 1 и второго 2 интеграторов, входами "Сброс" первого 14 и второго 15 регистров памяти, управляющим входом центрального блока 16 и первым управляющим входом ключа 9, второй управляющий вход которого соединен с клеммой 13 "Пуск" и первым управляющим входом интегратора 1.Устройство работает следующим образом,Перед началом измерений соответствующим образом настраивают времязадающие элементы 5-8 с учетом выбранной величины интервала времени Л, Значение й вводят в регистр памяти блока 16, На вход устройства подают контролируемое напряжение Ч(1), На клемму 13 "Пуск" подают импульсный сигнал, который включает ключ 9, фиксируя момент начала измерений, Одновременно включается блок 1, Тактовые импульсы генератора 10 через ключ 9 поступают на входы времязадающих элементов 5 - 8. Последние формируют импульсные сигналы в моменты времени т 1, 2, тз и .Первый интегратор 1 интегрирует напряжение Ч(т) на интервале времени 10 - з, а второй интегратор 2 - на интервале времени т 1 - т 2 согласно зависимостям (1), В момент времени 12 блок 2 прекращает интегрирование по сигналу второго времязадающего элемента 6. Одновременно результат интегрирования Я 2, полученный согласно (4), преобразуется блоком АЦП 4 в цифровой эквивалент изапоминается во втором регистре 15 памяти,В момент времени 1 з блок 1 прекращает интегрирование по сигналу первого время- задающего элемента 5, Одновременно результат интегрирования 31, полученный согласно (2), преобразуется блоком АЦП 3 в цифровой эквивалент и запоминается в пе рвом регистре 14 памяти,В момент времени т 4 четвертый время- задающий элемент 8 формирует прямоугольный импульс, передним фронтом которого включается центральный блок 16. Последний считывает содержимое регистров памяти 14 и 15 и с учетом значения Й, хранящегося в регистре памяти блока 16, определяют частоту напряжения ф) по алгоритму (5). Результат измерения отображается на экране устройства индикации 12, Задний фронт прямоугольного импульса осуществляет сброс содержимого регистровпамяти 14 и 15, сброс напряжений интеграторов 1 и 2 и выключает ключ 9.Устройство готово к следующему циклуизмерений,Пример 1 реализации способа.В сети рействует помеха= 3 В с дисперсией ас = 2,25 В, математическое ожигдание которой равно нулю, а интервалкорреляции меньше периода измеряемогонапряжения. Действующее значение напряжения Оэф = 220 В, амплитуда А = 300 В,частота 1 = 50 Гц, В момент начала измерений 1 о фаза напряжения равна Р = 2,26 рад.Перед измерением выбирают интервалвремени Ж=З 10 В(см. с,Зописания),длячего соответственно настраивают элементы5 - 8. Значение Лт вводят в регистр памятиблока 16, Первый интегратор 1 интегрируетнапряжение Ч(т) = Ази м+ ф на интервалевременило - 1 з, В моменттз блок 1 прекращает интегрирование напряжения Ч(с) по сигналу времязадающего элемента 5.Результат интегрирования Я 1 =-1,570 В спреобразуется блоком АЦП 3 в цифровойэквивалент и запоминается в первом регистре памяти 14.Второй интегратор 2 интегрирует напряжение Н 1) на интервале времени 11 - 1 г, Вмомент времени сг блок 2 прекращает интегрирование напряжения Чт) по сигналу времязадающего элемента 6, Результат. интегрирования Яг - -1,337 В с преобразуется блоком АЦП 4 в цифровой эквиваленти запоминается во втором регистре памяти 15,В момент времени И элемент 8 формирует прямоугольный импульс, передний.фронт которого включает центральный блок16. Последний считывает содержимое регистров 14 и 15 и с учетом значения й, хранящегося в регистре памяти блока 16,определяет частоту напряжения Ч(1) по формуле 5):1 12 л 1 2агссоз - Й0,9425 - 50 Гц,2 кЗ 10Погрешность полученного результатаизмерения равна нулю, т,е,д = Г - Ю = 50 - 50 = О,Сопоставляя этот результат с полученным для известного способа (см. пример нас,З описания), убеждаемся, что предложенный способ обеспечивает более высокуюточность измерений при низких отношениях сигнал - шум,Пример 2 реализации способа.В сети действует помеха с характеристиками, укаэанными в примере 1. Характе 55 где 11 = то + й; 1 г = то+ ЗЬ т; тз = то+ 4 Ь т то - момент начала измерений, а величину Й определяют как частное от деления первого результата интегрирования Я 1 на второй результат интегрирования Яг.2.Способпоп 1, отлича ющийс ятем, что величину эталонного интервала ристики напряжения те же. Выбран интервал времени Л = 110 с. В момент началаизмерений фаза напряжения равна Е =- 1,3рад. В процессе измерений в регистры 14 и5 15 были записаны результаты интегрирования соответственно Я 1 = 1,079 В с; Яг = 0,567В с.В момент времени 14 блок 16 считываетсодержимое регистров 14 и 15 и определяет10 частоту напряжения по формуле (5) при И ==Я 1 Яг =1,9:1 12 7 с тагссоз - Й =20314 52 3,14 10Погрешность данного результата измерения равна нулю,д= 50-50= О,Таким образом, предложенный способобеспечивает более высокую точность измерений при низких отношениях сигнал - шум.Более высокая точность измерений достигается за счет интегрирования контролируемого напряжения на двух разных подлительности интервалах времени 1 з - то ==2(1 г - 11), которым отвечают результаты интегрирования Я 1 и Яг соответственно, причем величину Й определяют как частное отделения Я 1 на Яг,Результаты моделирования устройства,реализуеющего способ, выполненные в КИИГА, свидетельствуют о его высоких технических и метрологических характеристиках,При этом в качестве центрального блока 16использовался стандартный блок типа БК0010. В целом устройство отличается простотой своей структуры и высокой надежностью в работе,Формула изобретения1. Способ измерения частоты переменного напряжения, при котором формируютэталонные интервалы времени Ь ,определяют частоту 1 по формуле 11 145 -Г-у- атссса - Са, с т а и ч а ю щ и й с атем, что, с целью повышения точности измерений при низких отношениях сигнал - шум,выполняют интегрирование переменногонапряжения Ч(т) согласно математическимвыражениям3 т 1Я 1- ХЧ(1)бт; Яг=Ят)бт,со гвремени Д 1 выбирают в зависимости от требований к длительности одного цикла измерений по условиюй = --0,25 одоп,Дгп2 л 1где Др - приращение фазы переменного напряжения за интервал времени Й, 1 доп - допустимая длительность одного цикла измерений,3, Устройство для измерения частоты переменного напряжения, содержащее генератор импульсов, первый и второй время- задающие элементы, первый аналого-цифровой преобразователь, решающее устройство, включающее первый и второй регистры памяти, причем выходы первого и второго времязадающих элементов соединены с управляющими входами соответственно первого и второго регистров памяти, выход первого аналого-цифро-. вого преобразователя соединен с входом первого регистра памяти, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения точности измерений при низких отношениях сигнал - шум, в него введены третий и четвертый времязадающие элементы, второй аналогоцифровой преобразователь, ключ, первый и второй интеграторы, устройство индикации, причем входы интеграторов соединены с входом устройства, выходы первого и второго интеграторов соединены с входами соответственно первого и второго аналого-цифровых преобразователей, выход второго аналого-цифрового преобразователя соеди нен с входом второго регистра памяти, выход генератора импульсов через ключ соединен с входами первого, второго, третьего и четвертого времязадающих элементов, выход первого времязадающего 10 элемента соединен с вторым управляющимвходом первого интегратора и управляющим входом первого аналого-цифрового преобразователя, выход второго времязадающего элемента соединен с вторым уп равляющим входом второго интегратора иуправляющим входом второго аналого-цифрового преобразователя, выход третьего времязадающего элемента соединен с первым управляющим входом второго интегра тора, выход четвертого времязадающегоэлемента соединен с входами "Сброс" соответственно первого и второго интеграторов, первого и второго регистров памяти, управляющим входом решающего устройства, а 25 также с первым управляющим входом ключа, второй управляющий вход которого соединен с клеммой "Пуск" и первым управляющим входом первого интегратора, выход решающего устройства соединен с 30 входом устройства индикации,оставитель В. Игнатоехред М.Моргентал рректорВ, Петра Редактор Е. Рошковэ оизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород. ул.Гагарина, 101 аказ 4434 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 45