Счетчик постоянного тока

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Соввтскнк Социалистических Республик(щ 579586 К АВТОРСКОМУ СВИДЕТГЛЬСТВУ т. свид-ву865147/24-0 Дополнительное н Заявлено 0 2 017 3 (2 51) М. Кл 001 Я 1 соединением заявыи ЭЙ ацда 94 тааааы 1 аааат Вааата Маааетраа ИС аа даава ааабратааааа атаритай оритетблиновано 051177 Бтоллетень И 41) р ) Оп 21.317.787,1 (088.8) исания 21,1177 72) Авторы изобретения Л.Н. Волков, М.С. Белицкая и В. И. Цв етко Заявитель аучно-исследовате постоянного ский инстит ка) СЧЕТЧИК ПОСТОЯННОГО ТО содержащий формирователь пилообразного напряжения, формирователь счетных импульсов и суммирующий счетчик, имеет более широкий диапаэрн измерения - от 0,1 до 1,5 3 . Однако нормированная относительная погрешность этого счетчика велика и при токе 0,1составляет +6,0 в диапазоне от 0,5 до 1,2 3 - 2,5, а при токе 1,5 3 - 3,0. Кроме того, дополнительная поГрешность счетчика от влияния температуры окружающего воздуха нормируется только для номинального тока и может достигать 2 на каждые 10 С. Таким тоящееока, ка ребован разо ыпускаемые в наикк постоянногоне удовлетворяютной промышленноремя счет правило,я совремести,Цельюсчетчиканаэначенименным трносительн я создание рокогосоврелу;ае отчиков во всем диап т.е, 0,05 шать +0,5пера 5 у).на режиме не узки5 а 5 ныЬ 5 г5 5 5 а.5 ь н о ( )р(45) Дата опублинован Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для учета количества электричества в цепях постоянного тока.В связи с развитием некоторых отраслей промышленности, использующих счетчики ампер-часов постоянного тока, существенно возросли требования к метрологическим характеристикам этих счетчиков. В частности, для правильного ведения различных технологических режимов требуются счетчики с широким рабочим диапазоном, в котором сохраняется высокая точность измерения. Например, в передаче энергии постоянного тока требуется учитывать ток, протекающий по линии заземления с относительной погрешностью не ниже 0,5 при изменении тока от 0,1 до 1,3 номинального значения.Относительная погрешность счетчиков постоянного тока, выпускаемых отечественной промышленностью, в соответствии с ГОСТом 1028-62 нормируется для класса 0,5 в диапазоне от 0,75 до 1,2, а для класса 1,5 - от 0,2 до 1,2 номинального значения тока контролируемой цепи. Электронный счетчик ампер- ясов типа СЛ-Ф 601,изобретения являетс постоянного тока ши я, удовлетворяющего ебованиям. В этом с ая погрешность счет азоне изменения иаг до 1,5 3 не должна его дополнител я погрешность э номдолжна бы- ь вью 55каждые 10 С в рабочем диапазоне температур от +15 до +35 С, Кроме того,включение счетчика в цепь измеряемоготока должно производиться с помощью стандартного шунта, например на 75 мВ. Такие параметры могут быть осуществлены в электронном счетчике тока.Однако метрологические характеристики известного электронного счетчикатока (СА-Ф 601) не удовлетворяют этимтребованиям, Принятое в нем преобразование измеряемого параметра (с шунта 150 мВ) во временной интервалобуславливает появление погрешностидискретности и осуществленное с помощью магнитных элементов приводит ктемпературному и временному дрейфам.Примененный в счетчике СА-Ф 601 интегратор недостаточно линеен, и работаего зависит от длительности интервалов времени, поступаемых с импульсного модулятора, что отражается на мет-рологических характеристиках счетчика. Схема счетчика сложна (шестнадцать транзисторов, магнитные элементы иэ пермаллоя). Это снижает технологичность, затрудняет его сборку вусловиях производства и усложняетэксплуатацию. С целью повышения точности и чувствительности предлагаемый счетчик снабжен усилителем постоянного тока, нелинейным преобразователем пилообразного напряжения, Формирователем интервала восстановления схемы с времяэадающим звеном и ключом восстановления, причем усилитель соединен непосредственно с формирователем пилообразного напряжения, выход которого связан со входом формирователя счетных импульсов через ключ восстановления схемы, а также через нелинейный преобразователь пилообразного напряженияФормирователем интервала восстаддовнеддия схемы, между входом и выходом которого включено времяэадающее звено. Пддя повышения температурной и временой стабильности работы счетчика вединейный преобразователь пилообраэподо напряжения содержит интегрирующее звено и соединенный с ним поленов транзистор, исток которого Приоедииен к общей точке схемы, а сток - к базе входного транзистора Форлдддроватеяя интервала восставовледдия .хеми и через времяэадающее звено - к коннектору выходного транзистора указанного формирователя, база которого дерез резистор соединена с коннектором входного транзистора Формирователя и через резисторы с базой ключа нос.тановлеиия, соединенной также чере резистор со своим эмиттером с доножитепьным доддюсом истодни ка питании и с змиттером выходного транзистора формироватеня, а коннектор кню га вое тановления через рези(35 45 60 6 60 6 тор подключен к затвору полевого транзистора. Для упрощения и повышения надежности накопительный счетчик импульсов подключен к выходу формирователя интервала восстановления схемы через Формирователь счетных импульсов, содержащий однополупериодный выпрямитель, первый и второй последовательно соединенные конденсаторы и тири- стор, управляющий электрод которого присоединен к выходу формирователя интервала восстановления схемы, а анод и катод присоединены к свободНым обкладхам соответственно первого и второго конденсаторов, причем обкладки последнего, одна из которых совместно с катодом тиристора присоединена к общей точке схемы, образуют выход формирователя счетных импульсов, к которому подключена сбмотка питания шагового двигателя, а к обкладке первого конденсатора, соединенной с анодом тиристора, подключен указанный однополупериодный выпрямидель.На Фиг,1 приведена блок-схема описываемого счетчика, на фиг.2 - принципиальная электрическа схема счетчика; на фиг.3 - временные диаграммы, поясняющие работу счетчика.Счетчик постоянного тока содержи 7 усилитель постоянного тока 1, формирователь 2 пилообразного напряжения, нелинейныи преобразователь 3 пилообразного напряжения, формирователь 4 интервала1 - времени восстановления схемы, времязадающее звено 5, ключ восстановления схемы б, формирователь 7 счетных импульсов разной полярности, суммирующий счетчик 8 импульсов. Усилитель нсстоянного тока 1 представляет собой операционный усилительв интегральном исполнении,Формирователь 2 пилообразного напряжения содержит генераторы стабильного тока - входной 9, компенсирующий 10, выполненные на транзисторах,и интегрирующий лондеддсатор 11.Нелинейный преобразователь 3 пилообразного напряжения состоит из интегрирующего эвенд (12, 13) и полевоготранзистора 14.Формирователь 4 интервала временивосстановления выполнен на транзисторах 15 и 16.Времяэадаюцее звено 5 состоит иэрезистора 17 и конденсатора 18. Ключвосстановления схемы 6 выполнен натранзисторе 19,Формирователь счетных ддмддульсовразной ддопя(зно.ти содержддт тиристор20, кэнденсат.ры 21 и 22, однополупериодный выирямитень 23, резистор.24и выход 25. С.дчик 8 импульсов выполняется да ш;ловом двигатене, механически сдедид.ндом о счетным меха низмом, Шаоный двигатель работаеткак поляризованное реле и управляетсяформирователем 7 импульсами разнойполярности,Выходные зажимы счетчика присое 8динены к шунту 26, устанавливаемомув цепь измеряемого тока, а через резасторы 27 и 28 - ко входу усилителя1 (фиг,2). Один из входных зажимовусилителя потенциометром 29 через резисторы присоединен к минусу и плюсу10соответственно источников ОУ, а другой потенциометром 30 - квыходу усилителя 1, который резисторами 31 и 32 соединен с минусом источника О , а резистором 31 - с эмиттером входного генератора стабильноготока 9. База последнего соединена собщей точка схемы 33, а коллектор соднсй из обкладок интегрирующего конденсатора 11, куда также присоедине- Юны коллекторы транзистора 19 и генератора 10. База и эмиттер последнегосоединены с плюсом источника О , ашгэмиттер кроме того с потенциометром34 подключен к плюсу источника ОВторая обкладка конденсатора 11 п 15 исоединена к общей точке 33. Точкасоединения коллекторов транзисторов(генераторов) 9 и 10 интегрирующимзвеном 12 и 13 присоединена к затво- Э 0ру полевого транзистора 14, исток которого подключен к общей точке схемы33, сток резистором 35 - к минусу источника О , непосредственно к базегс, фвходного транзистора 15 формирователя 4 и времязадающим звеном 17, 18 -к коллектору выходного транзистора 16упомянутого формирователя. Эмиттертранзистора 15 делителем 36 соединенс минусом источника О , , а коллекторрезисторами 37 и 38 - с базами транзисторов соответственно 19 и 16, эмиттеры которых резистором 39 соединеныс базой транзистора 19 и непосредственно с плюсом источника О,гс гВыход 40 формирователя 4 резистором 41 соединен с управляющим электродом тиристора 20 формирователя 7.Анод эиристора через однополупериодный выпрямитель 23, резистор 24, подключен к источнику геременного напряжения О и к одной из обкладок конденсатора 21, который соединен после 4довательно с конденсатором 22. Последний непосредственно подключен к общейточке схемы 33 и к катоду тиристора20. Выход 25 формирователя 7 образован конденсатором 22, далее он соединяется со входом шагового двигателя,т,е. с его обмоткой возбуждения.Счетчик постоянного тока работаетследующим образом.При отсутствии входного си=;- ла(измеряеый ток 3 равен нулю) транэ,сторы 14,5,16 и .9 закрыты, Интегрирующии ко; сатор1 и конденсатор бб 13 заряжены до одинакового положиел, -ного потенциала, гриблизиты:ьно равного напряжению источника О , Чай 4 сг чальные токи генераторов 9 и 10, значение которых определяется положениемрабочей точки на входных хаоактеристиках генераторов (начало линейного оучастка), равны и противоположно направлены. В этом случае уровень напряжения на выходе 40 благ,даря наличию конденсатора 18 равен нулю.При подаче сигнала Ов с шунта 26 (1 Ф О) начинается разряд конденсаторов 11 и 13 стабильным током генератора 9, значение которого прямо пропорционально входному напряжению и не зависит от величины напряжения в цепи коллектора транзистора 9, поскольку последний включен по схеме с общей базой. Величина тока разряда определяется коэффициентом усиления транзистора и входным сопротивлением формирователя 2 пилообразного напряжения (резистора 31), которое в устройстве составляет 100-200 ком взависимости от типа усилителя постоянного тока 1,Разряд конденсаторов 11 и 13 происходит практически линейно, так какток разряда для данного значения Опостоянен, параметры элементов 11,12и 13 также постоянны, а сопротивление полевого транзистора 14 велико,и ток, потребляемый этим транзистором со стороны затвора, намного меньше тока разряда.Разряд конденсаторов 11 и 13 продолжается до тех пор, пока не откроется ключ (19) восстановления схемы. С этого момента начинается заряд обоих конденсаторов током источника й т.е. восстановление схемы в исШгфходное состояние. При этом на выходе 40 формирователя 4 появляется постоянное напряжение О ,(+ О, ) . Эа время восстановления Св кондейсатор 11 заряжается до напряжения + О . В моисгмент окончания заряда конденсатора 11 (окончания интервала 1 в ) напряжение на выходе 40 становится равным Нулю, а конденсатор 11 начинает разряжаться током генератора 9 и одновременно через конденсатор 13, напряжение на котором за интервал успевает увеличиться примерно до - О4бо . 27 ком) Вапряжение на конденсаторе 13 при этом повышается до сравнения с напряжением на конденсаторе 11. Далее оба конденсатора разряжаются одновременно, примерно до 0,02 О , (0,15 в), что соответстисгвует напряжению отпирания транзисторов 14,15,16 и 19 (см, кривые на фиг.3). После очередного открытия транзистора 19 цикл повторяется,Таким образом перепад напряжения насегр рующем конденсаторе 11 со 579586Ъставляет, -0,02 О, , т.е. для4 С2формирования амплитуды пилообразного йапряження используется = 98 напряжении источника, Это обесПечивает максимальное значение крутизны пило 6 бразного напряжения при данном напряжении источника питания.Частота выходных импульсов на выходе 40 пропорциональна входному напряжению 1)или, что все равно, измеряемому току. Длительность интервалов времени между двумя выходными импульсами при номинальном значении измеряемого тока равна Т= 1 сек, при токе 1,53 - Т 0,666 сек, при токе 0,05 Э - Т = 20 сек. Время восстановления схемы 1 в = 0,7 мсек.Сигнал с выхода 40 поступает на управляющий электрод тиристора 20 формирователя 7. На аноде тиристора действует положительное напряжение, равное амплитуде однополупериодного напряжения источника О . приложенного к конденсатору 21 через выпрямифтель 23. Конденсатор 22, замкнутый на обмотку питания шагового двигателя, разряжен, а якорь двигателя находится в исходном состоянии. При поступлении импульса с выхода 40 тири- стор 20 открывается, конденсатор 21 разряжается через открытый тиристор 20 и конденсатор 22, который заряжается. При этом через обмотку .двигателя проходит импульс тока, сдвигающий якорь двигателя на один шаг. Затем происходит заряд обоих конденсаторов, и через обмотку двигателя про-. ходит импульс тока в обратном направлении, возвращая якорь двигателя в исходное положение.Перемещение якоря на один шаг соответствует срабатыванию одного знака младшего разряда суммирующего счетчика импульсов. Постоянная счетчика тока соответственно рави"0 тОц Клмп члс )где К= д - коэффициент преобразования шунта.Предлагаемая схема формирования счетных импульсов разной полярности для питания шагового двигателя отличается простотой и надежностью,Для правильной работы счетчика необходимо, чтобы соотношение (1) сохранялось постоянным при любом значении входного параметра в диапазоне от 0,05 до 1,5 3 как при нормальной температуре окружающего воздуха, так и при ее изменении в рабочем диапазоне(+15 до +40 С) .Для постоянства (1) необходимо, чтобы От .-соп 61 , Длительность интервала Т при Оэ= соим определяется амплитудой пилообразного напряжения при заряде конденсатора 11 и двумя моментами времени, Один из них соответствует окончанию разряда конденсаторов 11 и 13, а другой - началу разряда конденсатора 11, причемОтсюда следует, что при Ф,=соз 1 интервал т тоже должен быть постоянным и не зависеть от величины входного напряжения и температуры окружающей среды.Так как при данном значениив:с скорость разряда конденсаторов 11 и 13 постоянна, 1 о моменты т и 1 определяются лишь уровнями напряжений, до которых разряжаются конденсаторы 11 и 13 и заряжается конденсатор 11. Укаэанные уровни в схеме на фиг.2 практически постоянны во времени и не зависят от температуры. Это достигается следующим образом. На выходе нелинейного преобразователя 3 (резистор 12) действует линейное пилообразное напряжение конденсатора 11, а на его выходе (сток транзистора 14) напряжение имеет нелинейный характер. Нри одновременном разряде конденсаторов 11 и 13 (после:момента Й 2 ) напряжение сток-истом транзистора 14 длительное время остается практически постоянным, и транзисторы 15,16 и 19 все это время остаются запертыми. Лишь после того, как напряжение на затворе транзистора 14 достигает напряжения отсечки, ток в цепи его стока начнет изменяться. Когда этот ток достигнет значения тока базы транзистора 15, при котором последний отпирается, транзисторы 16 и 19 также отпираются, что сопровождается началом заряда конденсаторов 11 и 13. Причем конденсатор 11 через переход эмиттер-коллектор ключа (19) быстро заряжается до напряжения + Отогда как конденсатор 13, напряжение на котором является интегралом напряжения конденсатора 11, заряжается медленно, и напряжение на нем за это же время достигаетО . Благодаря этошму замедляется рост напряжения на затворе транзистора 14 по сравнению с ростом напряжения на конденсаторе 11 и соответственно задерживается уменьшение тока базы транзистора 15, который еще некоторое время остается открытым (примерно 0,15 мсек), несмотря на начавшийся процесс восстановления конденсаторов. Это обеспечивает возможность ввода в действие цепи положительной обратной связи по переменному току (17,18), посредством которой при открытии транзистора 16 формируется импульсный ток с крутым фронтом нарастания. Ток, поступая на базу транзистора 15, обеспечивает лавинный характер открытия транзисторов 15,16 и 19 в первой фазе восстановления конденсаторов 11 и 13, т.е, ещепри открытом транзисторе 14, и поддерживает упомянутые транзисторы в бткрытом состоянии но второй фазе восстановления, когда транзистор 14 уже закРыт. Восстановление конденсатора 11 длится до тех пор, пока уменьшающийся по экспотенциальному закону гок звена 17,18 не запрет транзистор15. Таким образом, момент восстановления схемы, а следовательно, и время нссстановления ее 1 н определяетсялишь постоянными параметрами звена 17,18.Высокий коэффициент использования напряжения источника питания (98) для фсрмирования пилообразного напряжения с максимально возможной для конкретных парамет он схемы крутизной преобразования и фиксирсвание уровней этого напряжения, а также формирование стабильной длительности 10 интервала восстановления схемы в предлагаемом счетчике тока достигаетсясвязью формирователя пилообразногонагряжения с формирователем интервала восстанонления посредством нелинейного преобразователя, содержащегоинтегрирующее звено 12,13 и полевойтранзистор 14, исток которого присоединен к общей точке схемы, а стокнепосредственно - к базе входного ЗОтранзистора 15 формирователя интервала восстановления схемы и черезвремяэадакщее звено 17,18 - к коллектору выходного транзистора 16 этогоформирователя, база которого через 3резистор (38) соединена с коллектором входного транзистора 15 и черезрезисторы (38,37) - с базой ключавосстановления (19), а эмиттер черезрезистор (39) - с базой упомянутого 4 Оключа, непосредственно с плюсом источника и эмиттером ключа (19), коллектор которого подключен ко входунелинейного преобразователя.Поскольку нходное сопротивлениеформирователя 2 пилообразного напряжения велико (не менее 100 ком), кего входу непосредственно может быть,подключен усилитель постоянного токабез согласующих элементов, что значительно упрощает схему счетчика и повышает ее надежность.Высокое входное сопротивление нелинейного преобразователя 3 обеспечивает линейность пилообразного напряжения формирователя 2, действующего на входе преобразователя 3,Коэффициент передачи напряженияпреобразователя 3, условно принятыйравным отношению приращения напряжения на базе транзистора 15 к г 1 рира- фОщению напряжения за то же время назатворе транзистора 14 в зоне открытия 15, составляет ьОГ 15 А 1 4 6 Ь Это означает, что любые изменения уровня срабатывания транзисторов формирователя 4 и транзистора 14 будут восприняты на затворе транзистора 14 как - . Указанное в таком же отно 16шенин ослабляет влияние температуры на длительность интервала Т (частоту выходных импульсов), и обеспечивает температурную и временню стабильность счетчика в целом.Это подтверждается результатами стендового испытания макетного образца счетчика постоянного тока.Формула изобретения1. Счетчик постоянного тока, содержащий формирователь пилообразного напряжения, формирователь счетных импульсов, суммирующий счетчик импульсов, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности и чувствительности, он снабжен усилителем постоянного тока, нелинейным преобразователем пилообразного наг;ряжения, формирователем интервала времени восстановления схемы с нремязадающим звеном и ключом восстановления, причем усилитель соединен непосредственно с формирователем пилообразного напряжения, ныход которого связан со входом формирователя счетных импульсов через ключ восстановления схемы, а также через нелинейный преобразователь пилсобразного напряжения с формирователем интервала времени восстановления схемы, между входом и выходом которого включено времязадающее звено.2. Счетчи.; по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения температурной и временной стабильности его работы, нелинейный преобразователь пилообразного напряжения со" держит интегрирующее звено и соединенный с ним полевой транзистор, исток которого присоединен к общей точке схемы, а сток - к базе входного транзистора формирователя интервала времени восстановления схемы и через времязадающее звено - к коллектору выходного транзистора указанного формирователя, база которого через резистор соединена с коллектором вход ного транзистора формирователя и через резисторы-с базой ключа восст.-. - новления, соединенной также через резистор со своим эмиттером, с положительным полюсом источника питания и с эмиттером выходного транзистора формирователя, а коллектор ключа восстановления через Резистор подключен к затвору полевого транзистора.3, Счетчик пс и 11, 1 и 2, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с .е.1 ьц Упрощения и поны 1 И 11:я наг. 50111, .",м 1 ирующ 1 ичеч 11 к 1ь", -57958 б 2 Вх чен к выходу формирователя интервалавремени восстановления схемы черезФормирователь счетных импульсов, содержащий однополупериодный выпрямитель, первый и второй последовательноаоединенные конденсаторы и тиристор,управляющий злектрод которого присоединен к выходу формирователя интервала времени восстановления схемы,а анод и катод присоединены к свободным обкладкам соответственно перного и второго конденсатороя, причемобкладки последнего, одна из ксл оныхсовместно с катодом тиристора присоединена к общей точке схем, образуютвыход формирователя счетных импульсов, к которому подключена обмоткапитания шагового двигателя, а к обкладке первого конденсатора, соединенной с анодом тиристора, подключенуказанный однополупериодный выпрямитель..Ф о ед м юк Патент, г, ужгород, ул, Проектная или 4 ИЪ Фиг, д аказ 4389/43 Тираж 1101 ЦНИИПИ Государственного комитета по делам изобретений 113035, Москва, Ж, Раушск