RU1780036C - Способ измерени частоты переменного напр жени и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к электроизмерительной технике и может быть использовано в автоматике энергосистем. Способизмерени  заключаетс  в том, что формируют эталонные интервалы времени Дг, определ ют частоту по формуле^=T^^'-^^°^lN,N = |l. гдеt3tlSi = / V(T)dt. S2 = / V(t)dt; ti = to + At:toT2t2 = to + 3 At: ts = to + 4 ДЕ. Устройство содержит один генератор импульсов, четыре врем задающих элемента, два аналого-цифровых преобразовател , одно решающее устройство, один ключ, два интегратора, одно устройство индикации. 3 ил.Изобретение относитс  к электроизмерительной технике и может быть использовано в автоматике энергосистем.Известен способ определени  частоты переменного напр жени  (а.с. СССР N? 1048529, МКИ G 01 R 23/00, 1983), согласно которому формируют эталонные промежутки времени. Недостатком способа  вл етс  низкое быстродействие определени  частоты.Наиболее близким к изобретению по технической сущности  вл етс  способ определени  частоты переменного напр жени  и устройство дл  его реализации (а.с. СССР № 1185260, МКИ G 01 R 23/00, 1985), по которому формируют эталонные интервалы времени Л t, измер ют мгновенные значени  контролируемого напр жени , фиксируют три из них Vi; V2: Va, следующих через эталонные интервалы времени At, а частоту f определ ют согласно математическому выражению1 Vi+Vaf =27rAtarccos2 V2Устройство дл  определени  частоты переменного напр жени  содержит генератор импульсов, последовательно соединенные первый и второй блоки задержки, последовательно соединенные первый и второй регистры пам ти, управл ющие входы которых подключены соответственно к выходам первого и второго блоков задержки, сумматор, первый вход которого подключен к выходу первого регистра пам ти, АЦП, третий регистр пам ти, последовательно соединенные делитель, ЦАП и функциональный преобразователь, выход генератора импульсов соединен с управл ющим вх'одом АЦП, входом первого блока задержки и управл ющим входом третьего регистра пам ти, выход второго регистрг пам ти соединен с входом третьего регистра пам ти и первым входом делител , выход третьего регистра пам ти - с вторым входом сумматора, а выход сумматора - с вторым входом делител , выход АЦП соединен с входом первого регистра пам ти. Этот способ выбран в качестве прототипа.слсXI00о о соDS

Description

Недостаток данного способа заключаетс  в низкой точности измерений при низких отношени х сигнал - шум. Средства автоматики энергосистем (как силовые цепи, так и измерительные каналы) подвержены действию помех и шумов, Кроме того, напр жение силовых цепей не остаетс  стабильным и мен етс  в зависимости от измен ющейс  нагрузки, сопровождаетс  бросками напр жени  при включении и выключении силовых агрегатов . Вли ют на всплески напр жени  и тиристорные ключевые элементы автоматики. Указанные воздействи  про вл ютс  в виде аддитивных помех и шумов. При этих услови х контролируемое напр жение имеет вид: V(t) Aslnait + , где А - амплитуда; W 2 л: f : f - частота; - случайна  помеха. Отношение сигнал - шум равно: j где сг - дисперси  помехи; ofg; cf(- СКО помехи: g - коэффициент, равный 2 при доверительной веро тности Р 0,95 и при нормальном законе распределени  помехи. Представим напр жени  Vi; V2; Vo в виде: Vi Asin 1+|l ; V2 Asin + ; УЗ Asin + . Определим отношение Vi + Vs +sin +(|i ) sin + A где f, (ffi.(pz- фазы сигнала V(t) в моменты измерений. Преобразуем отношение М, прин в дл  определенности i - з, тогда м sin (p + sin где , . Учитыва  равенство CL-. g, получим: sin f) + sin (рй м ;-I . sln 4-V2/h При отсутствии помех получим: м -f-sln Результат измерени  частоты при отсутствии помех равен: arccos -j М. Результат измерени  частоты при действии помех равен: 1 arccos - М. Абсолютна  погрешность измерени  частоты равна: ( . Относительна  погрешность измерени  частоты равна: -у 100%. П р и м е р. В сети действуют помехи 3 В с дисперсией 2,25 В. Математическое ожидание помехи равно нулю, а интервал коррел ции меньше периода напр жени . Действующее значение напр жени  УЭ 220 В, амплитуда А 308 В. Отношение сигнал - шум равно: 21080. Выбран интервал времени At 3 10 с. Фазы сигнала, отвечающие напр жени м Vi, V2, V3 соответственно равны i 2,26 рад, р2 .3,2 рад, 4,14 рад, При отсутствии помех (когда h ) результат измерени  частоты равен: 1 arccos X 2л:-3 10 1,18 50 Гц. При действии помехи результат измерени  частоты равен: 11 arccos у X 2л: 3 10 sin 2,26 -f-sin 4,14 41,65 Гц. sin 3,2 +V 21080 Абсолютна  погрешность измерени  частоты равна: б 50 41.65 8,34 Гц. Относительна  погрешность равна 8,34 -щ- tuu 16,7%. При уменьшении отношени  сигнал шум погрешность соответственно возрастает . Таким образом, известный способ обладает низкой точностью измерени  частоты при низких отношени х сигнал - шум. Цель изобретени  - повышение точности измерений при низких отношени х сигнал - шум. Поставленна  цель достигаетс  тем, что согласно способу измерени  частоты переменного напр жени , при котором формируют эталонные интервалы времени At, определ ют частоту по формуле 1 1 2JtAl выполн ют интегрирование переменного напр жени  V(t) согласно математическим выражени м: toti Si /V(t)dt;S2 /V(t)dt, t312 где ti to + At; t2 to + 3At; t3 to + 4At; . to - момент начала измерений; a величину N определ ют как частное от делени  первого результата интегрировани  Si на второй результат интегрировани  S2, а также тем, что величину эталонного интервала времени At выбирают в зависимости от требований к длительности одного цикла измерений по условию: At - 0.25tfton. где р - приращение фазы переменного напр жени  за интервал времени At; tflon - допустима  длительность одного цикла измерений, Поставленна  цель достигаетс  также тем, что в устройство дл  определени  частоты переменного напр жени , содержащее генератор импульсов, первый и второй врем задающие элементы, первый аналогоцифровой преобразователь, решающее устройство , включающее первый и второй регистры пам ти, причем выходы первого и второго врем задающих элементов соединены с управл ющими входами соответственно первого и второго регистров пам ти, выход первого аналого-цифрового преобразовател  соединен с входом первого регистра пам ти, введены третий и четвертый врем задающие, 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 п-реобразователей, выход второго аналого-цифрового преобразовател  соединен с входом второго регистра пам ти, выход генератора импульсов через ключ соединен с входами первого, второго, третьего и четвертого врем задающих элементов , выход первого врем задающего элемента соединен со вторым управл ющим входом первого интегратора и управл ющим входом первого аналого-цифрового преобразовател , выход второго врем задающего элемента соединен со вторым управл ющим входом второго интегратора и управл ющим входом второго аналого-цифрового преобразовател , выход третьего врем задающего элемента соединен с первым управл ющим входом второго интегратора , выход четвертого врем задающего элемента соединен с входами Сброс соответственного первого и второго интеграторов , первого и второго регистров пам ти, управл ющим входом решающего устройства , а также с первым управл ющим входом ключа, второй управл ющий вход которого соединен с клеммой Пуск и первым управл ющим входом первого интегратора, выход решающего устройства соединен с входом yet ройства индикации. На фиг.1 приведена временна  диаграмма , по сн юща  сущность способа; на фиг.2 - структурна  схема устройства, реализующего способ; на фиг.З - структурна  схема решающего устройства. Способ заключаетс  в следующем. Выбирают величину эталонного интервала времени At по формуле At 0.25tAon, где А - приращение фазы переменного напр жени  на интервале времени At; tflon - допустима  длительность одного цикла измерений; f - частота, известна  по априорным данным или по результатам измерени  на предыдущем цикле измерений. По услови м измерений на переменное напр жение V(t) , где А - амплитуда; ш 2   f; f - частота; наложена помеха f с нулевым математическим ожиданием и дисперсией а. Интервал коррел ции помехи по услови м измерений меньше периода переменного напр жени . Выполн ют интегрирование напр жени  V(t) согласно математическим выражени м (t)dt;S2 /V(t)dt,(1) tot2 где ti to + At; t2 to + 3At; ts to + 4 At: to - момент начала измерений. Определ ют результат интегрировани  Si на интервале времени to-ts: Si Cos F-Cos(F + 4A 2sln(F + 2 A)sln2 A , где F - начальна  фаза напр жени  V(t) в момент to начала измерений.

Значение Si получено из предположени , что интервал коррел ции помехи меньше периода напр жени , что выполн етс  на практике. Учтено, что математическое ожидание помехи равно нулю. Поэтому

ЮМ

/ ь dt 0; / dt -- 0.(3)

13t2

Определ ют результат интегрировани  S2 на интервале времени ti-12. С учетом прин тых допущений наход т:

S2 Cos(F +Ау)- Cos(F + 3 п Д) А

1 sin(F + 2 Д) sin Ь.(р .

О)

Определ ют величину N по формуле N 1 2 cos Ду.

Наход т результат косвенного измерени  частоты f по формуле

-21ГДТ °4

Особенность способа в том, что интервал интегрировани  to-t3 в два раза больше интервала ti-t2. Поэтому на результат измерени  частоты не вли ет начальна  фаза F напр жени  U(t), что повышает точность измерений . Высока  точность измерений обеспечиваетс  и тем, что по услови м измерений результат интегрировани  помехи на указанных интервалах времени равен нулю (поскольку математическое ожидание помехи равно нулю).

Устройство, реализующее способ содержит: интеграторы 1 и 2, аналого-цифровые преобразователи 3 и 4, врем задающие элементы 5-8, ключ 9, генератор 10 импульсов , решающее устройство 11, устройство индикации 12,

Решающее устройство 11 содержит регистры пам ти 14 и 15, центральный блок 16, выход которого служит выходом решающего устройства 11. Выходы интеграторов 1 и 2 соединены с входами соответственно первого 3 и второго 4 АЦП, выходы которых соединены с входами соответственно первого 14 и второго 15 регистров пам ти, выходы которых соединены с входами центрального блока 16, выход последнего соединен с входом устройства 12 индикации . Выход генератора 10 через ключ 9 соединен с входами врем задающих элементов 5-8, выход первого врем задающего элемента 5 соединен со вторым управл ющим входом первого интегратора 1, упраел ющими входами первого АЦП 3 и первого регистра 14 пам ти, выход второго врем задающего элемента 6 соединен со вторым управл ющим входом второго интегратора 2 и управл ющими входами второго АЦП 4 и второго регистра. 15 пам ти, выход третьего врем задающего элемента 7 соединен с первым управл ющим входом второго интегратора 2, выход четвертого

врем задающего элемента 8 соединен с входами Сброс первого 1 и второго 2 интеграторов , входами Сброс первого 14 и второго 15 регистров пам ти, управл ющим входом центрального блока 16 и первым управл ющим входом ключа 9, второй управл ющий вход которого соединен с клеммой 13 Пуск и первым управл ющим входом интегратора 1.

Устройство работает следующим образом .

Перед началом измерений соответствующим образом настраивают врем задающие элементы 5-8 с учетом выбранной величины интервала времени Дг. Значение

Дг ввод т в регистр пам ти блока 16. На вход устройства подают контролируемое напр жение V(t). На клемму 13 Пуск подают импульсный сигнал, который включает ключ 9, фиксиру  момент начала измерений,

Одновременно включаетс  блок 1. Тактовые импульсы генератора 10 через ключ 9 поступают на входы врем задающих элементов 5-8. Последние формируют импульсные сигналы в моменты времени ti, t2. тз и t.

. Первый интегратор 1 интегрирует напр жение V(t) на интервале времени to-t3, а второй интегратор 2 - на интервале времени tt-t2 согласно зависимост м (1). В момент времени г блок 2 прекращает интегрирование по сигналу второго врем задающего элемента 6. Одновременно результат интегрировани  5:2, полученный согласно (4), преобразуетс  блоком АЦП 4 в цифровой эквивалент Изапоминаетс  во втором регистре 15 пам ти.

В момент времени ta блок 1 прекращает интегрирование по сигналу первого врем задающего элемента 5, Одновременно результат интегрировани  Si, полученный

согласно (2), преобразуетс  блоком АЦП 3 в цифровой эквивалент и запоминаетс  в первом регистре 14 пам ти,

В момент времени t4 четвертый врем задающий элемент 8 формирует пр моугольный импульс, передним фронтом которого включаетс  центральный блок 16. Последний считывает содержи.мое регистров пам ти 14 и 15 и с учетом значени  Дг, хран щегос  в регистре пам ти блока 16,

Claims (3)

1. определ ют частоту напр жени  V(t) по алгоритму (5). Результат измерени  отображаетс  на экране устройства индикации 12. Задний фронт пр моугольного импульса осуществл ет сброс содержимого регистров пам ти 14 и 15, сброс напр жений интеграторов 1 и 2 и выключает ключ 9. Устройство готово к следующему циклу измерений. Пример 1 реализации способа. В сети действует помеха 3 В с дисперсией (7 2.25 В, математическое ожидание которой равно нулю, а интервал коррел ции меньше периода измер емого напр жени . Действующее значение напр жени  Уэф 220 В, амплитуда А 300 В, частота f 50 Гц. В момент начала измерений to фаза напр жени  равна F 2.26 рад. Перед измерением выбирают интервал времени Лг 3 10 В (см. с.3 описани ), дл  чего соответственно настраивают элементы 5-8. Значение At ввод т в регистр пам ти блока 16. Первый интегратор 1 интегрирует напр жение V(t) Asin йЛ + на интервале времени to-t3. В момент t3 блок 1 прекращает интегрирование напр жени  V(t) по сигналу врем задающего элемента 5. Результат интегрировани  Si -1,570 В- с преобразуетс  блоком АЦПЗ в цифровой эквивалент и запоминаетс  в первом регистре пам ти 14. Второй интегратор 2 интегрирует напр жение V(t) на интервале времени ti-t2. В момент времени t2 блок 2 прекращает интегрирование напр жени  V(t) по сигналу врем задающего элемента 6. Результат интегрировани  Sa -1.337 8 с преобразуетс  блоком АЦП 4 в цифровой эквивалент и запоминаетс  во втором регистре пам ти 15.. В момент времени t4 элемент 8 формирует пр моугольный импульс, передний, фронт которого вклнэчает центральный блок 16. Последний считывает содержимое регистров 14 и 15 и с учетом значени  At, хран щегос  в регистре пам ти блока 16, определ ет частоту напр жени  V(t) по формуле (5): пт 50Тц. 2л:3-10 Погрешность полученного результата измерени  равна нулю, т.е. (5 f-f 50-50 0. Сопоставл   этот результат с полученным дл  известного способа (см. пример на с.З описани ), убеждаемс , что предложенный способ обеспечивает более высокую точность измерений при низких отношени х сигнал - шум. Пример 2 реализации способа. В сети действует помеха с характеристиками , указанными в примере 1. Характеристики напр жени  те же. Выбран интервал времени At 1 10 с. В момент начала измерений фаза напр жени  равна F 1.3 рад. В процессе измерений в регистры 14 и 15 были записаны результаты интегрировани  соответственно Si 1.079 В с; $2 0,567 В с. В момент времени t4 блок 16 считывает содержимое регистров 14 и 15 и определ ет частоту напр жени  по формуле (5) при N Si/S2 1,9: . 2-3,14 10 Погрешность данного результата измерени  равна нулю: ( 5 50-50 0. Таким образом, предложенный способ обеспечивает более высокую точность измерений при низких отношени х сигнал - шум. Более высока  точность измерений достигаетс  за счет интегрировани  контролируемого напр жени  на двух разных по длительности интервалах времени t3 - to 2(t2 - ti), которым отвечают результаты интегрировани  Si и S2 соответственно, причем величину N определ ют как частное от делени  Si на $2. Результаты моделировани  устройства, реализуеющего способ, выполненные в КНИГА , свидетельствуют о его высоких технических и метрологических характеристиках, При этом в качестве центрального блока 16 использовалс  стандартный блок типа БК 0010. В целом устройство отличаетс  простотой своей структуры и высокой надежностью в работе. Формула изобретени  1,Способ измерени  частоты переменного напр жени , при котором формируют эталонные интервалы времени At. определ ют частоту f по формуле f - 2yrAt 2 N. отличающийс  тем. что. с целью повышени  точности измерений при низких отношени х сигнал - шум, выполн ют интегрирование переменного напр жени  V(t) согласно математическим выражени м 1311 Si /V(t)dt;S2 / V(t)dt. to12 где ti to + At; t2 to + ЗА t; ta to + 4A t to - момент начала измерений, a величину N определ ют как частное от делени  первого результата интегрировани  Si на второй результат интегрировани  S2. 2.Способ по п. 1,отличающийс  тем, что величину эталонного интервала

   времени At выбирают в зависимости от требований к длительности одного цикла измерений по условию Д(

   At

   0.25 tflon,
2. 2jrf

   где А - приращение фазы переменного напр жени  за интервал времени At, 1доп допустима  длительность одного цикла измерений ,
3. 3. Устройство дл  измерени  частоты переменного напр жени , содержащее генератор импульсов, первый и второй врем задающиеэлементы ,первый

   аналого-цифровой преобразователь, решающее устройство, включающее первый и второй регистры пам ти, причем выходы первого и второго врем задающих элементов соединены с управл ющими входами соответственно первого и второго регистров пам ти, выход первого аналого-цифрового преобразовател  соединен с входом первого регистра пам ти, отличающеес   тем, что, с целью повышени  точности измерений при низких отношени х сигнал шум , в него введены третий и четвертый врем задающие 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 преобразовател  соединен с входом второго регистра пам ти, выход генератора импульсов через ключ соединен с входами первого, второго, третьего и четвертого врем задающих элементов , выход первого врем задающего элемента соединен с вторым управл ющим входом первого интегратора и управл ющим входом первого аналого-цифрового преобразовател , выход второго врем задающего элемента соединен с вторым управл ющим входом второго интегратора и управл ющим входом второго аналого-цифрового преобразовател , выход третьего врем задающего элемента соединен с первым управл ющим входом второго интегратора , выход четвертого врем задающего элемента соединен с входами Сброс соответственно первого и второго интеграторов, первого и второго регистров пам ти, управл ющим входом решающего устройства, а также с первым управл ющим входом ключа , второй управл ющий вход которого соединен с клеммой Пуск и первым управл ющим входом первого интегратора, выход решающего устройства соединен с входом устройства индикации.

   f/

   /2

   л;„4гл

   Фиг. г