RU1803894C

RU1803894C - Power and energy standard measuring converter

Info

Publication number: RU1803894C
Application number: SU904889119A
Authority: RU
Inventors: Ефим Зиновьевич Шапиро; Илья Феликсович Будовский
Priority date: 1990-12-05
Filing date: 1990-12-05
Publication date: 1993-03-23

Abstract

Использование: изобретение относитс к электроизмерительной технике и может быть использовано дл передачи размера единицы электрической мощности от государственного и рабочего эталонов к образцовым средствам измерений (СИ) мощности и энергии, наход щимс в удаленных от эталона регионах. Целью изобретени вл етс повышение точности и быстродействи . Сущность изобретени : образцовый измерительный преобразователь мощности и энергии содержит источник опорного напр жени 3, масштабные преобразователи напр жени и тока 1, 2 св занное с ним термоэлектрическое множительное устройство 7 и преобразователь напр жени в частоту 8, синхронно управл емые калиб- ратор посто нных напр жений 4 и генератор опорных частот, два аналоговых коммутатора, дифференциальный усилитель 9, нуль-индикатор и измеритель отношени частот 11, причем выход масштабного преобразовател напр жени и источник опорного напр жени чены через первый коммутатор 5 к входу напр жени термоэлектрического множительного коммутатора, а выход масштабного преобразовател тока и калибратор посто нных напр жений через второй коммутатор 6 к входу тока множительного устройства , выход которого подключен также к первому входу дифференциального усили f ЁUsage: the invention relates to electrical engineering and can be used to transfer the size of a unit of electric power from state and working standards to standard measuring instruments (SI) of power and energy located in regions remote from the standard. The aim of the invention is to increase accuracy and speed. SUMMARY OF THE INVENTION: An exemplary power and energy transducer comprises a reference voltage source 3, scaled voltage and current transducers 1, 2, an associated thermoelectric multiplier device 7, and a voltage to frequency converter 8, synchronously controlled by a constant current calibrator 4 and a reference frequency generator, two analog switches, a differential amplifier 9, a zero indicator and a frequency ratio meter 11, the output of a scaled voltage converter and an op source The voltage is connected through the first switch 5 to the voltage input of the thermoelectric multiplier switch, and the output of the scale current converter and the constant voltage calibrator through the second switch 6 to the current input of the multiplier device, the output of which is also connected to the first input of the differential force f ё

Description

UpUp

88

СО 00SO 00

юYu

ЈьЈь

тел , к второму входу которого подключен выход калибратора посто нных напр жений , а выход дифференциального усилител соединен с нуль-индикатором, генератор опорных частот 12 подключен к первому входу измерител отношени частот, второй вход которого соединен с выходом преобразовател напр жени в частоту. При этомtel, to the second input of which the output of the constant voltage calibrator is connected, and the output of the differential amplifier is connected to a zero indicator, the reference frequency generator 12 is connected to the first input of the frequency ratio meter, the second input of which is connected to the output of the voltage to frequency converter. Wherein

множительное устройство имеет коэффициент преобразовани по каналу тока, равный единице, а преобразователь напр жени в частоту выполнен с коэффициентом преобразовани , равным отношению частоты генератора опорных частот к напр жению калибратора посто нных напр жений. 2 ил.the multiplier device has a current channel conversion coefficient equal to unity, and the voltage to frequency converter is configured with a conversion coefficient equal to the ratio of the frequency of the reference frequency generator to the voltage of the constant voltage calibrator. 2 ill.

Изобретение относитс к электроизмерительной технике и может быть использовано дл передачи размера единицы электрической мощности от государственного и рабочего эталонов к образцовым средствам измерений (СИ) мощности и энергии, наход щихс в удаленных от эталона регионах, в частности может быть использовано дл создани транспортируемого эталона сравнени дл проведени международных сличений эталонов.The invention relates to electrical engineering and can be used to transfer the size of a unit of electrical power from state and working standards to standard measuring instruments (SI) of power and energy located in regions remote from the standard, in particular it can be used to create a transportable reference standard for conducting international comparisons of standards.

Целью предлагаемого изобретени вл етс повышение точности и быстродействи . Поставленна цель достигаетс тем, что в образцовый измерительный преобразователь мощности и энергии, содержащий источник опорного напр жени , масштабные преобразователи напр жени и тока, св занное с ними термоэлектрическое множительное устройство и подключенный к его выходу преобразователь напр жени в частоту , введены синхронно управл емые ка- либратор посто нных напр жений и генератор опорных частот, два аналоговых коммутатора, дифференциальный усилитель , нуль-индикатор и измеритель отношени частот, причем выход масштабного преобразовател напр жени и источник опорного напр жени подключены через первый коммутатор ко входу напр жени множительного устройства, а выход масштабного преобразовател тока и калибратор посто нных напр жений - через второй коммутатор - ко входу тока множительного устройства, выход которого подключен также к первому входу дифференциального усилител , ко второму входу которого подключен выход калибратора посто нных напр жений , а выход дифференциального усилител соединен с нуль-индикатором; генератор опорных частот подключен к первому входу измерител отношени частот, второй вход которого соединен с выходом преобразовател напр жени в частоту, при этом множительное устройство имеет коэффициент преобразовани по каналу тока равный единице, а преобразователь напр жени в частоту выполнен с коэффициентомThe aim of the invention is to improve the accuracy and speed. This goal is achieved by the fact that synchronously controlled devices are introduced into an exemplary power and energy measuring transducer containing a reference voltage source, scaled voltage and current transducers, a thermoelectric multiplier device connected to them and a voltage to frequency converter connected to its output, - a constant voltage librator and a reference frequency generator, two analog switches, a differential amplifier, a null indicator and a frequency ratio meter, the output being scaled of the voltage converter and the reference voltage source are connected through the first switch to the voltage input of the multiplier, and the output of the large-scale current converter and the constant voltage calibrator are connected through the second switch to the current input of the multiplier, the output of which is also connected to the first input of the differential an amplifier, to the second input of which an output of the constant voltage calibrator is connected, and the output of the differential amplifier is connected to a null indicator; the reference frequency generator is connected to the first input of the frequency ratio meter, the second input of which is connected to the output of the voltage-to-frequency converter, while the multiplying device has a conversion factor for the current channel equal to unity, and the voltage-to-frequency converter is made with a coefficient

преобразовани , равным отношению частоты генератора опорных частот к напр жению калибратора посто нных напр жений Е.conversion equal to the ratio of the frequency of the reference frequency generator to the voltage of the constant voltage calibrator E.

За вителю неизвестны образцовые измерительные преобразователи мощности и энергии, содержащие синхронно управл емые калибратор посто нных напр жений и генератор опорных частот, два аналоговыхThe applicant is not aware of exemplary power and energy transducers containing a synchronously controlled constant voltage calibrator and a reference frequency generator, two analog

коммутатора, дифференциальный усилитель , нуль-индикатор и измеритель отношени частот, причем коэффициент преобразовани множительного устройства по каналу тока равен единице, а коэффициент преобразовани напр жени в частоту - отношению частоты генератора опорных частот к напр жению калибратора посто нных напр жений. Указанные признаки позвол ют осуществить комплектнуюa switch, a differential amplifier, a null indicator and a frequency ratio meter, the conversion factor of the multiplying device along the current channel being equal to unity, and the voltage-to-frequency conversion coefficient being the ratio of the frequency of the reference frequency generator to the voltage of the DC calibrator. These features allow complete

аттестацию преобразовател путем перехода на посто нный ток и, тем самым, существенно снизить требовани к долговременной стабильности узлов преобразовател и повысить точность измерени ,certification of the transducer by switching to direct current and, thereby, significantly reduce the requirements for long-term stability of the transducer assemblies and increase the measurement accuracy,

кроме того, благодар указанным признакам погрешность измерительного преобразовател не зависит от погрешности преобразовател напр жени в частоту, поэтому последний может быть выполнен сin addition, due to the indicated features, the error of the measuring transducer does not depend on the error of the voltage-to-frequency converter; therefore, the latter can be performed with

большой номинальной частотой (до 1 МГц), что позвол ет повысить быстродействие.high nominal frequency (up to 1 MHz), which allows to improve performance.

Таким образом, по мнению за вител , эти признаки придают за вл емому техническому решению существенное отличие.Thus, in the opinion of the employer, these features give a substantial difference to the claimed technical solution.

На фиг. 1 - структурна схема за вл емого устройства; на фиг. 2 представлена структурна схема известного преобразовател .In FIG. 1 is a block diagram of a claimed device; in FIG. 2 is a structural diagram of a known converter.

В за вл емом устройстве (см. фиг. 2)In the inventive device (see Fig. 2)

масштабный преобразователь напр жени (МПц) 1 и масштабный преобразователь тока (МП) 2 представл ют собой соответственно делитель напр жени и шунт, источник опорного напр жени (ИОН) 3 выполнен на основетермокомпенсированного стабилитрона, а калибратор посто нных напр жений (КПН) 4 содержит дополнительно прецизионный двухдекадный резистивныйthe scaled voltage converter (MPC) 1 and the scaled current converter (MP) 2 are a voltage divider and a shunt, the reference voltage source (ION) 3 is made on the basis of a thermocompensated zener diode, and the constant voltage calibrator (CPI) 4 contains optional precision two-decad resistive

делитель посто нного напр жени . Выходы МПи 1 и ИОН 3 соответственно подключены ко входам аналогового коммутатора 5, а выходы МП 2 и КПН 3 - ко входам аналогового коммутатора 6. Аналоговые коммутаторы (АК) 5 и б представл ют собой электронные ключи на МОП-транзисторах. Выходы АК 5 и б подключены ко входам термоэлектрического множительного устройства (ТМУ) 7, реализующего сумморазностный метод измерени мощности 3, стр. 90.constant voltage divider. The outputs MPi 1 and ION 3, respectively, are connected to the inputs of the analog switch 5, and the outputs MP 2 and KPN 3 are connected to the inputs of the analog switch 6. Analog switches (AK) 5 and b are electronic keys on MOS transistors. The outputs of AK 5 and b are connected to the inputs of a thermoelectric multiplying device (TMU) 7 that implements the sum-difference power measurement method 3, p. 90.

К выходу ТМУ 7 подключены преобразователь напр жени в частоту (FlHMj 8 с номинальной частотой 100 кГц и один из входов дифференциального усилител (ДУ) 9, другой вход которого подключен к выходу КПН 4, а выход- к нуль-индикатору (НИ) 10, в качестве которого используетс 3,5-разр дный АЦП. Выход ПНЧ 8 соединен с одним из входов измерител отношени частот (ИОН) 11, к другому входу которого подключен генератор опорных частот 12, представл ющий собой кварцевый генератор и кодоуправл емый делитель частоты, коэффициент делени которого измен етс синхронно с коэффициентом делени делител КПН 4 с помощью одних и тех же органов управлени .A voltage to frequency converter (FlHMj 8 with a nominal frequency of 100 kHz and one of the inputs of a differential amplifier (ДУ) 9, the other input of which is connected to the output of the CPN 4, and the output to the zero indicator (NI) 10, are connected to the output of TMU 7, A 3.5-bit ADC is used as the output.The IFF output 8 is connected to one of the inputs of the frequency ratio meter (ION) 11, to the other input of which a reference frequency generator 12 is connected, which is a crystal oscillator and a code-controlled frequency divider, coefficient whose division changes synchronously but with a dividing factor of the CPN divider 4 using the same controls.

Предлагаемый преобразователь работает следующим образом. Процесс преобразовани измер емой мощности (Р LU..COS Ф) в посто нное напр жение Up и (или) в частоту fp состоит из двух этапов: коррекци погрешностей коэффициентов преобразовани мощности в напр жение, чаётоту и измерение, причем первый этап выполн етс в ходе каждого преобразовани мощности или один раз перед серией преобразований одного значени мощности .The proposed Converter operates as follows. The process of converting the measured power (P LU..COS Ф) to a constant voltage Up and (or) to a frequency fp consists of two stages: correction of errors in the coefficients of the conversion of power to voltage, frequency and measurement, and the first stage is performed in during each power conversion or once before a series of transformations of one power value.

Назначение коррекции состоит в том, чт0бы установить с высокой точностью равным единице коэффициент преобразовани ТМУ 7 по каналу тока:The purpose of the correction is to set the conversion coefficient of ТМУ 7 along the current channel with high accuracy equal to unity:

Up/Uu при Uu UHOM, Up / Uu with Uu UHOM,

где Up - напр жение ТМУ 7;where Up is the voltage of ТМУ 7;

Uu, Uu.. посто нные напр жени на выходах КПН 4 и ИОН 3;Uu, Uu .. constant voltage at the outputs of CPN 4 and ION 3;

UHOM - номинальное значение напр жени на входе канала напр жени ТМУ 7; и коэффициент преобразовани ПНЧ 8:UHOM is the nominal value of the voltage at the input of the voltage channel TMU 7; and IF conversion factor 8:

KuP f fp/UP,KuP f fp / UP,

где fp - частота на выходе ПНЧ 8,where fp is the frequency at the output of the IFF 8,

Up - выходное напр жение на выходе ТМУ 7,Up - output voltage at the output of TMU 7,

установить равным отношению частоты ГОЧ 12 к соответствующему напр жению КПН 4. В ходе коррекции (этап 1) через коммутаторы 5 и 6, управл емые кнопкой Коррекци - работа, на входы ТМУ 7 подаютс сигналы от ИОН 3 (Uu ) и КПН 4 (UiJ, произведение которых Uu-Ui.близко к Uu Uj cos Ф, причем Uu с высокой точностью равно UHOM. Выходной сигнал ТМУ 7 (Up) сравниваетс сset equal to the ratio of the frequency of the GOCH 12 to the corresponding voltage of the CPI 4. During the correction (step 1), through the switches 5 and 6, controlled by the Correction - work button, the signals from ION 3 (Uu) and CPI 4 (UiJ , the product of which is Uu-Ui. close to Uu Uj cos Ф, and Uu with high accuracy is equal to UHOM. The output signal TMU 7 (Up) is compared with

0 сигналом Uj с помощью дифференциального усилител 9 и нуль индикатора 10. Очевидно , что если KJ Up 1, показани нуль индикатора должны быть равны нулю. В противном случае регулируют коэффициент0 by signal Uj using differential amplifier 9 and indicator zero 10. It is obvious that if KJ Up 1, indicator zero readings should be zero. Otherwise, adjust the coefficient

5 преобразовани ТМУ 7 до получени нулевых показаний НИ 10.5 transform TMU 7 to obtain zero readings of NI 10.

Одновременно производитс коррекци коэффициента К ip , если используетс частотный выход ИПМЭ. Дл этогоAt the same time, the coefficient K ip is corrected if the IPME frequency output is used. For this

0 частоты fp с выхода ПНЧ 8 и f0 с выхода ГОЧ 12 подаютс на измеритель отношени частот 11 и коэффициент регулируют до получени отношени fp/fo, равного единице .0, the frequencies fp from the output of the VLF 8 and f0 from the output of the RFC 12 are supplied to the frequency ratio meter 11 and the coefficient is adjusted to obtain the ratio fp / fo equal to one.

55

При условии, что ии..и|..отличаетср от UuProvided that ui ... u | .. differs from uu

Ui cos Ф не более, чем на 10%, указанна коррекци устран ет аддитивные и мультипликативные составл ющие погрешности п множительного устройства 7 с точностью до ® разрешающей способности ДУ 9 и НИ 10, котора составл ет 2 .Ui cos Φ by no more than 10%, this correction eliminates the additive and multiplicative components of the error of the multiplier 7 with an accuracy of ® the resolving power of DU 9 and NI 10, which is 2.

В ходе измерени (2 этап) через коммутаторы 5 и б на входы ТМУ 7 подаютс сигналы Uu. и Uj от масштабных преобразователей 1 и 2. Напр жение Up и частота fp, возникающие при этом на выходах ИПМЭ, вл ютс результатом преобразований мощности.During the measurement (stage 2), signals Uu are supplied to the inputs of TMU 7 through switches 5 and b. and Uj from the scale converters 1 and 2. The voltage Up and frequency fp resulting from this at the IPME outputs are the result of power conversions.

Up (1/ином) К | COS Ф(1 +Up (1 / other) К | COS F (1 +

+ Хк+уп)(1) fp UP(1+ yxf), (2)+ Xk + yn) (1) fp UP (1+ yxf), (2)

где ук - погрешность коэффициента преобразовани KJ - отклонение его от 1;where yk is the error of the conversion coefficient KJ is its deviation from 1;

УП погрешность перехода ТМУ 7 от переменного тока к посто нному; ykf - погрешность К ир . Поскольку погрешность ук, как было показано выше, в ходе коррекции устран етс до пренебрежимо малых значений и не пре- восходит допустимых значений+1 в течение 500 с после коррекции и при времени процесса измерени 5-50 с, практически единственной составл ющей погрешности преобразовани предлагавмого ИПМЭ 7 остаетс погрешность перехода УП, котора по результатам многократных исследований аналогичных множительных устройств, вход щих в состав государственного и рабочего эталонов, не превосходит UE error of transition TMU 7 from AC to DC; ykf - error To ir. Since the error uk, as shown above, during the correction is eliminated to negligible values and does not exceed the permissible values of + 1 within 500 s after correction and with a measurement process time of 5-50 s, which is practically the only component of the conversion error proposed IPME 7, the error in the transition of the UE remains, which, according to the results of repeated studies of similar multiplying devices that are part of the state and working standards, does not exceed

11

..

Устранение в ходе коррекции погрешности Kf позвол ет снизить требовани к точности ПНЧ, увеличить номинальную частоту до 100 кГц и уменьшить в св зи с этим врем измерени до 1-10 с.Elimination of the Kf error during correction allows one to reduce the requirements for VLF accuracy, increase the nominal frequency to 100 kHz and, therefore, reduce the measurement time to 1-10 s.

Предлагаемый преобразователь, в отличие от прототипа, позвол ет измер ть как мощность переменного тока так и мощность посто нного тока, т.е. он допускает полное замещение переменного напр жени IL и тока Ц на входах масштабных преобразователей посто нным напр жением Do и током 10 тех же значений. Благодар этому преобразователь может быть откалиброван полностью, включа масштабные преобразователи , по исходным средствам измерений посто нного напр жени и тока.The proposed converter, unlike the prototype, allows measuring both AC power and DC power, i.e. it allows full substitution of the alternating voltage IL and current C at the inputs of the scaled converters with the constant voltage Do and current 10 of the same values. Due to this, the transducer can be fully calibrated, including scale transducers, using the original DC and current measuring instruments.

Таким образом, использование синхронно управл емых КПН и ГОЧ, аналоговых коммутаторов, нуль индикатора и измерител отношени частот позвол ет уменьшить погрешность образцового ИПМ до суммы погрешностей масштабных преобразователей и погрешности перехода (Mu + Mi + уп) за счет коррекции и уменьшить погрешность ИПМЭ до погрешности перехода п за счет калибровки на посто нном токе, что делаетс при метрологических работах высшей точности - при сличени х эталонов. На нашем предпри тии изготовлен макет предлагаемого преобразовател . В макете использованы масштабные преобразователи напр жени и тока и ТМУ от ГЭМ, аналоговые коммутаторы на основе микросхем се- рии КР590, ПНЧ на основе микросхемы КР1108ПП1А, ДУ на основе микросхемы К140УД17А, НИ на основе микросхемы КР572П 2, КПН и ИОН выполнены на термо- компенсированных стабилитронах типа КС191Ф и резисторах С5-60; в качестве ИОЧ использован частотомер типа 43-57. Исследовани макета показали, что погрешность предлагаемого преобразовател по отношению к Государственному эталону единицы электрической мощности (ГЭМ) составл ет 1-2 в диапазоне частот 40-500 Гц при cos Ф 1 и сохран етс в течение 2-3 мес.Thus, the use of synchronously controlled KPN and GFC, analog switches, a zero indicator and a frequency ratio meter allows to reduce the error of the model IPM to the sum of the errors of the scale converters and the transition error (Mu + Mi + yn) due to the correction and reduce the error of the IPME to the error transition n due to direct current calibration, which is done during metrological work of the highest accuracy - by comparing the standards. A mock of the proposed converter was made at our enterprise. The scale model uses large-scale voltage and current and voltage transducers from the HEM, analog switches based on the KR590 series microcircuits, IFs based on the KR1108PP1A microcircuit, ДУ based on the K140UD17A microcircuit, NI based on the KR572P 2 microcircuit, KPN and ION are made on thermo compensated Zener diodes type KS191F and resistors C5-60; a frequency meter of type 43-57 was used as an IOC. Studies of the layout showed that the error of the proposed converter with respect to the State Standard of the Unit of Electric Power (HEM) is 1-2 in the frequency range of 40-500 Hz at cos Ф 1 and remains for 2-3 months.

Claims

SUMMARY OF THE INVENTION An exemplary power and energy measuring transducer comprising a reference voltage source, scaled voltage and current converters, a thermoelectric multiplier device, a voltage to frequency converter, characterized in that, in order to increase accuracy and speed, synchronously controlled constant voltage calibrator and reference frequency generator, two analog switches, differential amplifier, null indicator and frequency ratio meter, n Therefore, the output of the scaled voltage converter and the reference voltage source are connected through the first switch to the voltage input of the thermoelectric multiplier device, and the output of the scaled current converter and the constant voltage calibrator are connected through the second switch to the current input of the specified multiplier device, the output of which is also connected to the first input of the differential amplifier, the second input of which is connected to the output of the calibrator constant voltage, and the output of the differential amplifier is connected with a zero indicator, the reference frequency generator is connected to the first input of the frequency ratio meter, the second input of which is connected to the output of the voltage-to-frequency converter, while the thermoelectric multiplier device has a current channel conversion coefficient equal to unity, and the voltage-to-frequency converter with a conversion coefficient equal to the ratio of the frequency of the reference frequency generator to the voltage of the constant voltage calibrator.

Figure 2