RU2017161C1

RU2017161C1 - Capacitance measurement device

Info

Publication number: RU2017161C1
Authority: RU
Inventors: А.Л. Шитов; В.А. Пономарев
Original assignee: Украинский научно-исследовательский институт силовой электроники "Преобразователь"
Priority date: 1991-01-02
Filing date: 1991-01-02
Publication date: 1994-07-30

Abstract

FIELD: capacitance transducers. SUBSTANCE: capacitance measurement device has current sensor, voltage sensor, network, clock unit, function transducer, integrating unit, buffer amplifier, data retrieval-storage unit, two resistors, two capacitors, operational amplifier, three keys. EFFECT: increased efficiency. 4 dwg

Description

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в системах автоматического регулирования статических компенсаторов. The invention relates to electrical engineering and can be used in automatic control systems of static compensators.

Известно устройство (аналог) [1] , содержащее измерительный элемент, выход которого соединен с входами параллельно включенных преобразовательных каналов, первый из которых выполнен в виде последовательно соединенных разделительного диода, инвертора, интегратора, ключа передачи и ключа сброса, включенного между выходом интегратора и общей шиной, а второй - в виде последовательно соединенных разделительного диода, интегратора, ключа передачи и ключа сброса, включенного между выходом интегратора и общей шиной. A device (analogue) [1] is known, which contains a measuring element, the output of which is connected to the inputs of parallel-connected converter channels, the first of which is made in the form of series-connected isolation diode, inverter, integrator, transmission key and reset key connected between the integrator output and the common bus, and the second - in the form of a series-connected isolation diode, integrator, transmission key and reset key connected between the integrator output and the common bus.

Недостатком указанного устройства является невысокая точность измерения, обусловленная неидентичностью преобразовательных каналов. The disadvantage of this device is the low measurement accuracy due to the non-identity of the conversion channels.

Известен трехфазный измеритель реактивной мощности (прототип) [2], включающий умножители, первый, второй и третий сумматоры (умножители и сумматоры, образуют функциональный преобразователь), первый, второй и третий интеграторы с установкой в "0", первый, второй и третий элементы выборки и хранения, датчики тока и датчики напряжения сети, выходами соединенные через умножители с входами сумматоров, выход каждого из которых через соответствующий интегратор с установкой в "0" соединен с входом соответствующего элемента выборки и хранения, узел синхронизации, входами подключенный к датчикам напряжения сети, а выходами - к входам управления элементов выборки и хранения, при этом каждый из интеграторов с установкой в "0" включает конденсатор, ключ, управляющий вход которого является входом установки в "0" интегратора, резистор и операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с общей точкой питания, а инвертирующий вход через резистор - с сигнальным входом интегратора с установкой в "0" и через параллельно соединенные конденсатор и ключ - с выходом интегратора с установкой в "0" и выходом операционного усилителя. Known three-phase reactive power meter (prototype) [2], including multipliers, first, second and third adders (multipliers and adders, form a functional converter), first, second and third integrators with the setting in "0", the first, second and third elements sampling and storage, current sensors and network voltage sensors, outputs connected through multipliers to the inputs of the adders, the output of each of which is connected to the input of the corresponding sampling and storage element through an appropriate integrator with a setting of "0", the node with synchronization, inputs connected to the voltage sensors of the network, and outputs to the control inputs of the sampling and storage elements, each integrator with a setting of "0" includes a capacitor, a key whose control input is the input of the installation in the "0" integrator, a resistor and an operational amplifier, the non-inverting input of which is connected to a common power point, and the inverting input through a resistor - with the signal input of the integrator with a setting of "0" and through a parallel connected capacitor and key - with the output of the integrator with the setting th in the "0" and the output of the operational amplifier.

Недостатком указанного устройства является невысокая точность измерения, обусловленная конечностью времени установки в "0" интеграторов. The disadvantage of this device is the low measurement accuracy due to the finiteness of the installation time in the "0" integrators.

Целью изобретения является повышение точности измерения. The aim of the invention is to improve the accuracy of measurement.

Цель достигается тем, что в устройство для измерения параметра электрической сети, содержащее функциональный преобразователь, интегратор, элемент выборки и хранения, выход которого является выходом устройства, датчик напряжения или датчики тока и напряжения, входами подключенные к сети, а выходами через функциональный преобразователь - к сигнальному входу интегратора, и узел синхронизации, входом подключенный к выходу датчика напряжения, а выходами - к выходу установки в "0" интегратора и входу управления элемента выборки и хранения, при этом интегратор включает первый конденсатор, первый ключ, управляющий вход которого является входом установки в "0" интегратора, первый резистор и операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с общей точкой питания, а инвертирующий вход через первый резистор - с сигнальным входом интегратора и через параллельно соединенные первый конденсатор и первый ключ - с выходом интегратора, новым является то, что введен буферный усилитель, в интегратор введены второй резистор, второй конденсатор, второй и третий ключи, управляющие входы которых соединены с дополнительными выходами узла синхронизации, причем второй ключ включен между выходом операционного усилителя и выходом интегратора, второй конденсатор соединен первым выводом с инвертирующим входом операционного усилителя, а вторым выводом через второй резистор - с общей точкой питания и через третий ключ - с выходом операционного усилителя, кроме того, выход интегратора соединен через буферный усилитель с выходом элемента выборки и хранения. The goal is achieved by the fact that in the device for measuring the parameter of the electric network, containing a functional converter, integrator, a sampling and storage element, the output of which is the output of the device, a voltage sensor or current and voltage sensors, inputs connected to the network, and outputs through the functional converter to the signal input of the integrator, and the synchronization unit, the input connected to the output of the voltage sensor, and the outputs to the output of the installation in "0" of the integrator and the control input of the selection and storage element, when In this case, the integrator includes a first capacitor, a first key, the control input of which is the input of the integrator to "0", a first resistor and an operational amplifier, the non-inverting input of which is connected to a common power point, and the inverting input through the first resistor is connected to the signal input of the integrator and in parallel connected the first capacitor and the first key - with the output of the integrator, it is new that a buffer amplifier is introduced, the second resistor, the second capacitor, the second and third switches are introduced into the integrator the inputs of which are connected to the additional outputs of the synchronization node, the second key being connected between the output of the operational amplifier and the output of the integrator, the second capacitor is connected by the first output to the inverting input of the operational amplifier, and the second output through the second resistor to the common power point and through the third key to the output operational amplifier, in addition, the output of the integrator is connected through a buffer amplifier with the output of the sampling and storage element.

Существенные отличия предлагаемого устройства видны из сопоставительного анализа с известными устройствами (аналогами), выполненными по а.с. N 252465, кл. G 01 R 21/06, N 960646, кл. G 01 R 19/06, N 1007040, кл.G 01 R 19/22, N 1174872, кл. G 01 R 19/22, N 1239613, кл. G 01 R 19/22, N 1252735, кл. G 01 R 19/04, патент США N 4172234, кл. H 02 J 3/18 и др. Устройства, выполненные по а.с. N 252465, кл. G 01 R 21/06, N 960646, кл. G 01 R 19/06, N 1252735, кл. G 01 R 19/04, в основе которых лежит метод мгновенной выборки измеряемого сигнала, имеют погрешности из-за несинусоидальности тока и напряжения. Для уменьшения погрешности используют метод интегрирования (а. с. N 1007040, кл. G 01 R 19/22, N 1174872, кл. G 01 R 19/22, N 1239613, кл. G 01 R 19/22). Устройство по а.с. N 1174872 имеет невысокую точность в динамических режимах из-за того, что информация с выхода интегратора фиксируется через каждый период. Более высокую точность имеют устройства по а.с. N 1007040, кл. G 01 P 19/22 и N 1239613, кл. G 01 R 19/22, поскольку выборка интегральных значений измеряемого сигнала осуществляется через каждый полпериода, но имеют погрешность из-за наличия двух неидентичных преобразователей каналов. Фаза измерительного устройства из патента США N 4172234, кл. H 02 J 3/18 имеет один преобразовательный канал, включающий последовательно соединенные умножители, сумматор, интегратор и элемент выборки и хранения, однако имеет также погрешность из-за влияния на процесс интегрирования установки в "0" интегратора. В предлагаемом устройстве, имеющем один преобразовательный канал, включающий функциональный преобразователь, интегратор, элемент выборки и хранения, указанное влияние установки в "0" интегратора на процесс интегрирования исключено путем включения между интегратором и элементом выборки и хранения буферного усилителя, а также введения в интегратор второго конденсатора, второго и третьего ключей и второго резистора. Это позволяет в течение времени установки в "0" интегратора, когда шунтируется первым ключом первый конденсатор, накапливать результат интегрирования за это время вторым конденсатором, подключаемым в обратную связь операционного усилителя с помощью третьего ключа, при отключенном с помощью второго ключа первом конденсаторе от выхода операционного усилителя, затем, с помощью размыкания третьего ключа, передать заряд с второго конденсатора на первый через второй резистор. Таким образом, интегральное значение за время установки в "0" не "вырезается" из результата интегрирования за время полупериода. Буферный усилитель служит для исключения разряда первого конденсатора токами утечки. Significant differences of the proposed device are visible from a comparative analysis with known devices (analogues) made by A. with. N 252465, cl. G 01 R 21/06, N 960646, CL G 01 R 19/06, N 1007040, class G 01 R 19/22, N 1174872, class G 01 R 19/22, N 1239613, cl. G 01 R 19/22, N 1252735, cl. G 01 R 19/04, US patent N 4172234, CL. H 02 J 3/18 and other devices made by A. with. N 252465, cl. G 01 R 21/06, N 960646, CL G 01 R 19/06, N 1252735, cl. G 01 R 19/04, based on the method of instant sampling of the measured signal, have errors due to the non-sinusoidality of the current and voltage. To reduce the error, the integration method is used (a.s. N 1007040, class G 01 R 19/22, N 1174872, class G 01 R 19/22, N 1239613, class G 01 R 19/22). Device by A.S. N 1174872 has low accuracy in dynamic modes due to the fact that information from the output of the integrator is recorded after each period. Devices with a.s. N 1007040, CL G 01 P 19/22 and N 1239613, class G 01 R 19/22, since the sampling of the integral values of the measured signal is carried out every half period, but they have an error due to the presence of two non-identical channel converters. The phase of the measuring device from US patent N 4172234, CL. H 02 J 3/18 has one converter channel, including series-connected multipliers, an adder, an integrator, and a sampling and storage element, however, it also has an error due to the effect on the integration of the installation into the integrator "0". In the proposed device, having one converter channel, including a functional converter, an integrator, a sampling and storage element, the indicated effect of installing an integrator in "0" on the integration process is eliminated by including a buffer amplifier between the integrator and the sampling and storage element, and also introducing a second capacitor, second and third switches and a second resistor. This allows during the time the integrator is set to “0”, when the first capacitor is shunted by the first key, to accumulate the integration result during this time by the second capacitor, which is connected to the feedback of the operational amplifier using the third key, when the first capacitor is disconnected from the operating output using the second key amplifier, then, by opening the third key, transfer the charge from the second capacitor to the first through the second resistor. Thus, the integral value during the installation at “0” is not “cut out” from the result of integration during the half-cycle. The buffer amplifier serves to eliminate the discharge of the first capacitor by leakage currents.

Таким образом, предложенное решение соответствует критериям изобретения "существенные отличия" и "положительный эффект". Thus, the proposed solution meets the criteria of the invention "significant differences" and "positive effect".

Предлагаемое устройство представлено на фиг.1-3, на фиг.4 представлены временные диаграммы, поясняющие его работу. The proposed device is presented in figures 1-3, figure 4 presents a timing diagram explaining its operation.

Устройство содержит датчик 1 тока (трансформатор тока) и датчика 2 напряжения (трансформатор напряжения), входами подключенные к сети 3, узел 4 синхронизации, последовательно соединенные функциональный преобразователь 5, входами подключенный к выходам датчика тока 1 и напряжения 2, интегратор 6, буферный усилитель 7 (выполнен на операционном усилителе, например, по схеме рис.2.10 литературы: "Гальперин М.В. Практическая схемотехника в промышленной автоматике. М.: Энергоатомиздат, 1987, с.320) и элемент 8 выборки и хранения (выполнен, например, на микросхеме КР1100СК2 б КО.348,677 ТУ), выход которого является выходом устройства; интегратор 6 выполнен на первом 9 и втором 10 резисторах, первом 11 и втором 12 конденсаторах, операционном усилителе 13, неинвертирующим входом соединенном с общей точкой питания, первом 14, втором 15 и третьем 16 ключах (выполнены на полевых транзисторах, например, КПЗОЗИ Ц20.336.601 ТУ), причем операционный усилитель 13 соединен инвертирующим входом через первый резистор 9 с сигнальным входом интегратора 6, через параллельно соединенные первые ключ 14 и конденсатор 11 с выходом интегратора 6 и через последовательно соединенные второй конденсатор 12 и третий ключ 16 с выходом операционного усилителя 13, второй ключ 15 включен между выходом операционного усилителя 13 и выходом интегратора 6, второй резистор 10 включен между общей точкой питания и точкой соединения второго конденсатора 12 и третьего ключа 16; узел 4 синхронизации выполнен в виде последовательно соединенных фазовращателя 17 (выполнен, например, по схеме рис.3.17 б книги Щербаков В.И., Грездов Г.И. Электронные схемы на операционных усилителях. Справочник. К.: Техника, 1983, с.213), нуль-органа 18 (выполнен на компараторе, инвертирующий вход которого соединен с общей точкой питания), формирователя 19 импульсов, (выполнен, например, по схеме, приведенной в книге Губников В.С. Интегральная электроника в измерительных приборах. Л.: Энергия, 1974, с.108, рис.56) и одновибраторов 20-22 (каждый выполнен, например, по схеме рис.5.10.2 книги Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. 2-е изд. Перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988, с.304), и RS-триггера 23, который S-входом установки в "1" соединен с выходом одновибратора 22 и R-входом установки в "0" соединен с выходом формирователя 19 импульсов, причем вход фазовращателя 17 является входом узла 4 синхронизации, а выход формирователя 19 импульсов, выход одновибратора 21, прямой и инверсный выходы RS-триггера 23 являются выходами a,b,c и d соответственно узла 4 синхронизации, которые соединены с управляющим входами элемента 8 выборки и хранения, первого 14, второго 15 и третьего 16 ключей интегратора 6, соответственно, функциональный преобразователь 5 может быть выполнен в виде активного выпрямителя при измерении напряжения сети (см.схему на рис. 4.2, а книги Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. 2-е изд. Перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат, Ленинград, отд-ние, 1988, с.304), при измерении мощности в виде (фиг.3) фазовращателя (выполнен аналогично фазовращателю 17), вход которого является первым входом функционального преобразователя 5, и умножителя 25 (микросхема К525ПС2 КО.347.127 ТУ), первый вход которого соединен с выходом фазовращателя 24, а второй вход и выход являются вторым входом и выходом соответственно функционального преобразователя 5, и при измерении соответствующих тока - вместо умножителя 25 использован фазочувствительный выпрямитель (выполнен по схеме рис.4.4а книги Губников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах.; 2е изд. , перераб. и доп. Л.:Энергоатомиздат, Ленинград, отд-ние, 1988, с. 304), а между фазовращателем 24 и фазочувствительным выпрямителем (умножитель 25) включен нуль-орган 26 (выполнен аналогично нуль-органу 18). The device contains a current sensor 1 (current transformer) and voltage sensor 2 (voltage transformer), inputs connected to network 3, synchronization unit 4, connected in series to functional converter 5, inputs connected to outputs of current sensor 1 and voltage 2, integrator 6, buffer amplifier 7 (made on an operational amplifier, for example, according to the scheme of Fig. 2.10 of the literature: “MV Halperin. Practical circuitry in industrial automation. M: Energoatomizdat, 1987, p. 320) and element 8 for sampling and storage (made, for example, on micros KP1100SC2 b KO.348.677 TU), the output of which is the output of the device; integrator 6 is made on the first 9 and second 10 resistors, the first 11 and second 12 capacitors, operational amplifier 13, a non-inverting input connected to a common power point, first 14, second 15 and the third 16 keys (made on field-effect transistors, for example, KPZOZ Ts20.336.601 TU), and the operational amplifier 13 is connected by an inverting input through the first resistor 9 to the signal input of the integrator 6, through the first connected key 14 and the capacitor 11 in parallel with the output of the integ Ora 6 and through the second capacitor 12 and the third key 16 connected in series with the output of the operational amplifier 13, the second key 15 is connected between the output of the operational amplifier 13 and the output of the integrator 6, the second resistor 10 is connected between the common power point and the connection point of the second capacitor 12 and the third key sixteen; node 4 synchronization is made in the form of series-connected phase shifter 17 (made, for example, according to the scheme of Fig.3.17 b books Shcherbakov VI, Grezdov GI Electronic circuits on operational amplifiers. Reference. K .: Technique, 1983, p. 213), a null-body 18 (made on a comparator, the inverting input of which is connected to a common power point), a pulse shaper 19 (made, for example, according to the scheme given in the book by V. Gubnikov. Integrated electronics in measuring devices. L. : Energy, 1974, p.108, Fig. 56) and single vibrators 20-22 (each made, for example , according to the diagram in Fig. 5.10.2 of the book by V. S. Gutnikov, Integrated Electronics in Measuring Devices, 2nd ed. Rev. and additional L .: Energoatomizdat, Leningrad Department, 1988, p. 304), and RS -trigger 23, which is connected to the output of the one-shot 22 by the S-input of the installation in “1” and connected to the output of the pulse shaper 19, the input of the phase shifter 17 is the input of the synchronization unit 4, and the output of the pulse shaper 19, the output of the one-shot 21, the direct and inverse outputs of the RS flip-flop 23 are the outputs a, b, c and d, respectively, of the synchronization unit 4, which are integrated with the control inputs of the sampling and storage element 8, the first 14, second 15 and third 16 keys of the integrator 6, respectively, the functional converter 5 can be made in the form of an active rectifier for measuring the network voltage (see diagram in Fig. 4.2, and the books of Gutnikov V.S. Integrated electronics in measuring devices. 2nd ed. Re-worker. and add. L .: Energoatomizdat, Leningrad, Otdel, 1988, p. 304), when measuring power in the form (Fig. 3) of a phase shifter (made similarly to phase shifter 17), the input of which is the first input of functional converter 5, and multiplier 25 (microcircuit K525PS2 KO.347.127 TU), the first input of which is connected to the output of the phase shifter 24, and the second input and output are the second input and output, respectively, of the functional converter 5, and when measuring the corresponding current, a phase-sensitive rectifier is used instead of the multiplier 25 (made according to the scheme in Fig. 4.4 Gubnikov V.S. books Integrated Electronics in Measuring Devices .; 2nd ed., revised and supplemented by L.: Energoatomizdat, Leningrad, department, 1988, p. 304), and between the phase shifter 24 and the phase-sensitive rectifier (multiplier 25 ) included the zero-organ 26 (performed similarly to the zero-organ 18).

Работа устройства заключается в следующем. The operation of the device is as follows.

В общем виде функциональный преобразователь 5 из сигналов, поступающих от датчиков тока 1 и напряжения 2 сети 3, формирует сигнал, постоянная составляющая которого пропорциональна измеряемому параметру сети. Выделение этой постоянной составляющей осуществляется с помощью интегратора 6 путем усреднения за полупериод сигнала с выхода функционального преобразователя 5 и запоминания элементом 8 выборки и хранения результата усреднения. Управление интегратором 6 и элементом 8 выборки и хранения осуществляется узлом 4 синхронизации, на вход которого поступает сигнал с выхода датчика 2 напряжения, пропорциональный напряжению сети 3.При измерении составляющей тока сети 3 на вход функционального преобразователя 5 поступает сигнал U₁ с выхода датчика 1 тока, пропорциональный текущему значению тока сети i_з. В этом случае функциональный преобразователь (фиг.3) содержит фазовращатель 24, фазочувствительный выпрямитель 25 и нуль-орган 26. Допустим, устройство предназначено для измерения реактивной составляющей тока сети i_з. В этом случае фазовращатель настроен на сдвиг напряжения U₂ с выхода датчика 2 напряжения на угол φ =

(фиг.4). Нуль-орган 26 по положительным полуволнам напряжения U₂₄ с выхода фазовращателя 24 формирует логический сигнал "1" (U₂₆), управляя фазочувствительным выпрямителем 25 (так, что сигнал U₁ с выхода датчика 1 тока инвертируется фазочувствительным выпрямителем 25 (фиг. 4, временная диаграмма U₂₅ или U₅), при логическом сигнале "0" сигнал U₁ передается через фазочувствительный выпрямитель 25 без инверсии. По напряжению U₂ с выхода датчика 2 напряжения узел синхронизации вырабатывает импульсы U_a, U_b, U_c и U_d для управления интегратором 6 и элементом 8 выборки и хранения. Напряжение U₂ в узле 4 синхронизации сдвигается фазовращателем 17 на такой угол, чтобы результат интегрирования формировался в необходимый момент времени. По положительным полуволнам напряжения U₁₇ с выхода фазовращателя 17 нуль-органа 18 формируется логический сигнал "1". В моменты изменения сигнала из "0" в "1" и из "1" в "0" формирователь 19 импульсов формирует прямоугольные импульсы U₁₉ или U_а (фиг.4), которые устанавливают RS-триггер 23 в состояние "0", а спадом (задним фронтом) запускают одновибратор 20. Прямоугольные импульсы U₂₀ одновибратора 20 спадом запускают следующий одновибратор 21, который также формирует прямоугольные импульсы U₂₁ или U_b, запускающие спадом одновибратор 22. Последний устанавливает RS-триггер 23 в состояние "1" (смотрите временные диаграммы U_c и U_d на фиг.4). На фиг.4 для упрощения рассмотрения функционирования устройства фазовые углы фазовращателей 17 и 24 приняты равными друг другу, т.е. π/2. В этом случае функции фазовращателей 16,24 и нуль-органов 18 и 26 могут быть совмещены для упрощения устройства. Сигнал напряжения U₅ с выхода функционального преобразователя 5 поступает на вход интегратора 6, где под действием через резистор 9 протекает ток, равный

. В зависимости от того, какие из ключей 14, 15 и 16 замкнуты, а также разомкнуты, т.е. какой из конденсаторов 11 или 12 подключен в обратную связь операционного усилителя 13, тот из конденсаторов и будет заряжаться указанным током. В течение времени от t₁ до t₂ (фиг.4) информация в виде напряжения на конденсаторе 11, поступая через буферный усилитель 7, запоминается элементом 8 выборки и хранения под действием импульса U_а, поступающего с выхода а узла 4 синхронизации на его управляющий вход.In general, the functional converter 5 of the signals from the current sensors 1 and voltage 2 of the network 3 generates a signal whose constant component is proportional to the measured network parameter. The selection of this constant component is carried out using the integrator 6 by averaging over the half-cycle of the signal from the output of the functional converter 5 and storing the selection and storage of the averaging result by element 8. The integrator 6 and the sampling and storage element 8 are controlled by a synchronization unit 4, the input of which receives a signal from the output of the voltage sensor 2, proportional to the voltage of the network 3. When measuring the current component of the network 3, the signal U ₁ from the output of the current sensor 1 is received proportional to the current value of the network current i _s . In this case, the functional converter (Fig. 3) contains a phase shifter 24, a phase-sensitive rectifier 25, and a zero-organ 26. Suppose that the device is designed to measure the reactive component of the network current i _s . In this case, the phase shifter is configured to shift the voltage U ₂ from the output of the voltage sensor 2 by an angle φ =

(figure 4). The null-organ 26 on the positive half-waves of voltage U ₂₄ from the output of the phase shifter 24 generates a logic signal "1" (U ₂₆ ) by controlling the phase-sensitive rectifier 25 (so that the signal U ₁ from the output of the current sensor 1 is inverted by the phase-sensitive rectifier 25 (Fig. 4, timing diagram U ₂₅ or U ₅ ), when the logic signal “0”, the signal U ₁ is transmitted through a phase-sensitive rectifier 25 without inversion. According to the voltage U ₂ from the output of the voltage sensor 2, the synchronization unit generates pulses U _a , U _b , U _c and U _d to control integrator 6 and sample element 8 and x The voltage U ₂ in the synchronization unit 4 is shifted by the phase shifter 17 to such an angle that the integration result is formed at the required time. Logical signal "1" is formed from the positive half-waves of voltage U ₁₇ from the output of the phase shifter 17 of the zero-organ 18. From "0" to "1" and from "1" to "0", the pulse shaper 19 generates rectangular pulses U ₁₉ or U _а (Fig. 4), which set the RS-flip-flop 23 to the state "0", and with a drop (back front) start a single vibrator 20. Rectangular pulses U ₂₀ single vibrator 20, the next one-shot 21 is triggered by a recession, which also generates rectangular pulses U ₂₁ or U _b , which triggers a one-shot by a recession 22. The latter sets the RS-flip-flop 23 to state “1” (see timing diagrams U _c and U _d in FIG. 4). In Fig. 4, to simplify the consideration of the operation of the device, the phase angles of the

phase shifters

17 and 24 are taken equal to each other, i.e. π / 2. In this case, the functions of the

phase shifters

16,24 and the

null organs

18 and 26 can be combined to simplify the device. The voltage signal U ₅ from the output of the functional Converter 5 is fed to the input of the integrator 6, where under the action through the resistor 9 flows a current equal to

. Depending on which of the

keys

14, 15 and 16 are closed as well as open, i.e. which of the

capacitors

11 or 12 is connected to the feedback of the operational amplifier 13, that of the capacitors will be charged with the indicated current. During the period from t ₁ to t ₂ (Figure 4) the information in the form of voltage on the capacitor 11, acting through the buffer amplifier 7, the memory element 8 sample and hold pulse under U _and output from a synchronization unit 4 at its control input.

Затем на время с t₃ по t₄ замыкается первый ключ 14, который разряжает первый конденсатор 11 до нулевого напряжения (информация стирается) под действием импульса U_b, поступающего с выхода b узла синхронизации 4 на управляющий вход первого ключа 14. Так как в течение времени от t₁ до t₄ на управляющем входе второго ключа 15 присутствует сигнал в виде "0", то этот ключ разомкнут и конденсатор 11 выключен из обратной связи операционного усилителя 13, т.е. через первый конденсатор 11 не протекает в это время ток заряда, что обеспечивает на время от t₁по t₃ неизменным напряжение на первом конденсаторе 11, облегчая процесс запоминания информации с высокой точностью, и за время от t₃ по t₄полный разряд первого конденсатора 11. В течение времени с t₁ по t₄ в обратную связь операционного усилителя 13 с помощью третьего ключа 16 включен второй конденсатор 12, так как на управляющий вход третьего ключа 16 с выхода d узла синхронизации на это время поступает сигнал в виде "1". Величина заряда, накопленная вторым конденсатором 12 за это время, равна
q₁₂=

U₅dt (1)
В течение времени с t₄ по _t5 в обратную связь операционного усилителя 13 с помощью второго ключа 15 подключается первый конденсатор 11, который заряжается током, равным

, а также током от разряда второго конденсатора 12 через второй токоограничивающий резистор 10. Таким образом первый конденсатор 11 приобретает заряд, накопленный вторым конденсатором 12 за время с t₁ по t₄, и заряд от тока, равного

, за время с t₄ по t₅:
q₁₁= q₁₂+

U₅dt (2)
Величина напряжения на первом конденсаторе 11 с учетом выражений (1) и (2)
U₁₁=

=

U₅dt +

U₅dt =

Следовательно, в момент времени t₅, как и в момент времени t₁, напряжение на первом конденсаторе 11 имеет величину, пропорциональную интегральному значению напряжения U₅ с выхода функционального преобразователя 5 за половину периода, которая фиксируется через буферный усилитель 7 элементом 8 выборки и хранения в течение времени с t₅ по t₆ и т.д. Буферный усилитель исключает разряд первого конденсатора 11 в момент фиксации результата измерения.Then, for the time t ₃ through t _{4, the} first switch 14 is closed, which discharges the first capacitor 11 to zero voltage (information is erased) under the action of a pulse U _b coming from the output b of the synchronization node 4 to the control input of the first key 14. Since time from t ₁ to t ₄ at the control input of the second key 15 there is a signal in the form of "0", then this key is open and the capacitor 11 is turned off from the feedback of the operational amplifier 13, i.e. the charge current does not flow through the first capacitor 11 at this time, which ensures that the voltage on the first capacitor 11 remains unchanged for a time from t ₁ through t ₃ , facilitating the process of storing information with high accuracy, and during the time from t ₃ to t _{4 the} full discharge of the first capacitor 11. During the time from t ₁ to t _{4, the} second capacitor 12 is connected to the feedback of the operational amplifier 13 using the third key 16, since the signal in the form “1” is received at the control input of the third key 16 from the output d of the synchronization node . The amount of charge accumulated by the second capacitor 12 during this time is
q ₁₂ =

U ₅ dt (1)
During the time from t ₄ to _t5 , the first capacitor 11 is connected to the feedback of the operational amplifier 13 using the second switch 15, which is charged with a current equal to

, as well as the current from the discharge of the second capacitor 12 through the second current-limiting resistor 10. Thus, the first capacitor 11 acquires the charge accumulated by the second capacitor 12 during the time t ₁ through t ₄ , and the charge from the current equal to

, for the time from t ₄ to t ₅ :
q ₁₁ = q ₁₂ +

U ₅ dt (2)
The voltage at the first capacitor 11, taking into account the expressions (1) and (2)
U ₁₁ =

=

U ₅ dt +

U ₅ dt =

Therefore, at time t ₅ , as at time t ₁ , the voltage at the first capacitor 11 has a value proportional to the integral value of voltage U ₅ from the output of the functional converter 5 for half the period, which is fixed through the buffer amplifier 7 by the sampling and storage element 8 during the time from t ₅ to t ₆ , etc. The buffer amplifier eliminates the discharge of the first capacitor 11 at the time of fixing the measurement result.

Пусть ток сети 3 равен
i₃=I_msin(ωt-φ),(3) где I_m - амплитуда тока;
φ - фазовый сдвиг тока относительно напряжения сети ИЗ;
ω - круговая частота.Let the network current 3 be
i ₃ = I _m sin (ωt-φ), (3) where I _m is the current amplitude;
φ is the phase shift of the current relative to the voltage of the line;
ω is the circular frequency.

Тогда напряжение на выходе интегратора 6 в момент времени t₅
U₆= U₁₁= -

I_m

₌

, (4) где К₁ и К₅ = -1 - коэффициенты передачи датчика 1 тока и функционального преобразователя 5 соответственно;
t₁=

. Следовательно, на выходе элемента 8 выборки и хранения формируется напряжение, пропорциональное реактивной составляющей тока сети
I_msin φ .Then the voltage at the output of the integrator 6 at time t ₅
U ₆ = U ₁₁ = -

I _m

₌

, (4) where K ₁ and K ₅ = -1 are the transmission coefficients of the current sensor 1 and functional converter 5, respectively;
t ₁ =

. Therefore, at the output of the sample and storage element 8, a voltage is generated proportional to the reactive component of the network current
I _m sin φ.

При измерении реактивной мощности сети в функциональном преобразователе 5 должен быть умножитель вместо фазочувствительного выпрямителя 25, а нуль-орган 26 (показанный пунктирной линией) - отсутствовать, т.е. фазовращатель 24 должен быть соединен выходом с входом умножителя 25 непосредственно. Фазовращатель должен быть настроен на фазовый сдвиг, равный

. Если принять напряжение сети
U₃= U_msinωt, (5) где U_m - амплитуда напряжения, то напряжение на выходе фазовращателя 25
U₂₄= K₂K₂₄U_msin

t-

, (6) где К₂ и К₂₄ - коэффициенты передачи датчика 2 напряжения и фазовращателя 24 соответственно.When measuring the reactive power of the network, in the functional converter 5 there should be a multiplier instead of a phase-sensitive rectifier 25, and the null-organ 26 (shown by the dashed line) should be absent, i.e. the phase shifter 24 must be connected by the output to the input of the multiplier 25 directly. The phase shifter must be set to a phase shift equal to

. If you take the voltage
U ₃ = U _m sinωt, (5) where U _m is the voltage amplitude, then the voltage at the output of the phase shifter 25
U ₂₄ = K ₂ K ₂₄ U _m sin

t-

, (6) where K ₂ and K ₂₄ are the transmission coefficients of the voltage sensor 2 and the phase shifter 24, respectively.

На выходе умножителя 25 и функционального преобразователя 5 формируется напряжение, которое с учетом выражения (3) и (6)
U₅= U₁U₂₄= K₁I_msin(ωt- φ)K₂K₂₄U_msin

t-

=

(7 )
На выходе интегратора 6 в момент t₅ (узел синхронизации работает как показано выше) формируется напряжение
U₆= -

U₅dt = -

sinφ (8)
Таким образом, на выходе элемента 8 выборки и хранения будет напряжение, пропорциональное реактивной мощности сети

sinφ. При измерении амплитуды напряжения сети 3 на выход функционального преобразователя 5 подают только сигнал U₂ с выхода датчика 2 напряжения, пропорциональный текущему значению напряжения сети U₃. Так как в этом случае функциональный преобразователь 5 представляет активный выпрямитель, то на его выходе напряжение
U₅ = K₂K₅

U

, (9) где К₅ - коэффициенты передачи функционального преобразователя 5 (активного выпрямителя).At the output of the multiplier 25 and the functional Converter 5, a voltage is formed, which, taking into account the expressions (3) and (6)
U ₅ = U ₁ U ₂₄ = K ₁ I _m sin (ωt- φ) K ₂ K ₂₄ U _m sin

t-

=

(7)
At the output of the integrator 6 at time t ₅ (the synchronization unit operates as shown above), a voltage is formed
U ₆ = -

U ₅ dt = -

sinφ (8)
Thus, at the output of the sample and storage element 8 there will be a voltage proportional to the reactive power of the network

sinφ. When measuring the amplitude of the voltage of the network 3 to the output of the functional Converter 5 serves only the signal U ₂ from the output of the voltage sensor 2, proportional to the current value of the voltage of the network U ₃ . Since in this case the functional converter 5 represents an active rectifier, then its output voltage
U ₅ = K ₂ K ₅

U

, (9) where K ₅ are the transmission coefficients of the functional converter 5 (active rectifier).

Пусть фазовращатель 17 узла синхронизации имеет нулевой фазовый сдвиг (отсутствует). Тогда на выходе интегратора 6 и элемента 8 выборки и хранения в момент времени t₅ формируется напряжение (с учетом выражений (5) и (9) )
U₆= -

U

dt =

U (10)
Технико-экономические преимущества предлагаемого устройства по сравнению с известным прототипом (по а.с. N 1261044, кл. Н 02 J 3/26) видны из сопоставительного анализа.Let the phase shifter 17 of the synchronization node has a zero phase shift (absent). Then, at the output of the integrator 6 and the sample and storage element 8 at the time t ₅ , a voltage is formed (taking into account expressions (5) and (9))
U ₆ = -

U

dt =

U (10)
The technical and economic advantages of the proposed device in comparison with the known prototype (according to A.S. N 1261044, class H 02 J 3/26) are visible from the comparative analysis.

В устройстве, взятом за прототип, измерение реактивной мощности осуществляется за интервал, равный полупериоду за вычетом времени t_pустановки интегратора в "0", так как установка в "0" интегратора производится шунтированием с помощью ключа на время полного разряда t_pконденсатора, включенного в отрицательной обратной связи операционного усилителя. Интегральное значение выражения (7) на интервале от t₁ + t_pдо t₁+

равно
K₁K₂K

- t

sinφ -

sinωt_psin(2ωt₁+ωt_p-φ)

, из которого относительная погрешность измерения
δ =

+

sin(2ωt₁+ωt_p-φ) (11)
Если в прототипе в качестве ключа используется полевой транзистор КПЗОЗИ, то сопротивление его утечки на печатной плате составляет ≈ 10 мОм. Емкость конденсатора должна быть такой величины, чтобы постоянная разряда его при закрытом ключе была по крайней мере на два порядка больше полупериода Т/2. Следовательно, величина емкости должна быть не менее 0,1 мкФ. Так как транзистор КПЗОЗИ имеет сопротивление в открытом состоянии ≈ 300 Ом, то постоянная разряда конденсатора через транзистор τ = 0,1˙10^-6˙300 = 30˙10^-6 с. Время t_p ≥ 3 τ = 90 мкс. Для надежности принимается t_p = 180 мкс.In the device taken as a prototype, the measurement of reactive power is carried out for an interval equal to a half-life minus the time t _p setting the integrator to "0", since setting the integrator to "0" is done by shunting the capacitor connected for a full discharge time t _p in the negative feedback of the operational amplifier. The integral value of expression (7) in the interval from t ₁ + t _p to t ₁ +

equally
K ₁ K ₂ K

- t

sinφ -

sinωt _p sin (2ωt ₁ + ωt _p -φ)

from which the relative measurement error
δ =

+

sin (2ωt ₁ + ωt _p -φ) (11)
If in the prototype a KPZOZI field effect transistor is used as a key, then its leakage resistance on the printed circuit board is ≈ 10 mOhm. The capacitance of the capacitor must be such that its discharge constant when the key is closed is at least two orders of magnitude greater than the half-cycle T / 2. Therefore, the capacitance must be at least 0.1 μF. Since the transistor of the capacitor has a resistance in the open state ≈ 300 Ohms, the discharge constant of the capacitor through the transistor is τ = 0.1˙10 ^-6 ˙300 = 30˙10 ^-6 s. Time t _p ≥ 3 τ = 90 μs. For reliability, t _p = 180 μs is assumed.

Максимальная относительная погрешность
δ ≈

+

= 0,018 +

и превышает 3,6%.Maximum relative error
δ ≈

+

= 0.018 +

and exceeds 3.6%.

В предлагаемом устройстве эта погрешность отсутствует. В предлагаемом устройстве, включающем функциональный преобразователь, интегратор, элемент выборки и хранения, влияния установки в "0" интегратора на процесс интегрирования исключено путем включения между интегратором и элементом выборки и хранения буферного усилителя, а также введения в интегратор второго конденсатора, второго и третьего ключей и второго резистора. Это позволяет в течение времени t_p установки в "0" интегратора, когда шунтируется первым ключом первый конденсатор, запоминать результат интегрирования за это время вторым конденсатором, подключаемым в обратную связь операционного усилителя с помощью третьего ключа, при отключенном с помощью второго ключа первом конденсаторе от выхода операционного усилителя, затем с помощью размыкания третьего ключа передать заряд с второго конденсатора на первый через второй резистор. В данном случае из результата интегрирования за Т/2 не "вырезается" интегральное значение за время t_p установки в "0". Буферный усилитель служит для исключения разряда первого конденсатора токами утечки.In the proposed device, this error is absent. In the proposed device, which includes a functional converter, an integrator, a sample and storage element, the influence of the integrator set to “0” on the integration process is eliminated by including a second amplifier, a second capacitor, a second and a third key into the integrator, and a second amplifier and a second resistor. This allows the integrator to be shunted by the first key during the time t _p when the first capacitor is shunted by the first key, to memorize the result of integration during this time by the second capacitor, which is connected to the feedback of the operational amplifier using the third key, when the first capacitor is disconnected from the second key by the output of the operational amplifier, then, using the opening of the third key, transfer the charge from the second capacitor to the first through the second resistor. In this case, the integral value for the time t _p setting to "0" is not "cut out" from the integration result beyond T / 2. The buffer amplifier serves to eliminate the discharge of the first capacitor by leakage currents.

Claims

DEVICE FOR MEASURING ELECTRICAL PARAMETERS of a network, containing a functional converter, voltage or current and voltage sensors connected to the network by outputs and outputs to the inputs of the functional converter, an integrator, a storage sample element, and a synchronization unit, while the output of the functional converter is connected to the signal by the integrator’s input, the synchronization unit is connected by an input to the output of the voltage sensor, and by the outputs - to the installation input at “0” of the integrator and the control input of the sample element - stored and the integrator contains the first capacitor, the first key, the control input of which is the installation input to the integrator "0", the first resistor and operational amplifier, the non-inverting input of which is connected to the common bus, and the inverting input through the first resistor is connected to the signal input of the integrator and through the first capacitor and the first key are connected in parallel with the output of the integrator, characterized in that, in order to improve accuracy, a buffer amplifier is introduced, and a second resistor and capacitor are additionally introduced into the integrator, and that the second and third keys, the control inputs connected to additional outputs of the synchronization node, the second key is connected between the output of the operational amplifier and the output of the integrator, the second capacitor is connected to the first output with the inverting input of the operational amplifier, and the second output through the second resistor to the common bus and through the third key is with the output of the operational amplifier, in addition, the output of the integrator through the buffer amplifier is connected to the input of the sampling and storage element.