RU2058557C1

RU2058557C1 - Electronic electricity meter

Info

Publication number: RU2058557C1
Application number: RU95112804A
Authority: RU
Inventors: Б.Б. Дремов; В.Г. Митрофанов; В.С. Серебряков; А.И. Толстов; В.М. Чистилин; В.Э. Аваков; А.В. Карлов; В.А. Лачков; Р.И. Муртазин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Торгово-промышленная компания "Рось"
Priority date: 1995-08-07
Filing date: 1995-08-07
Publication date: 1996-04-20

Abstract

FIELD: electric measurement technology. SUBSTANCE: meter has pulse-width modulator, pulse-amplitude modulator, integrator, null-element, shift register, clock generator, commutator, and counting device. EFFECT: improved accuracy in measuring parameters of environment and improved time stability. 2 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а именно к устройствам измерения электрической энергии в системах переменного тока, и может быть использовано в распределительных электрических сетях. The invention relates to electrical engineering, in particular to devices for measuring electrical energy in alternating current systems, and can be used in distribution electric networks.

Известен электронный счетчик электpоэнергии [1] содержащий два интегратора, два сравнивающих устройства, два источника опорного напряжения, два переключателя и реверсивный счетчик, причем первый выход первого интегратора соединен с одной из входных шин устройства, выходы первого и второго интеграторов соединены соответственно с первыми входами первого и второго сравнивающих устройств, выход одного из источников опорного напряжения подключен к первым входам первого и второго переключателей, выход одного триггера соединен со входом вычитания реверсивного счетчика, а выход другого триггера соединен со входом сложения того же счетчика. Known electronic energy meter [1] containing two integrators, two comparators, two sources of reference voltage, two switches and a reversible counter, the first output of the first integrator connected to one of the input buses of the device, the outputs of the first and second integrators connected respectively to the first inputs of the first and the second comparison devices, the output of one of the sources of the reference voltage is connected to the first inputs of the first and second switches, the output of one trigger is connected to the input of the calcul the reverse counter, and the output of another trigger is connected to the addition input of the same counter.

Указанный счетчик состоит из двух идентичных каналов. Недостатком его является сложность схемы, из-за множества используемых блоков, что снижает надежность всего устройства, а также низкая точность, обусловленная наличием двух источников опорного напряжения. The specified counter consists of two identical channels. Its disadvantage is the complexity of the circuit, due to the many blocks used, which reduces the reliability of the entire device, as well as low accuracy due to the presence of two sources of reference voltage.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является электронный счетчик электроэнергии типа Ф 651 [2] Электронный счетчик содержит широтно-импульсный модулятор, вход которого соединен с первой входной шиной, а выход с первым входом амплитудно-импульсного модулятора, второй вход которого соединен со второй входной шиной, а выход с первым входом блока реверсирования, выход которого соединен со входом интегратора, выход которого соединен со входом компаратора, первый выход которого соединен со счетным устройством, а второй со вторым входом блока реверсирования. The closest in technical essence to the proposed one is an electronic electric power meter of type F 651 [2] The electronic meter contains a pulse-width modulator, the input of which is connected to the first input bus, and the output with the first input of the pulse-amplitude modulator, the second input of which is connected to the second input bus, and the output with the first input of the reversing unit, the output of which is connected to the input of the integrator, the output of which is connected to the input of the comparator, the first output of which is connected to the counting device, and the second to torym reversing input unit.

Недостатком этого счетчика является низкая точность, обусловленная использованием в схемах интегратора и компаратора операционных усилителей с RC-цепочками, в которых происходит со временем "уход" параметров. Так, "уход" параметров конденсаторов (в том числе используемые в указанном счетчике конденсаторы К73-11) за 1,5 года составляет от 10 до 15% (Справочник по электрическим конденсаторам. М. Радио и связь, 1983, с.172). Подвержены изменениям характеристики этих элементов и от температурных колебаний, что также сказывается на снижении точности измерений счетчика. The disadvantage of this counter is its low accuracy, due to the use of operational amplifiers with RC chains in the integrator and comparator circuits, in which the parameters “go away” over time. So, the “care” of the capacitor parameters (including the K73-11 capacitors used in the indicated counter) for 1.5 years is from 10 to 15% (Handbook of electric capacitors. M. Radio and Communications, 1983, p. 172). The characteristics of these elements and from temperature fluctuations are also subject to changes, which also affects the decrease in the accuracy of meter measurements.

Целью изобретения является повышение точности счетчика при сохранении ее в течение длительного безотказного срока службы и отсутствии зависимости от окружающих условий температуры, влажности при эксплуатации и при хранении. The aim of the invention is to increase the accuracy of the meter while maintaining it for a long trouble-free service life and the absence of dependence on ambient temperature, humidity during operation and storage.

Это решается тем, что в известный счетчик, содержащий широтно-импульсный модулятор, вход которого соединен с первой входной шиной, а выход с первым входом амплитудно-импульсного модулятора, второй вход которого соединен со второй входной шиной, а выход с первым входом интегратора, и счетное устройство, введены нуль-орган, регистр сдвига, генератор тактовой частоты и коммутатор, причем вход нуль-органа соединен с выходом интегратора, а выход с первым входом регистра сдвига, второй вход которого соединен с выходом генератора тактовой частоты, первый выход регистра соединен с третьим входом амплитудно-импульсного модулятора, со входом счетного устройства и с первым входом коммутатора, а второй выход регистра соединен со вторым входом коммутатора, выход которого соединен со вторым входом интегратора. This is solved by the fact that in a known meter containing a pulse-width modulator, the input of which is connected to the first input bus, and the output with the first input of the pulse-amplitude modulator, the second input of which is connected to the second input bus, and the output with the first input of the integrator, and a counting device, a zero-organ, a shift register, a clock generator and a switch are introduced, the input of a zero-organ connected to the output of the integrator, and the output with the first input of the shift register, the second input of which is connected to the output of the clock First register output connected to a third input of the pulse amplitude modulator to the input of the counting device and the first input switch and the second output register is connected to the second input switch, whose output is connected to the second input of the integrator.

Введение в схему счетчика цепочки: регистр сдвига, генератор тактовой частоты, нуль-орган с указанными выше связями между ними обеспечивают высокую точность счетчика, т.к. всегда в процессе измерений идет компенсация смещений параметров и т.о. отсутствует "уход" параметров со временем, в зависимости от температуры и т.п. что наблюдается в схемах прототипа и аналогичных устройств. Благодаря этому решению заявляемый счетчик соответствует 2 классу точности, а его межповерочный интервал составляет 8 лет. Introduction to the chain counter circuit: shift register, clock, zero-organ with the above relationships between them provide high accuracy of the counter, because always in the process of measuring the compensation of parameter shifts, etc. there is no "departure" of parameters over time, depending on temperature, etc. what is observed in the schemes of the prototype and similar devices. Thanks to this decision, the inventive counter corresponds to accuracy class 2, and its calibration interval is 8 years.

На фиг.1 приведена структурная схема электронного счетчика электроэнергии; на фиг.2 фрагмент принципиальной схемы конкретной реализации измерительной части счетчика электроэнергии. Figure 1 shows the structural diagram of an electronic electricity meter; figure 2 a fragment of a schematic diagram of a specific implementation of the measuring part of the electricity meter.

Электронный счетчик электроэнергии (фиг.1) содержит широтно-импульсный модулятор (ШИМ) 1, амплитудно-импульсный модулятор (АИМ) 2, интегратор 3, нуль-орган 4, регистр сдвига 5, генератор тактовой частоты 6, коммутатор 7 и счетное устройство 8, при этом ко входу ШИМ 1 подключена первая шина (составляющая напряжения), а его выход соединен с первым входом АИМ 2, второй вход которого соединен со второй шиной (токовой составляющей), а выход АИМ с первым входом интегратора 3, выход которого связан со входом нуль-органа 4, выход которого соединен с первым входом регистра сдвига 5, второй вход которого соединен с выходом генератора тактовой частоты 6, первый выход регистра соединен с третьим входом АИМ 2, со входом счетного устройства 8 и с первым входом коммутатора 7, а второй выход регистра 5 соединен со вторым входом коммутатора 7, выход которого соединен со вторым входом интегратора 3. The electronic electricity meter (figure 1) contains a pulse-width modulator (PWM) 1, pulse-amplitude modulator (AIM) 2, integrator 3, zero-organ 4, shift register 5, clock generator 6, switch 7 and counting device 8 , while the first bus (voltage component) is connected to the PWM input 1, and its output is connected to the first input of the AIM 2, the second input of which is connected to the second bus (the current component), and the output of the AIM with the first input of the integrator 3, the output of which is connected to the input of the zero-organ 4, the output of which is connected to the first input m shift register 5, the second input of which is connected to the output of the clock generator 6, the first output of the register is connected to the third input of the AIM 2, to the input of the counting device 8 and to the first input of the switch 7, and the second output of the register 5 is connected to the second input of the switch 7, the output of which is connected to the second input of the integrator 3.

На фиг.2 ШИМ реализован на элементах 9 11, резисторах 12 15 и конденсаторе 16. Интегратор 3 на элементе 17, резисторах 18 20 и конденсаторах 21,22. Генератор тактовой частоты 6 на элементах 23 26. In Fig.2, the PWM is implemented on elements 9 11, resistors 12 15 and capacitor 16. Integrator 3 on element 17, resistors 18 20 and capacitors 21.22. Clock generator 6 on elements 23 26.

Счетчик работает следующим образом. The counter works as follows.

По первой и второй входным шинам счетчика на ШИМ 1 и АИМ 2 соответственно поступают сигналы, характеризующие мгновенные значения напряжения и тока, подаваемые на нагрузку (на чертеже не показана) от источника переменного тока (не показан). Выходной сигнал с ШИМ 1 модулирует входной сигнал, поступающий на АИМ 2, и с выхода АИМ 2 амплитудно-модулированный сигнал, среднее значение которого пропорционально мощности, потребляемой нагрузкой, а первый вход интегратора 3, проинтегрированный сигнал, пропорциональный потребляемой энергии, поступает на вход нуль-органа 4. Signals characterizing the instantaneous values of voltage and current supplied to the load (not shown) from an alternating current source (not shown) are received along the first and second input busbars of the counter to PWM 1 and AIM 2, respectively. The output signal from PWM 1 modulates the input signal coming to AIM 2, and from the output of AIM 2 an amplitude-modulated signal, the average value of which is proportional to the power consumed by the load, and the first input of the integrator 3, an integrated signal proportional to the consumed energy, goes to the input zero organ 4.

Допустим, что в данный момент времени на выходе интегратора 3 находится положительный уровень напряжения, тогда на выходе нуль-органа 4 устанавливается уровень логической "1", который повторяется на выходах регистра сдвига 5. Логическая "1" с первого выхода регистра 5 поступает на счетное устройство 8 и на третий вход АИМ 2. Suppose that at a given moment at the output of the integrator 3 there is a positive voltage level, then at the output of the zero-organ 4 the logical level “1” is set, which is repeated at the outputs of the shift register 5. Logical “1” from the first output of the register 5 goes to the counting device 8 and to the third input of the AIM 2.

В соответствии с табл. 1 и 2 истинности АИМ 2 и коммутатора 7 соответственно АИМ инвертирует свое значение, коммутатор 7 в закрытом состоянии. In accordance with the table. 1 and 2 the truth of the AIM 2 and the switch 7, respectively, the AIM inverts its value, the switch 7 in the closed state.

Поэтому среднее значение напряжения, подаваемого на вход интегратора, будет отрицательным, и интегратор 3 будет уменьшать напряжение на своем выходе с течением времени, при переходе через ноль этого напряжения, нуль-орган установится в "0". Тогда по приходу фронта импульса от тактового генератора 6 регистр 5 установится в состояние: первый выход "0" (первый разряд), второй выход "1" (последний разряд), и коммутатор 7 подключит ко второму входу интегратора -Е_оп (табл.2). Интегратор начнет получать эталонную порцию энергии. Одновременно с первого выхода регистра 5 управляющий сигнал поменяет на АИМ 2 полярность выходных сигналов (табл.1). Через время, определенное тактовым генератором, второй выход регистра 5 перейдет в состояние "0", и коммутатор 7 отключит опорное напряжение. При этом интегратор за эталонное время от эталонного источника получит строго определенное количество электричества, и ко входу интегратора опять останется подключен только входной сигнал, количество электричества от которого уравняет количество электричества от эталонного источника. После чего интегратор сменит полярность на своем выходе, нуль-орган 4 перейдет в "1", и в течение времени, определенном тактовым генератором 6 в соответствии с табл.2, интегратор получит количество электричества уже от +Е_оп. АИМ 2 сменит полярность выходного сигнала, а интегратор 3 приступит к уравниванию эталонного количества электричества и далее процесс повторяется.Therefore, the average value of the voltage supplied to the input of the integrator will be negative, and the integrator 3 will reduce the voltage at its output over time, when passing through zero of this voltage, the zero-organ will be set to "0". Then, upon the arrival of the pulse front from the clock generator 6, register 5 will be set to the state: first output "0" (first discharge), second output "1" (last discharge), and switch 7 will connect the integrator -E _op to the second input of the integrator (Table 2 ) The integrator will begin to receive a reference portion of energy. At the same time, from the first output of register 5, the control signal will change the polarity of the output signals to AIM 2 (Table 1). After the time determined by the clock, the second output of the register 5 will go into the state "0", and the switch 7 will turn off the reference voltage. In this case, the integrator receives a strictly defined amount of electricity from the reference source for the reference time, and only the input signal remains connected to the integrator's input, the amount of electricity from which equalizes the amount of electricity from the reference source. After which the integrator will change the polarity at its output, the null-organ 4 will go to "1", and during the time determined by the clock generator 6 in accordance with Table 2, the integrator will receive the amount of electricity already from + E _op . AIM 2 will change the polarity of the output signal, and integrator 3 will begin to equalize the reference amount of electricity and then the process is repeated.

Предположим, что на входе счетчика отсутствует нагрузка, тогда на интегратор будет воздействовать только напряжение смещения самого интегратора. Пусть после подключения нагрузки на входе интегратора будет отрицательное напряжение, а U_см имеет знак "+". Тогда с течением времени интегратор будет повышать свое выходное напряжение, при переходе через "0" интегратор получит порцию количества электричества со знаком "+", чем еще больше повысит выходной уровень. АИМ 2 поменяет полярность выходного сигнала, а т.к. сигнал 0, то на интегратор будет воздействовать только +U_см и интегратор войдет в насыщение, аналогично интегратор войдет в насыщение если будет -U_см, т.е. в схеме отсутствует самоход.Assume that there is no load at the counter input, then only the bias voltage of the integrator itself will affect the integrator. Suppose that after connecting the load at the input of the integrator there will be a negative voltage, and U _cm has the sign "+". Then over time, the integrator will increase its output voltage, when passing through "0" the integrator will receive a portion of the amount of electricity with a "+" sign, which will further increase the output level. AIM 2 will change the polarity of the output signal, as signal 0, then the integrator will be affected only by + U _cm and the integrator will enter saturation, similarly the integrator will enter saturation if it is -U _cm , i.e. there is no self-propelled in the circuit.

Таким образом, применение принципа равенства количества электричества, получаемого интегрирующими конденсаторами от входного тока и от опорного тока, за счет введения тактового генератора 6 и коммутатора 7, позволило исключить влияние нестабильности величины емкости конденсаторов от температуры и времени и нестабильности переключения нуль-органа 4. Применение интегрирования в двух направлениях за счет использования регистра 5 для определения полярности подачи эталонного напряжения, позволяет исключить ошибку от нестабильности нуля интегратора, т.к. напряжение смещения нуля при интегpиpовании в одном направлении складывается со входной величиной, а в обратном -- вычитается, а в целом за период погрешность от напряжения смещения компенсируется. Thus, the application of the principle of equality of the amount of electricity received by the integrating capacitors from the input current and from the reference current, due to the introduction of a clock 6 and a switch 7, eliminated the influence of the instability of the capacitance in terms of temperature and time and the instability of switching the zero-organ 4. Application integration in two directions through the use of register 5 to determine the polarity of the supply of the reference voltage, eliminates the error from instability of zero ntegratora because When integrating in one direction, the zero bias voltage is added to the input value, and in the opposite, it is subtracted, and in general, the error from the bias voltage is compensated for the period.

Принцип действия устройства основан на мгновенном перемножении и преобразовании полученного напряжения в частоту. В устройстве применен импульсный перемножитель, обеспечивающий достаточную точность при 25^оС не хуже 0,001%
Основные блоки и узлы предлагаемого устройства могут быть реализованы следующим образом: ШИМ 1, АИМ 2 на микросхеме К561 КП1, интегратор 3 и нуль-орган 4 на операционных усилителях, регистр сдвига 5 на микросхеме К561 ИР2, коммутатор 7 на микросхеме К561 КП2, счетное устройство может быть реализовано любой известной схемой.The principle of operation of the device is based on the instant multiplication and conversion of the resulting voltage into frequency. The device applied a pulse multiplier, providing sufficient accuracy at ²⁵ ° C is worse than 0.001%
The main blocks and nodes of the proposed device can be implemented as follows: PWM 1, AIM 2 on the K561 KP1 chip, integrator 3 and zero-organ 4 on operational amplifiers, shift register 5 on the K561 KP2 chip, switch 7 on the K561 KP2 chip, counting device can be implemented by any known circuit.

Claims

ELECTRONIC ELECTRICITY METER, containing a pulse-width modulator, the input of which is connected to the first input bus, and the output to the first input of the amplitude-pulse modulator, the second input of which is connected to the second input bus, and the output to the first input of the integrator, and a counting device, characterized in that a null-organ, a shift register, a clock generator and a switch are introduced into it, and the input of the null-organ is connected to the output of the integrator, and the output is the first input of the shift register, the second input of which is connected to the gene clock, the first output of the shift register is connected to the third input of the amplitude-pulse modulator, to the input of the counting device and to the first input of the switch, and the second output of the shift register is connected to the second input of the switch, the output of which is connected to the second input of the integrator, and the third and fourth inputs with busbars of negative and positive reference voltages, respectively.