Способ измерения частоты переменного напряжения и устройство для его осуществления
Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в автоматике энергосистем. Способизмерения заключается в том, что формируют эталонные интервалы времени Дг, определяют 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 времязадающих элемента, два аналого-цифровых преобразователя, одно решающее устройство, один ключ, два интегратора, одно устройство индикации. 3 ил.Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в автоматике энергосистем.Известен способ определения частоты переменного напряжения (а.с. СССР N? 1048529, МКИ G 01 R 23/00, 1983), согласно которому формируют эталонные промежутки времени. Недостатком способа является низкое быстродействие определения частоты.Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения частоты переменного напряжения и устройство для его реализации (а.с. СССР № 1185260, МКИ G 01 R 23/00, 1985), по которому формируют эталонные интервалы времени Л t, измеряют мгновенные значения контролируемого напряжения, фиксируют три из них Vi; V2: Va, следующих через эталонные интервалы времени At, а частоту f определяют согласно математическому выражению1 Vi+Vaf =27rAtarccos2 V2Устройство для определения частоты переменного напряжения содержит генератор импульсов, последовательно соединенные первый и второй блоки задержки, последовательно соединенные первый и второй регистры памяти, управляющие входы которых подключены соответственно к выходам первого и второго блоков задержки, сумматор, первый вход которого подключен к выходу первого регистра памяти, АЦП, третий регистр памяти, последовательно соединенные делитель, ЦАП и функциональный преобразователь, выход генератора импульсов соединен с управляющим вх'одом АЦП, входом первого блока задержки и управляющим входом третьего регистра памяти, выход второго регистрг памяти соединен с входом третьего регистра памяти и первым входом делителя, выход третьего регистра памяти - с вторым входом сумматора, а выход сумматора - с вторым входом делителя, выход АЦП соединен с входом первого регистра памяти. Этот способ выбран в качестве прототипа.слсXI00о о соDS
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 R 23/00
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ
ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4898509/21 (22) 03,01,91 (46) 07.12.92. Бюл, № 45 (71) Киевский институт инженеров гражданской авиации им.60-летия СССР (72) В.А.Игнатов, Н,В.Боголюбов, Ф.И.Яновский и Н.И.Девяткина (56) Авторское свидетельство СССР
¹ 1185260, кл. G 01 R 23/00, 1985, (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в автоматике энергосистем. Способ
Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в автоматике энергосистем.
Известен способ определения частоты переменного напряжения (а.с. СССР N.
1048529, МКИ G 01 R 23/00. 1983), согласно которому формируют эталонные промежутки времени. Недостатком способа является низкое быстродействие определения частоты.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения частоты переменного напряжения и устройство для его реализации (а.с.
СССР N 1185260, МКИ G 01 R 23/00, 1985), по которому формируют эталонные интервалы времени Л т, измеряют мгновенные значения контролируемого напряжения, фиксируют три из них V1; V2,; уз, следующих через эталонные интервалы времени Ж, а частоту f определяют согласно математическому выражению
1 У1 +V3
f = — — - — - arccoa,,!Ж, „1780036 А1 измерения заключается в том, что формируют эталонные интервалы времени At определяют частоту по формуле
f=
1 1 $1
2х т 2 %
arccos — N, N =- - . где гз t1
51= j V(t)dt, Я2-- f V <> t, « = to+ At;
<о г2
t2 = to + 3 At; тз = (О + 4 Ж.
Устройство содержит один генератор импульсов, четыре времязадающих элемента, два аналого-цифровых преобразователя, одно решающее устройство, один ключ, два интегратора, одно устройство индикации. 3 ил, Устройство для определения частоты переменного напряжения содержит генератор импульсов, последовательно соединенные первый и второй блоки задержки, последовательно соединенные первый и второй регистры памяти, управляющие входы которых подключены соответственно к выходам первого и второго блоков задержки, сумматор, первый вход которого подключен к выходу первого регистра памяти, АЦП, третий регистр памяти, последовательно соединенные делитель, ЦАП и функциональный преобразователь, выход генератора импульсов соединен с управляющим входом АЦП, входом первого блока задержки и управляющим входом третьего регистра памяти, выход второго регистра памяти соединен с входом третьего регистра памяти и первым входом делителя, выход третьего регистра памяти — с вторым входом сумматора, а выход сумматора — c вторым входом делителя, выход АЦП соединен с входом первого регистра памяти. Этот способ выбран в качестве прототипа.
1780036
Недостаток данного способа заключается в низкой точности измерений при низких отношениях сигнал — шум.
Средства автоматики энергосистем (как силовые цепи, так и измерительные каналы) подвержены действию помех и шумов, Кроме того, напряжение силовых цепей не остается стабильным и меняется в зависимости от изменяющейся нагрузки, сопровождается бросками напряжения при включении и выключении силовых агрегатов. Влияют на всплески напряжения и тиристорные ключевые элементы автоматики, Указанные воздействия проявляются в виде аддитивных помех и шумов. При этих условиях контролируемое напряжение имеет вид:
V(t) = Asin вt+(, где А — амплитуда;
О=2&f;
f — частота; (— случайная помеха.
Отношение сигнал — шум равно:
А . 2
2о> где о 2 — дисперсия помехи; (= о .g; о - СКО помехи;
g — коэффициент, равный 2 при доверительной вероятности P =0,95 и при нормальном законе распределения помехи, Представим напряжения Ч1; V2; Чз в виде:
V> = Asln pl +(i; V2 = Asln +
Vz = Assn <+ (з, Определим отношение
Vt+Vs
Чг
p> + sin ф3 + (ф1 + (3 ) — A
1
sin А где p>, pz, + — фазы сигнала V(t) в моменты измерений. Преобразуем отношение М, приняв для определенности 1 = — фз, тогда - — . .-"аш! ю 1 sin p2 +ф— А где ф = @, Учитывая равенство (= (т». g, получим: При отсутствии помех получим: а а sin p Результат измерения частоты при отсутствии помех равен: 1 1 — — — - -;- а ссоа — М. Результат измерения частоты при действии помех равен, 5 - 1 1 f - — — - — - агссса — M. Абсолютная погрешность измерения частоты равна: d=f-f, 10 Относительная погрешность измерения частоты авна: е = ; t00%, Пример. В сети действуют помехи (= 15 =3 В с дисперсией ог = 2,25 В, Математи2 2 ческое ожидание помехи равно нулю, а интервал корреляции меньше периода напряжения, Действующее значение напряжения Чэ = 220 В, амплитуда А = 308 В. 20 Отношение сигнал — шум равно: А2 h =- — 2 = 21080. 2о Выбран интервал времени At = 3 10 с, Фазы сигнала, отвечающие напряжениям V>, Чг, Чз соответственно равны р1 = -2,26 рад;rp2 =.3,2 рад, = 4,14 рад, При отсутствии помех (когда h = >) результат измерения частоты равен: 30 .f — агссоз х 2 3 10 х — 1,18 = 50 Гц, 1 При действии помехи результат измере35 ния частоты равен: 1 1 — 2 2л 3 10 з!и 2,26 + з!и 4,"4 41 65 Г х 41,65 Гц, а0 а1п 3.2 + / Абсолютная погрешность. измерения частоты равна: l O l = 50 = 41,65 = 8,34 Гц. Относительная погрешность равна l el = -ф - 100 = 16,7%, 8,34 При уменьшении отношения сигнал— шум погрешность соответственно возрастает. Таким. образом, известный способ обладает низкой точностью измерения частоты при низких отношениях сигнал — шум, Цель изобретения — повышение точности измерений при низких отношениях сигнал — шум, Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения частоты переменного напряжения, при котором форми178003б руют эталонные интервалы времени At, определяют частоту по формуле 1 1 1 = — — — дГссОБ т ч выполняют интегрирование переменного напряжения V(t) согласно математическим выражениям: ю (1 Sz = f V(t)dt; Sz = f V(t)dt, и и где t> = to+ At; t2 = to + 3 A t; сэ=со+4М . to — момент начала измерений; а величину N определяют как частное от деления первого результата интегрирования S> на второй результат интегрирования $2, а также тем, что величину эталонного интервала времени Лс выбирают в зависимости от требований к длительности одного цикла измерений по условию: Л с = 0,25 сдрпш, гл 2mf где p — приращение фазы переменного напряжения за интервал времени At; сдоп — допустимая длительность одного цикла измерений, Поставленная цель достигается также тем, что в устройство для определения частоты переменного напряжения, содержащее генератор импульсов, первый и второй времязадающие элементы, первый аналогоцифровой преобразователь, решающее устройство, включающее первый и второй регистры памяти, причем выходы первого и второго времязадающих элементов соединены с управляющими входами соответственно первого и второго регистров памяти, выход первого аналого-цифрового преобразователя соединен с входом первого регистра памяти, введены третий и четвертый времязадающие 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 преобразователя соединен с входом второго регистра памяти, выход генератора импульсов через ключ соединен с входами первого, второго, третьего и четвертого времяэадающих элементов, выход первого времязадающего элемента соединен со вторым управляющим входом первого интегратора и управляющим входом первого аналого-цифрового преобразователя, выход второго времязадающего элемента соединен со вторым управляющим входом второго интегратора и управляющим входом второго аналого-цифрового преобразователя, выход третьего времязадающего элемента соединен с пер5 вым управляющим входом второго интегратора, выход четвертого времязадающего элемента соединен с входами "Сброс" соответственного первого и второго интеграторов, первого и второго регистров памяти, 10 управляющим входом решающего устройства, а также с первым управляющим входом ключа, второй управляющий вход которого соединен с клеммой "Пуск" и первым управляющим входом первого интегратора, вы15 ход решающего устройства соединен с входом yci ройства индикации. На фиг.1 приведена временная диаграмма, поясняющая сущность способа; на фиг.2 — структурная схема устройства, реа20 лизующего способ; на фиг.3 — структурная схема решающего устройства. Способ заключается в следующем. Выбирают величину эталонного интервала времени At по формуле 25 Ло 0,25 сдоп, 2xf где Ap — приращение фазы переменного напряжения на интервале времени At; сдоп — допустимая длительность одного 30 цикла измерений; f — частота, известная по априорным данным или по результатам измерения на предыдущем цикле измерений. По условиям измерений на переменное 35 напряжение V(t) = A sin cu t + 4. где А — амплитуда; C0= 2 Xf; f — частота; 40 наложена помеха," с нулевым математическим ожиданием и дисперсией о ., Интер2 вал корреляции помехи по условиям измерений меньше периода переменного напряжения, Выполняют интегрирование напряже.ния V(t) согласно математическим выражениям гз ц $1 =,/ V(t)dt, $2 =,/ Ч(с)бс, (1) 50 где с1 = to + At; tg = to + ЗЬ с; сз = to + 4 Л t; to — момент начала измерений. Определяют результат интегрирования S> на интервале времени to-сз: Si = — (Cos F - Cos(F + 4 Лу) = А И = —,2 sin(F+ 2 Ap) sln2 Лу, А где F — начальная фаза напряжения V(t) в момент to начала измерений. 1780036 Значение S получено из предположения, «ro интервал корреляции помехи меньше периода напряжения, что выполняется на практике. Учтено, что математическое ожидание помехи равно нулю, Поэтому 1с , dt = 0; ) (dt == О. (3) тЗ <2 Определяют результат интегрирования S2 на интервале времени t> — t2. С учетом принятых допущений находят: s2 — — — (cos(F + лp) — cоs(F+ 3 и Лp)) = = — 2 sin(F + 2 Л p ) sin Л p . А Определяют величину N по формуле N = — =-2 cos Лр 51 S2 Находят результат косвенного измерения частоты f по формуле агссоя N, 1 2лЛ1 Особенность способа в том, что интервал интегрирования го-тз в два раза больше интервала t1 — t2, Поэтому на результат измерения частоты не влияет начальная фаза F напряжения U(t), что повышает точность измерений. Высокая точность измерений обеспечивается и тем, что по условиям измерений результат интегрирования помехи на указанных интервалах времени равен нулю (поскольку математическое ожидание помехи равно нулю). Устройство, реализующее способ содержит: интеграторы 1 и 2, аналого-цифровь.е преобразователи 3 и 4, времязадающие элементы 5 — 8, ключ 9, генератор 10 импульсов, решающее устройство 11, устройство индикации 12, Решающее устройство 11 содержит регистры памяти 14 и 15, центральный блок 16, выход которого служит выходом решающего устройства 11. Выходы интеграторов 1 и 2 соединены с входами соответственно первого " и второго 4 АЦП, выходы которых соединены с входами соответственно первого 14 и второго 15 регистров памяти, 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 времязадающих элементов 5-8, выход первого времязадающего элемента 5 соединен со вторым управляющим входом первого интегратора 1, управляющими входами первого АЦП 3 и первого регистра 14 памяти, выход второго времязадающего элемента 6 соединен со вторым управляющим входом второго ингегратора 2 и управляющими входами вто5 55 рого АЦП 4 и второго регистра 15 памяти, выход третьего времязадающего элемента 7 соединен с первым управляющим входом второго интегратора 2, выход четвертого времязадающего элемента 8 соединен с входами "Сброс" первого 1 и второго 2 интеграторов, входами "Сброс" первого 14 и второго 15 регистров памяти, управляющим входом центрального блока 16 и первым управляющим входом ключа 9, второй управляющий вход которого соединен с клеммой 13 "Пуск" и первым управляющим входом интегратора 1. Устройство работает следующим образом. Перед началом измерений соответствующим образом настраивают времязадающие элементы 5-8 с учетом выбранной величины интервала времени Л . Значение ht вводят в регистр памяти блока 16, На вход устройства подают контролируемое напряжение V(t), На клемму 13 "Пуск" подают импульсный сигнал, который включает ключ 9, фиксируя момент начала измерений. Одновременно включается блок 1, Тактовые импульсы генератора 10 через ключ 9 поступают на входы времязадающих элементов 5 — 8. Последние формируют импульсные сигналы в моменты времени t>, t2, тз u tq. Первый интегратор 1 интегрирует напряжение V(t) на интервале времени to — tg, а второй интегратор 2 — на интервале времени tt — t2 согласно зависимостям (1). В момент времени t2 блок 2 прекращает интегрирование по сигналу второго времязадающего элемента 6. Одновременно результат интегрирования Я2, полученный согласно (4), преобразуется блоком АЦП 4 в цифровой эквивалент и запоминается во втором регистре 15 памяти, В момент времени ta блок 1 прекращает интегрирование по сигналу первого времязадающего элемента 5, Одновременно результат интегрирования 31, полученный согласно (2), преобразуется блоком АЦП 3 в цифровой эквивалент и запоминается в первом регистре 14 памяти, В момент времени т4 четвертый времязадающий элемент 8 формирует прямоугольный импульс, передним фронтом которого включается центральный блок 16. Последний считывает содержимое регистров памяти 14 и 15 и с учетом значения La, хранящегося в регистре памяти блока 16, определяют частоту напряжения V(tj по алгоритму (5). Результат измерения отображается на экране устройства индикации 12. Задний фронт прямоугольного импульса осуществляет сброс содержимого регистров 1780036 10 памяти 14 и 15, сброс напряжений 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 0 = 2,25 В, математическое ожиг дание которой равно нулю, а интервал корреляции меньше периода измеряемого напряжения. Действующее значение напряжения Оэф = 220 В, амплитуда А = 300 В, частота f = 50 Гц, В момент начала измерений to фаза напряжения равна F = 2,26 рад. Перед измерением выбирают интервал времени Ж=З 10 В(см. с,Çописания),для чего соответственно настраивают элементы 5 — 8. Значение Лт вводят в регистр памяти блока 16, Первый интегратор 1 интегрирует напряжение V(t) = Аз!и м+ j на интервале времени to-1з, В момент 1з блок 1 прекращает интегрирование напряжения V(t) no сигналу времязадающего элемента 5. Результат интегрирования $1 =-1,570 В с преобразуется блоком АЦП 3 в цифровой эквивалент и запоминается в первом регистре памяти 14. Второй интегратор 2 интегрирует на пряжение Н(т) на интервале времени t1 — t2. В . момент временисг блок2 прекращаетинтегрирование напряжения V(t) по сигналу времязадающего элемента 6. Результат -интегрирования $2- -1,337 В с преобразуется блоком АЦП 4 в цифровой эквивалент и запоминается во втором регистре памяти 15, В момент времени 14 элемент 8 формирует прямоугольный импульс, передний. фронт которого включает центральный блок 16. Последний считывает содержимое регистров 14 и 15 и с учетом значения ht, хранящегося в регистре памяти блока 16, определяет частоту напряжения V(t) по формуле (5): 1 1 f-2л т 2 arccos — N = 0,9425 — 50 Гц, 2кЗ 10 Погрешность полученного результата измерения равна нулю, т.е, д= f- f =50-50=0, Сопоставляя этот результат с полученным для известного способа (см. пример на с,З описания), убеждаемся, что предложенный способ обеспечивает более высокую точность измерений при низких отношениях сигнал — шум. Пример 2 реализации способа. В сети действует помеха с характеристиками, укаэанными в примере 1. Характе55 где t1 = to + At; t2 = to+ ЗЛ t; тз = to+ 4Л t to — момент начала измерений, а величину N определяют как частное от деления первого результата интегрирования S1 на второй результат интегрирования S2. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину эталонного интервала ристики напряжения те же. Выбран интервал времени At = 1 ° 10 с. В момент начала измерений фаза напряжения равна F =- 1,3 рад. В процессе измерений в регистры 14 и 5 15 были записаны результаты интегрирования соответственно S1= 1,079 В с; Яг = 0,567 В с. В момент времени tp блок 16 считывает содержимое регистров 14 и 15 и определяет 10 частоту напряжения по формуле (5) при N = =S1/S2 =1,9: 1 1 f= 2л arccos — N = 0,314 50 Гц. 2 3,14 10 Погрешность данного результата измерения равна нулю. д= 50-50= О, Таким образом, предложенный способ обеспечивает более высокую точность измерений при низких отношениях сигнал — шум. Более высокая точность измерений достигается за счет интегрирования контролируемого напряжения на двух разных по длительности интервалах времени 1з - to = =2(t2 - t1), которым отвечают результаты интегрирования $1 и Яг соответственно, причем величину N определяют как частное от деления S1 на $г, Результаты моделирования устройства, реализуеющего способ, выполненные в КИИГА, свидетельствуют о его высоких технических и метрологических характеристиках, При этом в качестве центрального блока 16 использовался стандартный блок типа 6К 0010. В целом устройство отличается простотой своей структуры и высокой надежностью в работе. Формула изобретения 1. Способ измерения частоты переменного напряжения, при котором формируют эталонные интервалы времени Л t, определяют частоту f по формуле f 1 1 45 — — — - агссол — N. о т л и ч а ю щ и и с л тем, что, с целью повышения точности измерений при низких отношениях сигнал — шум, выполняют интегрирование переменного напряжения V(t) согласно математическим выражениям t3 11 S1- JV(t)dt; Я2 = f V(t)dt. со г 1780036 12 времени At выбирают в зависимости от требований к длительности одного цикла измерений по условию At = — — 0,25 одоп, Дг 2ztf где Ap — приращение фазы переменного напряжения за интервал времени At, tq 10 элемента соединен с вторым управляющим входом первого интегратора и управляющим входом первого аналого-цифрового преобразователя, выход второго времязадающего элемента соединен с вторым уп15 равляющим входом второго интегратора и управляющим входом второго аналого-цифрового преобразователя, выход третьего времязадающего элемента соединен с первым управляющим входом второго интегра20 тора, выход четвертого времязадающего элемента соединен с входами "Сброс" соответственно первого и второго интеграторов, первого и второго регистров памяти, управляющим входом решающего устройства, а 25 также с первым управляющим входом ключа, второй управляющий вход которого соединен с клеммой "Пуск" и первым управляющим входом первого интегратора, выход решающего устройства соединен с 30 входом устройства индикации. Составитель B. Игнатов Техред М.Моргентал Корректор В. Петраш Редактор Е. Рошкова Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород. ул.Гагарина, 101 Заказ 4434 Тираж Подписное ВНИИПИ t осударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035. Москва, Ж-35. Раушская наб., 4!5
