Частотомер для промышленных электрических сетей
Предложенное изобретение относится к области информационно-измерительной и вычислительной техники и может быть использовано в электроэнергетике для контроля усредненных значений частоты в промышленных электрических сетях переменного тока с номинальной частотой 50 или 60 Гц. Технические задачи, решаемые изобретением, - упрощение схемы устройства, повышение его быстродействия и точности. Предложенный частотомер для промышленных электрических сетей содержит входную клемму, аналоговый компаратор, первый - пятый одновибраторы, генератор прямоугольных импульсов, счетчик, первый - четвертый регистры, индикатор, таймер, первый и второй сумматоры, первый и второй блоки деления, блок множителя, блок коррекции, блок задания числа периодов, числовой компаратор, источник опорного напряжения и фильтр нижних частот, соответствующим образом соединенные между собой в единую электрическую схему. 1 ил.
Предлагаемое изобретение относится к области информационно-измерительной и вычислительной техники и может быть использовано в электроэнергетике для контроля усредненных значений частоты в промышленных электрических сетях переменного тока с номинальной частотой 50 или 60 Гц.
Известно устройство для измерения частоты синусоидального сигнала, выполненное на базе измерительного прибора Э8036 ТУ 25-7504.133-97. Указанный измерительный прибор является электромеханическим устройством со стрелочным индикатором, работающим в диапазоне 45-55 Гц.
Недостатками данного устройства являются узкий диапазон измеряемых частот и низкая точность - прибор Э8036 имеет класс точности 4.
Известен цифровой измеритель частоты Ч3-54 ЕЯ2.721.039 ТУ, содержащий формирователь импульсов, распределитель импульсов, генератор импульсов, счетчик импульсов, регистр и цифровые индикаторы.
Принцип работы цифрового измерителя частоты заключается в подсчете счетчиком числа пересечений нуля входным напряжением за фиксированный интервал времени, задаваемый генератором и распределителем импульсов с последующей индикацией числа пересечений нуля цифровым индикатором.
Недостатком измерителя является значительное время усреднения (счета), необходимое для получения требуемой точности измерений.
Известен цифровой датчик промышленной частоты [1], содержащий фильтр нижних частот, аналоговый компаратор, эталонный генератор, блоки формирования импульсов "Перенос Т" и "Установка 0", блоки "Контроль", "Ограничение", "Коррекция", блок цифроуправляемых сопротивлений, счетчик импульсов, счетчик с предустановкой, регистр, цифроаналоговый преобразователь, аналоговый сумматор.
Недостатками указанного аналога являются невысокая точность, а также неудобство в эксплуатации, обусловленные необходимостью для отображения в цифровом виде значения контролируемой частоты подключения к выходу датчика аналого-цифрового преобразователя (поскольку на выходе датчика появляется напряжение, пропорциональное частоте сети).
Известен цифровой измеритель частоты [2], содержащий формирователь интервала измерения, генератор образцовых частот, счетчики импульсов, сумматор, блок индикации, элемент задержки, RS-триггер, ключ, регистр, D-триггер, двухвходовой элемент И.
Недостатком измерителя является значительное время усреднения (счета), необходимое для получения требуемой точности измерений.
К аналогам предлагаемого технического решения также относится устройство для измерения частоты синусоидального сигнала [3], содержащее генератор импульсов, распределитель импульсов, счетчик импульсов, регистр, цифровые индикаторы, входной формирователь импульсов, выпрямитель, n входных формирователей импульсов, (n+1) выходных формирователей импульсов, источник опорных напряжений, элемент ИЛИ.
Недостатками данного аналога являются значительное время измерения, а также невысокая точность.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является система для измерения отклонений частоты промышленного напряжения [4], содержащая входную клемму, аналоговый компаратор, генератор эталонной частоты, делители частоты, два оперативных запоминающих устройства, два двоично-десятичных счетчика, четыре двоичных счетчика, два шифратора, два распределителя уровней, два индикатора, три триггера, регистр, многоканальный коммутатор, элементы И и ИЛИ, многопозиционный и двухпозиционный переключатели, кнопку управления.
Недостатками прототипа являются сложность схемы, слишком большой интервал усреднения наблюдаемой частоты (10 минут), снижающий быстродействие прототипа, недостаточно высокая точность.
Технические задачи, решаемые изобретением, - упрощение схемы устройства, повышение его быстродействия и точности.
Указанные технические задачи решаются благодаря тому, что в систему для измерения отклонений частоты промышленного напряжения, содержащую входную клемму, аналоговый компаратор, первый-пятый одновибраторы, генератор прямоугольных импульсов, счетчик, первый регистр, информационный выход которого соединен с информационным входом индикатора, дополнительно введены таймер, второй-четвертый регистры, первый и второй сумматоры, первый и второй блоки деления, блок множителя, блок коррекции, блок задания числа периодов, числовой компаратор, источник опорного напряжения, фильтр нижних частот, вход которого подключен к входной клемме, а выход соединен с первым входом аналогового компаратора, второй вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, а выход компаратора соединен с входом первого одновибратора, выход которого соединен с инверсным входом второго одновибратора и с входом управления записью второго регистра, информационный вход которого через таймер подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, а информационный выход второго регистра соединен с первым входом первого сумматора, второй вход которого объединен с первым входом второго сумматора и подключен к информационному выходу четвертого регистра, а выход первого сумматора через третий регистр соединен с информационным входом четвертого регистра, выход второго одновибратора соединен с объединенными входом установки нуля таймера и входом управления записью третьего регистра, а также с инверсным входом третьего одновибратора, выход которого соединен с объединенными входом управления записью четвертого регистра и тактовым входом счетчика, информационный выход которого соединен с объединенными первым входом числового компаратора и входом делителя первого блока деления, вход делимого которого подключен к выходу второго сумматора, второй вход которого подключен к выходу блока коррекции, выход первого блока деления соединен с входом делителя второго блока деления, вход делимого которого подключен к выходу блока множителя, а выход второго блока деления соединен с информационным входом первого регистра, выход блока задания числа периодов соединен со вторым входом числового компаратора, выход которого "А=В" (где А и В - соответственно, коды двоичных чисел на первом и втором входах числового компаратора) через четвертый одновибратор соединен с объединенными входом записи первого регистра и с инверсным входом пятого одновибратора, выход которого соединен с объединенными входами установки нуля четвертого регистра и счетчика.
Существенными отличиями предлагаемого технического решения являются введение новых элементов в схему устройства (таймера, второго-четвертого регистров, первого и второго сумматоров, первого и второго блоков деления, блока множителя, блока коррекции, блока задания числа периодов, числового компаратора, источника опорного напряжения, фильтра нижних частот), организация новой структуры устройства и введение новых связей между элементами его схемы; при этом достигается существенное уменьшение общего числа компонентов элементной базы устройства и сокращение числа связей между элементами. Указанные существенные отличия обеспечивают достижение положительного эффекта - упрощение схемы устройства, повышение его быстродействия и точности.
На чертеже представлена структурная схема частотомера для промышленных электрических сетей.
Частотомер содержит входную клемму 1, фильтр нижних частот (ФНЧ) 2, аналоговый компаратор (АК) 3, источник опорного напряжения (ИОН) 4, первый 5, второй 6 и третий 7 одновибраторы, генератор прямоугольных импульсов (ГПИ) 8, таймер 9, второй 10, третий 11 и четвертый 12 регистры, первый 13 и второй 14 сумматоры, блок коррекции (БК) 15, первый 16 и второй 17 блоки деления (БД), первый регистр 18, индикатор 19, блок множителя (БМ) 20, счетчик 21, блок задания числа периодов (БЗЧП) 22, числовой компаратор (ЧК) 23, четвертый 24 и пятый 25 одновибраторы.
Входная клемма 1 через фильтр 2 нижних частот соединена с первым входом аналогового компаратора 3, второй вход которого подключен к выходу источника 4 опорного напряжения, а выход компаратора 3 соединен с входом первого одновибратора 5, выход которого соединен с инверсным входом второго одновибратора 6 и с входом управления записью второго регистра 10, информационный вход которого через таймер 9 подключен к выходу генератора 8 прямоугольных импульсов, а информационный выход второго регистра 10 соединен с первым входом первого сумматора 13, второй вход которого объединен с первым входом второго сумматора 14 и подключен к информационному выходу четвертого регистра 12, а выход первого сумматора 13 через третий регистр 11 соединен с информационным входом четвертого регистра 12, выход второго одновибратора 6 соединен с объединенными входом установки нуля таймера 9 и входом управления записью третьего регистра 11, а также с инверсным входом третьего одновибратора 7, выход которого соединен с объединенными входом управления записью четвертого регистра 12 и тактовым входом счетчика 21, информационный выход которого соединен с объединенными первым входом числового компаратора 23 и входом делителя первого блока 16 деления, вход делимого которого подключен к выходу второго сумматора 14, второй вход которого подключен к выходу блока 15 коррекции, выход первого блока 16 деления соединен с входом делителя второго блока 17 деления, вход делимого которого подключен к выходу блока 20 множителя, а выход второго делителя 17 соединен с информационным входом первого регистра 18, информационный выход которого соединен с информационным входом индикатора 19, выход блока 22 задания числа периодов соединен со вторым входом числового компаратора 23, выход которого "А=В" (где А и В - соответственно, коды двоичных чисел на первом и втором входах числового компаратора 23) через четвертый одновибратор 24 соединен с объединенными входом записи первого регистра 18 и с инверсным входом пятого одновибратора 25, выход которого соединен с объединенными входами установки нуля четвертого регистра 12 и счетчика 21.
Генератор 8 выполнен кварцевым, его частота равняется 1-20 МГц (в зависимости от необходимой точности). Частота среза ФНЧ 2 выбирается равной 90 Гц.
Частотомер работает следующим образом.
Рассмотрим работу частотомера с момента, в который содержимое счетчика 21 и регистра 12 равно нулю. Задаваемое блоком 22 число периодов входного сигнала Nзад=10, в блоке 20 содержится константа К20=100000000.
После прохождения через ФНЧ 2 синусоидальное напряжение поступает на вход компаратора 3. При превышении входным напряжением выходного напряжения ИОН 4 компаратор срабатывает и на его выходе появляется единичное напряжение. По переднему фронту выходного напряжения АК 3 запускается одновибратор 5, который своим выходным импульсом переписывает содержимое n1 таймера 9, накопленное в нем за предыдущий период входного напряжения и пропорциональное длительности периода, в регистр 10. Ко входу сумматора 13 прикладываются коды n1 (с выхода регистра 10) и "0" (с выхода регистра 12). На выходе сумматора 13 при этом появляется код n1.
По заднему фронту выходного импульса одновибратора 5 запускается одновибратор 6, выходной импульс которого обнуляет содержимое таймера 9 и управляет записью в промежуточный регистр 11 кода n1 с выхода сумматора 13. По окончании выходного импульса одновибратора 6 запускается одновибратор 7, выходной импульс которого переписывает код n1 из промежуточного регистра 11 в регистр 12, а также увеличивает на единицу содержимое счетчика 21 - оно становится равным единице.
После окончания выходного импульса одновибратора 6 таймер 9 начинает подсчитывать выходные импульсы ГПИ 8, определяя код числа n2 за очередной период входного напряжения.
При срабатывании компаратора 3 в начале следующего периода входного сигнала ко входам сумматора 13 прикладываются коды n2 (с выхода регистра 10) и n1 (с выхода регистра 12). На выходе сумматора 13 при этом появляется сумма n1+n2. Эта сумма последовательно заносится в регистры 11 и 12.
После окончания 10-го периода входного сигнала содержимое счетчика 21 становится равным 10; в регистре 12 накоплена сумма S10=n1+...+n10 за 10 периодов.
Эта сумма поступает на первый вход второго сумматора 14, на второй вход которого с выхода БК 15 поступает код коррекции K15, компенсирующий погрешности частотомера. На выходе сумматора 14 появляется сумма
S14=S10+K15.
Эта сумма поступает на вход делимого БД 16, ко входу делителя которого с выхода счетчика 21 приложен код, равный 10.
На выходе первого блока 16 деления появляется частное, приложенное ко входу делителя второго блока 17 деления, 
Ко входу делимого БД 17 с выхода БМ 20 приложен код константы К20=100000000. В результате на выходе блока 17 деления присутствует код
Этот код пропорционален частоте сети входного напряжения частотомера, усредненной за 10 периодов.
Например, при номинальной частоте сети 50 Гц, частоте ГПИ 8 1 МГц и неучете погрешности (т.е. K15=0) таймером 8 за каждый период подсчитывается число nн=1000000/50=20000. За 10 периодов в регистре 12 накапливается сумма S10=200000. На выходе БД 17 присутствует код
Этот код записывается в регистр 18 и отображается на индикаторе 19. После первых двух цифр непрерывно засвечена запятая. В результате на индикаторе отображена частота "50,00 Гц".
Преимуществами предлагаемого частотомера по сравнению с известными являются более простая и более надежная схема, большее быстродействие и меньшая погрешность устройства.
Источники информации
1. Розенблюм Ф.М., Гришанов В.Г, Белов В.П., Иванов Л.К. Цифровой датчик промышленной частоты // Электрические станции. - 1077. - №1. - С.65-68.
2. Патент РФ 1290190, МПК G01R 23/00. Цифровой измеритель частоты / Ю.С.Антипов, В.А.Астапов, В.Г.Леонов и Н.Н.Родионова (РФ). - 1987, Бюл. №6.
3. Патент РФ 2169927, МКП G01R 23/00, 23/10. Устройство для измерения частоты синусоидального сигнала / А.П.Карасев, В.Е.Булдин (РФ). - 2001, Бюл. №18.
4. Патент РФ 1485145, МКП G01R 23/02, G06F 17/18. Система для измерения отклонений частоты промышленного напряжения / В.Ф.Ермаков (РФ). - 1989, Бюл. №21.
Частотомер для промышленных электрических сетей, содержащий входную клемму, аналоговый компаратор, первый - пятый одновибраторы, генератор прямоугольных импульсов, счетчик, первый регистр, информационный выход которого соединен с информационным входом индикатора, отличающийся тем, что в него дополнительно введены таймер, второй - четвертый регистры, первый и второй сумматоры, первый и второй блоки деления, блок множителя, блок коррекции, блок задания числа периодов, числовой компаратор, источник опорного напряжения, фильтр нижних частот, вход которого подключен к входной клемме, а выход соединен с первым входом аналогового компаратора, второй вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, а выход компаратора соединен с входом первого одновибратора, выход которого соединен с инверсным входом второго одновибратора и с входом управления записью второго регистра, информационный вход которого через таймер подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, а информационный выход второго регистра соединен с первым входом первого сумматора, второй вход которого объединен с первым входом второго сумматора и подключен к информационному выходу четвертого регистра, а выход первого сумматора через третий регистр соединен с информационным входом четвертого регистра, выход второго одновибратора соединен с объединенными входом установки нуля таймера и входом управления записью третьего регистра, а также с инверсным входом третьего одновибратора, выход которого соединен с объединенными входом управления записью четвертого регистра и тактовым входом счетчика, информационный выход которого соединен с объединенными первым входом числового компаратора и входом делителя первого блока деления, вход делимого которого подключен к выходу второго сумматора, второй вход которого подключен к выходу блока коррекции, выход первого блока деления соединен с входом делителя второго блока деления, вход делимого которого подключен к выходу блока множителя, а выход второго блока деления соединен с информационным входом первого регистра, выход блока задания числа периодов соединен со вторым входом числового компаратора, выход которого "А=В" (где А и В - соответственно, коды двоичных чисел на первом и втором входах числового компаратора) через четвертый одновибратор соединен с объединенными входом записи первого регистра и с инверсным входом пятого одновибратора, выход которого соединен с объединенными входами установки нуля четвертого регистра и счетчика.
