Частотомер промышленного напряжения
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, компаратор, первый - седьмой одновибраторы, генератор прямоугольных импульсов, первый и второй счетчики, первый - четвертый регистры, индикатор, таймер, дешифратор, группу из k-регистров, первый и второй сумматоры, первый и второй блоки деления, блок множителя, блок коррекции, блок задания числа периодов, 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.
Известен цифровой измеритель частоты Ч3-54 ЕЯ2.721.039ТУ, 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, 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, компаратор, первый-пятый одновибраторы, генератор прямоугольных импульсов, первый и второй счетчики, первый регистр, информационный выход которого соединен с информационным входом индикатора, дополнительно введены таймер, дешифратор, второй-четвертый регистры, группа из k регистров, первый и второй сумматоры, первый и второй блоки деления, блок множителя, блок коррекции, блок задания числа периодов, источник опорного напряжения, шестой и седьмой одновибраторы, фильтр нижних частот, вход которого подключен к входной клемме, а выход соединен с первым входом 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, выход которого через третий регистр соединен с информационным входом четвертого регистра, информационный выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, а также с объединенными информационными входами группы из k регистров, информационные выходы которых соединены соответственно с 1-го по k-й входами второго сумматора, (k+1)-й вход которого подключен к выходу блока коррекции, 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 первого счетчика, выход старшего разряда которого соединен с объединенными инверсным входом четвертого одновибратора и тактовым входом второго счетчика, информационный выход которого через дешифратор соединен соответственно с входами управления записью группы из k регистров, выход второго сумматора соединен с входом делимого первого блока деления, вход делителя которого подключен к выходу блока задания числа периодов, а выход первого блока деления соединен с входом делителя второго блока деления, вход делимого которого подключен к выходу блока множителя, а выход второго делителя соединен с информационным входом первого регистра, выход четвертого одновибратора соединен с инверсным входом пятого одновибратора, выход которого соединен с объединенными входом стробирования дешифратора и инверсным входом шестого одновибратора, выход которого соединен с объединенными входом управления записью первого регистра и с инверсным входом седьмого одновибратора, выход которого соединен с входом установки нуля четвертого регистра.
Существенными отличиями предлагаемого технического решения являются введение новых элементов в схему устройства (таймера, второго-четвертого регистров, группы из k регистров, первого и второго сумматоров, первого и второго блоков деления, блока множителя, блока коррекции, блока задания числа периодов, источника опорного напряжения, фильтра нижних частот, дешифратора, шестого и седьмого одновибраторов), 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 промышленного напряжения.
Частотомер содержит входную клемму 1, фильтр нижних частот (ФНЧ) 2, компаратор 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, первый 21 и второй 22 счетчики, дешифратор 23, группу из k регистров 24-25, блок задания числа периодов (БЗЧП) 26, четвертый 27, пятый 28, шестой 29 и седьмой 30 одновибраторы.
Входная клемма 1 через фильтр 2 нижних частот соединена с первым входом 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, выход которого через третий регистр 11 соединен с информационным входом четвертого регистра 12, информационный выход которого соединен с вторым входом первого сумматора 13, а также с объединенными информационными входами группы из k регистров 24-25, информационные выходы которых соединены соответственно с 1-го по k-й входами второго сумматора 14, (k+1)-й вход которого подключен к выходу блока 15 коррекции, 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 первого счетчика 21, выход старшего разряда которого соединен с объединенными инверсным входом четвертого одновибратора 27 и тактовым входом второго счетчика 22, информационный выход которого через дешифратор 23 соединен соответственно с входами управления записью группы из k регистров 24-25, выход второго сумматора 14 соединен с входом делимого первого блока 16 деления, вход делителя которого подключен к выходу блока 26 задания числа периодов, а 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 четвертого одновибратора 27 соединен с инверсным входом пятого одновибратора 28, выход которого соединен с объединенными входом стробирования дешифратора 23 и инверсным входом шестого одновибратора 29, выход которого соединен с объединенными входом управления записью первого регистра 18 и с инверсным входом седьмого одновибратора 30, выход которого соединен с входом установки нуля четвертого регистра 12.
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 счетчиков 21, 22 и регистра 12 равно нулю. В качестве примера емкость счетчика 21 равна 10, а счетчика 22 - 5. В этом случае задаваемое блоком 26 число периодов входного сигнала, в течение которых усредняется частота, равно Nзад=10·5=50, в блоке 20 содержится константа К20=100000000, число регистров 24-25 группы k=5.
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 компаратора 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. К 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 к 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.
По окончании 10-го периода входного сигнала содержимое счетчика 21 становится равным 10, он переполняется и запускает (по заднему фронту напряжения с выхода старшего разряда) одновибратор 27; в регистре 12 накоплена сумма S10=n1+...+n10 за 10 периодов. В этот же момент времени срабатывает счетчик 22, его выходной код становится равным 001.
По окончании выходного импульса одновибратора 27 запускается одновибратор 28, выходной импульс которого стробирует дешифратор 23. Поскольку к информационным входам дешифратора 23 приложен код 001 с выхода счетчика 22, то при стробировании на втором выходе дешифратора 23 появляется напряжение, управляющее записью суммы S10 во второй регистр группы из k регистров 24-25. В этот момент времени в остальных регистрах 24-25 группы находится информация, накопленная за 4 предыдущих интервала по 10 периодов.
С выхода регистров 24 - 25 на первые k входов сумматора 14 поступают суммы S10-i (где i=1...k), на (k+1)-й вход сумматора 14 с выхода БК 15 поступает код коррекции K15, компенсирующий погрешности частотомера. На выходе сумматора 14 появляется сумма
Эта сумма поступает на вход делимого БД 16, к входу делителя которого с выхода БЗЧП 26 прикладывается код, равный 50.
На выходе первого блока 1 6 деления появляется частное, приложенное к входу делителя второго блока 17 деления, 
К 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 50 периодов.
Например, при неизменной 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-i=200000. Такая же сумма S10-i=200000 хранится в каждом из регистров 24-25 группы. 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 1290190 РФ, 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 2169927 РФ, МКП G01R 23/00, 23/10. Устройство для измерения частоты синусоидального сигнала / А.П.Карасев, В.Е.Булдин (РФ). - 2001, Бюл. №18.
4. Патент 1485145 РФ, МКП G01R 23/02, G06F 17/18. Система для измерения отклонений частоты промышленного напряжения / В.Ф.Ермаков (РФ). - 1989, Бюл. №21.
Частотомер промышленного напряжения, содержащий входную клемму, компаратор, первый-пятый одновибраторы, генератор прямоугольных импульсов, первый и второй счетчики, первый регистр, информационный выход которого соединен с информационным входом индикатора, отличающийся тем, что в него дополнительно введены таймер, дешифратор, второй-четвертый регистры, группа из k регистров, первый и второй сумматоры, первый и второй блоки деления, блок множителя, блок коррекции, блок задания числа периодов, источник опорного напряжения, шестой и седьмой одновибраторы, фильтр нижних частот, вход которого подключен к входной клемме, а выход соединен с первым входом 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, выход которого через третий регистр соединен с информационным входом четвертого регистра, информационный выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, а также с объединенными информационными входами группы из k регистров, информационные выходы которых соединены соответственно с 1-го по k-й входами второго сумматора, (k+1)-й вход которого подключен к выходу блока коррекции, 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 первого счетчика, выход старшего разряда которого соединен с объединенными инверсным входом четвертого одновибратора и тактовым входом второго счетчика, информационный выход которого через дешифратор соединен соответственно с входами управления записью группы из k регистров, выход второго сумматора соединен с входом делимого первого блока деления, вход делителя которого подключен к выходу блока задания числа периодов, а выход первого блока деления соединен с входом делителя второго блока деления, вход делимого которого подключен к выходу блока множителя, а выход второго делителя соединен с информационным входом первого регистра, выход четвертого одновибратора соединен с инверсным входом пятого одновибратора, выход которого соединен с объединенными входом стробирования дешифратора и инверсным входом шестого одновибратора, выход которого соединен с объединенными входом управления записью первого регистра и с инверсным входом седьмого одновибратора, выход которого соединен с входом установки нуля четвертого регистра.
