Средства учета количества электричества и электрической энергии

Отечественной промышленностью в модульном исполнении выпускается интегральная микросхема КР1108ПП1 (рисунок 2.4), которая предназначена для преобразования напряжения в частоту следования импульсов, а также для обратного преобразования частоты входного сигнала в напряжение.

Рисунок 2.4 - Интегральная микросхема КР1108ПП1

В состав ИС КР1108ПП1 входит активный интегратор, выполненный на основе ОУ, RS-триггер, работой которого управляют компараторы, а также источники стабильных токов и аналоговые ключи. Работа ПНЧ основана на интегрировании входного напряжения с последующим уравновешиванием накопленного заряда емкости интегратора импульсом стабильной площади по цепи обратной связи. Длительность импульса t0 стабильна и формируется одновибратором t0 = U0C0/I2.

Исходя из принципа работы ПНЧ, можно записать

(Ux/R)T = I1t0, (2.8)

где Ux/R – ток заряда конденсатора; Т – период преобразования.

Частота следования импульсов

f = 1/T = Ux/(R I1t0), тогда

 (2.9)

Таким образом, в данном ПНЧ осуществляется линейное преобразование напряжения UX в частоту f. Погрешность линейности характеристики в частотном диапазоне 5 Гц ÷ 10 кГц не превышает 0,01% при изменении напряжения в пределах 0 ÷ 10 В [22].

Модули электронных интегрирующих преобразователей, как правило, выполняются на основе прецизионных операционных усилителей. Точность интегрирования таких преобразователей существенно зависит от динамического диапазона, спектральных характеристик входных сигналов и частотных характеристик самих операционных усилителей. Современные схемы подобных преобразователей на дискретных компонентах обеспечивают линейность интегрирования от 0,1% до 0,001% [22]. Достаточно подробно рассмотрены схемы таких преобразователей в работах [22, 24, 33, 34], где показаны различные варианты их построения, причем некоторые из них могут быть взяты в качестве базовых при проектировании дозирующих устройств.

Поскольку данному типу схем преобразователей, выполненных на основе интегрирующего ПНЧ с импульсной обратной связью, по существу соответствует краткое название «импульсный интегратор», имеет смысл ввести такой термин для дальнейшего применения в настоящей работе.

Во всех, рассмотренных выше, схемах ПНЧ интегрирующий усилитель работает в однотактном и однополярном режиме. Это означает, что входной информативный параметр подвергается интегрированию только в первом такте цикла, в результате чего интегрирующая емкость получает заряд определенного уровня. Во втором такте за счет отрицательного импульса обратной связи, формируемого, как правило, посредством кратковременного подключения на вход интегратора источника опорного сигнала, имеющего полярность, противоположную входному сигналу, происходит разряд емкости. В результате такой работы в процессе интегрирования неизбежны пропуски информации о входной величине на интервале второго такта преобразования. Несмотря на то, что длительность времени разряда при этом невелика и для большинства схем составляет величину, равную примерно 1/100 времени заряда, подобные прерывания измерительного процесса в некоторых случаях недопустимы, поскольку могут заметно повлиять на точность измерений.

Существование такого недостатка приводит к выводу о необходимости использования при проектировании двухполярной схемы импульсного интегратора (ИИ), которая, в отличие от однополярной, сможет обеспечить непрерывность преобразования информации и вполне достаточную точность при проведении измерений.

Наиболее приемлемая структура построения ИИ, удовлетворяющая требованиям разработки, рассмотрена в [35] и представлена на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 - Структура построения ИИ

Предлагаемая в настоящей работе для применения в дозирующих устройствах схема квантователя (рисунок 2.6), в отличие от схемы (рисунок 2.5) имеет одну существенную особенность. На входе интегрирующего усилителя вместо двух биполярных транзисторов установлены два аналоговых ключа на КМОП-транзисторах, обладающих двусторонней проводимостью [13].

Рисунок 2.6 – Схема квантователя

В последнее время, в качестве аналоговых ключей чаще используют полевые транзисторы, которые обладают значительными преимуществами перед биполярными, за счет того, что проводящий канал пропускает аналоговый сигнал любой полярности. При этом гораздо легче создается гальваническая развязка канала аналогового сигнала с цепью управления и сопротивление при закрытом состоянии достаточно велико – примерно на шесть порядков выше открытого состояния [36].

В дополнение к сказанному, применение аналоговых КМОП-ключей, устанавливаемых во входной цепи интегрирующих усилителей, позволяет уменьшить суммарный ток утечки по входу и выходу ключей, определяемый, в основном, обратными токами p-n–переходов, а противофазное управление ключами уменьшает уровень динамической помехи, возникающей вследствие перезаряда емкостей затвор-сток [37].

Поэтому введение таких ключей в схему позволяет учитывать в процессе интегрирования кратковременные броски обратной полярности измеряемых величин, не превышающих по временным параметрам длительность одного такта. Подобные режимы неизбежно возникают, например, во время работы полупроводниковых вентилей выпрямительных агрегатов, питающих установки для электролиза.

Предлагаемый для использования в дозирующих устройствах ИИ содержит в своем составе инвертор, повторитель напряжения, аналоговые электронные ключи, интегрирующий усилитель и компаратор. Данный преобразователь является двухполярным, т.е. напряжение на выходе интегрирующего усилителя в процессе работы периодически меняет полярность на противоположную.

Временная диаграмма работы ИИ представлена на рисунок 2.7. Входящий в состав преобразователя компаратор, собран на основе операционного усилителя по схеме триггера Шмитта и имеет два устойчивых состояния. Компаратор напряжения срабатывает в тот момент времени, когда напряжение на его неинвертирующем входе переходит через нулевой уровень. Рассмотрение принципа действия импульсного интегратора следует начать с момента нахождения компаратора в одном из устойчивых состояний.

Предположим, что в момент времени t = t0 = 0 (рисунок 2.7) на вход интегрирующего усилителя через замкнутый электронный ключ SW1 подается входное напряжение положительной полярности UВХ1(t). При этом, пропорционально изменению заряда конденсатора С, начинает изменяться выходное напряжение интегрирующего усилителя от некоторого начального значения UИ (t) =UНАЧ =+UП в направлении смены полярности напряжения на выходе интегратора до величины, когда этот уровень станет равным пороговому значению -UП напряжения срабатывания компаратора.

На рисунок 2.7 представлены временные диаграммы, отражающие процесс заряда-разряда интегрирующей емкости преобразователя в зависимости от изменения текущих значений уровня входного сигнала. Величина заряда конденсатора С за время Dt1 = t1 - t0 составит

 (2.10)

Рисунок 2.7 - Временная диаграмма работы ИИ

В момент времени t = t1 при достижении на выходе интегратора порогового уровня UИ(t) = -UП произойдет наполнение интегратора и компаратор переключит электронные ключи, после чего на вход интегрирующего усилителя через ключ SW2 будет подано инвертированное напряжение -UВХ2(t). В результате этого действия направление заряда интегрирующей емкости изменится на противоположное и начнется ее перезаряд, который будет происходить в течение времени Dt2 = t2 - t1, пока напряжение на выходе усилителя не станет равным пороговому уровню UИ(t) =+UП. При этом величина заряда емкости С за время Dt2 составит

 (2.11)

В момент окончания второго такта напряжение на выходе интегрирующего усилителя достигнет значения, с которого был начат процесс заряда UИ(t) =UНАЧ =+UП. Если пороговые уровни срабатывания компаратора выдерживать равными по абсолютной величине |+UП| = |-UП|, то будет соблюдаться баланс количества электричества (Q1 = Q2) при заряде и разряде интегрирующей емкости. За один такт интегрирования в токовой цепи ИИ будет протекать строго дозированная порция – "квант" количества электричества q0. Величина "кванта" в любой схеме квантователя должна быть стабильной для каждого такта интегрирования q0 = Q1= Q2=…= QN, т.е. обладать постоянной вольт-секундной площадью S0 = const. Стабильность вольт-секундной площади "кванта" в первую очередь зависит от точности установки уровней порогов срабатывания компаратора напряжения, от величины дрейфа интегрирующего усилителя и от качества работы аналоговых ключей на его входе [19].

На графике (рисунок 2.7) вольт-секундная площадь, находящаяся под кривой текущих значений напряжений входного сигнала UВХ(t), пропорционального току электролиза, отражает процесс накопления заряда (количества электричества), который происходит при протекании тока через нагрузку в течение определенного времени. Эта площадь разделена на множество равных площадок S0, соответствующих "квантам" количества электричества q0, каждый из которых формируется за один такт интегрирования.

Таким образом, импульсный интегратор одновременно с операцией интегрирования производит квантование измеряемой величины – формирование «квантов» количества электричества, путем квантования интегрального значения входной величины по вольт-секундной площади. При каждом наполнении интегратора на выходе ИИ происходит формирование счетного импульса. Величина интеграла за время от начала отсчета до момента появления последнего импульса будет прямо пропорциональна итоговому числу импульсов: [20]

. (2.12)

Линейность преобразования при накоплении заряда на конденсаторе достигается за счет работы интегрирующего усилителя на линейном участке заряда с постоянным наклоном характеристики. Оптимальная линейность преобразования обеспечивается при задании соответствующих уровней порогов срабатывания компаратора (+UП и -UП), которые рекомендуется выдерживать в диапазоне ±1,2 В [20].

Цикл работы ИИ включает два такта интегрирования, которые соответствуют времени формирования двух счетных импульсов.

Использование двухполярной схемы интегрирующего усилителя приносит существенный положительный эффект. Такое схемное решение, во-первых, устраняет неустойчивость работы компаратора в зоне нуля [20], а, во-вторых, практически в два раза расширяет по сравнению с однополярной схемой динамический диапазон интегрирования входного сигнала.

Все перечисленные положительные качества представленной схемы импульсного интегратора обеспечивают предпочтительное применение ее в проектируемых устройствах дозирования.

3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВ ДОЗИРОВАНИЯ

3.1 Разработка схемы устройства цифрового дозирования количества электричества

Электрическая энергия, потребляемая в нагрузке за определенный промежуток времени вычисляется по формуле:

       (3.1)

где    u, i, p – мгновенные значения напряжения, тока и мощности на нагрузке;

t – время интегрирования.

Структура построения дозирующего устройства основывается на зависимости, характеризуемой выражением (3.1), из которой следует, что электронный дозатор электрической энергии в режиме реального времени должен выполнять процедуру вычисления произведения текущих значений напряжения и тока нагрузки. Результат произведения должен подвергаться интегрированию совместно с операцией квантования по вольт-секундной площади выходного напряжения интегратора (см. главу 1). Процесс квантования заключается в формировании счетных импульсов, а конечный результат оценивается по их сумме в течение всего времени дозирования. Когда величина потребленной электрической энергии сравняется с заданным значением должно произойти выключение устройства коммутации и процесс дозирования прекратится.

Согласно алгоритму работы электронного дозатора в его состав должны входить первичные преобразователи напряжения и тока, множительное, интегрирующее устройства и квантователь. Для придания прибору функции дозирования его необходимо дополнить устройством коммутации электрической энергии, блоком задания дозы и блоком управления устройством коммутации.

Состав предлагаемого электронного дозатора электрической энергии представлен на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Структурная схема электронного дозатора электрической энергии: 1 – электрическая нагрузка; 2 - измерительный преобразователь (трансформатор) напряжения; 3 - измерительный преобразователь (трансформатор) тока; 4 - множительное устройство; 5 – импульсный интегратор; 6 – счетчик импульсов; 7 – блок двоично-десятичных дешифраторов; 8 – блок позиционных декадных переключателей; 9 - блок управления ключом коммутации; 10 - ключ запуска электронного дозатора электрической энергии; 11 - ключ коммутации электроэнергии.

Работает электронный дозатор электрической энергии следующим образом. Перед подачей энергии в электрическую цепь с нагрузкой 1 доза (количество) электроэнергии, которая требуется для проведения предстоящей технологической операции, предварительно устанавливается с помощью декадных переключателей блока задания дозы 8, имеющих десять фиксированных положений. Количество переключателей равно числу десятичных разрядов цифры, соответствующей определенному значению задаваемой дозы, в заранее обусловленных для конкретной операции единицах электроэнергии: в ваттсекундах, в киловаттсекундах, в киловаттчасах и т.п. В момент замыкания кнопочного ключа запуска электронного дозатора электроэнергии 10 в блоке управления ключом коммутации 9 формируется сигнал на включение, который воздействует на ключ коммутации 11 и электрическая нагрузка 1 подключается к цепи источника энергии. Сигналы uu и ui, поступающие на входы аналогового множительного устройства 4 с измерительных преобразователей 2 и 3, пропорциональны текущему значению напряжения на нагрузке:

uu=kuuH,

где    uH – текущее напряжение на нагрузке;

ku – коэффициент пропорциональности по напряжению.

и текущему значению тока нагрузки:

ui= kiiH,

где    iH – текущий ток нагрузки;

ki – коэффициент пропорциональности по току.

Выходное напряжение множительного устройства, пропорционально текущему значению мощности:

uy = kуkuki uHiH = kуkppH,

где    pH – текущая мощность на нагрузке;

kp = kuki – коэффициент пропорциональности по мощности;

kу – коэффициент пропорциональности множительного устройства.

Аналоговый сигнал uy с выхода множительного устройства 4 поступает на импульсный интегратор 5, преобразующий результат интегрирования в последовательность импульсов, количество которых NW за время интегрирования t пропорционально величине выделенной активной энергии WA

 (3.2)

где    kW = kу kp – коэффициент пропорциональности по энергии;

t – время интегрирования.

Счетчик импульсов 6 суммирует количество импульсов, приходящих на его счетный вход, и выдает информацию в виде двоичного кода на вход блока двоично-десятичных дешифраторов 7, выходы которых подключены к неподвижным контактам декадных переключателей блока задания дозы 8. Подвижные контакты этих переключателей соединены с группой контролируемых входов блока управления выключателем 9.

После запуска электронного дозатора электроэнергии содержимое счетчика импульсов 6 будет возрастать до тех пор, пока на выходных шинах декадных дешифраторов 7 не установятся, путем поочередного перебора, комбинации активных уровней сигналов, идентичные комбинациям уставок декадных переключателей блока задания дозы 8, соответствующих заданному количеству электроэнергии, которая должна поступить в нагрузку. При их совпадении на выходе блока управления ключом коммутации 9 сформируется управляющий сигнал на отключение нагрузки, который воздействует на ключ коммутации электроэнергии 11 и цепь от источника энергии к нагрузке разомкнется.

Таким образом, электронный дозатор, работающий в режиме контролирующего устройства, отследит поступление в нагрузку заданной дозы электрической энергии.

Представленная структура построения электронного дозатора является универсальной, как для работы в слаботочных схемах при прецизионном дозировании, например в микросварке, так и для дозирования энергии в силовых цепях контактной сварки. Различие заключается в выборе соответствующих измеряемой мощности первичных преобразователей (тока и напряжения) и устройств коммутации.

3.2 Разработка схемы устройства цифрового дозирования электрической энергии

Структура построения измерительной части комплекса должна полностью соответствовать алгоритму решения поставленной задачи, в основе которого лежит процедура вычисления количества электричества, где входная информация в течение заданного времени снимается с первичных преобразователей тока. В этом случае структурная схема комплекса должна иметь вид, представленный на рисунке 3.2.

В полный состав комплекса входят:

- источник постоянного тока;

- установка для электролиза (электрическая нагрузка);

- датчик (преобразователь) тока;

- линия связи;

- блок обработки аналогового сигнала;

- блок обработки цифровых сигналов;

- блок управления ключом;

- токовый ключ.

Рисунок 3.2 - Структурная схема комплекса дозирования количества электричества

Комплекс технических средств, необходимых для осуществления процедуры дозирования количества электричества, содержит источник постоянного тока 1, питающий установку для электролиза 2, последовательно которой на токовую шину установлен измерительный датчик тока 3. Выводы датчика через линию связи подключены к входу блока обработки аналогового сигнала 4, в состав которого входят фильтр низкой частоты (ФНЧ) 5, дифференциальный усилитель 6 и импульсный интегратор 7.

Благодаря работе перечисленных выше устройств 5, 6 и 7 выполняется процедура интегрирования во времени аналоговой информации (сигнал, пропорциональный току нагрузки в цепи электролиза), поступающей с первичного преобразователя тока 3 и квантование по вольт-секундной площади полученного результата. Время интегрирования зависит от дозы количества электричества, которую необходимо заранее задавать в блоке обработки цифровых сигналов 8 с помощью кнопочного пульта блока задания дозы 9.

При установке уровня дозы в двоично-десятичный счетчик импульсов 10, имеющий N–ное число десятичных разрядов, необходимо занести N–разрядную цифру, которая будет отображаться на блоке индикации 11 и показывать величину дозы количества электричества, требуемую для проведения электролиза. Затем двоичный код установленной цифры записывается в регистр памяти блока управления ключом 12, а информация в счетчике импульсов 10 обнуляется.

Запуск измерителя-дозатора осуществляется с кнопочного пульта блока задания дозы 9, путем подачи управляющего воздействия на блок управления ключом 12, где формируется сигнал на коммутацию токового ключа 13 (замыкание), включенного последовательно с установкой для электролиза 2 и датчиком тока 3 в цепь источника тока 1.

В момент замыкания токового ключа 13 на датчике 3 появляется сигнал, пропорциональный силе тока в цепи установки 2, который подается по линии связи на вход блока обработки аналоговых сигналов 4. С помощью импульсного интегратора 7 аналоговый сигнал интегрируется и преобразуется в последовательность импульсов, которые поступают на вход счетчика 10, где производится их суммирование.

Текущие значения количества электричества, затраченного в процессе электролиза, будут отображаться на блоке индикации 11. Процесс подсчета импульсов будет продолжаться до тех пор, пока код на выходе счетчика не окажется равным коду цифры, занесенному ранее в регистр памяти. В момент их сравнения в блоке управления ключом 12 схема совпадения сформирует сигнал на коммутацию токового ключа 13 (размыкание). Процесс электролиза прекратится.

В составе комплекса, в зависимости от области использования (в сильноточных или слаботочных цепях постоянного тока) в качестве установок для электролиза могут применяться: электролитическая ванна, электролитический аккумулятор; в качестве измерительных датчиков тока - прецизионный резистор, электрический компенсатор, трансформатор постоянного тока, выполненный на основе магнитного усилителя, а в качестве ключей коммутации тока – пускатели, контакторы, а также тиристоры или транзисторы, управляемые через оптоэлектронные пары.

Развернутая структурная схема рассматриваемого технического комплекса и описание его работы представлены в [13]. В настоящей работе подробному анализу будут подвергнуты лишь отдельные элементы измерительной системы.

Требования, которые предъявляются к измерительным системам, аналогичным рассматриваемой, со стороны метрологии, перечислены в [12, 45] и распространяются на все применяемые компоненты данной системы. Согласно основным положениям этих требований необходимо соблюдать условие о том, что в любом, отдельно взятом элементе системы, операция передачи или преобразования входного сигнала в выходной должна производиться с заданной степенью точности, а именно:

первичный датчик (преобразователь тока в напряжение) должен независимо от электрических параметров цепи, в которой он используется, (слаботочной, сильноточной) обеспечить преобразование формы и уровня входного сигнала в унифицированный параметр, несущий информацию о происходящем процессе;

линия связи должна обеспечить передачу информативного параметра входного сигнала, получаемого от источника в операционный блок для его обработки без изменений;

информационный сигнал в операционном блоке должен претерпеть пропорциональные преобразования, соответствующие функции, возложенной на этот блок.

4. АНАЛИЗ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

4.1 Оценка погрешности квантователя по вольт-секундной площади и способы ее снижения

Квантователь является важнейшим звеном измерительной системы, входящей в состав дозирующего устройства. Погрешности квантователя самым непосредственным образом влияют на точность измерений и, соответственно будут влиять на точность дозирования.

Точность дозирования в первую очередь зависит от стабильности размера кванта количества электричества – q0. Этот параметр является основной метрологической характеристикой дозирующего устройства. Его величина численно равна максимальному заряду на емкости интегратора в течение одного такта интегрирования. Она зависит от электрических параметров схемы интегрирующего усилителя и должна оставаться стабильной на протяжении всего периода его работы.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7