Устройство для измерения расхода электроэнергии с преобразователем сигма-дельта с переменным коэффициентом усиления (варианты) - RU2117303C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к устройству для измерения расхода электроэнергии, содержащему по меньшей мере один преобразователь сигма-дельта, приспособленный для выдачи последовательности цифровых импульсов, цифровой счетчик для суммирования выходного сигнала преобразователя сигма-дельта и средство сигнализации для выдачи выходного сигнала при достижении суммарным сигналом заранее заданной величины.

Преобразователи сигма-дельта широко известны в качестве преобразователей аналог-цифра, в которых аналоговое входное напряжение суммируется напряжением большей величины, сумму интегрируют и текущее значение выхода интегратора подается на компаратор, работающий с синхронизацией, который выдает положительный или отрицательный выходной сигнал в зависимости от результатов сравнения. Положительный или отрицательный выходной сигнал компаратора выдается как сигнал отрицательной обратной связи для управления полярностью опорного напряжения, причем выбирают полярность, позволяющую свести заряд в интеграторе к нулю. Таким образом, синхронизированный выходной сигнал компаратора во времени представляет собой последовательность дискретных импульсов положительной и отрицательной полярности, которые отражают входное аналоговое напряжение как разность количества положительных и отрицательных импульсов с выхода компаратора, т.е. N⁺ - N^-. Последовательность выходных импульсов преобразователя сигма-дельта затем может суммироваться интеграторами или реверсивным счетчиком, чтобы получить цифровую величину, соответствующую входному (аналоговому) напряжению. Известны также и комбинированные устройства типа сигма-дельта (патент Франции N 2570854) в которых первый входной сигнал подают на первый преобразователь сигма-дельта, а второй входной сигнал - на второй преобразователь сигма-дельта, причем полярностью второго входного сигнала управляют в соответствии с импульсным выходным сигналом первого преобразователя сигма-дельта. Выходной сигнал второго преобразователя сигма-дельта представляет собой произведение первого и второго входных сигналов.

Такие схемы типа сигма-дельта находят особое применение в области измерения электроэнергии, когда напряжение сети и/или ток, представленный напряжением, например на шунте, преобразуется в цифровые сигналы. Комбинированный преобразователь сигма-дельта, о котором говорилось выше, особенно полезен в качестве измерителя электроэнергии - электрического счетчика - так как сигналы напряжения и тока могут подаваться соответственно на первый и второй преобразователи сигма-дельта, и выход второго преобразователя представляет собой произведение сигналов, т.е. расходуемую электроэнергию.

В области измерителей электроэнергии возникают проблемы, в частности связанные с точностью используемых электроэлементов для отбора напряжения и тока. Например, если используется простой шунт для представления тока в виде напряжения, могут возникнуть ошибки из-за неточности номинала сопротивления шунта, изменения его сопротивления от температуры и т.д. Подобные же ошибки могут возникнуть при измерении напряжения питания вследствие неточности электроэлементов делителя напряжения, используемого для контроля напряжения. Эти неточности множатся при измерении мощности потребления и в комбинации могут возникнуть весьма существенные ошибки, с дополнительным отклонением вследствие неточности электроэлементов, используемых в умножителе.

Для преодоления таких ошибок известные способы тарировки измерительных приборов были ориентированы на подгонку или регулировку используемых электроэлементов, например, подгонку переменного сопротивления шунта в фазе предварительной калибровки. Такая предварительная калибровка может быть трудоемкой, дорогостоящей, так как каждый счетчик электроэнергии должен быть проверен, а электроэлементы подогнаны вручную или заменены.

Изобретение отличается тем, что измерительное устройство - счетчик - дополнительно содержит средства цифровой регулировки коэффициента усиления преобразователя сигма-дельта, содержащие программируемую цифровую память, приспособленную для хранения параметра, представляющего собой коэффициент усиления счетчика, причем величина параметра может программироваться извне, и средства цифровой логики для логического комбинирования параметра усиления с цифровой суммой, запоминаемой в счетчике для определения количества импульсов, требуемого для того, чтобы достичь заранее заданной величины и выдать выходной импульс.

Таким образом, любые изменения в работе измерителя вследствие неточности электроэлементов могут быть легко и быстро скомпенсированы на этапе калибровки или тарировки простым перепрограммированием параметра усиления на нужную величину, которая дает желаемые показания. Программируемая память может быть не пропадающей при снятии питания и может содержать просто сдвиговый регистр, который хранит цифровую величину, представляющую собой усиление. После установки усиление счетчика будет постоянным до тех пор, пока не потребуется перепрограммировать его в любой момент в процессе срока службы прибора. Данное изобретение также дает то преимущество, что может использоваться базовая схема и конструкция с фиксированными номиналами электроэлементов в самых различных сферах применения для измерения в широком диапазоне величин тока и напряжения за счет выбора желаемой величины усиления счетчика.

В измерительном устройстве, содержащем несколько преобразователей типа сигма-дельта, усиление каждого преобразователя может быть регулируемым посредством соответствующей программируемой памяти и логических схем, как описано выше. Изобретение далее распространяется на измерительное устройство, содержащее комбинацию устройств сигма-дельта, работающих в режиме умножения входных сигналов, и в котором усиление оконечного преобразователя сигма-дельта комбинации, который выдает сигнал, пропорциональный энергии или мощности источника питания, может юстироваться посредством приданного программируемого устройства памяти и логических средств.

Выходной сигнал со средств сигнализации может далее подаваться на добавочный счетчик для управления индикатором выхода счетчика энергии.

В одном варианте выполнения счетчик и сигнализатор содержат цифровой счетчик, предназначенный для выдачи выходного сигнала, когда счетчик достигнет фиксированного заранее заданного значения (например, максимального содержания), и в котором параметр усиления является числовой величиной, добавляемой логическими средствами в счетчик дополнительно к импульсам от преобразователя сигма-дельта.

Как упоминалось, величина входного сигнала преобразователя сигма-дельта представляется разностью количеств импульсов счета вверх и вниз с преобразователя, т. е. N⁺ - N^-. Счетчик считает количество положительных импульсов (или отрицательных) или разность между теми и другими, а не отношение того и другого. Простое добавление числовой величины будет таким образом иметь линейное влияние на усиление преобразователя для всех величин входного сигнала.

Альтернативно логические средства и сигнализирующие средства могут содержать компаратор, предназначенный для сравнения величины параметра усиления с величиной суммы в счетчике, и выдавать выходной сигнал при достижении равенства двумя величинами. Снова количество положительных или отрицательных импульсов непосредственно представляет величину входного сигнала и изменение величины параметра усиления для изменения счета, при котором будет выдан выходной сигнал, вызовет линейное изменение усиления при всех величинах входного сигнала.

Цифровой счетчик для суммирования импульсов преобразователя сигма-дельта может содержать любой подходящий счетчик, например простой счетчик прямого действия, показания которого представляют собой лишь количество импульсов прямого счета, или же реверсивный двоичный счетчик, счетчик работающий не по двоичному основанию и т.д.

В зависимости от деталей используемого преобразователя сигма-дельта, полярность импульсного выхода с преобразователя может отражать общую полярность входного сигнала или сигналов (прямо или косвенно), так что в некоторых случаях большинство импульсов будут положительными, а в других случаях большинство выдаваемых импульсов будут отрицательными. Выход преобразователя сигма-дельта тогда переключится с большинства положительных импульсов на большинство отрицательных импульсов, соответственно режиму работы. Это оказывает влияние на работу счетчика, который в типичном случае является простым реверсивным двоичным счетчиком, который может считать от 000. . .000 до 111...111, или от 111...111 до 000...000 в зависимости от полярности импульсов.

Изобретение может дополнительно содержать средства компенсации полярности импульсов, поступающих с преобразователя сигма-дельта. Например, в варианте исполнения, в котором числовая сумма счетчика непосредственно сравнивается с параметром усиления, счетчик может содержать двоичный реверсивный счетчик, и устройство может дополнительно содержать средства для подачи двоичного дополнительного кода параметра усиления в компаратор. Например, представим случай трехразрядного двоичного счетчика, способного считать от 000 до 111 или в обратном направлении от 111 до 000. Если параметр усиления установлен величиной 101 для прямого счета, то требуется пять положительных импульсов, чтобы счетчик выдал 101 при счете от 000 для выдачи компаратором сигнала. В альтернативном направлении счета, где в основном выдаются отрицательные импульсы, подается дополнительный код числа 101, т.е. 010. При такой работе счетчик начнет счет от 111 и снова, для достижения 111 от 010 потребуется 5 отрицательных импульсов.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием вариантов его выполнения со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых
Фиг.1 изображает обычное устройство преобразователя сигма-дельта, преобразующее аналоговый сигнал в цифровую форму.

Фиг.2 представляет комбинированное устройство с преобразователями сигма-дельта для преобразования аналоговых сигналов в цифровую величину, являющуюся произведением этих сигналов.

Фиг. 3 представляет измерительное устройство, содержащее комбинированные преобразователи сигма-дельта и переменное усиление по одному варианту выполнения изобретения
Фиг. 4 представляет устройство с комбинированным преобразователем сигма-дельта и переменным усилением по второму варианту выполнения изобретения.

На фиг. 1 представлен преобразователь сигма-дельта 1, состоящий из интегратора 2, компаратора 3, триггера 4 с двумя устойчивыми состояниями ключа 5 и инвертора 6. Входной сигнал E1 подают на интегратор 2, складывают с опорным напряжением R1, причем полярность опорного напряжения R1 определяется ключом 5 и инвертором 6, управляемым входным сигналом Q триггера 4 с двумя устойчивыми состояниями. Опорный сигнал R1 выбирают так, чтобы его амплитуда была больше максимального входного сигнала E1. Выходной сигнал Q и полярность опорного напряжения R1 определяются компаратором 3. Компаратор и инвертор работают в режиме, позволяющем свести к минимуму изменение на интеграторе, т.е. они стремятся привести заряд на интеграторе к нулю. Триггер 4 с двумя устойчивыми состояниями обеспечивает изменение полярности R1 на каждом интервале сигнала синхронизации CLOCK. После прохождения N периодов синхронизации, опорное напряжение положительной полярности подается N⁺ раз и с отрицательной полярностью - N^- раз. Если N достаточно велико, изменение, накопленное в интеграторе, будет стремиться к нулю, так что

где
t - длительность каждого периода синхронизации, а интегрируемые величины EI и RI представляют соответствующий заряд, запасаемый в каждом интервале синхронизации.

Таким образом

Таким образом разность количеств положительных и отрицательных импульсов пропорциональна величине входного сигнала. Информация об этом содержится на выходе QI преобразователя сигма-дельта.

На фиг. 2 показан комбинированный преобразователь сигма-дельта, содержащий первый преобразователь сигма-дельта 10, на который подается первый входной сигнал EI и опорный сигнал RI и второй преобразователь сигма-дельта 11, на который подается второй входной сигнал E2 и опорный сигнал R2. Структура каждого преобразователя сигма-дельта такая же, как показана на фиг. 1. Выходной сигнал QI дополнительно управляет полярностью входного сигнала E2 с помощью ключа 12 и инвертора 13, в зависимости от того, положительный или отрицательный сигнал имеется на выходе линии QI. В конце интервала времени N, преобразователь сигма-дельта 10 будет иметь выход из N⁺ положительных импульсов и N^- отрицательных импульсов, так что сигнал E2 положительной полярности поступает N2⁺ раз, а сигнал E2 отрицательной (инвертированной) полярности поступает N1^- раз на преобразователь 11.

Соответственно, так же, как и для одиночного преобразователя, для преобразователя 11 справедливо следующее:
N•E2•(N1⁺-N1^-) + (N2⁺-N2^-)•R2=0
где
N2⁺ и N2^- - количество раз подачи опорного напряжения R2, управляемого выходом Q2 преобразователя 11.

Однако для первого преобразователя 10 справедливо

так что

откуда
N2⁺ - N2^-=A•E1• E2
где

Соответственно, разность N2⁺ - N2^-, как она представлена выходным сигналом Q2, будет пропорциональна произведению входных сигналов. Эта схема особенно актуальна при использовании в счетчиках электрической энергии, где входными сигналами E1 и E2 являются напряжение и ток, а схема выдает величину, пропорциональную энергии потребляемой от контролируемого источника питания. Обычно выходной сигнал с комбинированных преобразователей сигма-дельта подается на интегратор или реверсивный счетчик 14, которые показывают текущее значение, которое увеличивается каждым положительным импульсом или уменьшается каждым отрицательным импульсом, для выдачи текущей суммы, соответствующей израсходованной электроэнергии.

Как уже упоминалось, обычное использование схем сигма-дельта в электросчетчиках энергии связано в проблемами точной калибровки прибора, с изменением номиналов электроэлементов и т.п. Предыдущие попытки упростить калибровку таких измерителей в основном были направлены на сужение допусков на применяемые электроэлементы.

На фиг. 3 представлено измерительное устройство по одному из вариантов выполнения изобретения, содержащее комбинированный умножитель типа сигма-дельта 20, реверсивный счетчик 21, сдвиговый регистр 21 и нереверсивный счетчик 24. Величины напряжения V и тока I, подлежащие измерению, подаются на комбинированный блок сигма-дельта 20, который выдает на линию 25 сигнал произведения, представляющий собой энергию VI^* вместе с сигналом синхронизации на линии 26, подаваемsм на реверсивный счетчик 21. В простейшем варианте выполнения, показанном здесь, сигнал произведения на линии 25 является последовательностью положительных и отрицательных импульсов, причем каждый положительный импульс увеличивает содержимое счетчика на единицу, а каждый отрицательный импульс уменьшает содержание счетчика на единицу, но в которой больше положительных импульсов, чем отрицательных, т.е. таким образом разность N⁺ - N^- всегда положительна. Сумма, накопленная в реверсивном счетчике, таким образом постепенно увеличивается, пока не будет достигнут предел его емкости, и тогда выдается один положительный импульс на линию 27, на счетчик 24 прямого действия 24, и преобразователь при этом обнуляется. Счетчик прямого действия 24, в свою очередь, подсчитывает количество таких случаев, что пропорционально разности N⁺ - N^-, и выдает свой сигнал на светодиодный индикатор и связанную с ним схему.

Схема дополнительно содержит сдвиговый регистр 22 для хранения числовой величины усиления, устанавливаемой центральным микропроцессором (не показан), вводимой в реверсивный счетчик 21. В данном варианте выполнения числовая величина усиления, хранимая в сдвиговом регистре, просто добавляется к сумме в реверсивном счетчике так, что он начинает считать не с нуля. Число, записанное на сдвиговый регистр 22, можно изменять, меняя усиление устройства. Так как величина сигнала произведения представлена разностью положительных и отрицательных импульсов, простое добавление заранее определенного значения усиления к сумме, набираемой в счетчике 21, будет линейно влиять на усиление преобразователя при всех величинах входной энергии.

Альтернативный вариант выполнения показан на фиг. 4, где сумма в реверсивном преобразователе 21 сравнивается компаратором 32 с величиной усиления, заложенной в сдвиговом регистре 33. Двоичная величина суммы в реверсивном счетчике выдается по набору проводов 34, на каждом из которых логический ноль или единица, причем каждый провод соответствует разряду в двоичном слове, от младшего до старшего разряда. Величина усиления подобным же образом выдается на набор проводов 37, причем каждый провод идет на вход своей логической схемы "исключающее ИЛИ" 36, на второй вход которых подается сигнал полярности с центрального микропроцессора, а выход каждой логической схемы по набору проводов 35 сравнивается компаратором 32 с соответствующим разрядным проводом набора 34 реверсивного счетчика. Логические схемы "исключающее ИЛИ" 36 служат для выдачи дополнительного кода на наборе проводов 37, когда вход полярности находится на высоком логическом уровне, так что входной код 11001... становится кодом 00110...

При работе величина параметра усиления, хранимая в сдвиговом регистре 33, задается центральным микропроцессором (не показан). Если преобразователь сигма-дельта 20 работает в основном в положительном режиме, сигнал полярности делается нижнего уровня, и счетчик считает на увеличение от нуля. Когда компаратор обнаруживает, что сумма в реверсивном счетчике 21 достигла величины, хранимой в сдвиговом регистре 33, выдается сигнал по линии 38, который действует на обнуление счетчика, чтобы вновь начать счет, количество сигналов на линии 38 считается прямого действия 24, как и ранее, для выдачи индикации потребленной мощности на светодиодный или подобный ему индикатор. Усиление устройства можно регулировать, устанавливая уровень усиления в сдвиговом регистре 33 так, чтобы счет заканчивался на более высоком или более низком уровне.

В случае, если преобразователь сигма-дельта выдает в основном отрицательные сигналы, сигнал полярности переводится на верхний логический уровень микропроцессором. Суммарная полярность выходных импульсов может быть определена микропроцессором по выходной линии 25 или из других параметров схемы сигма-дельта, например полярности любого модулирующего сигнала, подаваемого на преобразователь сигма-дельта. Для простого реверсивного счетчика, не имеющего знакового разряда, показывающего полярность счетчика, последовательность отрицательных импульсов заставит переключиться с начального значения 000. . . на 111..., т.е. на максимальное содержание счетчика, и каждый последующий импульс будет уменьшать эту величину. Сигнал полярности скомпенсирует это изменение режима работы посредством выдачи дополнительного кода для величины усиления для сравнения в компараторе 32. Например, для простого трехразрядного счетчика (компаратора) регистра, величина усиления, установленная на 101, будет достигнута пятью положительными шагами от 000 в счетчике 21. Для отрицательного счета, сигнал полярности будет высокого уровня, в дополнительный код 010 для усиления поступит на компаратор 32, так что счетчик достигнет этой величины пятью отрицательными шагами вниз от величины 111.

Реферат

Устройство для измерения расхода электроэнергии, содержащее по меньшей мере один преобразователь сигма-дельта, приспособленный выдавать последовательность цифровых импульсов, цифровой счетчик для суммирования выходного сигнала с преобразователя сигма-дельта и средство сигнализации для выдачи выходного сигнала в момент достижения суммарным сигналом заданной величины, отличающееся тем, что устройство дозирования дополнительно содержит средство для цифровой регулировки усиления преобразователя сигма-дельта, содержащее цифровое программируемое запоминающее устройство для хранения параметра, представляющего усиление счетчика, причем величина параметра может программироваться извне, и средств цифровой логики для логического комбинирования параметра усиления с цифровой суммой, хранимой в средстве счета для определения количества импульсов, требуемого для достижения заранее заданной величины и выдачи выходного импульса. Использование изобретения повышает точность измерения расходуемой электроэнергии. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула