150945 (Средства учета количества электричества и электрической энергии), страница 5

При разработке дозирующего устройства были учтены как достоинства, так и недостатки большинства разновидностей схем умножителей. Выбор был сделан на схеме ИПУ, предназначенной для измерения активной мощности.

По мере совершенствования техники аналого-цифрового преобразования мгновенных значений сигналов рассматривалась возможность цифровой обработки большого количества дискретных и квантованных значений аналоговых сигналов, с тем, чтобы путем цифрового усреднения в течение заданного интервала времени вычислить искомый интегральный параметр.

2. ВОПРОС КВАНТОВАНИЯ ТЕКУЩЕГО ЗНАЧЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСТВА И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Процесс дозирования количества электричества или электрической энергии может осуществляться с помощью дозирующих устройств при выполнении ими ряда последовательных процедур, включающих в себя непрерывное измерение параметров исследуемых входных сигналов, интегрирование полученных значений во времени и сравнение накапливаемого результата с заранее заданной величиной, называемой дозой.

Одной из наиболее важных функций дозирующего устройства является отключение электрической нагрузки от источника энергии, которое должно произойти в момент совпадения величины установленной дозы с величиной, потребленной в нагрузке.

При измерениях количества электричества или электрической энергии измеряемая величина имеет интегральное значение, поскольку конечный результат измерений накапливается с нарастающим итогом в течение определенного времени. Проведение непрерывных и, как правило, продолжительных измерений, необходимых для выполнения процедуры дозирования, вынуждает использовать для обработки измерительной информации в качестве функциональных элементов аналоговые устройства в совокупности с цифровыми схемами. Применение для подсчета результата цифровых счетчиков, позволяющих легко наращивать разрядность, дает возможность изменять разрешающую способность измерительного блока дозирующего устройства в зависимости от существующей потребности.

Устройством, способным производить интегрирование аналоговых сигналов с преобразованием результата в цифровую последовательность импульсов, является квантователь измеряемой величины по вольт-секундной площади.

Устройство, где измеряемая электрическая величина преобразуется в последовательность импульсов, число которых подсчитывается цифровым счетчиком, согласно существующей классификации, относится к цифровым измерительным устройствам прямого число-импульсного преобразования [24].

Цифровые измерительные приборы характеризуются двумя особенностями: наличием операций аналого-цифрового преобразования сигналов и цифрового отображения результата измерения. Эти операции технически реализуются с помощью аналого-цифровых преобразователей АЦП и блока регистрации с цифровым отсчетным устройством.

При решении задач в процессе обработки и аналого-цифрового преобразования информативного параметра в конечный результат, необходимо соблюдать следующие условия:

Обеспечить линейность преобразования входного информационного параметра (сигнала) в соответствующий ему пропорциональный сигнал, подаваемый на вход квантователя;

Произвести непрерывное интегрирование входного сигнала квантователя в течение определенного времени без искажений;

Осуществить квантование проинтегрированного сигнала по вольт-секундной площади с минимальными погрешностями;

Произвести подсчет результата интегрирования, выраженный в квантах измеряемой величины.

2.1 Основные понятия и определения по вопросу квантования количества электричества Q(t) и электрической энергии W(t)

Как известно, любые физические процессы характеризуются протяженностью во времени и в пространстве и разделяются соответственно на непрерывные и прерывистые или дискретизированные как во времени, так и в пространстве. Обычно дискретизированные физические процессы или сигналы создаются искусственно для различных целей, одна из которых отвечает теме настоящей работы. Преобразование непрерывных сигналов в дискретные называют квантованием сигналов.

Квантование является одной из наиболее ответственных операций процесса измерения. Квантование широко применяется в процессе управления при необходимости воздействия на технологический процесс сигналом с параметром точно заданного размера.

Различают квантование по времени и квантование по уровню [19, 25], кроме того, существует возможность производить квантование по вольт-секундной площади. Квантование по времени заключается в замене непрерывного сигнала x(t) дискретным сигналом x_k(t), значение которого для фиксированных моментов времени t₁, t₂,…, t_n совпадают соответственно с мгновенными значениями непрерывного сигнала (рис.1а). Квантование по уровню заключается в замене непрерывного множества значений сигнала x(t) множеством дискретных значений, характеризующих величины этих уровней (рисунок 2.1,б).

Рисунок 2.1 – Квантование по времени (а) и по уровню (б)

Квантование по вольт-секундной площади заключается в замене интегрированной величины совокупности значений входных аналоговых сигналов суммой дискретных значений отдельных квантов , преобразованных в последовательность счетных импульсов, которые несут информацию об интегральной величине входного параметра .

В отличие от тем, посвященных вопросам квантования по времени и по уровню, которые достаточно глубоко освещены в изданиях по аналого-цифровой и преобразовательной технике, вопросу квантования по вольт-секундной площади в технической литературе совершенно не уделяется внимания, хотя данный принцип квантования используется в некоторых преобразователях напряжение-частота (ПНЧ), напряжение-интервал времени (ПНВ), имеющих широкое распространение в настоящее время.

При рассмотрении вопроса об измерении и дозировании количества электричества или электрической энергии принцип «квантования по вольт-секундной площади» имеет самое непосредственное отношение к теме данной работы, поскольку наиболее точно отвечает сущности преобразования, производимого выбранным квантователем. В связи с этим, дальнейшее использование данного термина в настоящей работе является наиболее целесообразным.

По сущности рассматриваемого вопроса требуется решить задачу выбора структурной схемы квантователя измеряемой величины по вольт-секундной площади, а также произвести детальный анализ его погрешностей и найти способы их снижения.

Благодаря работе квантователя и отсчетного устройства (счетчика импульсов) происходит преобразование непрерывной входной величины в дискретную, а затем в цифровой код. Все дальнейшие операции по подсчету квантов количества электричества и электрической энергии так же, как задание и отслеживание дозы, осуществляются в цифровой форме. В связи с этим имеет смысл для наиболее точного описания рассматриваемого процесса ввести термин «цифровое дозирование».

2.2 Цифровое дозирование количества электричества и электрической энергии

Входными информационными сигналами дозирующего устройства могут служить любые параметры, как электрические, так и неэлектрические, которые с помощью первичных датчиков преобразовываются в напряжения, пропорциональные величинам входных воздействий, и поступают непосредственно на вход квантователя.

Квантование текущих значений сигналов по вольт-секундной площади заключается в интегрировании в течение определенного времени непрерывно изменяющегося входного напряжения с единовременной дискретизацией выходного параметра. Мерой такой дискретизации выступает "квант" вольт-секундной площади, размер которого зависит от электрических параметров элементов квантователя и имеет постоянное выбранное значение q₀.

Выходной сигнал, равный по величине интегралу входного напряжения за определенное время, в процессе проведенного преобразования становится квантованным и дискретизированным, т.е. численно состоящим из суммы одинаковых частей определенной величины – q_0i (квантов).

Если выбранная часть – "квант" имеет стабильный и известный для каждой конкретной схемы параметр, выраженный в единицах измеряемой величины, то весь данный процесс является не только счетным, но и измерительным [19].

В связи с тем, что измерительный процесс имеет определенную протяженность во времени, то для оценки величины интегрированного (итогового) значения выходного параметра требуется счетчик, способный суммировать накапливаемую квантованную величину (последовательность счетных импульсов), преобразовывая ее в определенный цифровой код. При этом результат измерения будет соответствовать произведению x_N = N_xq, где N_x – отсчет счетчика импульсов.

Величина задаваемой дозы количества электричества или электрической энергии набирается с помощью кнопочного пульта и заносится в цифровой регистр, где представляется так же, как в счетчике – в двоичном коде (двоично-десятичном). Двоично-десятичный код широко используется в отсчетных устройствах цифровых приборов; двоичные разряды группируются в тетрады, каждая из которых представляет соответствующий десятичный разряд. Сравнение накапливаемой величины с заранее заданной дозой происходит непрерывно, с начала измерительного процесса до момента совпадения двоичных кодов цифр.

"Квант" вольт-секундной площади – q₀ является важнейшей метрологической характеристикой данного измерительного устройства, так как, зная его размер, можно определить, какое значение измеряемой величины соответствует конкретному значению выходного кода счетчика импульсов, который отражается на устройстве индикации.

Алгоритмом работы измерителя-дозатора количества электричества является процесс непрерывного вычисления интеграла во времени от текущего значения напряжения, поступающего на вход схемы с первичного преобразователя.

Основной операцией, которая выполняется дозирующим устройством в процессе измерения и интегрирования является операция квантования измеряемой величины по вольт-секундной площади. Важнейшим элементом в структуре дозатора, выполняющим функции квантования, является интегрирующий преобразователь, поэтому наиболее ответственным этапом при проектировании дозирующих устройств является выбор варианта квантователя и расчет параметров его электрической схемы.

2.3 Обоснование выбора схемы интегрирующего преобразователя в качестве квантователя измеряемой величины по вольт-секундной площади

Интегрирующий преобразователь, предлагаемый для применения в схеме дозирующего устройства, построен по принципу преобразователя напряжения в частоту интегрирующего типа.

Преобразователи напряжения в частоту (ПНЧ) находят применение при разработке различных средств измерения и по своей структуре могут быть отнесены к одной из двух разновидностей: ПНЧ разомкнутого типа и ПНЧ с обратной связью [26, 27].

ПНЧ разомкнутого типа обладают, как правило, невысокой точностью и стабильностью преобразования, поэтому применяются реже. Из ПНЧ с обратной связью наиболее перспективными, с точки зрения повышения точности, быстродействия и простоты исполнения, в настоящее время признаны интегрирующие ПНЧ с импульсной обратной связью, как схемы с наилучшими метрологическими свойствами [28]. Помимо перечисленных положительных качеств данные преобразователи напряжения характеризуются широким динамическим диапазоном, а также удобством передачи выходной величины (счетная последовательность импульсов) на большие расстояния без искажений [22].

Простой и наиболее перспективной для применения в измерительных устройствах можно считать схему, представленную в [29] (рисунок 2.2).

Схема работает следующим образом. Преобразуемое напряжение U_X интегрируется усилителем постоянного тока УПТ и поступает на устройство сравнения УС, на второй вход которого подано опорное напряжение U₀. В момент равенства выходного напряжения интегратора U_И(t) и U₀ устройство сравнения формирует в течение интервала времени t_OC импульс обратной связи с амплитудой U_OC, который должен обладать постоянной вольт-секундной площадью S₀=U_OCt_OC. Цикл работы преобразователя определяется интервалом времени T_X = t_И + t_OC,, зависящим от значения напряжения U_X.

а) б)

Рисунок 2.2 - Схема преобразователя напряжения в частоту с импульсной обратной связью (а) и характеристика его работы (б)

Для процессов заряда и разряда интегратора справедливо выражение

(2.1)