Средства учета количества электричества и электрической энергии

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.

Величина кванта q0 пропорциональна размеру вольт-секундной площади S0, которая численно равна интегралу от мгновенных значений напряжения, подаваемого на вход квантователя в течение одного такта интегрирования ТЦ:

 (4.1)

Основным критерием точности является стабильность размера кванта q0, что адекватно отражается на стабильности вольт-секундной площади S0.

Реальные цифровые измерительные устройства, наряду с наличием методических погрешностей преобразований, всегда обладают инструментальными погрешностями, которые определяются суммарным влиянием погрешностей отдельных узлов устройства, вызываемых различными факторами, непосредственно влияющими на стабильность размера кванта, а, следовательно, и на стабильность вольт-секундной площади S0.

Методики расчета погрешностей, предлагаемые отдельными авторами [19, 36, 38, 39], позволяют с определенной достоверностью учитывать погрешности измерительных преобразователей, вызванные неидеальностью основных параметров ОУ. Превалирующим по степени влияния на точность является интегратор. При расчетах, наряду с интегратором, аналогичным образом можно учесть погрешности всех ОУ, входящих в структуру преобразователей.

Погрешности квантователя в первую очередь определяются неточностью выполнения операции интегрирования и нестабильностью порогов срабатывания компаратора в течение одного цикла работы, и вызваны они, в основном, изменением коэффициентов усиления операционных усилителей, дрейфами напряжения смещения и тока смещения [28].

Эти изменения характеризуются неидеальностью основных параметров операционных усилителей, а именно: входным сопротивлением, не равным бесконечности; выходным сопротивлением, не равным нулю; коэффициентом усиления не равным бесконечности; инерционностью усилителя; дрейфом нуля усилителей [28].

Для проведения анализа погрешностей рассмотрим схему квантователя, которая представлена на рисунке 2.6.

Поскольку схема работы квантователя является двухтактной, то в зависимости от положения устройства коммутации в разные моменты времени структура квантователя неодинакова. В связи с этим для определения его погрешности будем вести расчет для каждого из двух возможных положений аналогового ключа. В первом случае проведем анализ погрешности цепи “инвертор – аналоговый ключ – интегратор - компаратор”, а во втором – цепи “повторитель напряжения – аналоговый ключ – интегратор - компаратор ”. По окончании расчета примем за погрешность квантователя максимальное из полученных значений.

Рассчитаем погрешность инвертирующего усилителя. Как известно, погрешности усилителей определяются неточностью используемых резисторов и неидеальностью операционных усилителей.

В качестве операционного усилителя выбираем микросхему К544УД2, параметры которой приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1- Параметры микросхемы К544УД2

Сначала вычислим мультипликативные погрешности. Погрешность некомпенсации

δнк=100/(1+К0β)=100/(1+20000*1)=0,00499% (4.2)

Синфазная помеха

δсс=10-mсс/20*100%=10-70/20*100%=0,0316% (4.3)

Рассчитаем мультипликативную погрешность, возникающую из-за неточности применяемых резисторов. В качестве резисторов R1 и R2 выбираем С2-29В 10 кОм с допуском по сопротивлению 0,05% и ТКС=±5*10-6 1/ºC. Тогда

δR=δR1+δR2+(ТКСR1+ТКСR2)ΔT*100%=0,05+0,05+(5*10-6+5*10-6)5*100%=0,105% (4.4)

Для компенсации погрешности, обусловленной протеканием тока IBX в цепь неинвертирующего входа ОУ КР544УД2 при заданных параметрах цепи – R1=R2=10 кОм и параметрах ОУ необходимо установить резистор коррекции

R3=R1R2/(R1+R2)=10×10 / (10+10)=5 кОм.

Выбираем R3 = 5,1 кОм типа С2-29В.

Находим суммарную мультипликативную погрешность

δмульт=δнк+δсс+δR=0,00499+0,0316+0,105=0,14159% (4.5)

Далее определим аддитивные погрешности инвертора. Погрешность, вызванная дрейфом нуля усилителей dТКе0

dТКе0=ТКе0*ΔТ*100/Uвх.макс=50*10-6*5*100/10=0,025% (4.6)

Аддитивная погрешность, вызванная неидеальностью источника питания

dКВНПе0=КВНПе0*ΔЕпит*100/Uвх=300*10-6*0,5*100/10=0,0015% (2.25)

Суммарная аддитивная погрешность

dадд=dТКе0+dКВНПе0=0,0025+0,0015=0,004% (4.7)

Результирующая погрешность инвертора

dΣ=dмульт+dадд=0,14159+0,004=0,14559% (4.8)

Определим погрешность аналогового ключа.          Погрешность от неидентичности ключей вызывается нестабильностью сопротивлений rk1 и rk2 . С учетом того, что R >> rk имеем

 (4.9)

где Drk1 и Drk2 – изменение сопротивлений замкнутых ключей под воздействием внешних факторов или старения. Действия некоторых факторов можно уменьшить схемными решениями. Нелинейность сопротивления ключа при открытом состоянии и зависимость его от температуры можно ослабить подключением последовательно с ключом резистора, сопротивление которого значительно больше сопротивления ключа. Сопротивление полевых транзисторов в открытом состоянии обычно колеблется от 50 до 200 Ом. Включение резистора сопротивлением 2¸5 кОм последовательно с транзистором практически исключает погрешность, вызванную нелинейностью и зависимостью сопротивления ключа от температуры [36]. Ключи на полевых транзисторах, выполненные в виде одной интегральной схемы имеют, как правило (Drk1 – Drk2), не более нескольких единиц Ом, поэтому для уменьшения погрешностей рекомендуется величину R выбирать в диапазоне 104 ¸ 105 Ом.

При использовании аналоговых ключей типа КР590КН4(rkоткр » 75 Ом), сопротивления R4 =10 кОм, а также (Drk1–Drk2) »10 Ом погрешность, вызванная изменением сопротивлений замкнутых ключей

dКЛ = (Drk1 – Drk2)×100 / R4 = 10×100 / 10000= 0,1% (4.10)

Рассчитаем погрешность интегратора. В качестве операционного усилителя для интегратора выбираем микросхему типа ОУ574УД3, параметры которой приведены в таблице 4.2.

Таблица 4.2- Параметры микросхемы К574УД3

Проводим расчет мультипликативных погрешностей. Находим относительные погрешности от нелинейности интегрирования в соответствии с формулами

dЛ1=100*t/K0τ=100*10*10-3/20000*10*103*10-6=0,005% (4.11),

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8