Средства учета количества электричества и электрической энергии

Повышение точности измерений мощности и энергии требует учета особенностей энергетических процессов в системах электроснабжения при наличии нагрузок, ухудшающих форму кривой напряжения и создающих колебания напряжения и асимметрию. Точность измерения мощности и энергии, потребляемых нагрузкой, определяется не только классом точности прибора, но и структурой измерительного устройства, от которой зависит, насколько применяемое устройство учитывает искажающие свойства нагрузок.

В предлагаемом устройстве измерение расхода электрической энергии осуществляется путем аналогового перемножения мгновенных значений сигналов, пропорциональных напряжению и току нагрузки с последующим интегрированием результата в течение определенного времени. Величина текущего расхода электрической энергии пропорциональна сумме счетных импульсов, полученных в процессе квантования по вольт-секундной площади результата текущего интегрирования.

Способность дозирования, приданная электронному измерителю с целью расширения функциональных возможностей, заключается в формировании им управляющего сигнала на отключение цепи нагрузки от источника питания в момент, когда текущий расход электрической энергии окажется равным заранее заданной величине (дозе) энергии. Таким образом, данный электронный измеритель-дозатор, наряду с измерением расхода энергии, ограничивает подачу в нагрузку величины энергии, превышающей заданную дозу.

Предлагаемый электронный измеритель электрической энергии можно использовать как в цепях переменного (однофазного, трехфазного) тока с синусоидальной или несинусоидальной формой сигнала, так и в цепях постоянного тока, применяя при этом в качестве измерительных датчиков тока прецизионные четырехзажимные резисторы, включенные последовательно с нагрузкой или трансформаторы постоянного тока.

Широтно-импульсные умножители на основе использования преобразователя напряжение-время обладают наивысшей точностью, так как транзисторы в них используются в ключевых режимах и изменение крутизны их характеристик из-за внешних воздействий не вызывает погрешности. Умножители с широтно-импульсной модуляцией в модульном исполнении имеют минимальную погрешность (0,10,01%), нелинейность 0,02 %, частотный предел составляет примерно 3% от частоты несущей (до 100 кГц). На использовании умножителей с широтно-импульсной модуляцией основаны современные наиболее точные измерители электрической мощности, а также серийные электронные счетчики электрической энергии.

Электронный счетчик электрической энергии должен выполнять непрерывно и продолжительно в режиме реального времени процедуру вычисления интеграла от произведения мгновенных значений напряжения и тока нагрузки. Если при данной операции использовать устройство дозирования электрической энергии, то за время протекания тока между электрическими контактами в массе металла выделится определенная порция тепловой энергии, равная заданной дозе, не зависящая от изменений вышеуказанных параметров, за исключением незначительных тепловых потерь, затраченных на нагрев подводящих электродов.

Количество тепловой энергии, необходимое для нагрева заготовки до определенной температуры, рассчитывается предварительно и уточняется экспериментально. В конечном результате, дозированный разогрев каждой из заготовок будет производиться до одинаковой температуры, что позволит существенно повысить качество проведения технологической операции и, тем самым, снизит уровень брака.

Устройства дозирования могут применяться при исследовании защитных характеристик вставок предохранителей, тепловых реле, проверке характеристик термопреобразователей, при исследовании динамики тепловых процессов и т. д.

Целью данной работы является разработка устройства, способного осуществлять дозирование электрической энергии при электроконтактном или электродуговом нагреве металлов, в контактной точечной сварке, в микроэлектросварке, а также при электротермическом нагреве различных материалов.

Осуществлять дозирование электрической энергии можно путем включения и своевременного отключения источника энергии от нагрузки. В процессе этого действия необходимо проводить непрерывный контроль заданной и потребляемой доз энергии при помощи высокоточных электронных измерительных устройств, способных выполнять операцию вычисления потребляемой электрической и операцию сравнения.

Однако, как и в случае с электроконтактным нагревом, аппаратура управления отслеживает и регулирует изменения только входных параметров процесса, не проводя в полной мере контроля выходного параметра, каковым является величина потребленной электрической энергии. Поэтому включение в состав аппаратуры управления средств дозирования электрической энергии, которые в процессе сварки при текущих изменениях основных электрических параметров процесса, будут контролировать количество потребляемой электрической энергии, приведет к стабилизации теплового импульса, выделяемого в зоне точечной сварки, что главным образом отразится на качестве сварных соединений.

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)

где ₁=R₁C, ₂=R₂C.

При прямоугольной форме импульсов амплитудой U_OC

(2.2)

или (2.3)

где (2.4)

Следовательно, уравнение преобразования ИИ с прямоугольной формой импульса обратной связи можно записать в виде

, (2.5)

т.е. параметры преобразователя не зависят от значений емкости С и опорного напряжения U₀. Они определяются только отношением суммирующих сопротивлений интегратора и стабильностью площади импульса обратной связи. Форма импульса обратной связи может отличаться от прямоугольной, важно обеспечить лишь стабильность вольт-секундной площади, которая в таком случае будет равна

(2.6)

Подобные схемы ИИ могут обеспечить общую погрешность преобразования не хуже 0,1 % [29].

На значение общей погрешности существенное влияние может оказать дрейф нуля интегратора, поэтому в преобразователях малых напряжений в частоту используют различные способы компенсации дрейфа нуля интегратора, не ухудшающие быстродействия. С этой целью, например, в одном из вариантов в рассмотренную схему добавляется устройство компенсации дрейфа нуля, состоящее из дополнительной интегрирующей цепи и усилителя постоянного тока типа МДМ (с модуляцией и демодуляцией), который обладает очень малым собственным дрейфом нуля [30]. Более высокая точность преобразования может быть получена в ПНЧ с опорной тактовой частотой. Известны схемы ПНЧ с импульсной обратной связью с раздельным формированием амплитуды и длительности импульса обратной связи (рисунок 2.3) [28]. Достоинством таких ПНЧ является то, что они не требуют применения прецизионных конденсаторов, как, например, в схемах ПНЧ, где в качестве звена обратной связи используется RC-цепь.



Рисунок 2.3 - Схема ПНЧ с импульсной обратной связью

Схема работает следующим образом. На тактовый вход С триггера Т подаются импульсы образцовой частоты f₀, минимальное значение которой выбирается из условия:

f_0min = 2,5f_max, (2.7)

где f_max - максимальная выходная частота ПНЧ.

При срабатывании компаратора ОУ2 на вход D триггера Т подается разрешающий сигнал и при поступлении первого же импульса образцовой частоты f₀ на тактовый вход С триггера последний переключается и вырабатывает управляющий сигнал на аналоговый переключатель АП. При этом на вход интегратора через резистор R₀ подключается образцовое напряжение U₀.

Погрешность преобразования ПНЧ определяется неточностью и нестабильностью отношения R₀/R, неточностью выполнения операции интегрирования, нестабильностью порога срабатывания компаратора в течение одного цикла работы, отсутствием синхронизации импульсов с моментами срабатывания компаратора, нестабильностью U₀, нестабильностью формирования интервала ₀. Нестабильность порога срабатывания компаратора вызывается изменением коэффициента усиления ОУ2, дрейфами напряжения смещения и тока смещения. Нестабильность длительности импульса обратной связи ₀ определяется вариацией фронтов срабатывания аналогового переключателя и нестабильностью образцовой частоты f₀, которая в случае применения кварцевого генератора может быть достаточно малой.

Рассмотренный в предыдущем примере принцип положен в основу построения ПНЧ типа М0100ПП1, входящего в состав комплекта гибридных микросборок для обработки сигналов мостовых тензорезисторных датчиков [31]. Здесь используется интегратор Миллера, построенный на основе операционного усилителя К551УД1 с параллельным высокочастотным каналом. При тактовой частоте f_T = 100 кГц и выходной частоте f_вых до 80 кГц погрешность от нелинейности не превышает 0,01%.

Широкое производство подобных устройств в модульном, гибридном и твердотельном исполнении дает возможность применять их в качестве предвключенных измерительных преобразователей [19].

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

(U_x/R)T = I₁t₀, (2.8)

где U_x/R - ток заряда конденсатора; Т - период преобразования.

Частота следования импульсов

f = 1/T = U_x/(R I₁t₀), тогда

(2.9)

Таким образом, в данном ПНЧ осуществляется линейное преобразование напряжения U_X в частоту f. Погрешность линейности характеристики в частотном диапазоне 5 Гц ч 10 кГц не превышает 0,01% при изменении напряжения в пределах 0 ч 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 U_ВХ1(t). При этом, пропорционально изменению заряда конденсатора С, начинает изменяться выходное напряжение интегрирующего усилителя от некоторого начального значения U_И (t) =U_НАЧ =+U_П в направлении смены полярности напряжения на выходе интегратора до величины, когда этот уровень станет равным пороговому значению -U_П 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 t₁ = t₁ - t₀ составит

(2.10)

Рисунок 2.7 - Временная диаграмма работы ИИ

В момент времени t = t₁ при достижении на выходе интегратора порогового уровня U_И(t) = -U_П произойдет наполнение интегратора и компаратор переключит электронные ключи, после чего на вход интегрирующего усилителя через ключ SW2 будет подано инвертированное напряжение -U_ВХ2(t). В результате этого действия направление заряда интегрирующей емкости изменится на противоположное и начнется ее перезаряд, который будет происходить в течение времени t₂ = t₂ - t₁, пока напряжение на выходе усилителя не станет равным пороговому уровню U_И(t) =+U_П. При этом величина заряда емкости С за время t₂ составит

(2.11)

В момент окончания второго такта напряжение на выходе интегрирующего усилителя достигнет значения, с которого был начат процесс заряда U_И(t) =U_НАЧ =+U_П. Если пороговые уровни срабатывания компаратора выдерживать равными по абсолютной величине |+U_П| = |-U_П|, 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=…= Q_N, 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 U_ВХ(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 (+U_П и -U_П), 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 u_u и u_i, поступающие на входы аналогового множительного устройства 4 с измерительных преобразователей 2 и 3, пропорциональны текущему значению напряжения на нагрузке:

u_u=k_uu_H,

где u_H - текущее напряжение на нагрузке;

k_u - коэффициент пропорциональности по напряжению.

и текущему значению тока нагрузки:

u_i= k_ii_H,

где i_H - текущий ток нагрузки;

k_i - коэффициент пропорциональности по току.

Выходное напряжение множительного устройства, пропорционально текущему значению мощности:

u_y = k_уk_uk_i u_Hi_H = k_уk_pp_H,

где p_H - текущая мощность на нагрузке;

k_p = k_uk_i - коэффициент пропорциональности по мощности;

k_у - коэффициент пропорциональности множительного устройства.

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

(3.2)

где k_W = k_у k_p - 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 Т_Ц:

(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.