PL226722B1 - Sposób i układ do pomiaru wartości skutecznej napięcia, prądu i mocy czynnej - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru wartości skutecznej napięcia, prądu i mocy czynnej oraz układ do realizacji tego sposobu. Wynalazek umożliwia pomiar wartości skutecznej mocy czynnej po odpowiednim, znanym sposobie dokonania obliczeń. W rozwiązaniu zastosowano metodę pomiaru z komparatorami opartą na wielokrotnym próbkowaniu.

Znane są sposoby pomiaru wartości skutecznej za pomocą układów z próbkowaniem równomiernym. Próbki są mierzone z równomiernymi odstępami czasu, podnoszone do kwadratu i uśredniane, następnie wyznaczany jest pierwiastek ze średniej. Do obliczenia mocy czynnej praktycznie w stałych odstępach czasowych pobiera się próbki napięć i prądów, następnie uśrednia się je w celu wyznaczenia wartości mocy.

W opisie US 768618 B2 przedstawiona jest metoda akwizycji sygnałów cyfrowych, dwustanowych za pomocą równoległego próbkowania badanego sygnału za pomocą kilku równoległych takich samych torów. Każdy z torów próbkuje równomiernie. Momenty próbkowania każdego z nich są przesunięte między sobą o małą wartość. Analiza wielu torów pod względem różnicy ilości wykrytych zmian zboczy powoduje zwiększenie dokładności odtworzenia ich w czasie, a przez to i obliczeń wartości skutecznych.

W opisie patentowym EP0244537 B1 przedstawiony jest system próbkowania pseudoprzypadkowego opartego na zjawisku drżenia (jitter) fazy próbkowania, czyli zmienności momentów próbkowania o znanych odstępach. Czas pomiędzy próbkowaniami jest zapisywany. Metoda służy do wyznaczania kształtu sygnału i również może być użyta do pomiaru wartości skutecznej.

Znane jest też rozwiązanie DE19652698 A1. Dane są wartości analogowe losowo rozmieszczone z rozkładem równomiernym wzdłuż całego zakresu pomiarowego, na przykład 10 do 10 V. Te losowe wartości są następnie użyte jako wartość referencyjna dla komparatora. Wynik pomiaru to zsumowane wszystkie wartości poniżej progu komparacji.

W sposobie pomiaru wartości skutecznej napięcia, prądu i mocy czynnej, według wynalazku, polegającym na próbkowaniu stanu komparatorów porównujących mierzone sygnały i/lub prądu z napięciem referencyjnym a następnie dokonaniu obliczeń, istotą jest to, że próbkowanie stanu co najmniej jednego komparatora wykonuje się w momentach wybranych losowo. Wybieranie jest realizowane za pomocą uformowanych sygnałów z generatora impulsów o losowej długości czasu odstępu pomiędzy generowanymi impulsami uzupełnionego układem formującym sygnał losowy. Wszystkie tak uzyskane wyniki próbkowania wprowadza się do bufora pamięci danych a następnie z bufora danych przesyła się do jednostki obliczeniowej. Tam, stosując znane algorytmy, zostają one przeliczone na wartości skuteczne.

Układ do pomiaru wartości skutecznych napięcia, prądu i mocy czynnej, według wynalazku, składa się z co najmniej jednego komparatora, źródła napięcia referencyjnego podawanego na wejście komparatora oraz bufora pamięci danych połączonego z jednostką obliczeniową. Wyjście każdego komparatora jest połączone z wejściem bufora pamięci danych, a wyjście sygnałowe bufora pamięci danych z jednostką obliczeniową. Ponadto do wejścia wpisującego bufora pamięci danych dołączony jest generator impulsów o losowej długości czasu odstępu pomiędzy generowanymi impulsami uzupełniony układem formującym sygnał losowy.

Do wejść komparatora podawane są obserwowane sygnały oraz napięcie referencyjne, generowane ze znanych źródeł stabilizowanego napięcia. Wyjście komparatora jest połączone z wejściami bufora pamięci danych. Z generatora, impulsów o losowej długości czasu odstępu pomiędzy generowanymi impulsami, przyłączonego do bufora pamięci danych, podawane są sygnały losowe, tak iż próbkowanie wykonuje się w momentach wybranych losowo. Wyniki próbkowania wprowadza się do bufora pamięci danych i przesyła linią sygnałową do jednostki obliczeniowej. Tam wyniki próbkowania są przeliczane czyli podnoszone do kwadratu i sumowane, następnie wyznaczany jest pierwiastek sumy, będący mierzoną wartością skuteczną. W przypadku pomiaru wielkości o zmiennych znakach stosuje się co najmniej dwa komparatory. Zwiększona ilość komparatorów zwiększa dokładność pomiaru. Jeśli sygnał jest o jednym znaku można zastosować tylko jeden komparator ustawiając jego próg zadziałania na połowę zakresu pomiarowego. Dla kilku komparatorów progi zadziałania układa się równomiernie lub wagowo w zakresie pomiarowym. Do pomiaru wartości skutecznej napięcia jest stosowane jedno wejście napięciowe, a do pomiaru wartości skutecznej prądu wejście prądowe. Do pomiaru wartości skutecznej mocy czynnej używa się wejścia sygnału napięcia i wejścia sygnału prądu.

PL 226 722 B1

Zaletą wynalazku jest możliwość poprawnego wyznaczenia wartości skutecznych lub mocy dla dowolnych częstotliwości sygnału wejściowego. Częstotliwość sygnału nie musi być znana użytkownikowi, w przeciwieństwie do znanych rozwiązań. Zastosowanie wcześniej nie znanej metody losowego próbkowania sygnałów w pomiarach pozwoliło na zaproponowanie sposobu oraz układu, który jest prostą i tanią alternatywą pomiaru sygnałów o wysokiej nieznanej częstotliwości.

Przedmiot wynalazku pokazano w przykładzie rozwiązania na rysunku będącym schematem blokowym układu. Przykładowy układ został zbudowany z jednego komparatora.

Podstawowymi elementami układu do pomiaru wartości skutecznych, według wynalazku, jest komparator 1 analogowy LM 339, znane stabilizowane źródło napięcia referencyjnego Uref, bufor pamięci danych 2 połączony z jednostką obliczeniową 3, oraz najbardziej istotny dla wynalazku generator 4 impulsów o losowej długości czasu odstępu pomiędzy generowanymi impulsami wraz z układem formującym 5 sygnał losowy.

W sposób pomiaru polega na próbkowaniu stanu komparatora 1 porównującego mierzony sygnały napięcia Uu i/lub sygnał prądu Ui z napięciem referencyjnym Uref, a następnie dokonaniu obliczeń. Próbkowanie stanu komparatora 1 wykonuje się w momentach wybranych losowo. Wybieranie jest realizowane za pomocą uformowanych sygnałów z generatora 4 impulsów o losowej długości czasu odstępu pomiędzy generowanymi impulsami uzupełnionego układem formującym 5 sygnał losowy. Wszystkie tak uzyskane wyniki próbkowania wprowadza się do bufora 2 pamięci danych a następnie z bufora danych przesyła się do jednostki obliczeniowej 3. Tam, stosując znane algorytmy, zostają one przeliczone na wartości skuteczne.

Do wejść komparatora 1 podawany jest obserwowany sygnał napięcia Uu i/lub sygnał prądu Ui oraz napięcie referencyjne Uref generowane ze źródeł stabilizowanego napięcia. Wyjście każdego komparatora 1 ma połączenie z wejściem bufora 2 pamięci danych, a wyjścia sygnałowego bufora pamięci danych połączone są z jednostką obliczeniową 3. Ponadto do wejścia wpisującego bufora 2 dołączony jest generator 4 impulsów o losowej długości czasu odstępu pomiędzy generowanymi impulsami. Generator połączony jest z blokiem odczytującym poprzez układ formująco-wyzwalający. W bloku odczytującym zastosowano dwa przerzutniki typu D, TTL 74ls74, tak by sygnał losowego zapisu wpisywał stany wyjść komparatorów w bloku odczytującym i pozwalał na przetwarzanie przez mikrokomputer o znanej konstrukcji celem dalszych obliczeń. Działanie obwodu do generowania impulsów o losowej odległości pomiędzy nimi dobiera się tak by nie występowały impulsy o zbyt krótkich odstępach i o zbyt długich odstępach. Jest to konieczne do poprawnej pracy mikrokomputera lub innego układu obliczeniowego.

Wynik pomiaru jest prezentowany lub przekazany do dalszego wykorzystania przez jednostkę obliczeniową w znane informatyczne sposoby.

Claims (2)

1. Sposób pomiaru wartości skutecznej napięcia, prądu i mocy czynnej polegający na próbkowaniu stanu komparatorów porównujących mierzone sygnały napięcia i/lub sygnały prądu z napięciem referencyjnym a następnie dokonaniu obliczeń, znamienny tym, że próbkowanie stanu co najmniej jednego komparatora wykonuje się w momentach wybranych losowo za pomocą sygnałów z generatora impulsów o losowej długości czasu odstępu pomiędzy generowanymi impulsami, przy czym wszystkie wyniki próbkowania wprowadza się do bufora danych a następnie z bufora danych przesyła się do jednostki obliczeniowej.

2. Układ do pomiaru wartości skutecznych napięcia, prądu i mocy czynnej składający się z co najmniej jednego komparatora, źródła napięcia referencyjnego oraz jednostki obliczeniowej, znamienny tym, że wyjście każdego komparatora (1) połączone jest z wejściem bufora pamięci danych (2), wyjście sygnałowe bufora pamięci danych (2) połączone jest z jednostką obliczeniową (3) i ponadto do wejścia wpisującego bufora pamięci danych dołączony jest generator (4) impulsów o losowej długości czasu odstępu pomiędzy generowanymi impulsami, uzupełniony układem formującym (5) sygnał losowy.