PL226723B1

PL226723B1 - Method for measurements and the system for measuring the effective value of voltage, current and active power

Info

Publication number: PL226723B1
Application number: PL406256A
Authority: PL
Inventors: Andrzej Bień; Jakub Kowalski
Original assignee: Akademia Górniczo Hutnicza Im Stanisława Staszica W Krakowie
Priority date: 2013-11-26
Filing date: 2013-11-26
Publication date: 2017-08-31
Also published as: PL406256A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru wartości skutecznej napięcia prądu i mocy czynnej oraz układ do pomiaru wartości skutecznej napięcia prądu i mocy czynnej, czyli 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.The subject of the invention is a method for measuring the RMS value of the current voltage and active power, and a system for measuring the RMS value of the current voltage and active power, i.e. the implementation of this method. The invention enables the effective power value to be measured after a suitable, known calculation method. The solution uses the method of measurement with comparators based on multiple sampling.

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.Methods of measuring the rms value with uniform sampling systems are known. The samples are measured at regular intervals, squared and averaged, then the root of the mean is determined. For the calculation of active power, voltage and current samples are taken practically at constant time intervals and then averaged to determine the power value.

W opisie nr US 768 618 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.The description of No. US 768 618 B2 describes a method of acquisition of digital, binary signals by means of parallel sampling of the tested signal using several parallel paths. Each track samples evenly. The sampling moments of each of them are shifted among themselves by a small amount. The analysis of multiple paths in terms of the difference in the number of detected slope changes increases the accuracy of their reproduction over time, and thus the calculation of the effective values.

W opisie patentowym nr EP 0 244 537 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.EP 0 244 537 B1 describes a pseudo-random sampling system based on the jitter phenomenon of the sampling phase, i.e. the variation of sampling moments with known intervals. The time between samples is recorded. The method is used to determine the signal shape and can also be used to measure the RMS value.

Znane jest też rozwiązanie nr DE 19 652 698 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.The solution No. DE 19 652 698 A1 is also known. The data is analog values randomly distributed evenly across the entire measuring range, for example 10 to 10 V. These random values are then used as the reference value for the comparator. The measurement result is the sum of all values below the comparison threshold.

Sposób pomiaru wartości skutecznej napięcia prądu i mocy czynnej, według wynalazku, polega na próbkowaniu stanu komparatorów porównujących mierzone sygnały i/lub prądu z napięciem referencyjnym a następnie dokonaniu obliczeń. Istotą, jest to, że próbkowanie stanu komparatora wykonuje się ze stałą częstotliwością i wszystkie wyniki próbkowania wprowadza się do bufora danych, natomiast z bufora pamięci danych do jednostki obliczeniowej przesyła się wyniki wybrane losowo. Wybieranie jest realizowane za pomocą generatora impulsów o losowej długości czasu odstępu pomiędzy generowanymi impulsami uzupełnionego układem formującym sygnał losowy. Te wybrane wyniki są następnie w jednostce obliczeniowej przeliczone na wartości skuteczne przy zastosowaniu znanych algorytmów.The method of measuring the effective value of the current voltage and active power, according to the invention, consists in sampling the state of comparators comparing the measured signals and / or current with the reference voltage and then making the calculations. The essence is that comparator state sampling is performed at a constant frequency and all sampling results are entered into the data buffer, while randomly selected results are transferred from the data memory buffer to the computation unit. The selection is carried out by means of a pulse generator with a random time interval between the generated pulses supplemented by a circuit forming a random signal. These selected results are then converted into rms values in a calculation unit using known algorithms.

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.The system for measuring RMS voltage, current and active power, according to the invention, consists of at least one comparator, a reference voltage source fed to the comparator input, and a data memory buffer connected to a computing unit. The output of each comparator is connected to the input of the data memory buffer and the signal output of the data memory buffer to the processing unit. Moreover, a pulse generator with a random length of the interval between the generated pulses supplemented by a circuit forming the random signal is connected to the input of the data memory buffer.

Do wejść komparatora podawane są obserwowane sygnały i napięcia referencyjne generowane ze znanych źródeł stabilizowanego napięcia. Wyjścia komparatorów są połączone z wejściami bufora pamięci danych. Próbkowanie stanu wyjścia komparatora wykonuje się ze stałą częstotliwością i wszystkie wyniki próbkowania wprowadza się do bufora pamięci danych. Z generatora, przyłączonego do bufora pamięci danych, podawane są uformowane sygnały losowe tak, by spośród wszystkich zapisanych wyników część została wybrana losowo i przesłana linią sygnałową do jednostki obliczeniowej. Tam wyniki próbkowania są przeliczane czyli podnoszone do kwadratu i uśredniane, następnie wyznaczany jest pierwiastek sumy, będący mierzoną wartością skuteczną.Observed signals and reference voltages generated from known sources of stabilized voltage are fed to the comparator inputs. The comparator outputs are linked to the data memory buffer inputs. Sampling of the comparator output state is performed at a fixed rate and all sampling results are loaded into the data memory buffer. Random signals formed from the generator connected to the data memory buffer are supplied so that a part of all the stored results is selected randomly and sent via a signal line to the computing unit. There, the sampling results are converted, i.e. squared and averaged, then the root of the sum, which is the measured effective value, is determined.

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 doIn the case of measuring quantities with variable signs, at least two comparators are used. The increased number of comparators increases the accuracy of the measurement. If the signal is of one character, only one comparator can be used, setting its activation threshold to the half of the measuring range. For several comparators, the activation thresholds are evenly or weighted in the measuring range. One voltage input is used to measure the RMS voltage, and to

PL 226 723 B1 pomiaru wartości skutecznej prądu wejście prądowe. Do pomiaru wartości skutecznej mocy czynnej używa się wejścia sygnału napięcia i wejścia sygnału prądu.The current input is measured by the RMS value of the current input. The RMS value of active power is measured using the voltage signal input and the current signal input.

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.An advantage of the invention is that it is possible to correctly determine the rms or power values for any frequencies of the input signal. The frequency of the signal need not be known to the user, contrary to known solutions. The use of a previously unknown method of random sampling of signals in measurements made it possible to propose a method and a system that is a simple and cheap alternative to measuring signals with a high unknown frequency.

Przedmiot wynalazku pokazano w przykładzie rozwiązania na rysunku będącym schematem blokowym układu. Przykładowy układ został zbudowany z jednego komparatora.The subject of the invention is shown in an example of a solution in the drawing which is a block diagram of the system. The exemplary system was built from one comparator.

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.The basic elements of the RMS measurement system, according to the invention, are the analog comparator LM 339, the known stabilized reference voltage source Uref, the data memory buffer 2 connected to the calculation unit 3, and the generator of 4 pulses with a random time interval between the generated pulses, the most important for the invention. together with the system for shaping the random signal.

Sposób pomiaru polega na próbkowaniu stanu komparatorów porównujących mierzone sygnały napięcia Uu i/lub sygnał prądu Ui z napięciem referencyjnym Uref, a następnie dokonaniu obliczeń. Próbkowanie stanu komparatora 1 wykonuje się ze stałą częstotliwością i wszystkie wyniki próbkowania wprowadza się do bufora pamięci danych 2, natomiast z bufora do jednostki obliczeniowej 3 przesyła się wyniki wybrane losowo. Wybieranie jest realizowane za pomocą generatora 4 impulsów o losowej długości czasu odstępu pomiędzy generowanymi impulsami uzupełnionego układem formującym 5 sygnał losowy. Te wybrane wyniki są następnie w jednostce obliczeniowej 3 przeliczone na wartości skuteczne przy zastosowaniu znanych algorytmów.The method of measurement consists in sampling the state of comparators comparing the measured voltage signals Uu and / or the current signal Ui with the reference voltage Uref, and then making calculations. Sampling of the state of comparator 1 is performed at a constant frequency and all sampling results are loaded into the data memory buffer 2, while randomly selected results are sent from the buffer to the computing unit 3. The selection is carried out by a generator 4 of pulses with a random length of the interval between the generated pulses supplemented by the circuit forming the random signal. These selected results are then converted into rms values in the calculation unit 3 using known algorithms.

Do wejść komparatora 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 741s74 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.Observed voltage signal Uu and / or current signal Ui and reference voltage Uref generated from stabilized voltage sources are fed to the comparator inputs. The output of each comparator 1 is connected to the input of the data memory buffer 2, and the signal outputs of the data memory buffer are connected to the processing unit 3. Furthermore, a pulse generator 4 with a random time interval between the generated pulses is connected to the input of the input buffer 2. The generator is connected to the reading block through a forming and triggering circuit. In the reading block, two D-type flip-flops, TTL 741s74, are used so that the random write signal writes the states of comparator outputs in the reading block and allows for processing by a microcomputer of known design for further calculations. The operation of the circuit for generating pulses with a random distance between them is selected so that there are no pulses with too short intervals and too long intervals. It is necessary for the correct operation of a microcomputer or other computing system.

Wynik pomiaru jest prezentowany lub przekazany do dalszego wykorzystania przez jednostkę obliczeniową w znane informatyczne sposoby.The measurement result is presented or forwarded for further use by the computing unit in known IT methods.

Claims

1. The method of measuring the RMS value of voltage, current and active power consisting in sampling the state of comparators comparing the measured voltage signals and / or current signals with the reference voltage, and then making calculations, characterized in that the sampling of the state of at least one comparator is performed with a constant frequency and all sampling results are entered into the data buffer, and then randomly selected results by means of a pulse generator with a random time interval between the generated pulses are sent from the data buffer to the computation unit.

2. A system for measuring RMS voltage, current and active power, consisting of at least one comparator, a reference voltage source and a computing unit, characterized in that the output of each comparator (1) is connected to the input of the data memory buffer (2), the output the signal of the data memory buffer (2) is connected to the computing unit (3), and furthermore, a pulse generator (4) with a random length interval between the generated pulses, supplemented by a random signal shaper (5) is connected to the input of the data memory buffer.