Устройство для измерения периода колебаний

Техническое решение относится к электронике и измерительной технике, а именно к измерителям периодов инфранизкочастотных сигналов.
В результате разности частот различных генераторов (машинного типа или статических преобразователей), работающих на общую сеть, в электроэнергетической системе возникает модуляция, что приводит к появлению модулированных режимов в электроэнергетической системе.
Для устранения модуляции требуется синхронная работа генераторов на одну сеть, с постоянным отслеживанием и взаимной подгонкой частот параллельно работающих генераторов. Динамика работы генераторов машинного типа «мягкая». Однако, статистические преобразователи жестко привязаны по частоте. Следовательно, при подключении в сеть источника тока подобного типа может вызывать перегрузку автоматов и электрических аппаратов из-за инерционности выравнивания частоты машинных генераторов.
Когда источник тока, статический преобразователь, подключается к сети, машинный генератор разгружается и его рабочая частота растет из-за инерционности обработки системы автоматического регулирования (САР). Разброс частот может вызвать увеличение тока машинного генератора, что может привести к срабатыванию защиты по току.
Для устранения этого явления желательно частоту статического генератора «привязать» к частоте машинного генератора, то есть статический преобразователь должен быть ведомым, а машинный генератор - ведущим.
Известно «Устройство для контроля частоты» (Патент РФ №2007731, МПК G01R 23/00, опубл. 15.02.1994 г.), содержащее первый триггер, прямой выход которого является первым выходом устройства, второй триггер, прямой выход которого является вторым выходом устройства, три элемента И - НЕ, причем входы третьего элемента И - НЕ соединены с прямыми выходами первого и второго триггеров, а выход является третьим выходом устройства, два одновибратора, отличающееся тем, что в него введен дополнительный D-триггер, D-вход которого соединен с шиной "Земля", С-вход - с С-входом первого одновибратора, инверсный вход которого соединен с входом устройства, а выход соединен с С-входами первого и второго триггеров и с S-входом дополнительного триггера, при этом одновибраторы выполнены на D-триггерах, прямой вход одного из них через интегрирующую цепь соединен со своим входом, причем резистор интегрирующей цепи шунтирован диодом, D-вход соединен с шиной "Земля", второй одновибратор, D-вход которого соединен с шиной "Земля", С-вход - с выходом первого одновибратора, третьим входом первого элемента И - НЕ и D-входом первого триггера, выход второго одновибратора соединен с D-входом второго триггера и вторым входом первого элемента И - НЕ, первый вход которого является входом устройства, а выход соединен с С-входом первого одновибратора.
Недостатком известного устройства является невысокая помехоустойчивость устройства к импульсным переходным процессам в измеряемых цепях.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату и выбранным в качестве прототипа является «Устройство для контроля периода колебаний» (Авт. св. СССР №1099288, МПК-3 G01R 23/15, БИ-23-84 г.), содержащее блок запуска и сброса, счетчик, первый формирователь импульсов, выход которого подключен к первому входу блока запуска и сброса, выходы сброса и разрешения счета которого соединены с соответствующими входами счетчика, а его второй вход - с выходом переполнения счетчика, а также опорный генератор, выход которого подключен к сигнальному входу счетчика, отличающееся тем, что, в него введены второй формирователь импульсов, два элемента ИЛИ, два коммутатора, два интегратора, два компаратора, счетный триггер и источник опорных напряжений, причем первый и второй входы второго формирователя импульсов соединены соответственно с выходами первого формирователя импульсов и опорного генератора, а выход соединен с первым входом первого элемента ИЛИ, к второму входу которого подключен выход сброса блока запуска и сброса, а к выходу первого элемента ИЛИ подключен сигнальный вход первого коммутатора, при этом вход счетного триггера соединен с выходом первого формирователя импульсов, его выход - с управляющими входами первого и второго коммутаторов, первый выход первого коммутатора через включенные последовательно первый интегратор и первый компаратор подключен к первому входу второго элемента ИЛИ, причем второй выход первого коммутатора через последовательно соединенные второй интегратор и второй компаратор подключен к второму входу второго элемента ИЛИ, при этом второй выход счетчика соединен с входами стробирования первого и второго компараторов, третий выход счетчика - с управляющим входом второго коммутатора, выходы которого подключены к входам сброса первого и второго интеграторов, а выходы источника опорных напряжений соединены с соответствующими входами компараторов.
Недостатком прототипа является его узкая функциональность.
Задачей настоящей полезной модели является разработка новой схемотехники устройства для измерения периода колебаний с достижением технического результата - расширения функциональных возможностей устройства, за счет измерение периода низкочастотных колебаний, обнаружение наличия модулированных режимов в электроэнергетических системах и сетях.
Поставленная задача выполняется тем, что в «Устройстве для измерения периода колебаний», содержащем выпрямитель, генератор импульсов, компаратор, генератор импульсов выполнен в виде генератора эталонной частоты, при этом выход делителя напряжения соединен с входом выпрямителя, выход которого соединен с фильтром, выход которого подключен к стабилизатору напряжения, выход которого соединен с фильтром низких частот, выход которого через биполярный источник питания подключен к компаратору, а выход подключен к входу устройства гальванической развязки, выход которого соединен с С-входом триггера управления, выход которого подключен к входу генератора эталонной частоты, при этом выход подключен ко входу блока логической обработки сигнала, выходы которого включены на буферную память, импульсы с которой поступают на дешифраторы, выходы которых соединены с соответствующими разрядами отсчетного устройства-индикатора, кроме того, делитель напряжения выполнен на резисторах, выпрямитель выполнен на элементах на двух стабилитронах, конденсаторе и двух резисторах, фильтр выполнен на конденсаторах, стабилизатор напряжения выполнен на стабилитронах, фильтр низкой частоты выполнен на операционном усилителе, резисторах и конденсаторах, биполярный источник питания представляет собой два последовательно - встречно включенных источника питания, выполненных на двух суперконденсаторах, компаратор выполнен на операционном усилителе и резисторах, устройство гальванической развязки выполнен на оптронной паре, логическом элементе и резисторах, триггер управления выполнен на логическом элементе DD2, генератор эталонной частоты выполнен на логических элементах DD1-2 и DD1-3, резисторах и конденсаторе, блок логической обработки сигнала выполнен на элементах «И» DD3-2, DD4-DD9, буферная память выполнена на логических элементах DD10-DD13, дешифраторы выполнены на логических элементах DD14-DD17, отсчетное устройство-индикатор выполнены на логических элементах DD18-DD21.
Существенными признаками заявляемого технического решения, совпадающими с прототипом, являются следующие признаки:
- выпрямитель;
- биполярный источник питания;
- генератор импульсов;
- компаратор.
Отличительными от прототипа существенными признаками заявляемого технического решения являются следующие признаки:
- генератор импульсов выполнен в виде генератора эталонной частоты;
- выход делителя напряжения соединен с входом выпрямителя;
- выход выпрямителя соединен с фильтром;
- выход фильтра подключен к стабилизатору напряжения;
- выход стабилизатора напряжения соединен с фильтром низких частот;
- выход фильтра низких частот через биполярный источник питания подключен к компаратору;
- выход компаратора подключен к входу устройства гальванической развязки;
- выход устройства гальванической развязки соединен с С-входом триггера управления;
- выход триггера управления подключен к входу генератора эталонной частоты;
- выход генератора эталонной частоты подключен ко входу блока логической обработки сигнала;
- выходы блока логической обработки сигнала включены на буферную память;
- импульсы с буферной памяти поступают на дешифраторы;
- выходы дешифраторов соединены с соответствующими разрядами отсчетного устройства-индикатора.
- делитель напряжения выполнен на резисторах R1 и R2;
- выпрямитель выполнен на элементах VD1, VD2, C1, R3 и R4;
- фильтр выполнен на конденсаторах С2 и С3;
- стабилизатор напряжения выполнен на стабилитронах VD3 и VD4;
- фильтр низких частот выполнен на операционном усилителе DA1-1 и элементах R5-R9, С4-С6;
б
- биполярный источник питания представляет собой два последовательно-встречно включенных источника питания, выполненных на двух суперконденсаторах С;
- компаратор выполнен на операционном усилителе DA1-2 и элементах R10-R12;
- устройство гальванической развязки выполнено на оптронной паре VS1, логическом элементе DD1-1 и резисторах R13 и R14;
- триггер управления выполнен на элементе DD2;
- генератор эталонной частоты выполнен на элементах DD1-2 и DD1-3, резисторах R15, R16 и конденсаторе С7;
- блок логической обработки сигнала выполнен на элементах DD3-2, DD4-DD9;
- буферная память выполнена на элементах DD10-DD13;
- дешифраторы выполнены на элементах DD14-DD17;
- отсчетное устройство-индикатор выполнено на элементах DD18-DD21.
Между существенными отличительными признаками заявляемого технического решения и достигаемым с их помощью техническим результатом - расширением функциональных возможностей устройства - существует следующая причинно-следственная связь.
Действительно, использование новой совокупности схемотехнических элементов и новых связей между ними позволяют получить новое устройство, которое может выполнять, кроме основной функции - измерения периода колебаний низкочастотных сигналов с частотой 4 Гц, несколько дополнительных функций - осуществлять измерение частоты, определять биения колебаний частот и частоту модуляции напряжения.
На фиг. 1 показана функциональная схема устройства, на фиг. 2 показана принципиальная электрическая схема устройства, на фиг. 3 показаны эпюры импульсов, поступающих на запись в блок логической обработки сигнала (БЛОС).
Заявляемое устройство для измерения периода колебаний содержит:
- делитель напряжения 1, выполненный на резисторах R1 и R2;
- выпрямитель 2, выполнен на элементах VD1, VD2, C1, R3 и R4;
- фильтр 3, выполненный на конденсаторах С2 и С3;
- стабилизатор напряжения 4, выполненный на стабилитронах VD3 и VD4;
- фильтр низких частот 5, выполненный на операционном усилителе DA1-1 и элементах R5-R9, С4-С6;
б
- биполярный источник питания 6, который представляет собой два последовательно-встречно включенных источника питания, выполненных на двух суперконденсаторах С;
- компаратор 7, выполненный на операционном усилителе DA1-2 и элементах R10-R12;
- устройство гальванической развязки 8, выполненное на оптронной паре VS1, логическом элементе DD1-1 и резисторах R13 и R14;
- триггер управления 9, выполненный на элементе DD2;
- генератор эталонной частоты 10, выполненный на элементах DD1-2 и DD1-3, резисторах R15, R16 и конденсаторе С7;
- блок логической обработки сигнала 11, выполненный на элементах DD3-2, DD4-DD9;
- буферная память 12, выполнена на элементах DD10-DD13;
- дешифраторы 13, выполненные на элементах DD14-DD17;
- отсчетное устройство-индикатор 14, выполненное на элементах DD18-DD21.
При этом генератор импульсов выполнен в виде генератора эталонной частоты 10, а выход делителя напряжения 1 соединен с входом выпрямителя 2, выход которого соединен с фильтром 3, выход которого подключен к стабилизатору напряжения 4, выход которого соединен с фильтром низких частот 5, выход которого через биполярный источник питания 6 подключен к компаратору 7, а выход компаратора 7 подключен к входу устройства гальванической развязки 8, выход которого соединен с С-входом триггера управления 8, выход которого подключен к входу генератора эталонной частоты 10, при этом выход генератора эталонной частоты 10 подключен ко входу блока логической обработки сигнала 11, выходы которого включены на буферную память 12 импульсы с которой поступают на дешифраторы 13, выходы которых соединены с соответствующими разрядами отсчетного устройства-индикатора 14.
В заявляемом устройстве переменное напряжение U подается на делитель напряжения 1, напряжение с которого поступает на фильтр 3, выход которого подключается к стабилизатору напряжения 4.
Фильтр низких частот 5 представляет собой активный фильтр низких частот, элементы которого приведены согласно расчетным данным по передаточной функции фильтра Чебышева, отличающихся резким спадом амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в переходной полосе, но в полосе пропускания эти характеристики не являются плоскими. Согласно расчетным данным крутизна ската до 4 Гц. Выход фильтра низких частот 5 через биполярный источник питания 6 подключен к компаратору 7.
Выход компаратора 7 подключен ко входу устройства гальванической развязки 8. Устройство гальванической развязки 8 предназначено для гальванической развязки цепей аналоговой обработки напряжения от цепей логической обработки информации. Выходные сигналы с устройства гальванической развязки 8 поступает на триггер управления 9, на вход которого поступают также импульсы калиброванной частоты с генератора эталонной частоты 10.
Выход триггера 9 подключен ко входу блока логической обработки сигнала 11, выход которого включен на буферную память 12. Импульсы с буферной памяти 12 подаются на дешифратор 13, выход которого подключается к отсчетному устройству - индикатору 14.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Входное напряжение 220 В поступает через делитель напряжения 1 (фиг. 1), выполненный на резисторах R1, R2, конденсатор С1 на двухполупериодный выпрямитель 2. собранный на диодах VD1 и VD2 (фиг. 2). Конденсатор С1 пропускает только переменную составляющую напряжения. Выходы диодов VD1 и VD2 через токоограничивающие сопровождения R3, R4 подключены к фильтру 3, выполненному на конденсаторах С2, С3 со стабилизацией напряжения параметрическим стабилизатором напряжения 4, собранным на VD3, VD4 для питания микросхем и элементов схемы.
б
Напряжение с делителя напряжения 1, выполненному на резисторах R1, R2, поступает на вход фильтра низких частот 5, собранного на элементах R5, R6, R7, R8, С4, С5, С6, DA1-1. Параметры фильтра низких частот 5 выбраны согласно расчетным данным по Чебышеву. Крутизна ската для фильтра Чебышева до 4 Гц. Сопротивления R5÷R8 выбраны согласно расчетам, номинальными значениями 91 кОм, С4=1 мкФ, С5=1,2 мкФ, С6=0,15 мкФ. Микросхема для фильтра низких частот 5 выбрана К140УД20. Выход фильтра низких частот 5 подключен к биполярному источнику питания 6, собранному на электролитических конденсаторах С. Напряжение с биполярного источника питания 6 поступает на инверсный вход компаратора 7, выполненного на операционном усилителе DA1-2. Выход компаратора 7 подключается к светоизлучающему диоду оптронной пары VS1. Коэффициент усиления DA1-2 равно 30, частота на выходе f=4 Гц.
Выход оптрона через схему «ИЛИ» DD1-1, собранном на К561ЛА7 подключается к триггеру управления 9, выполненному на элементе DD2 (561ТМ2). Прямой выход DD2 подключен к генератору эталонной частоты 10, выполненному на элементах DD1-2, DD1-3, R15, R16. Инверсный выход DD2 подключается к схеме формирователя импульсов DD3, DD4 и через схему управления DD3-3, DD4-5, DD4-6, DD5-1, DD5-2, DD5-3, DD5-4, DD5-5 сигнал записывается в буферную память 12 с задержкой 75 нс. Сигнал с буферной памяти 12 поступает дешифратор 13, выполненный на элементах DD14, DD15, DD16 и затем подается на отсчетное устройство-индикатор 14, выполненное на элементах DD17 (ААС314А). В данной схеме производится измерение периода Т. Преобразование сигнала показано эпюрами сигналов (фиг. 3). Для преобразования периода Т в частоту f необходима пересчетная таблица.
Данное устройство позволяет определять период колебаний частоты напряжения сети с 4 Гц и позволяет определять частоту низкочастотного сигнала, биения колебаний и частоту модуляции напряжения.
Таким образом, можно сделать вывод, что задача, поставленная в настоящей полезной модели - разработка новой схемотехники устройства для измерения периода колебаний - выполнена с достижением технического результата - расширения функциональных возможностей устройства, поскольку позволяет использовать его при разработке и изготовлении измерителей частотных характеристик, в т.ч. периода колебаний, преимущественно низкого и инфранизкого частотного диапазона.