ОБРАЗЦОВЫЙ СЧЕТЧИК ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
При производстве различных измерительных устройств вследствие разброса параметров аналоговых элементов функция преобразования может меняться от прибора к прибору. Поскольку все устройства должны отвечать заданному классу точности, то необходимо определять погрешность измерения в одной или нескольких точках рабочего диапазона (калибровка) и соответствующим образом регулировать прибор для корректировки функции преобразования.
На предприятиях по производству счетчиков электроэнергии объем производства может достигать десятков тысяч единиц в месяц, поэтому многие счетчики обладают функцией автокалибровки. В некоторых счетчиках для ее реализации необходимо нагрузить входы калибруемого прибора электрической мощностью (ток и напряжение с генератора фиктивной мощности) и на специальный вход подать частоту, пропорциональную этой мощности. После измерения этих параметров счетчик автоматически вычисляет и запоминает поправочный коэффициент, который будет использоваться в его дальнейшей работе. Таким образом, для операции калибровки требуется образцовый преобразователь мощности в частоту. Кроме того, перед государственной поверкой необходимо производить внутренний контроль метрологических параметров. Для этого требуется образцовый счетчик электроэнергии. Приборы, генерирующие образцовую частоту, пропорциональную мощности, существуют и используются на предприятиях. Имеется и дорогостоящее оборудование, предназначенное для контроля метрологических параметров. Однако, в отличие от них, разрабатываемый прибор является универсальным и может быть использован и на той и на другой операции. В данной статье приводится описание разработки универсального образцового прибора, который можно применять как для калибровки, так и для контроля метрологических параметров на предприятии. Этот технологический счетчик должен быть существенно дешевле имеющегося на рынке оборудования, что делает его востребованным на производственном предприятии.
Исходя из требований ГОСТа и условий работы определен класс точности образцового прибора – 0.1 (поскольку он предназначен для работы со счетчиками класса точности 1), а также другие характеристики, такие как диапазон рабочих напряжений (120 – 260В), рабочих токов (0.25 – 100А), параметры частотного выхода и др. Исходя из этих требований, на прибор разработано техническое задание. Кроме этого, разработана функциональная схема прибора (рисунок 1).
Разработаны программное обеспечение для микроконтроллера, принципиальная электрическая схема; рассчитаны параметры аналоговых цепей, проанализированы погрешности.
Ядро прибора составляет специализированная измерительная микросхема ADE7759, которая выполняет измерение мощности и энергии. Данная микросхема хорошо изучена и широко применяется для производства однофазных счетчиков. Она обеспечивает линейность и относительную погрешность измерения менее 0.1% в динамическом диапазоне 1000:1 [3], что позволяет построить на ее основе образцовый счетчик класса точности 0.1. Кроме этого, как указано в [3], при токе 5A (который чаще всего используется при калибровке счетчиков) погрешность составляет около 0.02%. Но при этом необходимо выбрать остальные компоненты схемы прецизионными и высокостабильными для уменьшения инструментальных погрешностей (это касается входных аналоговых цепей, источника опорного напряжения, кварцевого резонатора).
На входы микросхемы с измерительных преобразователей ИП1 и ИП2 поступают отфильтрованные и масштабированные сигналы, пропорциональные, соответственно, напряжению и току. В ADE7759 имеются два параллельно работающих сигма-дельта АЦП, а также блок умножения, цифровые фильтры, накопительные регистры и т.д. Для точной и стабильной работы АЦП используется внешний высокостабильный источник опорного напряжения (ИОН) AD780, а частота дискретизации стабилизируется кварцевым резонатором. Микроконтроллер (МК), для которого написана программа на языке С, выполняет обработку результатов измерения и управление всем прибором. Если прибор работает в режиме преобразователя мощности в частоту, то МК генерирует выходную частоту F, используя встроенный таймер-счетчик. В режиме образцового счетчика МК измеряет сигнал телеметрии с контролируемого счетчика (для определения измеренной им энергии), сравнивает ее со своими показаниями, принятыми за эталон, вычисляет погрешность и выводит ее на дисплей (ЖКИ).
Ниже на рисунках 2 и 3 приведены функциональные схемы входных измерительных преобразователей ИП1 и ИП2.
Основной функциональный элемент в канале напряжения – резистивный делитель, в канале тока – трансформатор тока с резистивной нагрузкой. Кроме того, во всех каналах имеются RC-фильтры нижних частот для отфильтровывания высокочастотных помех и предотвращения элайзинга. Такая конфигурация ИП рекомендована производителем микросхемы ADE7759 и применяется для построения счетчика класса точности 1.0. Однако, для построения счетчиков класса 0.1 такая конфигурация не годится, так как конденсаторы рекомендуемой емкости 33нФ [3], обладающие достаточной временной и температурной стабильностью, труднодоступны.
Поэтому было принято решение поставить между измерительными цепями и входами микросхемы повторители напряжения. Обеспечение требуемой постоянной времени в этом случае решается путем увеличения сопротивления резисторов и уменьшения номиналов конденсаторов. Это позволяет использовать керамические конденсаторы, имеющие достаточную стабильность. Смещение нуля ОУ не влияет на работу устройства, так как микросхема обеспечивает подавление постоянной составляющей. Собственный шум ОУ составляет 3мкВ в диапазоне частот 10-2000 Гц [4], что вносит незначительную погрешность, так как уровень входного сигнала при токе 5A составляет около 25 мВ.
Для разработанного прибора теоретически исследованы погрешности измерения. Значительную погрешность измерения тока и напряжения потенциально могут вносить аналоговые элементы (резисторы и конденсаторы) вследствие отклонения их реальных параметров от номинальных. Однако для устранения этой погрешности разработан алгоритм калибровки прибора с использованием другого образцового прибора более высокого класса точности (образцовый счетчик класса точности 0,05, например УППУ-МЭ 3.3 («Марс-Энерго») или аналогичные). В процессе калибровки оценивается реальная погрешность разработанного прибора в разных точках рабочего диапазона, вычисляется поправочный коэффициент и заносится в энергонезависимую память микроконтроллера. Таким образом калибруется крутизна функции преобразования и фазовая задержка. В результате калибровки разработанного прибора устраняется погрешность значений сопротивлений, емкостей, а также коэффициента преобразования трансформатора тока, смещения нуля операционных усилителей, коэффициента усиления внутреннего усилителя микросхемы ADE7759. Стоит отметить, что, поскольку прибор работает в динамическом диапазоне приблизительно 1:800 по мощности (1:400 по току), то для повышения точности измерения малых токов введен дополнительный поддиапазон, на котором сигнал с ИП тока усиливается в 16 раз встроенным в ADE7759 усилителем с программируемым коэффициентом усиления (PGA). Переключение диапазонов происходит автоматически и каждый из них калибруется поотдельности.
Кроме того, погрешность вносят:
- Температурный дрейф резисторов и конденсаторов. Однако, в пределах рабочего диапазона относительная погрешность измерения мощности составит не более 0,01%, поскольку для измерительных цепей выбраны элементы с высокой температурной стабильностью (прецизионные резисторы C229B класса Д с ТКС = ±5 ppm/°C, керамические конденсаторы К10-175 6800mФ NPO 5% с ТКЕ = ±30 ppm/°C);
- Нестабильность источника опорного напряжения (в пределах рабочего диапазона температур). Так как в схеме прибора используется многоуровневая стабилизация опорного напряжения, а также высокостабильный ИОН AD780, относительная погрешность от нестабильности опорного напряжения составляет не более 0,006%;
- Фазовые сдвиги от реактивных элементов. Имеющиеся в ИП конденсаторы, токовый трансформатор вносят сдвиг фаз между током и напряжением, что приводит к погрешности измерения, которая максимальна при исходном сдвиге фаз 60° (одна из контролируемых точек). Для минимизации этого эффекта в ADE7759 имеется возможность вносить цифровую задержку в канале тока. Эта задержка калибруется, и остаточная относительная погрешность составляет не более 0,03% (так как вносимая задержка дискретна).
Таким образом, для минимизации погрешностей измерения предложены следующие меры:
- Применение прецизионных высокостабильных элементов;
- Калибровка прибора;
- Особенности разводки печатной платы для минимизации влияния внешних помех и взаимных влияний цепей (экранирование, раздельное питание цифровых и аналоговых цепей, применение дифференциальных пар для сигнальных линий, вынесение источников питания за пределы печатной платы);
- Для минимизации термоэлектрических эффектов (возникновение термо-ЭДС на границе разнородных материалов при градиенте температуры) на прибор накладывается требование прогревать его в течение 30 минут перед эксплуатацией.
На основе данных о долговременных характеристиках элементов определен первый межповерочный интервал (МИ), который равен 3 месяцам. В дальнейшем МИ будет уточняться по результатам очередной проверки. Для теоретической оценки МИ взяты данные об используемых в преобразователе элементах: изменение сопротивлений резисторов составляет около 0.5% в течение 100000 часов; изменение напряжения ИОН – ±209pm за первые 1000 часов работы; изменение частоты кварца – ±5ppm/год. Расчеты показывают, что за 3 месяца работы погрешность преобразователя может увеличиться на 0.02%. При этом по истечении указанного срока определяется погрешность измерения прибора в различных точках диапазона, пересчитываются поправочные коэффициенты и изменения вносятся в программу микроконтроллера.
Разработан универсальный образцовый прибор, который можно использовать для калибровки и для контроля метрологических параметров счетчиков электроэнергии на производственном предприятии, алгоритм его работы и функциональная схема. Рассчитаны параметры аналоговых цепей, определены возможные источники погрешностей и оценены их значения. Написана программа для микроконтроллера на языке C в среде AVR Studio 5. Разработана принципиальная схема прибора в CAПP Altium Designer.
1. ГОСТ 8.584-2004, счетчики статические активной электрической энергии переменного тока.
2. Мир электроники; аналого-цифровое преобразование. Редактор оригинального издания У. Кестер; пер. С англ. под ред. Е.Б. Володина. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2007.
3. Datasheet ADE7759.
4. Datasheet AD8639.
5. Datasheet AtMega64.
Yu.A. Pasynkov, M.A. Savinykh
Reference electricity meter
The article describes a reference electricity meter designed for use in the technological process of production and/or repair of electricity meters at a manufacturing enterprise. A description of the functional diagram of the device is given, and the main functional blocks are described. In addition, the article provides an analysis of errors and ways to reduce them.
The developed universal reference device can be used both for calibration and for monitoring the metrological parameters of electricity meters at a manufacturing enterprise. The article describes the algorithm of its operation and functional diagram. The parameters of analog circuits are calculated, possible sources of errors are identified and their values are estimated. A program for the microcontroller was written in C language in the AVR Studio 5 environment. The schematic diagram of the device was developed in Altium Designer CAD.
← Назад