Способ измерения действующего значения тока или напряжения в диапазоне инфразвуковых частот

 

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕЙСТВУЮ ЩЕГО ЗНАЧЕНИЯ ТОКА ИЛИ НАПРЯЖЕНИЯ В ДИАПАЗОНЕ ИНФРАЗВУКОВЫХ ЧАСТОТ, основанный на формировании эквивалентной по Тепловому действию вспо могательной электрической величины, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, вспомогательную электрическую величину формируют путем сложения двух равных по амплитуде синусоидальных составляю1дих с частотги ли, разнесенными одна от другой на удвоенное значение частоты контролируемой электрической величины, и с периодами , на несколько порядков меньшими периода последней, :регистрируют действующие значения каждой из составляющих вспомогательной электрической величины, суммируют их и по полученной сумме судят о действующем значении контролируемой .электрической величины.

COIOS СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11)

3(51) ОПИСАНИЕ 830EPETEHNR

° \

°

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

fl0 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬП ИЙ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21 ) 3338412/18-21 (22) 18.09.81 (46) 23.11.83. Snn. 9 43 (72) В.A.Ìîêðèöêèé (53) 621.317.7(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 211651, кл. а. 01 B 19/00, 1966.

2, Гравии О.Н. Измерения тока, напряжения и мощности в диапазоне инфранизких частот. М., Изд-во Комитета стандартов, мер и измерительных приборов при СМ СССР. 1970, с. 41-42. (54)(57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕЙСТВУ(0, ЩЕГО ЗНАЧЕНИЯ ТОКА ИЛИ НАПРЯЖЕНИЯ

В ДИАПАЗОНЕ ИНФРАЗВУКОВЫХ ЧАСТОТ, основанный на формировании эквивалентной по тепловому действию вспомогательной электрической величины, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, вспомогательную электрическую величину формируют путем сложения двух равных по амплитуде синусоидальных составляющих с частотами, разнесенными одна от другой на удвоенное значение частоты контролируемой электрической величины, и с периодами, «а несколько порядков меньшими

I периода последней, регистрируют действующие значения каждой из составляющих вспомогательной электрической величины, суммируют их и .по полученной сумме судят о действующем значении контролируемой электрической величины.

1056063

Изобретение относится к области электрических измерений и преднаэна чено для использования при построении высокоточной поверочной аппаратуры.

Известен способ измерения действующего значения тока или напряжения в диапазоне инфразвуковых частот, предусматривающий квадратичное преобразование (например, с помощью термоэлектрического преобразовате- 10 ля) и интегрирование контролируемой электрической величины, формирование вспомогательной электрической величины, отображающей интервал интегрирования, и деление результа- 15 та интегрирования на вспомогательную электрическую величину 1 ).

Недостаток известного способа заключается в значительной сложности практического осуществления.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ измерения действующего значения тока илн напряжения в диапазоне инфразвуковых частот, заключающийся в формировании и регистрации эквивалентной по тепловому действию вспомогательной электрической величины, в частности постоянного тока или напряжения 2 1.

Недостаток указанного способа проявляется в невысокой точности измерения, обусловленной частотной погрешностью используемого при реализации способа термоэлектрического преобразователя. В диапазоне 35 инфранизких частот.; при температурных колебаниях нагревателя термоэлемента период изменения мгновенного значения выделяемой в нагревателе мощности оказывается соиз- 40 меримым с тепловой постоянной времени преобразователя, В связи с этим имеет место неодинаковый режим последнего.при подведении к нему контролируемого инфразвукового тока или 45 напряжения и вспомогательной электрической величины. В первом случае температура нагревателя, а следовательно, и выходная термоэлектродвижущая сила представляют собой сумму двух составляющих — постоянной и переменной, т.е ° преобразователь работает в динамическом режиме, а во втором случае температура нагревателя, а .следовательно, и выходная термоэлектродвижущая сила является постоянными величинами, т.е. преобразователь работает в.статическом режиме. Отличие режимов работы термоэлектрического преобразователя приводит к тому, .что равным постоян- 60 ным составляющим выходной термоэлектродвижущей силы преобразователя соответствуют разные (отличающиеся на величину "низкочастотной" погрешности перехода действующие эначе- 65 ния инфраэвукового и постоянного токов (напряжений ). Источниками

"низкочастотной" погрешности перехода при динамическом режиме работы термоэлектрического преобразовате-. ля являются, например, зависимость омического сопротивления нагревателя от его температуры, изменение коэффициента тейлоотдачи при изменении температуры и нелинейность температурной характеристики термочувствительного элемента.

Целью изобретения является повышение точнпсти способа измерения за счет исключения частотной погрешности, Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения ,цействующего значения тока или напряжения в диапазоне инфразвуковых частот, основанному на формировании эквивалентной по тепловому действию вспомогательной электрической величины, вспомогательную электрическую величину формируют путем сложения двух рзвных по амплитуде синусоидаль ных составляющих с частотами, разнесенными одна от другой на удвоенное значение частоты контролируемой электрической величины и .с периодами, на несколько порядков. меньшими периода последней, регистрируют действующие значения каждой из составляющих вспомогательной электрической величины, суммируют их и по полученной сумме судят о действующем значении контролируемой электрической величины.

На фиг. 1 представлен один из возможных вариантов устройства, реализующего предложенный способ измерения действующего значения тока или напряжения, на фиг. 2 — временные диаграммы сигналов, иллюстрирующие составные операции предлагаемого способа.

Устройство содержит генераторы 1 и 2 синусоидальных колебаний, частотомер 3, переключатель 4 с четырьмя направлениями и шестью контактами в каждом направлении, сумматор 5 с операционным усилителем 6, нерегулируемыми резисторами 7 и 8 и регулируемым резистором 9, преобразователь 10 напряжения в ток с операционным усилителем 11 и резистором 12, термоэлектрический преобразователь (термопреобразователь } 13, фильтр 14 нижних частот, источники 15 и 16 постоянного напряжения, делители 17-19 напряжения, нуль-индикатор 20 и измеритель 21 постоянного напряжения.

Входная шина устройства подключена к первому (сверху ) контакту третьего направления переключателя 4. Один из входов сумматора 5 через второй и третий контакты перво1056063 го направления переключателя 4 соединен с выходом генератора 1, а через четвертый, пятый н шестой контакты того же направления — с шиной нулевого потенциала, Другой вход сумматора 5 через второй н пятый контакты второго направления переключателя 4 подключен к выходу генератора 2, а через третий, четвертый н шестой контакты того же направления - к шине нулевого потенциала. 10

Вход преобразователя 10 напряжения в ток через первый контакт третьего направления соединен с входной шиной устройства, к которой подключен также частотомер 3,через 15 второй, третий и пятый контакты того же направления — с выходом сумматора 5, н через четвертый и шестой контакты — с промежуточными выводами соответственно делителей 17.и

18 напряжения, между которыми включен измеритель 21 постоянного напряжения. Выход преобразователя 10 напряжения в ток подключен к входу термопреобразователя 13. Выход термопреобразователя 13 соединен с одним из входов нуль-индикатора 20 через третий, четвертый, пятый и шестой контакты четвертого направления переключателя 4 непосредственно, а через первый и второй контакты того же направления — c помощью фильтра 14 нижних частот. Другой вход нуль-индикатора 20 подключен к промежуточному выводу делителя 19 напряжения, крайние выводы которого соединены с разноименными полюсами последовательно включенных источников 15 и 16 постоянного напряжения и крайними выводами последовательно. включенных делителей 17 и 18 напря- 40 жения. Точки соединения источников 15 и 16 и делителей 17 и 18 между собой объединены.

На временных диаграммах приняты . следующие обозначения! U 1(фиг.2, ) 45 и U2 (фиг. 2 Б) — составляющие вспомогательного напряжения. вырабаты-, ваемые соответственно генераторами 1 и 2, U (фиг. 2 Ь) - вспомогательное напряжение, образованное путем суммирования U „ и U U <

50. (фиг. 2 2. ) - напряжение на выхрде термопреобразователя 13, вызванное вспомогательным наппяжением 0, 0 „(фиг. 2,д) — контролируемое напряжение, 01з„(фиг. 2,e) - напря1 жение на выходе термопреобразователя 13, вызванное контролируемам напряжением Uz.

Предложенный способ реализуется .следующим образом. 60

С помощью частотомера Зопределяют частотуД контролируемого напряжения. Создают вспомогательное напряжение

5 g () э о 4+0 sin )

1 1 т2 2 °, 65 где Um„- =U 2- амплитУды составляющиХ

U > и U . вырабатываемых генераторами1и2, М.,4) - частоты составляющих

U 1н 02f

t время

Для простоты начальные фазы обеих составлякщнх U „ и U2 пРнняты. Равными нулю.

Частоты ы1и ы выбирают, исходя из следующих условий

Ш1- 2=2Я;

2Ti -„, 2т/ .(<Г, <<т

1 2

Ф вЂ” тепловая постоянная времени термопреобразователя 13. где

Для создания вспомогательного напряжения на выходах генераторов 1 и 2, обладающих хорошей стабильностью амлитуды и частоты выходных сигналов, выставляют напряжения, одинаковые по уровню и разнесенные по частоте на удвоенное значение частоты контролируеьюго напряжения. При этом периоды выходных напряжений обоих генераторов 1 и 2 должны быть на несколько порядков меньшими тепловой постоянной времени t термопреобразователя 13. С помощью переключателя 4 в различных его положениях обеспечивается как раздельное, так и одновременное подключение выходов генераторов 1 и 2 к входам сумматора 5. Сумматор 5 выполнен по схеме суммируккцего масштабного усилителя с двумя независимыми входами.

С помощью регулируемого резистора 9 в цепи обратной связи операционного усилителя 6 можно регулировать коэффициент передачи сумматора 5. При этом изменения коэффициента передачи сумматора 5 оказываются одинаковыми по обоим его входам. Если один иэ входов заземлен, то на выходе сумматора 5 действует только одна составляющая вспомогательного напряжения. Равенство составляющих вспомогательного напряжения проверяется в третьем и пятой положениях переключателя 4. При этом через третий контакт первого направления (пятый контакт второго направления) на сумматор 5 подается выходное напряжение сооветствукмего генератора 1 (2 ).

Выходное напряжение сумматора 5 через третий (пятый) контакт третьего направления поступает на вход преобразователя 10 напряжения в ток, Преобразователь 10 обеспечивает согласование высокоомных источников напряжения с низким сопротивлением нагревателя термопреобразователя 13. Выходной ток преобраэова1056063 теля 10, пропбрцион аль ный его входному напряжению, подается на вход термопреобразователя 13. С выхода термопреобразователя 13 через третий (пятый ) контакт четвертого направле-; ния переключателя 4 постоянное напря- 5 .жение, пропорциональное одной из составляющих вспомогательного напряжения, подводится к одному из входов нуль-индикатора 20. На другой вход нуль-индикатора 20 подается компенсирующее напряжение с делителя 19 напряжения, подключенного к стабильным источникам 15 и 16 постоянного напряжения. Равенство обеих составляющих вспомогательного напряжения 15 фиксируется по установлению нулевого показания нуль-индикатора 20 при одинаковом компенсирующем напряжении, устанавливаемом с помощью делителя 19. В случае неравенства составляющих вспомогательного напряжения величину одной из составляющих можно подрегулировать под значение другой составляющей, Для этого с помощью делителя 19 выставляют компенсирующее напряжение, равное постоянному напряжению на выходе термопреобразователя 13. когда переключатель 4 находится в третьем (пятом )положении (нульиндикатор 20 должен при том показать нулевое значение ). После этого переключатель 4 переводят в пятое (третье )положение и регулировкой выхода генератора 2 (1)добиваются нулевого показания нуль-инди- 35 катора 20 при выставленном значении, компенсирующего напряжения. указанная операция обеспечивает получение необходимого вспомогательного напряжения при переключении переключате- 40 ля 4 во второе положение, при котором на входы сумматора 5 подаются одновременно напряженйя обоих генераторов 1 и 2. Вместе с тем она не занимает много времени, поскольку выходное напряжение термопреобраэователя 13 в данном случае не содер" жит переменной составляющей и не тре. бует дополнительной фильтрации (выходное напряжение термопреобраэователя 13 в третьем и пятом положениях переключателя 4 подается на нуль-индикатор 20, минуя фильтр 14 нижних частот .

Добиваются равенства постоянных составляющих напряжения на выходе термопреобразоватлея 13 при поочередном подключении к его входу контролируемого и вспомогательного напряжений. Для этого сначала переключа" тель 4 устанавливают в первое поло- 60 жение. Контролируемое напряже-, ние U = U 1n Й через первый кон-t такт третьего направления подается на вход термопреобраэователя 13.

Выходное напряжение термопреобрааа= у вателя 13, пропорциональное его температуре, поступает на фильтр 14 нижних частот, в котором подавляется переменная составляющая, Постоянная составляющая выходного напряжения термопреобразователя 13. пропорциональная контролируемому напряжению Ук, через первый и второй контакты четвертого направления переключателя 4 подается на один из входов нуль-индикатора 20. Регулируя делитель 19 напряжения, выставляют такой уровень компенсирующего посто .. янного напряжения, при котором нульиндикатор 20 показывает нулевое значение, В этом случае среднее значение выходного напряжения термопреобразователя 13, пропорциональное контролируемому напряжению U, запоминается на выходе делителя 19.

Затем переключатель 4 переводят во второе положение. При этом на вход преобразователя 10 напряжения в ток вместо контролируемого напряжения. Бк подается вспомогательное напряжение U с выхода сумматора 5. ВЫходное найряжение термопреобразователя 13, пропорциональное температуре, фильтруется фильтром 14 нижних час" тот, и его постоянная составляющая поступает на один из входов нульиндикатора 20. На другом входе нульиндикатора 20 действует напряжение, пропорциональное контролируемому напряжению 0 . Регулируя резистор 9 в цепи отрицательной обратной связи операционного усилителя 6, изменяют коэффициент передачи сумматора 5 до тех пор, ока вспомогательное напряжение не вызовет на выходе термопреобразователя 13 постоянную составляющую, равную той, которая зафиксирована на выходе делителя 19 напряжения. Нулевое показание нуль-индикатора 20 свидетельствует о равенстве постоянных составляющих на выходе термопреобразователя 13, вызванных контролируемым и вспомогательным напряжениями.

По Равенству постоянных составля ющих на выходе термопреобразователя 13 судят о равенстве тепловых действий контролируемого и вспомогательного напряжений. Фактическое равенство тепловых действий достигается лишь при условии, что термопре» образователь 13 работает в обоих случаях с одинаковой частотной погрешностью, т.е. в одинаковых динамических режимах . Предложенное техническое решение обеспечивает выполнение указанного условия. Нетрудно убедиться, что в данном случае имеет место соотношение

2 2 Х 1

10 6063 где Э, Э.„ и 3> - действующие значения токов, обусловленных соответственно контролируемым напряжением U „и составляющими U и

U> вспомогательного напряжения.

Учитывая, что указанные токи 3„, 9.„ и 3< связаны с действующими значенйями напряжений U, U„ 10 и Ug через один и тот же коэффицинт преобразования преобразователя 10 напряжения в ток, можно эа1 писать

Таким образом, для определения действующего значения контролируемого напряжения Uä необходимо измерить действующие значения составляющих U и U> вспомогательного напряжения, которое оказывает такое же тепловое действие на термопреобразователь 13, как и контролируемое напряжение, Поскольку частоты обеих составляющих вспомогательного напряжения выбираются выше инфразвуковых частот и, следовательно, имеются средства для высокоточных измерений действующего значения переменного напряжения. в принципе измерение действующик значений составляющих вспомогательного напряжения можно производить с помощью указанных средств.

В предлагаемом устройстве эти изме- З5 рения осуществляют способом разновременного сравнения с эквивалентной по тепловому действию на термопреобразователь 13 величиной постоянного тока. Для этого сначала уста- 4О навливают переключатель 4 в третье„ положение. На первый вход (резистор 7) сумматора 5 поступает напряжение генератора 1,а второй вход (резистор 8 )замыкается на землю. 45

В этом случае на выходе сумматора 5 появляется составляющая Uy вспомогательного напряжения, которое с помощью регулируемого резистора 9 в предыдущей операции было выставлено равным контролируемому напряжению. Вызванное составляющей U постоянное напряжение с выхо да термопреобразователя 13 подается через переключатель 4 на один из входов нуль-индикатора 20. Регулировкой делителя 19 напряжения добиваются нулевого показания нульиндикатора 20. После достижения нулевого значения нуль-индикатора 20 величина выходного напряжения термо- 60 преобразователя 13, соответствующая составляющей 0 вспомогательного напряжения, сохраняется на выходе делителя 19. Далее переключатель 4 переводят в четвертое положение.

Вместо составляющей U на вход преобразователя 10 напряжения в ток подается постоянное напряжение, снимаемое с делителя 17 напряжения, подключенного к источнику 15 постоянного напряжения. Регулировкой делителя 17 добиваются нулевого показания нуль-индикатора 20, что свидетельствует о равенстве выходного ,постоянного напряжения делителя 17 действующему значению составляющей U вспомогательного напряжения.

Указайное значение постоянного напряжения, равное действующему значению составляющей U, сохраняется на выходе делителя 17.

Аналогичным образом измеряют величину составляющей U2 вспомогательного напряжения. Переводят пе- реключатель 4 в пятое положение и, регулируя делитель 19 напряжения, добиваются нулевого показания нульиндикатора 20. Величина выходного напряжения термопреобразователя 13, соответствующая составляющей U> вспомогательного напряжения, запоми:нается на выходе делителя "9. После этого переключатель 4 переводят в шестое положение и регулировкой делителя 18 напряжения, подключенного к источнику 16 постоянного напряжения (противоположной полярности по отношению к источнику 15), добиваются нулевого показания нуль-индика-. тора 20. Таким образом, действующее значение составляющей U запоминается в виде постоянного напряжения на выходе делителя 18. Операция измерения действующих значений составля,ющих U и U2 не занимает много времени, йоскольку в данном случае нет необходимости в допслнительной фильт. рации выходного напряжения термопреобразователя 13. Это обстоятельство позволяет пренебречь изменением величин U и U2 в процессе их измерения. Можно констатировать, что постоянные напряжения на выходах делителей 17 и 18 напряжения точно равны тем значениям 0„ и 02, которые были установленй в момент равенства действующего значения вспомогательI ного напряжения действукнаему значению контролируемого напряжения

Для определения действующего значения контролируемого напряжения полученные действующие значения составляющих 0„ и U2 должны складываться геометрически. Величины составляющих U<.и U g в процессе создания вспомогательногонапряжения выс» тавляются равными. Поэтому в случае высокой амплитудной стабильности генераторов 1 и 2 действующее значение контролируемого напряжения можно было бы оценить по действующему значению одной из составляющих

1056063

35 или U> . Однако на практике в процессе сравнения действующих значений контролируемого и вспомогатель.ного напряжений, заиимакщем на инфразвуковых частотах большой промежу- . ток времени, вследствие амплитудной нестабильности генераторов 1 и

2 может произойти нарушение равенства составляющих вспомогательного напряжения. Поэтому при оценке значения U по одной из составляющих 1О вспомогательного напряжения может быть допущена существенная .погрешность. При умеренной амплитудной нестабильности генераторов 1 и 2 на практике удается заменить геомет- 15 рическое сложение составляющих Uq и 02 вспомогательного напряжения более простым алгебраическим сложением, сохраняя при этом высокую точ-, .ность в определении действующего зна-2О чения контролируемого напряжения.

Поскольку в предложенном устройстве значения U< и U2 запоминаются .в виде разнополярных постоянных напряжений на выходах делителей 17 и 18 напряжения, их алгебраическую сумму измеряет высокоточный измеритель 21 постояйного напряжения. Показания измерителя 21 соответствуют величине действующего значения контролируемого напряжения 0,умноженной на постоянный множитель У2. Исключить влияние указанного множителя на результат измерения можно соответствующей градуировкой измерителя 21 или же применением на его входе делителя напряжения с коэффициентом передачи 1/ 2.

Применение двух разнополряных источников 15 и 16 постоянного напряжения и подключенных к ним 40 делителей 17 и 18 напряжения дает воэможность не только автоматически и более точно произвести сложение действующих значений составлякицих U u Ug, но также исключить 45 погрешность от несимметрии термопреобразователя, так как в процессе измерения U„ U> постоянные тока, соответствующие значениям U,, lt U>, протекают через термопреобразователь 13 в разных направлениях.

Следует отметить, что выделение постоянной составляющей выходного напряжения термопреобразователя 13 при достижении равенства действующих значений контролируемого и вспомогательного токов (напряжений.) возможно не только с помощью фильтра нижних частот, как в случае предлагаемого устройства, но и с помощью интегратора.

При этом для обеспечения максимального быстродействия измерений время интегрирования должно выбираться равным, т.е. равным пе2У

Я риоду . контролируемого тока (напряжения, при: подведении к термопреобразователю 13 контролируемой величины, и равным 2, т.е. равным удвоенному периоду биений вспо- . могательного тока (напряжения ) при подведении к термопреобразователю 13 вспомогательной величины.

Таким образом, предложенный способ дает возможность исключить влияние низкочастотной погрешности перехода термоэлектрического преобразователя на результаты измере.( ний действующего значения тока напряжения ) в.диапазоне инфразвуковых частот. Применение предложенного способа позволяет повысить точность измерений действующего значения тока (напряжения 1 в указанном диапазоне частот и обеспечивает возможность создания высокоточной поаерочной аппаратуры для поверки измери телей действующего значения тока (напряжения.1.

1056063

Составитель Л.Морозов

Техред, О. Неце Корректор, М. Шароши

Редактор В.Данко

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4

Заказ 9293/36 Тираж 710 ° Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-.35, Раушская наб., д. 4/5