Устройство для измерения напряжения постоянного тока

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА, содержащее магнитомодуляционный преобразователь , выполненный на двух магнитопроводахс обмотками возбуждения, измерительной, индикаторной и обратной связи, последовательно включенные мезкду двумя последними обмотками селективный фазочувствительный усилитель-преобразователь, аналогоцифровой преобразователь и блок обратной связи, задающий генератор, соединенный с обмоткс1ми возбуждения, включенными последовательно, и управляющим ,входом селективного фазочувствительнрго усилителя-преобразователя , последовательно соединенные блок цифровой индикации и цифровое вычислительное устройство, включенное на выход аналого-цифрового преобразователя , источники образцового и измеряемого напряжений, блок управления коммутацией, а также блок управления, выходы которого соединены с управляющими входами аналогоцифрового преобразователя, цифрового вычислительного устройства, блока цифровой индикации и блока управления коммутацией, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, оно снабжено блоком резисторов коммутатором резисторов и двумя переключателями поляр-j ности, причем входные клеммы первого W переключателя полярности соединены с источником измеряемого напряжения, входные клеммы второго переключателя полярности,с источником образцового напряжения, одна выходная клемма второго переключателя полярности через измерительную обмотку - с вХодом блока резисторов, выходы которого соединены с входами коммутатоФ QO ра резисторов, выход коммутатора резисторов соединен с одной из выходных клемм первого переключателя оо полярности, вторая выходная клемма которого соединена с второй выход1чЭ ной клеммой второго переключателя О5 полярности, а управляющие входы переключателей полярности - с выходами блока управления коммутацией.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) 3(5Р 01 19 20

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1 «)

°:

« .

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

Н АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3364871/18-21 (22) 16 ° 12.81 (46) 23.01.84. Бюл, 9 3 (72) Н.И. Грибок, Е И Шморгун, В.А. Яцук и A.A. Яцкив (71) Львовский ордена Ленина политехнический институт им. Ленкнского комсомола (53) 621 ° 316.925(088 ° 8) (56) 1. Kustars N.L ° Mac. Martin М.Р.

А self balancing digital differential voltmeter lased on the direitcurrent comparator. IEEE transactions an instrumehtation.and measurement. December, 1979, чо1 IM-24, В 4, р. р. 331-335, 2. Авторское свидетельство СССР

9 920546, кл. G 01 R 19/20, 1980 (прототип). (54) (57} УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА, содер- жащее магнитомодуляционный преобразователь, выполненный на двух магнктопроводах с обмотками возбуждения, измерительной, индикаторной и обратной связи, последовательно включенные между двумя последними обмоткамк селективный фазочувствительный усилитель-преобразователь, аналогоцифровой преобразователь и блок об ратной связи, задающий генератор, соединенный с обмотками возбуждения, . включенными последовательно, и управляющим,входом селективного фазочув:ствктельного усилителя-преобразователя, последовательно соединенные блок цифровой индикации и цифровое вычислительное устройство, включенное на выход аналого-цифрового преобразователя, источники образцового и измеряемого напряжений, блок управления коммутацией, а также блок управления, выходы которого соединены с управляющими входами аналого цифрового преобразователя, цифрового вычислительного устройства, блока цифровой индикации и блока управления коммутацией, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повьиаенкя точности измерения, оно снабжено блоком резисторов коье(утатором резис торов и двумя переключателями полярности, причем входные клеммы первого переключателя полярности соединены с источником измеряемого напряжения, входные клеммы второго переключателя полярности,с источником образцового напряженйя, одна выходная кяемма второго переключателя полярности через измерительную обмотку — с вМодом блока резисторов, выходы которого соединены с входами коммутатора резисторов, выход коье(утатора резисторов соединен с одной иэ выходных клеьза первого переключателя полярности, вторая выходная клемма которого соединена с второй выходной клеммой второго переключателя полярности, а управляющие входы пе= реключателей полярности - с выходамк блока управления коммутацией-.

106882б

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначен для измерения напряжения постоянного тока с высокой точностью как в низкормных, так и в высокоомных электрических цепях.

Известно устройство для измерения напряжения постоянного тока, содержащее магнитный компаратор токов с двумя основными обмотками: измерительной — с фиксированным количеством витков и обратной связисо ступенчато-регулируемым, детектор баланса магнитодвижущих сил (МДС) укаэанных обмоток, блок резисторов, усилитель постоянного тока, источник стабильного тока, включенный на обмотку обратной связи, и блок цифровой индикации, соединенный с блоком управления, осуществляющим переключение витков обмотки обратной связи, причем измерительная обмотка включена между выходом детектора баланса

МДС и входом усилителя постоянного тока, соединенного также с входом блока резисторов, выход усилителя постоянного тока соединен с блоком управления, блок резисторов соединен с коммутатором резисторов, а выход коммутатора резисторов соединен с выходной клеммой устройства.

Работа устройства основана на преобразовани » измеряемого напряженля в ток, протекающий через измерительную обмотку, и автоматическом уравновешивании МДС этой обмотки

МДС обмотки обратной связи с регулируемым числом витков, обтекаемой стабильным .постоянным током (1 1.

Недостаток этого устройства большая погрешность измерения при работе с высокоомными источниками напряжении, оьусловленная тем, что их внутреннее сопротивление и входное сопротивление устройства образуют делитель напряжения, а также влиянием внешних паразитных магнитных полей на работу магнитного компаратора.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для измерения напряжения постоянного тока, содержащее магнитомодуляционный преобразователь, выполненный на двух магнитопроводах с обмотками возбуждения измерительной, индикаторной и обратной связи, последовательно включенные между двумя последними обмотками селективный фаэочувствительный усилительпреобразователь и блок обратной связи, задающий генератор, соединенный

: с последовательно включенными обмотками воэбуждения и управляющим входом фазового детектора схемы селектчвного фазочувствительного усилителя-преобразователя, последовательно соединенные блок цифровой индикации и цифровое вычислительное устс ройство, включенное на выход аналогоцифрового преобразователя, источник образцового тока, соединенный через первый ключ с дополнительной обмот5 кой, расположенной на магнитомодуляционном преобразователе, блок управления коммутацией, связанный с двумя ключами и двумя переключателями, установленными в цепях источника образцового тока, измерительной и второй дополнительной обмоток, а также блок управления, выходы которого соединены с управляющими входами аналого-цифрового преобразователя, цифрового вычислительного устройства, блоков цифровой индикации и управления коммутацией, причем вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом селективно20 го фаэочувствительного усилителяпреобразователя, одна входная клемма устройства соединена с первым выводом измерительной обмотки, а второй вывод измерительной обмотки соединен с второй входной клеммой как через балластный резистор и второй переключатель, так и через вторую дополнительную обмотку, второй ключ и второй переключатель (2g..

Недостатком данного устройства

30 при использовании его в качестве измерителя напряжений является относительно большая методическая погрешность измерения, обусловленная тем, что внутреннее сопротивление

35 источника сигнала и входное сопротивление устройства образуют делитель напряжения.

Цель изобретения — повьааение точности измерения.

40 Поставленная цель достигается тем, что в устройство дЛя измерения напряжения постоянного тока, содержащее магнитомодуляционный преобразователь, выполненный на двух магнитопроводах с обмотками возбуждения, измерительной, индикаторной и обратной связи, последовательно включенные между двумя последними обмотками селективный фаэочувствительный усилитель-преобразователь, ана50 лого-цифровой преобразователь и блок обратной связи, задающий генератор, соединенный с обмотками возбуждения, включенными последовательно, и управляющим входом селективного фаэочувствительного усилителя-преобразователя, последовательно соединенные блок цифровой индикации и цифровое вычислительное устройство, включенное на выход аналого-цифрового пре«

60 образователя, источники образцового и измеряемого напряжений, блок управления коммутацией, а также блок управления, выходы которого соединены с управляющими входами аналогоg5 цифрового преобразователя, цифрового

1068826 вычислительного устройства, блока цифровой индикации и блока управления коммутацией, введены блск резисторов, коммутатор резисторов и два переключателя полярности, причем входные клеммы первого переключателя полярности соединены с источником измеряемого напряжения, входные клеммы второго переключателя полярности — с источником образцового напряжения, одна выходная клемма второго переключателя полярности через измерительную обмотку соединена с входом блока резисторов, выходы которого соединены с входами коммутатора резисторов, выход коммутатора резисторов соединен с одной из выходных клемм первого переключателя полярности, вторая выходная клемма которого соединена с второй выходной клеммой второго переключателя полярности, а управляющие входы переключателей полярности соединены с выходами блока управления коммутацией.

На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства.

Схема, содержит магнитомодуляционный преобразователь (ММП) 1, выполненный на двух магнитопроводах

2 и 3 с обмотками 4 и 5 возбуждения, измерительной обмоткой 6, обмоткой 7 обратной связи и индикаторной обмоткой 8, задающий генератор 9, основной выход которого — с основной частотой — соединен с последовательно включенными обмотками 4 и 5 возбуждения, а дополнительный — с удвоенной частотой . с управляющим входом селективного фазочувствительного усилителя-преобразователя (СФУП) 10, соединенным с содержащемся в нем фазовым детектором; Вход СФУП 10 соединен с индикаторной обмоткой 8, а выход через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 11 и блок 12 обрат-. ной связи — с обмоткой 7 обратной связи. Выход АЦП 11 включен на последовательно соединенные цифровое вычислительное устройство (ЦВУ) 13 и .блок 14 цифровой индикации (БЦИ). ,Управление работой блоков и элемен тов устройства осуществляется блоком

15 управления (БУ), выходы которого соединены с управляющими входами блоков АЦП 11, ЦВУ 13, БЦИ 14, а также блока 16 управления коммутацией (БУК). Правый по чертежу вывод измерительной обмотки 6 соединен с входом блока 17 резисторов, содержащим набор резисторов, одни выводы которых, соединены с входом этого блока, а другие - с его выхо- . дами, соединейными с входами коммутатора 18 резисторов. Последний представляет собой набор ключей, одни клеммы которых соединены с его входами, а другие - с его выходом.

Выход коммутатора 18 резисторов саединен с первой выходной клеммой первого переключателя 19 полярности, вторая выходная клемма которого соединена с второй выходной клеммой второго переключателя 20 полярности.

Первая выходная клемма переключателя 20 полярности соединена с левым по чертежу выводом измерительной обмотки 6, входные клеммы первого переключателя 19 полярности соединены с источником 21 измеряемого напряжения, а второго переключателя.20 полярности — с источником 22 образ- цового напряжения (ИОН) .

Предлагаемое устройство работает в полуавтоматическом режиме, при котором выбор предела измерений — начальная установка чувствительности

ММП 1 — производится оператором, а дальнейшая работа происходит автоматически — циклами.и из четырех тактов.

В основе функционирования устройства лежит тестовый метод повышения точности измерения.

Ус-. зойство работает следующим образом.

В первом такте — такте начальной установки чувствительности. ММП 1 .— с помощью БУ 15 и БУК 16 устанавливают переключатели 19 и 20 в такое положение, которое соответствует подключению измеряемого напряжения Ц х

".сточника 21 измеряемого напряжения и образцового — U HOH 22 к измерительной обмотке 6 в одинаковой полярности. Коммутатором 18 резисторов включают в цепь этой обмотки резистор иэ блока резисторов с максимальной величиной сопротивления. Ток возбуждения с основного выхода эа„0 дающего ге ератора 9 подают. на обмотки 4 и 5 возбуждения ММП 1, причем такой величины, чтобы дважды за период насытить его магнитопроводы

2 и 3.

С помощью ММП 1 постоянное магнитное поле, создаваемое обмотками

6 и 7, преобразуют в ЭДС четных гармоник индикаторной обмотки 8. Посред-. ством СФУП 10, содержащего селективный усилитель постоянного тока, настроенный на удвоенную частоту задающего генератора, фазовый детектор, управляемый сигналом с дополнительного выхода задающего генератора, а также усилитель постоянного.

55 тока, указанную ЭДС преобразуют в постоянное напряжение. Выходное напряжение блока СФУП 10 подают на

АЦП 11 и вход блока 12 обратной связи, с помощью которого преобразуют

Я) это напряжение в пропорциональный ему ток в обмотке 7 обратной связи.

На выходе АЦП 11 получают цифровой код, пропорционалЬный МДС измерительной обмотки 6, и отображают его на табло БЦИ 14 ° Затем коммутатором 18

1068826

60.Х 0

Х мт ф ъ н 1

U U

,.н (п резисторов переключают резисторы в блоке 17 резисторов до тех пор, пока показание на табло БЦИ 14 не будет равно 75:100% от максимально возможной величины. .Далее переводят устройство в автоматический режим работы. При этом цифровой код Я„, полученный в первом такте, записывают в ЦЧУ 13 и осущест;эляют оставшиеся три такта, Во втором такте по команде с БУ 1510 через БУК 16 вторым переключателем

20 полярности реверсируют полярность включения ИОН 22. Затем путем преобразований, аналогичных описанным, МДС измерительной обмотки преобразу- 15 ют в цифровой код Ì2 на выходе

АЦП 11 и записывают его в ЦВУ 13.

В третьем такте по команде с

БУ 15 через БУК 16 первым переключателем 19 полярности реверсируют -20 полярность включения источника 21 измеряемого напряжения, а вторым переключателем 20 полярности — полярность включения ИОН 22. Затем путем преобразований, аналогичных пре 25 образованиям первого такта, ИДС измерительной обмотки 6 преобразуют в цифровой код М на выходе АЦП 11 и записывают его в ЦВУ 13.

В четвертом такте в ЦВУ 13 по команде с БУ 15 производят цифрбвую обработку результатов преобразований, полученных в предыдущих тактах, а именно †.из результата первого такта вычитают результаты третьего и второго тактов и первую разность делят на вторую. Частное записывают в ЦВУ 13 и индуцируют на табло

БЦИ 14 как результат измерения.

Ток 3 протекающий через измеК рителььую обмотку 6 в первом такте 40 равен - Я +"о) "

Х О 6

45 где .Rx R — внутренние сопротивления источников 21 и 22 измеряемого и образцового напряженийу

Ry — сопротивление измеритель- 50 ной обмотки 6;

R - сопротивление включенного резистора блока.17 резисторов.

Токи через измерительную обмотку

6 во втором и третьем тактах равны .

Ток g через обмотку 7 обратной связи определяется выражением " "s2 1о (4) где К„ — коэффициент передачи блока 12 обратной связи;

U - выходное напряжение блока

СФУП 10 °

Токи в измерительной обмотке и обмотке обратной связи, а также паразитное внешнее магнитное поле, создают в сердечниках ИМП 1 напряженность

3 g 3 w

Х Ь 1 т +

Ф где %, ®, — количество витков обмо.ток 6 и 7 соответственно; — длина средней магйитной линии сердечников 2 и 3, бН. - член, учитывающий влияние внешнего магнитного .поля.

Коэффициент передачи ИИП 1 определяется выражением ! }, (ь) м И)- B p< ИФ 8 P

t где CB — ЭДС четных гармоник, наводимая в индикаторной обмотке 81

5 — площадь поперечного сечения магнитного сердечниками =- 4p-10 Гм/М - магнитная постоянная; р< Ж8/дН - дифференциальная магнитная проницаемость сердечникау

В,Н - индукция и напряженность поля возбуждения в сердечниках.

КоэФФициент передачи блока

СФУП 10 равен

10 Ю/ 8

Из (6) и (7) имеем

10 М 14 Х (8) отсюда с учетом. (4) н (5) получаем

Wa У(Х "Ь+ )

К К"

У-К,К м o""à ò+

Выходное напряжение 0ю блока

СФУП. 10 преобразуют в цифровой код

М, равный

М К 06 К 1(3 Нр) (10)

Иэ формулы (10) с учетом выражений (1)-(3) получаем следующие цифровые коды для трех тактов

1068826

ВНИИПИ Заказ 11456/39 Тираж .715 Подписное

Филиал ППП Патент", г.ужгород,ул.Проектная,4 (-uõ+ 00

< =К;,у(— в+вне). (

1 2

Подставляя в эту формулу выражения (11) (13), получаем значение и (15)

Полученный таким образом в ЦВУ 13 цифровой код отображают на табло

: БЦИ 14 как результат измерения, Дальнейшая работа устройства происходит автоматически. При этом

БУ 15 обеспечивает циклическую коммутацию переключателей 19 и 20 полярности и работу блоков устройства в соответствии с уравнениями (ll) и (15).

Из выражения (15) следует, что ре. зультат измерения не зависит ни от аддитивных, ни от мультипликативных влияющих факторов, таких как внешнее магнитное поле, нестабильность

5 коэффициентов передачи блоков устройства, внутренних сопротивлений источников измеряемого и образцового напряжений, а также сопротивлений резисторов блока 17 и измерительной

I0 обмотки 6. Точность измерения с помощью предлагаемого устройства определяется в основном метрологи-. ческими характеристиками источника образцового напряжения и может достигать +0,0005%.

Таким образом, в предлагаемом устройстве исключена погрешность измерения, обусловленная нестабильностью внутреннего сопротивления источника измеряемого напряжения, поэтому с его помощью можно измерять напряжение источников с большим внутренним сопротивлением.