Способ измерения действующего значения переменного напряжения

 

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕЙСТВУЮЩЕГО ЗНАЧЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ по авт.св. № 1040431, о -т -л и ч а ющ и и с я тем, что, с целью расширения частотного диапазона в области низких частот при сохранении высокого быстродействия, на низких частотах фиксированный интервал времени превра1дают в переменный, состоящий из двух частей: основной постоянной части, длительность которой выбирают равной половине периода измеряемого напряжения минимальной частоты, а ее начало синхронизируют с моментом перехода через ноль измеряемого напряжения, и дополнительной переменной части, начало и конец которой синхронизируют соотйетственно с концом основной части и с очередным моментом перехода через ноль измеряемого напряжения, отстоящего от начала основной части на время, кратное периоду измеряемого напряжения , при этом искомое действуняцее значение определяют извлечением квадратного корня из частного отношения 5 длительности импульса, образованного (Л в результате времяимпульсного преобразования , к длительности интервала времени, превращенного из фиксированного в переменньм.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН ((91 ((1) 4(1) С 01 R 19/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ ®4@;„р

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (61) 1040431 (2 1) 3645906/24-2 1 (22) 01. 07. 83 (46) 15.02.85. Бюл. ¹ 6 (72) И.Ф. Клисторин и Ф.И.Жуганарь (71) Кишиневский политехнический институт им. Сергея Лазо (53) 62 1.317.7(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР № 1040431, кл. G 01 R 19/02, 1982. (54)(57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕЙСТВУЮЩЕГО ЗНАЧЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ по авт.св. ¹ 1040431, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью расширения частотного диапазона в области низких частот при сохранении высокого быстродействия, на низких частотах фиксированный интервал време. ни превра1цают в переменный, состоящий из двух частей: основной постоянной части, длительность которой выбирают равной половине периодаизмеряемого напряжения минимальной частоты, а ее начало синхронизируют с моментом перехода через ноль измеряемого напряжения, и дополнительной переменной части, начало и конец которой синхронизируют соответственно с концом основной части. и с очередным моментом перехода через ноль измеряемого напряжения, отстоящего ат начала основной части на время, кратное периоду измеряемого напряжения, при этом искомое действующее значение определяют извлечением квад3 ратного корня из частного отношения длительности импульса, образованного в результате времяимпульсного преобразования, к длительности интервала времени, превращенного из фиксированного в переменный.

Ф 11400

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования при построении цифровых вольтметров и аналого-цифровых преобразователей действующего значения переменного напряжения.

По основному авт.св. В 1040431 известен способ измерения действующе. го значения переменного напряжения, заключающийся в периодическом форми- 10 ровании постоянного опорного напряжения.и формировании однополярного пульсирующего напряжения, вольт-. секундная площадь которого пропорциональна искомому действующему значению, .путем возведения в квадрат измеряемого напряжения, интегриро- . вании однополярного пульсирующего напряжения в течение фиксированных интервалов времени, времяимпульсном 2б преобразовании полученных интегральных уровней посредством периодического интегрирования сформированного опорного напряжения до моментов сравнения с ранее полученными интегральны- 25 ми уровнями, определении искомого действующего значения путем извлечения корня из длительности образованных импульсов 1).

Недостатком данного способа является ограниченный снизу частотный диапа", зон, обусловленный пульсациями, возникающими на низких частотах при интегрировании однополярного пульсирующего напряжения в течение фикси- ЗУ рованных интервалов времени. При этом подавление указанных пульсаций посредством увеличения длительности фиксированного интервала времени приведет к черезмерному увеличению времени 40 измерений, причем тем большему, чем выше требуемая точность измерения.

Цель изобретения — расширение частотного диапазона измерения в области низких частот при сохранении высокого 45 быс тр од ей с твия с посо ба .

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения действующего значения переменного напряжения, иа низких частотах фиксиро- 50 ванный интервал времени превращают в переменный, состоящий из двух частей: основной постоянной части, длительность которой выбирают равной половине периода измеряемого напряже- $5 ния минимальной частоты, а ее начало синхронизируют с моментом перехода через ноль измеряемого напряжения, 54 1 и дополнительной переменной части, начало и конец которой синхронизируют соответственно с концом основной части и с очередным моментом перехода через ноль измеряемого напряжения, отстоящего от начала основной части на время, кратное периоду измеряемого напряжения, при этом искомое .действующее значение определяют извлечением квадратного корня из част-. " ного отношения длительности импульса, образованного в результате времяимпульсного преобразования, к длительности интервала времени, превращенного из фиксированного в переменный.

На фиг.1 приведены временные диаграммы, поясняющие данный способ измерения, на фиг.2 — блок-схема цифрового вольтметра по данному способу, на фиг.З вЂ” вариант выполнения аналогового запоминающего устройства.

На диаграммах (фиг.1) обозначено:

0<(tj — измеряемое напряжение, " — первичное опорное напряжение, 0 (1) и U4 (4)- импульсные напряжения, фиксирующие моменты перехода через ноль измеряемого напряжения соответственно из области положительных значений в область отрицательных значений и наоборот, U (Ц-импульсное напряжение, определяющее интервал времени, превращенный из фиксированного в переменный, U g(} — напряжение, возводимое в квадрат; 01(0 - напряжение возведенное в квадрат, Ug(Ц вЂ” проинтегрированное Напряжение, Ц (1)— импульсное напряжение, определяющее интервал времени, сформированный в результате времяимпульсного преобразования.

Для наглядности на фиг.1 в качестве измеряемого напряжения (() приведены два напряжения с разными частотами, но с одинаковым действующим значением. При этом обе частоты вьппе, чем минимальная частота измеряемого напряжения.

Данный способ реализуется следующим образом.

Рассмотрим один цикл измерения, например заключающий в себя интервал вре4 мени от 1 до 15 . Измеряемое напряжение 04(Ц с момента времени, совпадающего с моментом перехода через ноль измеряемого напряжения 01(t), возводят в квадрат.

Интегрируют сигнал И (Ц, сформиропор, пока напряжение lJ 8 (t) не достигнет уровня ранее запомненного напряжения0 (1. ) в момент времени,1.

Параллельно линейно преобразуют интервал р мени 64 К (6 » = 4 — t ), в течение которого интегрируют возведенное в квадрат первичное опорное напряжение OZjk), в цифровой код

Затем, для получения окончательно" го результата, делят полученный цифровой код И на значение ранее запомненного цифрового кода Мур а из,полученного при этом результа-, та извлекают квадратный корень, т.е. производят в цифровой форме вычисления в соответствии со следующим вы-, ражением: ния измеряемого и опорного напряжений.

Цифровой вольтметр (фиг.2) по данному способу измерения содержит источник 1 опорного напряжения, выход которого подключен к первому входу. аналогового коммутатора 2, второй вход которого подключен к вхо" ду вольтметра, третий вход — к общей шине вольтметра, а выход — к первому входу входного усилителя 3, к второму входу которого подключен выход первой схемы 4 коррекции ну.— ля. Выход усилителя 3 подключен к первому входу схемы 4 и через аналоговый квадратор 5 к первому входу аналогового интегратора 6. Второй вход схемы 4.подключен к общей шине вольтметра, второй и третий входы интегратора 6 подключен@ соответственно к первому и второму выходам цепи 7 разряда, четвертый вход и выход интегратора 6 подключены соответственноок выходу и к первому входу второй схемы 8 коррекции нуля, второй вход которой подключен к общей шине вольтметра. Выход интегратора б через аналоговое запоминающее устройство 9 подключен к первому входу схемы .10 сравнения, второй вход которой подключен к общей шине вольтметра, к входу которого подключен также вход формирователя 11 импульсов. Выход генератора 12 импульсов эталонной частоты иодключен

3 1140054 4, ванный при возведении в квадрат измеряемого напряжения, в течение интервала времени 5 (pq (h4(p 1о °

Интервал времени и на низких частотах формИруют в соответствии со следующим выражением

6t(p„Й t t) и Т„ (f) где hi и Й вЂ” соответственно основная и дополнительная части интервала времени ht z(gt =4Ä-

Д 2 11э — целое натуральное число (й — 1,2,3 ) 9

Т, — период измеряемого напряжения.

При этом длительность основной части интервала времени 61 „ строго постоянна и выбирается равной поло- 2О . ь » N> вине периода измеряемого напряжения 2д = "гд ) (2) минимальной частоты, причем ее нача— ло синхронизируют с моментом перехода где ll<< и 02 — действующие значечерез ноль измеряемого напряжения (момент времени 4o ). Длительность дополнительной части интервала времени д переменна и зависит от частоты измеряемого напряжения, причем начало и конец ее синхронизируют соответственно с концом основной час- 30 ти и с очередным (после окончания основ-. ной части данного интервала)моментом перехода через ноль измеряемого напряжения, отстоящего от начала интервала времени 64» на время, кратное периоду измеряемого напряжения. 35

Параллельно с процессом @ормиро° вания интервала времени higgs линейноо преобраЗ уют данный интервал времени в цифровой код асуп . В конце интервала времени Ь рП (момент 40 времени 1 ) запоминают выходное напряжение интегратора 08 (kg) а также цифровой код H q полученный в результате преобразования интервала времени 1 в цифровой icop. 45

Далее устанавливают интегратор в исходное состояние, а затем, начиная с 1, подключают ко входу квадратора первичное опорное напряжение 0 (t), например,. прямоуголь-50 ной формы, которое имеет по сравне. нию с измеряемым напряжением не меньшее действующее значение, но меньший период. Возводят в квадрат первичное опорное напряжение и интегрируют 55 вторичный сигнал 01(Ц, сформированный при возведении в квадрат первичного опорного напряжения, до тех! 14005

t0 к первым входам блока 13 управления и преобразователя 14 время-код. Второй, третий и четвертый входы блока 13 управления подключены соответственно к первому и второму выхо- 5 дам формирователя 11 и к выходу схемы !0 сравнения. Выход преобразователя 14 подключен к первому входу блока 16 деления через регистр 15 данных и ко второму его входу непосредственно. Выход блока 16 через блок 17 извлечения квадратного корня подключен к блоку 18 индикации, Блок 13 управления подключен первым выходом к управляющему входу комму- 15 татора 2, вторым выходом — к управ ляющему входу схемы 4 коррекции нуля, третьим выходом — к управляющему входу схемы 8 коррекции нуля, чет вертым выходом — к управляющему, 20 входу цепи 7 разряда,,пятым выходомк управляющему входу запоминающего устройства 9, шестым выходом — к стробирующему входу схемы 10 сравнения седьмым выходом — к управ- 25 ляющему входу блока 18, восьмым выходом — к управляющему входу блока 17, девятым выходом — к управляющему входу блока 16, десятым выходом— к управляющему входу регистра 15, ЗО одиннадцатым и двенадцатым выходами — соответственно к второму и третьему входам преобразователя 14.

Аналоговое запоминающее устройстов 9 (фиг.3) содержит входную клемму 19, первый и второй резисторы 20 и 2 1, первый ключ 22, третий и четвертый резисторы 23 и 24, операционный усилитель 25, второй ключ 26, инвертор 27, третий ключ 28,40 управляющую клемму 29; четвертый и пятый ключи 30 и 31, повторитель 32 напряжения, запоминающий конденса— тор 33 и выходную клемму 34. Входная клемма 19 через резистор 20 под- 5 ключена к инвертирующему входу усилителя 25, через последовательно соединенные резистор 24 и ключ 28— к выходу усилителя 25 и через последовательно соединенные резистор 2 1 и ключ 22 — к общей шине вольтметра. Неинвертирующий вход усилителя 25 подключен к .общей шине вольтметра через резистор 23, выход усилителя 25 подключен к выходной клем- 55 ме 34 и через ключ 30 к неинвертирующему входу повторителя 32, подключенному через конденсатор 33 к общей

/ 6 шине вольтметра. Инвертирующий вход и выход повторителя 32 соединены и подключены через ключ 26 к соединению резистора 2 1 и ключа 22, а через ключ 31 — к соединению резистора 24 и ключа 28. Управляющая клемма 29 подключена к управляющим входам ключей 22, 30 и 31 и через инвертор 27 к управляющим входам ключей 26 и 28.

Вольтметр работает следующим образом.

Синхронизация работы вольтметра осуществляется блоком 13 управления.

Каждый цикл измерения цифрового вольтметра начинается его калибровкой. При этом в течение времени калибровки первый вход входного усилителя 3 через аналоговый коммутатор 2 подключен к общей шине, а обе схемы коррекции нуля находятся в активном состоянии. На выходе первой схемы 4 коррекции нуля появляется корректирующий сигнал, который устанавливает через второй вход входного усилителя 3 нулевое смещение на его выходе. В начале калибровки в течение короткого интервала времени замыкается цепь разряда 7, подключенная параллельно накопительному элементу аналогового интегратора 6, посредством чего последний грубо, но быстро устанавливается в исходное сос тояние. Затем цепь разряда 7 размыкается и на выходе второй схемы кор— рекции нуля 8 к концу времени калибровки также появляется корректирующий сигнал, который точно устанавливает аналоговый интегратор 6 через второй его вход в исходное состояние, При этом корректируется не только напряжение смещения нуля аналогового интегратора 6, но и напряжение смещения нуля аналогового квадратора 5, поступающее с его выхода на первый вход аналогового интегратора 6.

После окончания калибровки первый вход входного усилителя 3 остается подключенным посредством аналогового коммутатора 2 к общей шине, а обе схемы коррекции нуля продолжают оставаться в активном состоянии до тех пор, пока на одном из двух выходов формирователя импульсов 11 не появится короткий импульс, фиксирующий очередной момент перехода через ноль измеряемого напряжения. В момент возникновения указанного импуль7 11 са первый вход входного усилителя 3 переключается посредством аналогового коммутатора 2 к измеряемому напряжению Ll (Ц, а схемы коррекции нуля переклЮчаются в пассивное состояние. При этом схемы коррекции нуля запоминают и хранят уровни соответствующих корректирующих напряжений, установившихся на их выходах.

С момента времени о выходное напряжение аналогового интегратора 6 начинает линейно убывать, так как на его первый вход поступает выходное напряжение аналогового квадратора 5 0 (Ц, прямо пропорциональное квадрату измеряемого напряжения.

Это продолжается в течение интервала време -.и И р, который формируется в блоке управления 13 в соот— ветствии с формулой (1) . При этом ос . новная часть данного интервала времени формируется с высокой точностью в блоке управления 13 на основе, например, метода прямого счета (до момеита достижения определенного числа) внешних импульсов эталонной частоты, поступающих с выхода генератора импульсов эталонной частоты 12 на первый вход блока управления 13.

Параллельно с процессом формирования интервала времениЬ ц я линейно преобразуют его в цифровой код

Nqq с помощью преобразователя время — код 14. Принцип работы данного преобразователя также основан на методе прямого счета импульсовэталонной частоты, поступающих с выхода того же генератора импульсов эталонной частоты 12 на первый вход преобразователя за интервал времени hi > . При этом импульсное напряжение, определяющее данный интервал времени, поступает от блока управления 13 на второй вход преобразователя 14.

Благодаря тому, что с момента начала времени калибровки и до момента времени 12 первый 22, четвертый 30 и пятый 31 ключи замкнуты, а второй 26 и третий 28 ключи — разомкнуты, аналоговое запоминающее устройство 9 в течение указанного интервала времени находится в следящем запоминающем режиме с инверсией знака записываемого напряжения.

В конце интервала времени b,t,qp (момент времени 1 ) первый 22, 2

R ) R, 31 5 . 6.1"

2 ; R% g4

" qn 0«+e I1, — 4 (3) д:г (20 сопротивлениЫ соответственно первого 20, второго 21 и четвертого 24 резисторов, приведенное ко входу напряжение сме" щения нуля nпера" ционного усилителя 25, коэффициенты передачи соответственно входного усилителя 3 по первому входу, аналогового квадрато-., ра 5 и аналогового интегратора 6 по первому входу. где Ц, R u

К14 6 и

Из-за того, что повторитель напряжения 32 включен в цепи отрицательной обратной связи операционного усилителя 25, имеющего бальшой

45 коэффициент усиления, влиянием его напряжения смещения нуля на формулу (3) можно пренебречь.

В конце интервала времени b t q в регистре данных 15 записывается

50 и хранится далее цифровой код Иу > полученный на выходе преобразователя время — код 14.

Далее, с момента времени первый вход входного усилителя 3 пе-

SS реключается посредством аналогового коммутатора 2 к общей шине, а вторая схема коррекции нуля 8 переходит в активное состояние (интервал вре

40054 четвертый 30 и пятый 3! ключи размыкаются, а второй 26 и третий 28 ключи » замыкаются. При этом на запоминающем конденсаторе 33 фиксирует5 ся и хранится далее уровень выходно— го напряжения операционного усилителя 25, а само аналоговое запоминающее устройство 9 переходит в режим инвертирующего суммирования выход10 ных напряжений аналогового интегратора 6 фи повторителя напряже8 ния 32 Ц (о I a) напряжение "1о(2j но: н

5,o(=--,, ) e,„ <.— + —

4 41 < г о

tj Я )равно

9 1140 мени от 1 до 1 ). В начале этого ,интервала времени замыкается на короткое время цепь разряда 7, посредством которой аналоговый интегратор 6 грубо, но быстро устанавливает ся в исходное состояние. Затем к моменту вреМ ни 4q на выходе второй схемы коррекции нуля 8 появляется корректирующий сигнал, точно устанавливающий аналоговый интегратор 6 1р в исходное состояние.

Затем, с момента времени t) первый вход входного усилителя 3 переключается посредством аналогового ком-мутатора 2 к выходу источника опорно.

ro напряжения 1, а втирая схема коррекции нуля 8 переходит в пассивное состояние. При этом выходное напряжение аналогового интегратора б вновь начинает линейно убывать, так как íà er o первый вход поступает с выхода аналогового квадратора 5 напряжение, прямо пропорциональное квадрату первичного опорного напряжения О ($) . Это продолжается в течение интервала времени hk», от момента подключения к первому входу входного усилителя 3 первичного опорного напряжения до момента равенст30 ва выходного напряжения аналогового запоминающего устройства 9 (совпадающее с выходным напряжением операционного усилителя 25) с уровнем общей шины, который фиксируется схемой сравнения 10. Благодаря тому, что блок управления 13 через управляющий вход схемы сравнения 10 переводит,ее из пассивного состояния (в течение которой она не реагирует на изменения ее входных сигналов) в активное только с момента времени, исключаются возможные ложные срабатывания данной схемы сравнения в течение интервала времени от начала времени калибровки до момента времени !

Выходное напряжение аналогового запоминающего устройства 9 {)„„ ($<) в момент срабатывания схемы сравнения 10 (момент времени 4 ) равно „Х ;=- —.U8(t ) — 0»о 1 Есм p)=0(4) В этот же.момент времени выходное напряжение аналогового интегратора 6

054 д1„

0 Ц*К„) к „к, и, цЛ =к„к, „ t, u о

Подставив в формулу (4) значения

»о ЯЗ) и 08 (4) формул (3) и (5), после соответствующих преобразований, имеем 4

R,,,» "ь.», д,р„(1, -д „ „,+ е,,„»

Р»

Из последней формулы следует, что если R,» = R, то решение данного уравнения атносительно U» совпадает с уравнением (2), независимо от погрешности величин К,», К и К,» и Bz+ . Таким образом, момент времени 4 соответствует точному равенству напряжений, по»»ученных на выходе аналогового интегратора 6 в конце интервалов времениЬ я и ht »

Параллельно с процессом формирования интервала времени 1» импульсное напряжение, определяющее данный интервал времени, поступает от блока управления 13 на второй вход преобразователя время-код 14, в котором интервал времени gk> линейно преобразуется в цифровой код Н»

С момента времени 14 первый вход входного усилителя 3 вновь подключается посредством аналогового коммутатора 2 к общей шине, обе схемы коррекции нуля переходят в активное состояние, а в .блоке деления 16 выполняется операция деления значения кода Н»», хранимого в самом

У преобраз ователе время — код 14, на значение ранее запомненного кода»» >»», хранимого в регистре данных

15. Затем через интервал времени, определяемый быстродействием блока деления, из цифрового кода полученного в результате деления, извлекается квадратный корень посредством блока извлечения квадратного корня 17. Через интервал времени, определяемый быстродействием блока извлечения квадратного корня 17, цифровой код, полученный на выходе дайного блока, преобразуется посредством блока 18 индикации в форму, удобную для восприятия человеком.

1140

Точность измерений цифрового вольтметра, реализующего предложенный способ, на низких частотах saвисит в.основном от значении погрешностей формирования стабильного первичного опорного напряжения, обеспечения стабильных значений сопротивлений 34 и P2, преобразРвания интервалов времени в цифровой код и выполнения в цифровой форме one-1О раций деления и извлечения квадратного корня. Поскольку обеспечить малые величины упомянутых погрешностей технически не трудно, точность измерений цифрового вольтметра ока- 3$ зывается высокой в широком диапазоне параметров внешней среды.

Быстродействие данного цифрового вольтметра составляет несколько периодов измеряемого напряжения минималь- Zp ной частоты.

Благодаря тому, что начало и конец интервала времений дсинхронизируют с моментами перехода через нуль измеряемого напряжения, а его 25 длительность формируют кратной периоду измеряемого напряжения, пульсации, возникающие при интегрировании квадрата измеряемого напряжения

054 12 низкой частоты, не влияют на результаты измерений предлагаемого способа.. Поэтому частотный диапазон предлагаемого способа шире в области низких частот, чем частотный диапазон прототипа. При этом сохранено высокое быстродействие измерений, которое в предлагаемом способе не превышает длительности 2,5-3 периодов измеряемого напряжения минимальной частоты. При необходимости низкочастотный диапазон может быть разбит на несколько подциапазонов, внутри каждого из которых выбирают поддиапазонные минимальные частоты.

В предлагаемом способе сравнительс

nq просто решена задача обеспечения независимости результатов измерений от частоты измеряемого напряжения, благодаря тому что интервал времени 1© формируют как сумму двух частей: основной постоянной части Д и дополнительной переменной части й* . При этом с изменением частоты измеряемого напряжения изменяется лишь дополнительная часть интервала времени а1><, причем чем выше частота, тем меньше величина дополнительной .части.

1140054

i 1400 .>4

1140054

Составитель С.Рыбин

Техред А.Кикемезей Корректор О.Билак

Редактор M.Êoëá

Заказ 257/34

Тираж 748 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4