Измерительный преобразователь среднеквадратичного значения напряжения в постоянное напряжение

 

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СРЕДНЕКВАДРАТИЧНОГО ЗНАЧЕНИЯ НАПР5ШЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ НАПРЯЖЕНИЕ, содержащий генератор треугольного напряжения, выход которогоподключен к первым входам двух ограничителей напряжения, фильтрующее устройство низкой частоты, выход которого связан с выходной шиной и со вторым входом первого ограничителя напр5гаения, второй вход второго ограничителя напряжения соединен со входной шиной, отличающийся, тем, что, с целью повьшения точности и расширения динамического диапазона, в него дополнительно введен амплитудный выпрямитель, вход которого подключен к входной шине, а выход - ко входу генератора треугольного напряжения, выполненного в виде генератора одно (Л полярного напряжения и вычитающий . блок, включенный между выходами ограс ничителей напряжения и входом фильтрующего устройства низкой частоты.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСЙУБЛИН (51)4 G 01 R 19/22

ОПИСАНИЕ ИЭОБРЕТЕНИ

Н ABTOPCHOlVIY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ЩСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

1 10 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3510614/24-21 (22) 09. 11.82 (46) 30.07.85. Бюл. Р 28 (72) P,È.Àãðåñò, А.И.Дибер, Ю.А.Пасынков, К.M.Ïîïåëåâ и Н.П.Тверитин (71) Новосибирский электротехнический институт и Витебский завод электроизмерительных приборов нм. 60-летия Великого Октября (53) 621.317.7(088.8)

-(56) 1. Заявка Франции N -2298111, кл. G 01 R 19/02, 1975.

2. Авторское свидетельство СССР

9 533876, кл. Г 01 R 19/02, 06.05.74 (прототип). (54)(57) ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СРЕДНЕКВАДРАТИЧНОГО ЗНАЧЕНИЯ

НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ НАПРЯЖЕНИЕ, содержащий генератор треугольного

ÄÄSUÄÄ 1 7 68 А напряжения, выход которого подключен к первым входам двух ограничителей напряжения, фильтрующее устройство низкой частоты, выход которого связан с выходной шиноч и со вторым входом первого ограничителя напряжения, второй вход второго ограничителя напряжения соединен со входной шиной, отличающийся, тем, что, с целью повышения точности и расширения динамического диапазона, в него дополнительно введен амплитудный выпрямитель, вход которого подключен к входной шине, а выход — ко входу генератора треугольного напряжения, Е

Ф выполненного в виде генератора однополярного напряжения и вычитающий . блок, включенный между выходами ограничителей напряжения и входом фильтрующего устройства низкой частоты.

11703б8

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в вольтметрах среднеквадратичного значения напряжения °

Известен линейный преобразователь среднеквадратичного значения напряжения в постоянное напряжение, содержаний выпрямляющее устройство, амплитудный выпрямитель, генератор разнополярного треугольного напряжения, 10 два устройства сравнения, схему И, ключ и .интегратор (1 .

В известном преобразователе обеспечивается широкий диапазон входного напряжения, однако чувствительность 15 его квадратора примерно в два раза ниже, чем у квадраторов с однополярным треугольным напряжением. Кроме того, преобразователю свойственна погрешность, вызванная пульсацией напряжения на выходе амплитудного выпрямителя. Уровень пульсации этого напряжения зависит от постоянной разряда конденсатора амплитудного выпрямитетеля. Увеличение постоянной 25 разряда приводит к увеличению переходного процесса при уменьшении амплитуды входного напряжения и, следовательно, к уменьшению быстродействия преобразователя.

Рассмотрим влияние пульсации выходного напряжения амплитудного выпрямителя на погрешность преобразования, считая входное напряжение синусоидальным (U sinat), тогда для

Щ выходного напряжения амплитудного выпрямителя можно получить следующее приближенное выражение, справедливое на полупериоде синусоидального ,сигнала (от одного максимума до другого максимума выпрямленной синусои40 ды) U /t)=U (.AS .,Среднее значение этого напряжения, которое принимается за амплитуду треугольного напряжения, равно

U = — ) U () t= —" — (1-е л О где (, — постоянная времени амплитудного выпрямителя;

Т вЂ” период синусоидального напряжения.

20

Переменная составляющая выходного напряжения амплитудного выпрямителя

° равна дв (t) = дв ()-идвс

Эта составляющая складывается с входным выпрямленным напряжением (в данном случае синусоидальным), возводится в квадрат и дает отличное от нуля постоянное смещение, которое и определяет погрешность преобразования. Определяем его.

14 " щ, 2Г

Uee=2>(((ее„ЩеееиЕ-г; ((e Ä(t(roeztdt= о т(4 ту+

, - (- " (-е ™)(U„e ")Ucoe tdtТ(2

2" 0 - г1д 2 е(-е ) Uее JUeñeeótdt/* „ .

Т1

6 U !

Знак приблизительного равенства объясняется тем, что экспоненциальная функция разлагается в степенной ряд.

Относительная погрешность преобразования определяется по формуле

Пс — 20см 2TU2ll, 2Т

Ие. И

Ц2 r. Ф\ UU е 1 где U — квадрат .среднеквадратичного значения синусоидального напряжения.

Таким образом, погрешность от пульсации выходного напряжения амплитудного выпрямителя получается большой, особенно при работе преобразователя на низких частотах, например

50 Гц.

При погрешности преобразования 1Х о должно быть порядка 1,3 с, что для промьппленных преобразователей недо-пустимо, так как их время установления не должно превышать 0,3-0,5 с.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является измерительный преобразователь среднеквадратичного значения напряженияеея в постоянное напряжение, содержащий генератор разнополярного треугольного напряжения, соединенный с первыми входами двух ограничителей.

Второй вход первого ограничителя является входом преобразователя.

Выходы ограничителей связаны со входами суммирующе- фильтрующего устройства низкой частоты, выход которого через ограничитель полярности и модулятор соединен со вторым входом второго ограничителя f2)

Однако этому преобразователю присущи недостатки: малая чувствительность, которая снижается пропорционально квадрату среднеквадратичнбго значения входного напряжения.и, в связи с этим, узкий динамический

1170368 диапазон и большие погрешности при работе с малыми напряжениями.

Действительно, выходное среднее значение напряжения (U „ ) на выходе

8)) ограничителя равно 5

U g„„=U ), /4А,„(1) где Uz - СКЗ преобразуемого напряжения;

А — амплитуда треугольного наМ пряжения. 10

Из выражения (1) видно, что U „„ уменьшается при уменьшении Uq no квадратичному закону. Например, при уменьшении U в 10 раз Б,„ уменьшается в 100 раз. Это приводит к то- 15 му, что резко возрастает погрешность от нестабильности нуля суммирующего фильтрующего устройства.

Можно получить

И,4А (2)

AP U<> где ГА — погрешность от дрейфа нуля.

Если считать дрейф нуля операционного усилителя, равным 10 В/ С, о предел преобразования 1 В, коэффи- 25 циент амплитуды входных напряжений, равным 2, при этом А =2В, то из выражения (2) можно вычислить относительную погрешность на 10 С при U =0,1 В; Я =8X, которая 30 о,< соответствует приведенной погрешности 0, 8% . Такая погрешность не допустима в современных преобразователях среднеквадратичного значения напряжения .

Цель изобретения — повышение точности преобразования и расширение динамического диапазона преобразуемых напряжений.

Поставленная цель достигается тем,40 что в измерительный преобразователь, среднеквадратичного значения напряжения в постоянное напряжение, содержащий генератор треугольного напряжения; выход которого подключен к пер- 45 вым входам двух ограничителей напряжения, фильтрующее устройство низкой частоты, выход которого связан с выходной шиной и со вторым входом первого ограничителя напряжения, второй 50 вход второго ограничителя напряжения соединен с входной шиной, дополнительно содержит амплитудный выпрями-. тель, вход которого подключен к входной шине, а выход — ко входу генера- 55 тора треугольногб напряжения, выполненного в виде генератора однополярного напряжения и вычитающий блок, включенный между выходами ограни— елей напряжения и входом фильтрующего устройства низкой частоты.

На фиг;. 1 приведена структурная схема преобразователя; на фиг. 2 эпюры напряжений в характерных точках преобразователя.

Измерительный преобразователь . среднеквадратичного значения напряжения в постоянное напряжение содержит генератор треугольного напряжения 1, выход которого подключен к первым входам двух ограничителей напряжения 2 и 3, фильтрующее устройство низкой. частоты 4, выход .которого связан с выходной шиной и со вторым входом первого ограничителя напряжения 2, второй вход второго ограничителя напряжения 3 соединен . со входной шиной. В преобразователь дополнительно введен амплитудный выпрямитель 5, вход которого подключен к входной шине, а выход — ко входу генератора треугольного напряжения 1.

Генератор треугольного напряжения 1 выполнен в виде генератора однополярного напряжения. Вычитающий блок (не показан) включен между выходами ограничителей напряжения 2 и 3 и фильтрующим устройством. низкой частоты 4.

Измерительный преобразователь среднеквадратичного значения напряжения в постоянное напряжение работает следующим образом.

После подачи на вход .преобразователя преобразуемого напряжения U (t)

Sh на выходах ограничителей напряжения 2 и 3 формируются напряжения соответственно

U (t) = — -, U4. (t) = — — (3)

Ua к Пв» . 2А„, 2А„, где Б „ — среднеквадратичное значение входного напряжения;

Б,„ — выходное постоянное напряжение;

А„, - амплитуда треугольного напряжения.

Напряжение на выходе фильтрующего устройства низкой частоты 4, которое является выходным постоянным напряжением преобразователя, равно

K>(U4,(t) U>(t)) ="вых (4 где К вЂ” коэффициент усиления фильтрующего устройства 4.

Подставим в выражении (4) соотно« шение (3) получаем

1170368 (6) 5

2А„„2А,„К

Отсюда

„Ц 1 2АГ„П

Вых х U К ьх х

Знак равенства выполняется с погрешностью меньшей 0,017 уже при К =30000.

Таким образом, выходное пос оянное напряжение прямо пропорционально 10 среднеквадратическому значению входного напряжения.

Оценим относительную погрешность, вызванную дрейфом нуля фильтрующего устройства 4, -Ug1, . тогда

2Ugp А 2Кд Цдр Пвк макс

Ао

=2---К К

Uar

4 (7) ах где U „„„- максимальное значение 20

Ьх (Use мс с

К вЂ” — — — коэффициент амплитуды

А

Ьх входного напряжения;

К вЂ” коэффициент пропорциональности преобразования амплитуды входного напряжения в амплитуду треугольного напряжения.

Оцениваем значение погрешности в предлагаемом преобразовании при тех же условиях, что и в прототипе, считая Кх =1,1 (соответствует уровню пульсации, равной 107), в том случае

=0,87 1,1 0,97, Это соответствует приведенной погрешности 0,17.

В измерительном преобразователе, отсутствует погрешность, вызываемая пульсацией выходного напряжения амплитудного выпрямителя. Это видно из эпюр напряжений на выходе отдельных блоков преобразователя, приведен ных на фиг. 2. Так как в преобразователе трруголь»ое напряжение однополярное 3q(t), то нулевой уровень треугольного напряжения не подвергается амплитудной модуляции выходным напряжением амплитудного выпрямителя.

На выходе ограничителей (Ua(t7 и Ug(сЦ выделяется разностное напряжение между U (t) и Us „ (С);

Ug(t) и U <(t) . Как видно из эпюр напряжений 1П (t) и U+(t)3 „оно не зависит от пульсации выходного напряжения амплитудного выпрямителя, т.е. точность преобразования не зависит от пульсации напряжения U(t).

Благодаря тому, что амплитуда треугольного напряжения А изменяется пропорционально уровню входного напряжения U>z (t) между изменениями уровня входного напряжения U,„ „(t) и его квадратом, как следует из соотношений (3), существует пропорциональная зависимость. По этой причине измернтельный преобразователь имеет расширенный динамический диапазон и значительно уменьшенную погрешность преобразования, особенно

Юд при малых уровнях входного напряжения.

Таким образом, использование предлагаемого генератора треугольного напряжения с возможностью формирования однополярного напряжения с амплитудой, пропорциональной амплитуде входного напряжения, при посредстве амплитудного выпрямителя, а также выполнение фильтрующего устройства с возможностью вычитания его входных сигналов позволяют расширить динами.— ческий диапазон преобразователя и повысить точность преобразования.

Для обеспечения преобразования разнополярного напряжения, его можно подать на вход преобразователя через любой из известных двухполупериодных измерительных выпрямителей.

1170368

1170368

Ц ®

Ьи)

Составитель А.Пучковский

Редактор Т.Парфенова Техред Л.Микеш Корректор Е.Рошко

Заказ 4700/42 Тираж 748 Подписное

ВНИИПИ Государственного. комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП "Патент", r.Ужгород, ул.Проектная, 4