Дифференциальный указатель переменных напряжений

 

Изобретение касается электроизмерений . Сущность изобретения: устройство содержит один автоматический переключатель 1, один усилитель 2, два переменожителя 3,5, два фильтра нижних частот 4,10, интегратор со сбросом 6, блок обработки 7, блок выборки и хранения 8,блок управления 11,компаратор 12, формирователь переднего фронта 13. 1-2-10-5-6-7-8-9-11-1-3- 4-5, 12- 13-8. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sz)s G 01 R 19 /10

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

О (лЭ

Ф г. 1 (21) 4822823/21 (22) 17.04.90 (46) 15.05.92.Бюл.N 18 (71) Научно-исследовательский институт интроскопии Томского политехнического института им.С.М.Кирова (72) А.Н.Мержа, А.М.Кологривов, Э.И.Цимбалист и И.Ю.Иванов (53) 621.317.725(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР М

1018033, кл. G 01 R 19/10, 1983.

Авторское свидетельство СССР N

636584 кл. G 01 R 19/10, 1978.,, Ж„„1734030 А1 (54) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

ПЕРЕМЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ (57) Изобретение касается электроизмерений. Сущность изобретения: устройство содержит один автоматический переключатель

1, один усилитель 2, два переменожителя 3,5, два фильтра нижних частот 4,10, интегратор со сбросом 6, блок обработки 7, блок выборки и хранения 8, блок управления 11, компаратор 12, формирователь переднего фронта

13, 1 — 2 — 10 — 5 — 6 — 7 — 8 — 9 — 11 — 1 — 3—

4 — 5, 12 — 13 — 8. 2 ил.

1734030

10

55

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к классу прицизионных сравнивающих устройств, применяемых для измерения разности интегральных значений двух напряжений переменного тока, особенно в области низких частот.

Известен двухканальный дифференциальный указатель, содержащий в каждом канале последовательно соединенные повторитель, усилитель и преобразователь, причем выходы преобразователей соединены с соответствующими входами вычитающего устройства, а его выходы — через

МДМ-усилитель соединен с индикатором.

Недостатком данного устройства является нестабильность показаний вследствие неиндентичности коэффициентов преобразования каналов, Известен дифференциальный указатель синфазных сигналов, а котором использован принцип сравнения напряжений по мгновенному значению, содержащий последовательно соединенные вычитающий блок, синхронный детектор, фильтр нижних частот, усилитель постоянного тока и индикатор, причем входные шины устройства подключены ко входам вычитающего блока, а управляющий вход синхронного детектора, через формирователь коммутирующего напряжения соединен со входом опорного напряжения.

Недостатком известного устройства является то, что сравнение возможно только при незначительной разности фаз сравниваемых сигналов. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является дифференциальный указатель, построенный по модуляционнокоммутационному принципу, содержащий первый усилитель, фильтр нижних частот, блок управления, соединенный с одним из входов переключателя, два других входа которого соединены с выводами источников сравниваемых сигналов, а выход переключателя через второй усилитель соединен с входом измерительного преобразователя, а также два блока выборки и хранения информации, вычитающий блок, индикатор и дополнительный усилитель и фильтр, выход которого соединен с первыми входами первого и второго блоков выборки и хранения информации, выходы которых соединены с входами вычитающего блока, соединенного выходом с входом дополнительного усилителя и с входом индикатора, при этом выход дополнительного усилителя соединен с вторым входом первого блока выборки и хранения информации, третий вход которого соединен через последовательно соединенные первый усилитель и фильтр нижних частот с одним из входов второго усилителя, причем второй выход блока управления с вторым входом второго блока выборки и хранения информации, а третий и четвертый выходы блока управления соединены с четвертым и пятым входами первого блока выборки и хранения информации.

Уравнение преобразования имеет вид:

1 г

Ussx .),„U) К р dt— тг -т>

1 ,/ U 1 KTpdt, (1) где U1 и Ог — входные напряжения;

Ktp — коэффициент передачи измерительного тракта;

tz-t1=ta-tz=T — время измерения каждого из сигналов.

Выходное напряжение, также как и в первом устройстве, пропорционально разности квадратов входных напряжений.

Недостатком данного устройства, а также его модификации является то, что по принципу действия оно относится к дифференциальным указателям разновременного сравнения, следовательно, сравнение значений двух переменных напряжений происходит поочередно и минимум за два периода частоты входных сигналов, а также присутствует погрешность измерения из-за нестабильности коэффициента преобразователя измерительного тракта за период измерения, равного 2 Т, Цель изобретения — повышение быстродействия, т„е.получение информации о разности интегральных значений сравниваемых сигналов за один их период и повышение точности измерения путем уменьшения влияния нестабильности коэффициента преобразования измерительного тракта.

Поставленная цель достигается тем, что в дифференциальный указатель, содержащий автоматический переключатель, усилитель. первый фильтр нижних частот, блок управления, первый вход которого соединен с управляющим входом автоматического переключателя, входы которого соединены с клеммами для подключения источников сравниваемых сигналов, выход автоматического переключателя подключен к входу усилителя, а также второй фильтр нижних частот, блок выборки и хранения и индикатор введены первый перемножитель, последовательно соединенные второй перемножитель, интегратор со сбросом и блок коррекции, а также компаратор, вход которого подключен к одной из клемм для подключения источников сравниваемых

1734030 сигналов, а выход через формирователь переднего фронта к управляющим входам интегратора со сбросом, блока коррекции и блока выборки и хранения, при этом выход усилителя соединен с первым входом первого перемножителя и через второй фильтр нижних частот с первым входом второго перемножителя, второй вход которого через первый фильтр нижних частот подключен к выходу первого перемножителя, причем второй вход первого перемножителя соединен с вторым выходом блока управления, а выход блока коррекции через блок выборки и хранения подключен ко входу индикатора.

Кроме того, блок управления вырабатывает управляющие напряжения со скважностью 2 и с частотой Я которая много больше, чем верхняя спектральная составляющая сравниваемых сигналов, а первый и второй фильтры нижних частот идентичны и имеют частоту среза выше верхней границы рабочего диапазона частот, но ниже Q.

Введение вышеперечисленных блоков позволяет, несмотря на коммутационно-модуляционный принцип сравнения, производитель измерение разности. квадратов среднеквадратических значений за один период сравниваемых сигналов, то есть повысить быстродействие путем преобразования манипулированного напряжения на выходе автоматического переключателя в напряжение суммы и разности входных сигналов и измерения среднего значения их (суммы и разности) произведения, а также обеспечивает существенное уменьшение погрешности из-за нестабильности коэффициента преобразования измерительного тракта за период измерения путем уменьшения времени коммутации (или увеличения частоты коммутациии).

На фиг;1 представлена структурная схема дифференциального указателя; на фиг,2 — временные диаграммы напряжений в различныхх точках устройства.

Дифференциальный указатель содержит последовательно соединенные автоматический переключатель 1, два входа которого соединены с клеммами для подключения сравниваемых сигналов, усилитель 2, первый перемножитель 3, первый фильтр нижних частот 4, второй перемножитель 5, интегратор со сбросом 6, блок коррекции 7, блок выборки и хранения 8, . индикатор 9 и второй фильтр нижних частот

10, вход которого соединен с выходом усилителя 2 и с первым входом первого перемножителя 3, а выход — с вторым входом второго перемножителя 5, а также блок управления 11, первый выход которого подключен к управляющему входу автоматического переключателя 1, а второй — к второму входу первого перемножителя 3, и последо5 вательно соединенные компаратор 12 и формирователь переднего фронта 13, причем вход компаратора 12 подключен к одной из клемм для подключения сравниваемых сигналов, а выход формирователя 13 — к

10 управляющим входам интегратора со сбросом 6, блока коррекции 7 и блока выборки и хранения 8.

Устройство работает следующим образом.

15 Управляющее прямоугольное напряжение (фиг.2 а)

4 sin 2n —.1 Qt ®

-1 частота которого И много больше высшей спектральной составляющей сравниваемых сигналов, с выхода блока управления 11 поступает на управляющий вход автоматического переключателя 1, ко25 торый поочередно подключает сравниваемые напряжения О1(с) (фиг.2 б) и Ог(с)(фиг.2 в) на вход усилителя 2, имеющего коэффициент передачи Kz, На выходе усилителя 2 образуется манипулированное напряжение

Оус (фиг.2 г), н нн»i 2п-1 н (н,(М н,ltl —, н,tttp н " ",и»

-4U (t) (" Iytj

2n- I (3) 35

50 и поступает на второй вход второго перемножителя 5 (фиг.2 r). На первый его вход поступает напряжение, пропорциональное разности входных сигналов. Действительно, в первом перемножителе 3 происходит перемножение выходного сигнала усилителя 2 Оу (3) и блока управления 11 Оу р(2), ((н МЬГ ((, (с u>.() k » gU (t) v,,(t(+ ннц (ц ;н sIn(n

A I Нн н

Это напряжение поступает на второй фильтр нижних частот 9, в котором отфильтровываются высокочастотные составляющие с частотами Q в, 3 И сои так у далее (а) — частота входных сигналов, й) < И).

45 Выходное напряжение второго фильтра нижних частот 9 (UygIz), таким образом, представляется в виде:

Офигг= — (О1(с)+Ог(с)), (4)

К2

1734030

4 М л (2 л - 1) 22t 62" ъ(4 Sin (2л -1) И

n:1 где Кз — коэффициент передачи перемножителя (фиг.2 д).

Первый фильтр нижних частот 4 отфильтровывает составляющие с частотами

Й+-ю, 3 И+-а и так далее, где ж — частота сигнала, и его выходное напРЯжение 0фич1 (фиг,2 Д) можно записать как

0фич1 — (02(С) — 01(t)) (6)

Выходное напряжение второго перемножителя 0п2является произведением выходных напряжений первого и второго фильтров нижних частот:

0п2=(0фич1 0фич2) К5= (02(t) — U1(t)) — (02 (t) + 01(t) ) =, К2 (Ug (t) — 0.1 (t)), (7) где К5 — коэффициент передачи второго перемножителя (фиг.2 е), Учитывая, что интегратор со сбросом 6 интегрирует сигнал 0п2 в течение одного периода Т входного сигнала, начиная с нуля (фиг.2 ж), его выходное напряжение 0п в конце каждого периода т

0п — 4 fp (02 (t) — 01(t))((1, (8) где г — постоянная времени интегратора 6;

Т вЂ” период входного сигнала, Блок коррекции 7 служит для исключения влияния Т на результат измерения, его коэффициент передачи К7 является функК7 цией периода входного сигнала К7(Т)=

Выходное напряжение блока коррекции под воздействием управляющего импульса с формирователя 13 (фиг. 2.з) запоминается блоком выборки и хранения 8 (фиг.2,и):

0БВХ=0вых=

4 Т о (0$(t) — 0)(t))dt. (9)

Подставив в (9) значения 01(t)=sin со t u

U2(t)= (1+д)$(п ж t где д — относительная разность среднеквадратических значений. получим: или 0вых= Ктр д (I+ д /2) (10) 45 вых р Т („„д ) При подстановке исходных условий в уравнение преобразования (11) получают. т ( ()вот 1- 1(тр((+ )((М) О и И1-в тт Я1)й

О

Т вЂ” j",+1 1(((+ Мв 22 в)Цт(О

К2 КЗ К5 К7 где Ктр- 4 общий коэффициент передачи измерительного тракта.

Погрешность нелинейности д /2 (из-за отсутствия корнеизвлекающего устройства) свойственна дифференциальным указателям, определяющих разность среднеквадратических значений сравниваемых сигналов в соответствии с уравнением измерения (1).

Поскольку указатели данного типа используются для измерения разности входных сигналов в основном не превышающих единиц процентов, то можно считать, что

0вых=2Ктр д, 2Ктр д, где д и — измеренное значение,так как погрешность измерения будет незначительна.

Таким образом, уравнение преобразования данного устройства может быть представлено в виде:

1 т вых Т fp KTP

Сравним значения погрешностей из-за нестабильности тракта за время измерения в прототипе и предлагаемом устройстве.

Предложим, что коэффициент передачи тракта Ктр линейно зависит от времени, например, в режиме прогрева;

К(1)= Ктр(1+7 1), где y — скорость измерения К, а входные сигналы 01(t)=sino) t и U2(t)=-(1+0)since

ПОДСтаВИВ ЭтИ ЗНаЧЕНИЯ Ктр(т), U1(t) I4

U2(t) в уравнение преобразования прототипа (1) и считая, что время измерения Т равно

2л периоду входного сигнала, т.е.Т= получают; в12 J"тp« ((t) (I+6) ü!nÛdt l2тр((1(Чт Ф т

)(т nãî«-ë)(6);„,)1((г) „ рт 2т

Ь!Л Ый- J Sin (Otdt- J 61Ыв Л О2Щ). т т тР(Я 2 4("1 4 21 ) т (Г((16) 1 Гт 2 ър1 2 2

KCOS2(вЪтйт — J gtCOS2

2Т

=K, 3(I+6(2}(q+ ——

r )рт )т тР L 2 26() 1.6(2) ) или при малых значениях д

11вих = кхвд(1+.2-(— 1/д)в (12)

Т

Погрешность измерения при этом

1734030

35

45

55

= к,р { Ца)к„3(«31

«Jteo 2rakht= k,pit() tlQ)(< I гт о или при малых значениях д

0вых=КТРд (1+ 2 ) Т (14)

Погрешность измерения Пг в этом слу- 10 чае

Сравнивая погрешность П и Rz, очевидно, что погрешность измерения в пред- 15 лагаемом устройстве существенное ниже, особенно при измерении малых значений д, Формула изобретения

Дифференциальный указатель переменных напряжений, содержащий автома- 20 тический переключатель, усилитель, первый фильтр нижних частот, блок управления, первый выход которого соединен с управляющим входом автоматического переключателя, входы которого соединены с клеммами для под- 25 ключения источников сравниваемых сигналов, выход автоматического переключателя соединен с входом усилителя, второй фильтр нижних частот, блок выборки и хранения, индикатор, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия и точности измерений, в него введены первый перемножитель, последовательно соединенные второй перемножитель, интегратор со сбросом и блок коррекции, а также компаратор, вход которого подключен к одной из клемм для подключения источников сравниваемых сигналов, а выход через формирователь переднего фронта соединен с управляющим входом интегратора со сбросом блока коррекции и блока выборки-хранения, при этом выход усилителя соединен с первым входом первого перемножителя и через второй фильтр нижних частот с первым входом второго перемножителя, второй вход которого через первый фильтр нижних частот соединен с выходом первого перемножителя, второй вход которого соединен с вторым выходом блока управления, а выход блока коррекции через блок выборки и хранения соединен с входом индикатора, 1734030

Составитель А. Кологривов

Техред М,Моргентал Корректор М. Максимишенец

Редактор М.Товтин

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1667 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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