Устройство для измерения амплитуды гармонического напряжения

 

Использование: изобретение относится к вольтметрам, а более конкретно к устройствам для измерения амплитуды гармонических напряжений, и может быть использовано в автоматике, телемеханике и связи. Сущность изобретения: устройство для измерения амплитуды гармонических напряжений содержит коммутатор 1, переключатель 2, инвертор 3, интегратор 4, нуль-орган 5, дифференциатор 6, усилитель-формирователь 7, счетчик 8, блок сравнения 9, источник трех опорных напряжений 10, снабженный тремя резисторами 13, 14, 15, тремя регулируемыми резисторами 16, 17, 18 и источником постоянного напряжения 19. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

Предполагаемое изобретение относится к вольтметрам, а более конкретно, к устройствам для измерения амплитуды гармонических напряжений и может быть использовано в автоматике, телемеханике и связи.

Известно устройство [1], предназначенное для контроля среднего значения переменного напряжения, содержащее усилитель-формирователь, селектор, ключи, генератор опорной частоты, счетчик, блок переноса кода, блок допускового контроля временных интервалов, интегратор, измерительный блок, анализатор, формирователь кода допуска и выходной логический блок. Усилитель-формирователь соединен с селектором, ключом. Селектор соединен со вторым ключом и со счетчиком, соединенным со вторым ключом и с блоком допускового контроля временных интервалов, соединенным с выходным логическим блоком, соединенным с анализатором, который соединен с блоком переноса кода, выходным логическим блоком, соединенным с блоком допускового контроля. Анализатор соединен с измерительным блоком, соединенным с селектором и с интегратором, соединенным с ключом.

Данное устройство имеет низкую точность вследствие того, что измерение напряжения на выходе интегратора измерительным блоком характеризуется существенными погрешностями.

Известно устройство, предназначенное для допускового контроля среднего значения переменного напряжения, содержащее усилитель-формирователь, селектор, ключи, генератор опорной частоты, счетчик, блок переноса кода, блок допускового контроля временных интервалов, интегратор, измерительный блок, анализатор, формирователь кода допуска, выходной логический блок, источник образцового напряжения. Усилитель-формирователь соединен с селектором, соединенным с ключами, один из которых соединен с генератором опорной частоты и счетчиком, соединенным с селектором и блоком переноса кода, соединенным с блоком допускового контроля временных интервалов, соединенным с выходным логическим блоком, соединенным с формирователем кода допуска, соединенного с блоком допускового контроля временных интервалов. Формирователь кода допуска соединен с анализатором, соединенным с измерительным блоком, соединенным с селектором. Измерительный блок соединен с интегратором, соединенным с ключом, соединенным с источником образцового напряжения, соединенным со входом устройства.

Устройство характеризуется низкой точностью поскольку интегратор в совокупности с измерительным блоком характеризуется высокими погрешностями.

Данное техническое решение взято автором в качестве прототипа.

Целью предполагаемого изобретения является повышение точности измерения.

Указанная цель достигается тем, что известное устройство содержащее усилитель-формирователь, два ключа, счетчик, интегратор снабжают переключателем, инвертором, нуль-органом, дифференциатором, сравнивающим устройством, источником трех опорных напряжений, тремя резисторами, тремя регулируемыми резисторами, источником постоянного напряжения, коммутатором. Коммутатор соединен с переключателем, соединенным непосредственно и через инвертор с интегратором, соединенным с нуль-органом. Вход коммутатора соединен с дифференциатором, соединенным с коммутатором. Вход коммутатора соединен через усилитель-формирователь со счетчиком, соединенным с коммутатором и с интегратором. Источник трех опорных напряжений соединен со сравнивающим устройством, подключенным ко входу заявляемого устройства, являющемуся входом коммутатора и к переключателю.

Источник трех опорных напряжений содержит три резистора и три регулируемых резистора, источник постоянного напряжения. Резисторы включены последовательно с регулируемыми резисторами и образуют три параллельные ветви, состоящие из резистора и регулируемого резистора. Средние точки параллельных ветвей соединены со сравнивающим устройством. Параллельные ветви подключены к источнику постоянного напряжения.

Коммутатор содержит два последовательно включенных ключа, первый из которых соединен со входом коммутатора и с дифференциатором, а второй - соединен с выходом коммутатора и со счетчиком.

Все элементы, входящие в состав заявляемого устройства известны и описаны в литературе.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых элементов: переключателем, инвертором, нуль-органом, дифференциатором, усилителем-формирователем, сравнивающим устройством, источником, трех опорных напряжений, коммутатором и их связями с остальными элементами схемы.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что вновь введенные элементы известны.

Однако при их введении в указанной связи с остальными элементами схемы в заявляемое устройство вышеуказанные элементы проявляют новое свойство, а именно повышение точности измерения.

Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

На чертеже изображена принципиальная схема устройства.

Заявляемое устройство содержит коммутатор 1, соединенный с переключателем 2, который соединен напрямую и через инвертор 3 с интегратором 4, соединенным с нуль-органом 5. Коммутатор 1, дифференциатор 6, усилитель-формирователь 7 соединены со входом устройства, дифференциатор 6 соединен с коммутатором 1, усилитель-формирователь 7 соединен со счетчиком 8, соединенным с коммутатором 1 и интегратором 4. Переключатель 2 соединен со сравнивающим устройством 9, соединенным с источником трех опорных напряжений 10. Вход устройства соединен со сравнивающим устройством 9. Коммутатор 1 содержит два ключа 11 и 12, соединенных последовательно, ключ 11 соединен со входом устройства и дифференциатором 6, ключ 2 соединен с пересчетным устройством 8 и переключателем 2. Источник трех опорных напряжений 10 содержит три резистора 13, 14, 15 и три регулируемых резистора 16, 17, 18. Резисторы включены последовательно с регулируемыми резисторами и образуют три параллельные ветви, состоящие из резистора 13 и регулируемого резистора 16, резистора 14 и регулируемого резистора 17, резистора 15 и регулируемого резистора 18. Средние точки параллельных ветвей соединены со сравнивающим устройством 19. Параллельные ветви подключены к источнику постоянного напряжения 19.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

На вход подают синусоидальное напряжение U = U_{m .} sin ( ωt+Ψ ); где U_m - амплитуда; ω - круговая частота; t - время; Ψ - начальная фаза.

При возрастании измеряемого напряжения U на выходе дифференциатора 6 имеется положительный сигнал, поступающий на ключ 11 и открывающий его. На выходе счетчика 8 имеется положительное напряжение, открывающее ключ 12. На переключатель 2 поступает напряжение U, подаваемое также на сравнивающее устройство 9. При достижении входным напряжением U первого опорного напряжения U₁, выдаваемого источником трех опорных напряжений 10, т.е.

U_m ^. sin ( ωt₁+Ψ ) = U₁, (1) где t₁ - момент времени, в который выполняется данное равенство, сравнивающее устройство 9 выдает сигнал подключающий напрямую к интегратору 4 измеряемое напряжение U с помощью переключателя 2.

При достижении входным напряжением U второго опорного напряжения U₂, выдаваемого источником трех опорных напряжений 10, т.е.

U_m ^. sin ( ωt₂+Ψ) = U₂, (2) где t₂ - момент времени, в который выполняется данное равенство, сравнивающее устройство 9 выдает сигнал, подключающий измеряемое напряжение U через инвертор 3 к интегратору 4 с помощью переключателя 2. В момент равенства измеряемого напряжения U третьему опорному напряжению U₃, т.е.

U_m ^. sin ( ωt₃+Ψ ) = U₃, (3) где t₃ - момент времени, в который выполняется данное равенство, переключатель 2 отключает измеряемое напряжение U от интегратора 4.

Из выражений (1), (2), (3) следует t₁= · arcsin - , (4) t₂= · arcsin - , (5) t₃= · arcsin - , (6) Тогда в промежутке времени от t₁ до t₂ интегратор 4 интегрирует измеряемое напряжение U, а от t₂ до t₃ то же напряжение U, но с обратным знаком. В результате одного такта интегрирования на выходе интегратора 4 получают напряжение ΔU₄= K₄ Udt - K Udt, где К₄ - коэффициент вносимый интегратором 4.

Количество тактов интегрирования задается счетчиком 8, на вход которого поступают импульсы от усилителя-формирователя 7. Через n периодов измеряемого напряжения U счетчик 8 выдает напряжение, которое сбрасывает напряжение интегратора 4 n Δ U₄ до нуля. Затем процесс начинается снова. Регулировкой опорных напряжений добиваются нулевого показания нуль-органа 5. При этом
Udt = Udt или
· cos (ωt+ω) = cos(ωt+Ψ) Подставляя выражения (4), (5), (6), получают
- =
= -
Откуда после преобразований получают
U_m= Поскольку
U₁ = K₁E, U₂ = K₂E, U₃ = K₃E, где К₁, К₂, К₃ - коэффициенты передачи делителей напряжения, образованные элементами 13, 14, 15, 16, 17, 18,
Е - выходное напряжение источника постоянного напряжения 19, то
U_m= E (7)
Поскольку значение постоянного напряжения Е и коэффициенты К₁, К₂ и К₃, кроме того, интегрирование характеризуются высокой точностью, то максимальное значение напряжения U_m измеряется с высокой точностью. Расчет U_m по выражению (7) как и уравновешивание заявляемого устройства могут быть легко автоматизированы.

Известен цифровой вольтметр ⊘ 230, предназначенный для измерения напряжения переменного тока [4]. Недостатком является высокая погрешность измерения.

Использование введенных в заявляемое устройство элементов переключателя, инвертора, нуль-органа, дифференциатора, сравнивающего устройства, источника трех опорных напряжений, коммутатора приводит к повышению точности измерения, что обусловлено использованием метода уравновешивания (сравнения) при измерении переменного тока. Заявляемое устройство позволяет сравнивать напряжение постоянного тока и амплитуду переменного тока и амплитуду переменного тока с помощью операций, характеризующихся высокой точностью: сравнения, интегрирования, уравновешивания.

Сложность пересчетной формулы не является препятствием для достаточного быстродействия прибора, вследствие простой автоматизации пересчета с помощью современной вычислительной техники.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АМПЛИТУДЫ ГАРМОНИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащее усилитель-формирователь, источник опорного напряжения, интегратор, счетчик, нуль-орган, коммутатор, состоящий из двух ключей, переключатель, выход которого соединен с первым входом интегратора, выход которого соединен с входом нуль-органа, вход усилителя-формирователя соедиен с входами коммутатора и устройства, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, в него введены инвертор, дифференциатор, блок сравнения, вход которого соединен с входами устройства и дифференциатора, выход которого соединен с первым управляющим входом коммутатора, второй управляющий вход которого соединен с первым выходом счетчика, вход которого соединен с выходом усилителя-формирователя, а второй выход - с входом сброса интегратора, второй вход которого через инвертор соединен с вторым выходом переключателя, вход которого соединен с выходом коммутатора, управляющий вход - с выходом блока сравнения, три опорных входа которого соединены с выходом источника опорного напряжения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью упрощения, источник опорного напряжения содержит три резистора, три регулируемых резистора, источник постоянного напряжения, причем последовательно соединенные резисторы и регулируемые резисторы образуют соответственно три параллельные ветви, которые подключены к выходу источника постоянного напряжения, средние выводы трех параллельных ветвей соединены соответственно с тремя выходами источника опорного напряжения.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью упрощения, коммутатор содержит два последовательно соединенных ключа, вход первого из которых соединен с входом коммутатора, а его управляющий вход - с первым управляющим входом коммутатора, выход второго ключа соединен с выходом коммутатора, а его управляющий вход - с вторым управляющим входом коммутатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1