Способ измерения эффективного значения переменного напряжения (варианты)

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к измерениям действующего значения переменного напряжения по результатам оценки выборок такого напряжения. Технический результат заключается в повышении точности измерения без существенного увеличения числа выборок. Это достигается тем, что число выборок мгновенных значений напряжения выбирается равным трем при синусоидальной форме измеряемого напряжения и равным 2N + 1, где N - число гармоник, при несинусоидальной форме напряжения. 2 c.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности, к измерениям действующих значений переменных напряжений.

Известен способ измерения эффективного значения напряжения, которое определяется по результатам измерения действующих значений отдельных гармоник (см. Волгин Л.И. Измерительные преобразователи переменного напряжения в постоянное. М.: Сов. радио, 1977, стр. 116). Такой способ измерения имеет недостаток, заключающийся в низкой точности селективных измерений.

Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности признаков является способ измерения эффективного значения переменного напряжения, включающий определение n выборок мгновенных значений напряжения, возведение этих значений в квадрат, суммирование, деление на число, извлечение квадратного корня (см. Шахов Э.К. Частотно- и времяимпульсные измерительные развертывающие преобразователи. Пенза: Изд-во Пензинского политех. института. 1978, стр. 72), принятый за прототип.

К недостаткам такого способа относится трудность оптимального определения числа n выборок мгновенных значений напряжения, что может привести либо к снижению точности измерения при снижении числа n, либо к усложнению измерительной процедуры при увеличении числа n.

Сущностью изобретения является оптимальный выбор числа n выборок мгновенных значений напряжения, по которым определяется искомое эффективное значение напряжения. При осуществлении изобретения может быть получен технический результат, заключающийся в повышении точности измерения действующего значения без существенного увеличения числа выборок n.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе измерения эффективного значения переменного напряжения, включающем определение n выборок мгновенных значений напряжения, возведение их в квадрат, суммирование, деление на число n, извлечение квадратного корня, особенность заключается в том, что при синусоидальной форме напряжения число выбирают равным 3 при одинаковом шаге между выборками, а при несинусоидальной форме напряжения, содержащем N гармоник, число n выбирают равным 2N+1 также при одинаковом шаге между выборками.

Отличительной особенностью заявляемого решения является оптимальный выбор числа n выборок мгновенных значений напряжения, при котором методическая погрешность измерения, как будет показано ниже, становится равной нулю. При этом снижается также трудоемкость измерительной процедуры при определении действующего значения переменного напряжения.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружено аналога, характеризующегося признаками, тождественными всем признакам заявленного изобретения. Определение из перечня аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку считается, что при реализации способа измерения эффективного значения напряжения произвольной формы на основе оценки мгновенных значений методическая погрешность измерения стремится к нулевому значению только при стремлении числа n к бесконечности. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 и 2 изображены временные диаграммы напряжений; на фиг. 3 - напряжения на комплексной плоскости.

Известно, что электрическое напряжение характеризуется эффективным (действующим) значением, которое равно: где для периодических сигналов разность (t_j+1-t_j) равна периоду сигнала. При приборной реализации выражения (1) интеграл заменяется суммой квадратов выборок мгновенных значений u_j напряжения u(t) в моменты времени t_j (фиг. 1): где n - число выборок, причем считается, что формула (2) является приближенной. Это означает, что погрешность определения действующего значения по ней стремится к нулю только при n_→∞.

Несинусоидальное напряжение можно представить суммой гармоник: поэтому рассмотрим синусоидальный сигнал, представляющий собой k-ю гармонику ряда (3): u = U_msin(ωt), (4) где для упрощения анализа начальная фаза принята равной нулю.

Формула (1) для синусоидального сигнала, как известно, дает следующий результат при определении эффективного значения:
Определим n выборок мгновенных значений напряжения (4), каждая из которых равна:
u_j = U_msin(Δβ+(j-1)Δα), (6)
где Δα = 360/n - шаг между выборками; Δβ - фаза при определении первой выборки (фиг. 2,а). Подставим (6) в (2):

Учтем, что sin²x = 0,5(1-cos²x), тогда (7) можно записать в виде:

где

Перейдем в область комплексных изображений, приняв для упрощения выражений: 2Δβ = 0 и 2Δα = γ, тогда формула (9) запишется в виде:

Геометрические - это сумма векторов единичной длины на комплексной плоскости, которые сдвинуты между собой на угол γ (фиг. 3,а). Поэтому при условии, что шаг между выборками
Δα = const, (11)
(в этом случае γ = const) = 0 при минимальном значении n = 3 (фиг. 3, б), что определяет минимальное значение числа n выборок мгновенных значений напряжения, при котором формула (8) дает результат (5), т.е. методическая погрешность при использовании способа (2) измерения действующего значения напряжения синусоидальной формы становится равной нулю.

При измерении эффективного значения несинусоидального напряжения, содержащего N гармоник, это означает, что методическая погрешность равна нулю при выборе количества выборок мгновенных значений напряжения, равного n = 2N+1, например, при N = 1 (для синусоидального напряжения) n = 3 (фиг. 2,б).

Вышеизложенное говорит о том, что при оптимальном выборе числа n методическая погрешность способа определения эффективного значения напряжения на основе измерения выборок мгновенных значений напряжения при одинаковом шаге между ними может быть сведена к минимуму без существенного увеличения числа выборок, что способствует также упрощению измерительной процедуры.

При практической реализации предложенного решения выполняемые процедуры могут быть выполнены на основе использования известных средств, например, измерение мгновенных значений - с помощью устройств выборки-хранения, а операции возведения в квадрат, суммирования и извлечения квадратного корня - с помощью ЭВМ.

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
средство, воплощающее заявленный способ при его осуществлении, предназначено для использования в электроизмерительной технике, в частности для измерения действующего значения переменного напряжения;
для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в независимых пунктах формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью известных средств.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Формула изобретения

1. Способ измерения эффективного значения переменного напряжения, включающий определение n выборок мгновенных значений напряжения, возведение их в квадрат, суммирование, деление на число n, извлечение квадратного корня, отличающийся тем, что при синусоидальной форме напряжения число n выбирают равным 3 при одинаковом шаге между выборками, равном 360^o/n.

2. Способ измерения эффективного значения переменного напряжения, включающий определение n выборок мгновенных значений напряжения, возведение их в квадрат, суммирование, деление на число n, извлечение квадратного корня, отличающийся тем, что при несинусоидальной форме напряжения, содержащем N гармоник, число n выбирают равным 2N + 1 при одинаковом шаге между выборками, равном 360^o/n.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3