Измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное

 

Преобразователь относится к измерительной технике и может быть использован в радиотехнике, энергетике и автоматике. Преобразователь состоит из двух следящих систем с двумя термопреобразователями и устройством для суммирования переменного и постоянного тока и фильтров высокой и низкой частот. Устройство для суммирования переменного и постоянного тока построено на основе операционного усилителя, который охвачен цепью регулируемой параллельной отрицательной обратной связи по напряжению. Фильтры высокой и низкой частот предназначены для разделения спектра выходного сигнала операционного усилителя на переменную и постоянную составляющую. Благодаря применению суммирующего устройства на основе операционного усилителя, который охвачен цепью регулируемой отрицательной обратной связи, внешние факторы и старение резисторов не влияют на равенство переменной и постоянной составляющей на выходе операционного усилителя. В результате повышается точность преобразователя. 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, касается, в частности, преобразователей переменного напряжения в постоянное на основе термопреобразователей и может быть использовано в радиотехнике, энергетике и автоматике.

Известны преобразователи переменного напряжения в постоянное со стабилизацией напряжения на нагревателе термопреобразователя (см. В.С. Попов, И.Н. Желбаков. Измерение среднеквадратического значения напряжения. M.: Энергоатомиздат, 1987, с. 62-63). В этих двухканальных преобразователях с временным разделением каналов в течение первого такта переменное напряжение преобразуется при помощи системы стабилизации напряжения в приращение фотосопротивления, а во втором такте это фотосопротивление переключается из первого канала во второй и преобразуется в постоянное напряжение.

Недостатки данных преобразователей заключаются в низком быстродействии из-за временного разделения каналов и невысокой точности, обусловленной статизмом системы стабилизации напряжения, зависящим от входного сигнала, и изменением напряжения на входе аналогового запоминающего устройства, поддерживающего постоянство фотосопротивления во втором такте.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип преобразователь переменного напряжения в постоянное (см. патент РФ №2178891 на “Преобразователь переменного напряжения в постоянное”, заявка №2000108994/09 от 10.04.2000, M.кл7. G 01 R 19/04, H 02 M 7/04), содержащий первый и второй термопреобразователи, термопары которых включены встречно-последовательно и вторыми концами подключены соответственно к первому и второму входу первого блока сравнения, выход которого является выходом устройства, первый биполярный умножающий цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), аналоговый вход которого является входом устройства, второй биполярный умножающий ЦАП, первый и второй операционный усилитель (ОУ), каждый из которых охвачен цепью параллельной отрицательной обратной связи, аналоговый цифровой преобразователь (АЦП), второй блок сравнения и источник постоянного напряжения, причем выход первого и второго ЦАП подключен к инвертирующему входу соответственно первого и второго ОУ, выход первого и второго ОУ соединен с нагревателем соответственно первого и второго термопреобразователя, общая точка термопар обоих термопреобразователей соединена с первым входом второго блока сравнения, ко второму входу которого подключен положительный полюс источника постоянного напряжения, выход второго блока сравнения подключен ко входу АЦП, выход которого соединен с цифровым входом первого и второго ЦАП, выход первого блока сравнения соединен с аналоговым входом второго ЦАП, а вход первого блока сравнения подключен к термопаре первого термопреобразователя, вторые концы нагревателей обоих термопреобразователей, неинвертирующие входы обоих ОУ и отрицательный полюс источника постоянного напряжения соединены с общей шиной. Таким образом, преобразователь представляет собой две измерительные следящие системы, одна из которых поддерживает постоянным напряжение на входе первого термопреобразователя, а вторая поддерживает постоянное напряжение на выходе устройства пропорциональным переменному напряжению на входе.

Недостатками этого преобразователя являются низкая точность, обусловленная неодинаковым изменением проводимости первого и второго ЦАП и неодинаковым изменением коэффициента усиления первого и второго ОУ от влияния внешних факторов и старения, а также погрешность, обусловленная автоколебаниями тока подогрева в термопреобразователях, вызванными дискретным изменением проводимостей ЦАП и дискретным изменением кода на выходе АЦП; кроме того, входное сопротивление преобразователя, равное сопротивлению первого ЦАП, зависит от значения входного напряжения.

Задачей, решаемой заявляемым техническим решением, является повышение точности преобразователя.

Поставленная задача достигается тем, что в измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий охваченный цепью параллельной отрицательной обратной связи по напряжению операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, первый и второй термопреобразователи, первые концы нагревателей которых соединены с общей шиной, а их термопары, соединенные встречно-последовательно, первыми концами подключены соответственно к первому и второму входам первого блока сравнения, первый вход которого присоединен к общей шине, а выход является выходом устройства, общая точка термопар обоих термопреобразователей соединена с первым входом второго блока сравнения, ко второму входу которого подключен положительный полюс источника постоянного напряжения, отрицательный полюс которого соединен с общей шиной, введены фильтры высокой и низкой частоты, цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя образована последовательно соединенными первым и вторым резисторами и управляемым резистором, первый вывод которого присоединен к общей точке первого и второго резисторов, второй его вывод - к общей шине, а его управляющий вход - к выходу второго блока сравнения, выход операционного усилителя через фильтр высокой частоты соединен с вторым концом нагревателя первого термопреобразователя, а через фильтр низкой частоты - с вторым концом нагревателя второго термопреобразователя, к инвертирующему входу операционного усилителя через третий резистор присоединен вход устройства, а через четвертый резистор - выход устройства.

Сущность настоящего изобретения состоит в создании в заявляемом преобразователе двух следящих систем с устройством для суммирования переменного и постоянного тока с регулируемым коэффициентом передачи на основе операционного усилителя, охваченного цепью параллельной регулируемой отрицательной обратной связи, и разделении спектра выходного сигнала операционного усилителя на переменную и постоянную составляющую при помощи фильтров высокой и низкой частоты.

В заявляемом техническом решении благодаря совокупности перечисленных признаков в процессе работы устройства поддерживается равенство напряжений на выходе обоих термопреобразователей и, следовательно, равенство переменной и постоянной составляющей напряжения на выходе операционного усилителя, т.е. пропорциональная зависимость между постоянным выходным и переменным входным напряжениями, что позволяет решить поставленную задачу: обеспечить более высокую точность преобразователя.

На чертеже приведена функциональная схема заявляемого преобразователя.

Измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное содержит охваченный цепью параллельной отрицательной обратной связи по напряжению операционный усилитель (ОУ) 1, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, первый 2 и второй 3 термопреобразователи, первые концы нагревателей которых соединены с общей шиной, а их термопары, соединенные встречно-последовательно, первыми концами подключены соответственно к первому и второму входам первого блока сравнения (БС) 4, первый вход которого присоединен к общей шине, а выход является выходом устройства. Общая точка термопар обоих термопреобразователей соединена с первым входом второго БС 5, ко второму входу которого подключен положительный полюс источника постоянного напряжения 6, отрицательный полюс которого соединен с общей шиной. Преобразователь содержит фильтры высокой 7 и низкой 8 частоты. Цепь обратной связи ОУ образована последовательно соединенными первым 9 и вторым 10 резисторами и управляемым резистором 11, первый вывод которого присоединен к общей точке первого 9 и второго 10 резисторов, второй его вывод - к общей шине, а его управляющий вход - к выходу второго БС 5. Выход ОУ 1 через фильтр высокой частоты 7 соединен со вторым концом нагревателя первого термопреобразователя 2, а через фильтр низкой частоты 8 - со вторым концом нагревателя второго термопреобразователя 3, инвертирующий вход ОУ 1 через третий резистор 12 соединен с входом устройства, а через четвертый резистор 13 - с выходом устройства.

Устройство работает следующим образом. Входной сигнал Uвх через последовательно соединенные резистор 12, ОУ 1 и фильтр высокой частоты 7 поступает на нагреватель термопреобразователя 2. Напряжение E1 на выходе термопреобразователя 2 сравнивается с напряжением U0 источника стабильного опорного напряжения 6. Разность напряжений U0-E1 поступает на БС 5, регулирующий сопротивление управляемого резистора 11. Сопротивление управляемого резистора 11 регулирует значение переменной составляющей напряжения на выходе ОУ 1 и тем самым поддерживает напряжение E1 U0=const. Таким образом, в устройстве функционирует вспомогательная следящая система стабилизации напряжения Е1, состоящая из термопреобразователя 2, источника опорного напряжения 6, БС 5, управляемого резистора 11, ОУ 1 и фильтра высокой частоты 7. Работа этой системы состоит в следующем. При отсутствии входного напряжения напряжение E1 на выходе термопреобразователя 2 равно нулю. При этом сигнал U01, поступающий на вход БС 5, максимален, что соответствует минимальному значению сопротивления управляющего резистора 11, в качестве которого может служить, например, оптрон, состоящий из фотосопротивления и светодиода или лампы накаливания, или полевой транзистор, сопротивление между стоком и истоком которого уменьшается с ростом управляющего напряжения, подаваемого на его затвор.

В результате коэффициент передачи ОУ 1 будет максимален. При появлении входного напряжения Uвх напряжение E1 возрастает, сигнал (U0-E1) уменьшается, что приводит к уменьшению напряжения на выходе БС 5, увеличению сопротивления управляемого резистора 11 и уменьшению коэффициента передачи ОУ 1. Этим осуществляется отрицательная обратная связь, сохраняющая неравенство U01, причем разность напряжений U0-E1 в процессе работы устройства будет тем меньше, чем меньше статизм следящей системы стабилизации напряжения Е1.

В устройстве, кроме вспомогательной следящей системы стабилизации напряжения E1, имеется основная система стабилизации. Она предназначена для стабилизации напряжения Е2 на выходе термопреобразователя 3. Система состоит из термопреобразователя 3, БС 4, усиливающего разность выходных напряжений термопреобразователей Е12, резистора 13, преобразующего выходное напряжение БС 4 в постоянный ток, который поступает на вход ОУ 1. Постоянное напряжение на выходе ОУ 1 через фильтр низкой частоты 8 поступает на нагреватель термопреобразователя 3, уменьшая тем самым разность напряжений Е02. При достаточно малом статизме основной следящей системы стабилизации Е1 E2=const. Следовательно, и токи подогрева обоих термопреобразователей также будут приблизительно равны друг другу. Тогда при равенстве коэффициентов передачи фильтра высокой частоты 7 для переменной составляющей сигнала и фильтра низкой частоты 8 для постоянной его составляющей переменная составляющая напряжения на выходе ОУ 1 будет равна постоянной его составляющей. В этом случае переменный ток, протекающий по резистору 12, будет равен постоянному току, протекающему по резистору 13, т.е. постоянное напряжение Uвых на выходе устройства будет пропорционально входному переменному напряжению Uвх.

Так как E1 Е2 U0=const, термопреобразователи работают в одной точке вольтамперной характеристики. В результате отпадает требование идентичности вольтамперных характеристик термопреобразователей.

Изменение статизма вспомогательной следящей системы стабилизации напряжения E1, обусловленное произвольной причиной, и вызванное этим изменение коэффициента передачи ОУ 1 не нарушает равенства между переменной и постоянной составляющими напряжениями на входе ОУ 1, а следовательно, и равенства между суммируемыми переменным и постоянным токами, протекающими соответственно по резисторам R 12 и R 13, и поэтому практически не влияет на точность устройства.

При достаточно малом статизме основной следящей системы изменение сопротивления управляющего резистора 11 и сопротивлений резисторов 9 и 10, т.е. изменение коэффициента передачи ОУ 1, обусловленное, например, влиянием внешних факторов и старением резисторов, также практически не влияет на равенство между переменной и постоянной составляющими напряжения на выходе ОУ 1, т.е. на равенство суммируемых переменного и постоянного токов, протекающих соответственно по резисторам 12 и 13, и поэтому практически не влияет на точность устройства.

Таким образом, в предлагаемом устройстве благодаря применению сумматора переменного и постоянного тока с регулируемым коэффициентом передачи на основе ОУ 1 повышается точность устройства.

Формула изобретения

Измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий охваченный цепью параллельной отрицательной обратной связи по напряжению операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, первый и второй термопреобразователи, первые концы нагревателей которых соединены с общей шиной, а их термопары, соединенные встречно-последовательно, первыми концами подключены соответственно к первому и второму входу первого блока сравнения, первый вход которого присоединен к общей шине, а выход является выходом устройства, общая точка термопар обоих термопреобразователей соединена с первым входом второго блока сравнения, ко второму входу которого подключен положительный полюс источника постоянного напряжения, отрицательный полюс которого соединен с общей шиной, отличающийся тем, что он содержит фильтры высокой и низкой частоты, цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя образована последовательно соединенными первым и вторым резисторами и управляемым резистором, первый вывод которого присоединен к общей точке первого и второго резисторов, второй его вывод - к общей шине, а его управляющий вход - к выходу второго блока сравнения, выход операционного усилителя через фильтр высокой частоты соединен со вторым концом нагревателя первого термопреобразователя, а через фильтр низкой частоты - со вторым концом нагревателя второго термопреобразователя, инвертирующий вход операционного усилителя через третий резистор соединен с входом устройства, а через четвертый резистор - с выходом устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении энергии одиночных импульсов тока

Изобретение относится к электроизмерительной технике

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения величин переменного тока путем компарирования их по действующему значению с эквивалентными или величинами постоянного тока

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при высокоточном преобразовании эффективных значений напряжения в эквивалентное постоянное напряжение

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении энергии одиночных импульсов переменного тока

Изобретение относится к измерительной технике, может быть использовано для измерения величин переменного тока и позволяет расширить диапазон измерений

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения сигналов синусоидальной и сильно искаженной формы в широком диапазоне частот

Изобретение относится к электроизмерительной технике

Изобретение относится к машиностроительному и энергетическому комплексам

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано для измерения силы постоянного и переменного токов, электрических напряжений и сопротивлений

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для различных систем регулирования и измерения

Предлагаемое устройство относится к области информационно-измерительной техники. Техническим результатом является повышение точности и чувствительности измерения электрического тока. Устройство для измерения электрического тока содержит измерительную цепь, подключенную к входу нагревателя, и термопару, а также усилитель, микроволновой генератор с варакторной перестройкой частоты, блок питания постоянного тока и частотомер. Выход нагревателя соединен с входом термопары, выход термопары через усилитель постоянного тока подключен к варактору микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты, блок питания постоянного тока соединен с входом питания микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты, выход последнего подключен к входу частотомера. 1 ил.
Наверх