Измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения переменного синусоидального напряжения путем преобразования его в постоянное в широком диапазоне частот. Преобразователь содержит дифференциатор, интегратор, блок умножения, квадратор, суммирующее устройство и блок извлечения квадратного корня. Вход преобразователя соединен с входами дифференциатора, интегратора и квадратора, выход которого соединен с неинвертирующим входом суммирующего устройства, выход которого через блок извлечения квадратного корня соединен с выходом преобразователя. Выход интегратора соединен со вторым входом блока умножения, выход которого соединен с инвертирующим входом суммирующего устройства, а выход дифференциатора соединен с первым входом блока умножения. Техническим результатом при реализации заявленного изобретения является расширение рабочего диапазона частот преобразователя. 2 ил.

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения переменного синусоидального напряжения путем преобразования его в постоянное в широком диапазоне частот.

Известен преобразователь эффективного напряжения [Авторское свидетельство СССР №822056, МПК G01R 19/22, опубл. 15.04.1981 г.], содержащий двухполупериодный выпрямитель, квадратор, два фильтра нижних частот, амплитудный детектор, вычитающее и суммирующее устройства, причем выходом фильтра нижних частот соединен с входом амплитудного детектора и с неинвертирующим входом вычитающего устройства, а выход амплитудного детектора соединен с инвертирующим входом вычитающего устройства и с одним входом суммирующего устройства, выход вычитающего устройства соединен со входом дополнительного фильтра нижних частот, выход которого соединен с другим входом суммирующего устройства, выход которого соединен с фокальным входом квадратора и является выходом устройства.

Недостатком данного преобразователя является невысокое быстродействие и точность измерения напряжения, обусловленная наличием фильтров нижних частот в цепях прохождения сигнала постоянного тока.

Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является Измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное [Патент на ПМ №163230 РФ, МПК G01R 19/22, опубл. 10.07.2016 г.], содержащий фазосмещатель, первый и второй квадраторы, суммирующее устройство и блок извлечения квадратного корня, причем вход преобразователя соединен с входами первого квадратора и фазосмещателя, выход которого соединен с входом второго квадратора, а выходы первого и второго квадраторов подключены соответственно к первому и второму входам суммирующего устройства, выход которого через блок извлечения квадратного корня соединен с выходом преобразователя.

Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.

Недостатком данного преобразователя является то, что наряду с высоким быстродействием и точностью его область применения ограничивается только измерением напряжения промышленной частоты, так как фазосмещатель обеспечивает фазовый сдвиг в 90° только на этой частоте. На других частотах преобразователь не выполняет своей функции, так как его выходное напряжение будет иметь значительную переменную составляющую, соизмеримую с постоянной.

Техническим результатом изобретения является расширение рабочего диапазона частот преобразователя.

Указанный технический результат достигается тем, что в известный измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий квадратор, суммирующее устройство и блок извлечения квадратного корня, причем вход преобразователя соединен с входом квадратора, выход которого соединен с неинвертирующим входом суммирующего устройства, выход которого через блок извлечения квадратного корня соединен с выходом преобразователя, дополнительно введены дифференциатор, интегратор и блок умножения, причем вход преобразователя соединен с входами дифференциатора и интегратора, выход которого соединен со вторым входом блока умножения, выход которого соединен с инвертирующим входом суммирующего устройства, а выход дифференциатора соединен с первым входом блока умножения.

Существенными отличиями предлагаемого преобразователя являются введение дифференциатора, интегратора и блока умножения. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - расширение рабочего диапазона частот преобразователя.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена функциональная схема преобразователя, на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений u_вх, u₁-u₄ и u_вых.

Преобразователь (фиг. 1) содержит дифференциатор 1, интегратор 2, блок умножения 3, квадратор 4, суммирующее устройство 5 и блок извлечения квадратного корня 6.

Преобразователь работает следующим образом. Измеряемое напряжение переменного тока u_вх=U_{m вх}sinωt подается на входы дифференциатора 1, интегратора 2 и квадратора 4.

На выходе дифференциатора 1 формируется напряжение u₁, сдвинутое по фазе относительно u_вх на угол 90° в сторону опережения (фиг. 2):

где U_{m вх} - амплитуда измеряемого входного напряжения;

ω - круговая частота входного напряжения;

R1 - сопротивление резистора дифференциатора;

С1 - емкость конденсатора дифференциатора.

На выходе интегратора 2 формируется напряжение u₂, сдвинутое по фазе относительно u_вх на угол 90° в сторону отставания (фиг. 2):

где U_{m вх} - амплитуда измеряемого входного напряжения;

ω - круговая частота входного напряжения;

R2 - сопротивление резистора интегратора;

С2 - емкость конденсатора интегратора.

При перемножении напряжений u₁ и u₂ в блоке умножения 3 на его выходе формируется напряжение u₃:

При выборе параметров компонентов дифференциатора и интегратора R1=R2=R, С1=С2=С, имеем (фиг. 2):

Напряжение подается на инвертирующий вход суммирующего устройства 5, на неинвертирующий вход которого подается напряжение с выхода квадратора 4. В результате на выходе суммирующего устройства формируется напряжение u₅ (фиг. 2):

которое не содержит переменной составляющей.

После извлечения квадратного корня в блоке извлечения квадратного корня 6 на его выходе и на выходе преобразователя имеем постоянное напряжение u_вых, равное U_{m вх}, то есть пропорциональное действующему значению входного переменного напряжения U_вх.

Таким образом, выходное постоянное напряжение u_вых преобразователя не содержит переменной составляющей, а его величина пропорциональна действующему значению входного напряжения U_вх.

При практической реализации предлагаемого устройства дифференциатор 1 и интегратор 2 можно выполнить на операционном усилителе (ОУ) с времязадающей RC-цепью. При построении блока умножения 3 и квадратора 4 можно использовать перемножители напряжений на микросхеме КР525ПС3. Суммирующее устройство 5 представляет собой параллельный (дифференциальный) сумматор на ОУ. В качестве блока извлечения квадратного корня 6 можно использовать схему на ОУ, включив квадратор в цепь его отрицательной обратной связи.

Измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащее квадратор, суммирующее устройство и блок извлечения квадратного корня, причем вход преобразователя соединен с входом квадратора, выход которого соединен с неинвертирующим входом суммирующего устройства, выход которого через блок извлечения квадратного корня соединен с выходом преобразователя, отличающийся тем, что в него дополнительно введены дифференциатор, интегратор и блок умножения, причем вход преобразователя соединен с входами дифференциатора и интегратора, выход которого соединен со вторым входом блока умножения, выход которого соединен с инвертирующим входом суммирующего устройства, а выход дифференциатора соединен с первым входом блока умножения.