Преобразователь и способ преобразования среднеквадратичного значения напряжения

 

Изобретение относится к области электротехники. Техническим результатом использования изобретения является повышение точности преобразования среднеквадратического значения напряжения и расширение диапазона измеряемых напряжений, уменьшение пульсации выходного напряжения преобразователя при измерении напряжений с увеличенными значениями коэффициента амплитуды. Результат достигается тем, что преобразователь содержит квадратор-делитель 1, фильтр 2 нижних частот и масштабный преобразователь 3. Измеряемое напряжение подводится к сигнальному входу квадратора-делителя 1, выход подключен к входу ФНЧ 2. Делительный вход КД 1 через масштабный преобразователь подключен к выходу ФНЧ 2, являющемуся выходом преобразователя. ФНЧ 2 выполнен на базе операционного усилителя, цепь обратной связи которого образуют параллельно включенные конденсатор и переменный резистор. Коэффициенты передачи ФНЧ 2 и масштабного преобразователя 3 изменяют синхронно и пропорционально коэффициенту амплитуды измеряемого напряжения, при этом отношение коэффициентов ФНЧ 2 и МП 3 поддерживают постоянным. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразователям, служащим для измерения среднеквадратического значения напряжения.

Известны преобразователи среднеквадратического значения напряжения в напряжение постоянного тока, содержащие умножители (квадраторы), делители и фильтры нижних частот [1, стр. 6-14] В этих преобразователях операции возведения в квадрат и деления выполняются последовательно, что связано с увеличением диапазона изменения сигналов, проходящих по элементам преобразователя, уменьшением диапазона измеряемого напряжения и снижением точности измерения.

Известен также выбранный в качестве прототипа заявленного устройства преобразователь среднеквадратического значения напряжения, содержащий квадратор-делитель, сигнальный вход которого является входом преобразователя, и фильтр нижних частот, входные зажимы которого подключены к выходным зажимам квадратора-делителя, а выход, являющийся выходом преобразователя, связан с делительным входом квадратора-делителя, причем этот вход непосредственно подключен к выходу преобразователя [1, стр. 41-43] В таких преобразователях уменьшается диапазон изменения сигналов, проходящих по элементам преобразователя, по сравнению с преобразователями, в которых операции возведения в квадрат и деления выполняются последовательно, что способствует повышению точности измерения. Квадраторы-делители могут иметь различные схемные решения, например с использованием логарифмических и антилогарифмических усилителей или с кусочно-линейной аппроксимацией квадратичной характеристики и управлением по фокальному параметру по делительному входу. В последнем случае [1, стр. 42; 2, стр. 126, 127] входной сигнал с постоянной формой занимает одно и то же положение относительно аппроксимирующих сегментов независимо от своего значения, при этом погрешность от формы кривой не зависит от уровня входного сигнала.

В прототипе использован известный способ преобразования среднеквадратического значения напряжения, включающий преобразование входной величины, пропорциональной мгновенному значению измеряемого переменного напряжения, в первую промежуточную величину, которую сглаживают, пропуская через фильтр нижних частот, на выходе которого получают выходную величину, пропорциональную среднеквадратическому значению измеряемого напряжения, причем первая промежуточная величина пропорциональна квадрату входной величины, деленному на вторую промежуточную величину. В этом известном способе вторая промежуточная величина равна выходной величине.

Однако известные технические решения обладают следующими недостатками. При отклонении коэффициента амплитуды измеряемого напряжения от некоторого значения, оптимального для конкретного сочетания параметров преобразователя, точность измерения снижается. Так, у преобразователя с кусочно-линейной аппроксимацией и управлением по фокальному параметру при оптимальном значении коэффициента амплитуды мгновенные значения измеряемого напряжения проходят по всем аппроксимирующим сегментам, причем максимальное значение измеряемого напряжения соответствует верхней границе последнего сегмента. При этом достигается максимальная точность преобразования среднеквадратического значения напряжения. Если коэффициент амплитуды больше оптимального значения, то часть мгновенных значений измеряемого напряжения выходит за пределы верхней границы последнего сегмента. При этом измеренная преобразователем величина меньше среднеквадратического значения измеряемого напряжения. Если же коэффициент амплитуды меньше оптимального, то максимальное значение измеряемого напряжения не доходит до верхней границы последнего сегмента или даже не попадает на последние сегменты. При этом измеренная преобразователем величина в общем случае отличается от среднеквадратического значения измеряемого напряжения. Величина и знак погрешности зависят от формы кривой измеряемого напряжения и настройки коэффициента передачи фильтра нижних частот.

Другой недостаток известных технических решений заключается в резком уменьшении диапазона измеряемого напряжения при увеличении его коэффициента амплитуды. Максимальное значение измеряемого напряжения не должно вызывать насыщение элементов квадратора-делителя, т.е. максимальное напряжение на его выходе должно быть меньше допустимого. В соответствии с этим условием верхняя граница среднеквадратического значения измеряемого напряжения изменяется обратно пропорционально квадрату коэффициента амплитуды этого напряжения.

С увеличением коэффициента амплитуды измеряемого напряжения из-за увеличения переменной составляющей напряжения на выходе квадратора-делителя резко возрастают пульсации и выходного напряжения фильтра нижних частот, т.е. выходного напряжения преобразователя. В этом проявляется третий недостаток известных технических решений.

Задачи, на решение которых направлено заявленное изобретение, связаны с уменьшением указанных недостатков и заключаются в следующем: повышение точности преобразования среднеквадратического значения напряжения; расширение диапазона измеряемых напряжений с увеличенными значениями коэффициента амплитуды; уменьшение пульсаций выходного напряжения преобразователя при измерении напряжений с увеличенными значениями коэффициента амплитуды.

Для решения указанных задач в преобразователь среднеквадратического значения напряжения, содержащий квадратор-делитель, сигнальный вход которого является входом преобразователя, и фильтр нижних частот, входные зажимы которого подключены к выходным зажимам квадратора-делителя, а выход, являющийся выходом преобразователя, связан с делительным входом квадратора-делителя, дополнительно введен масштабный преобразователь, выход которого подключен к делительному входу квадратора-делителя, а вход к выходу фильтра нижних частот, причем последний и масштабный преобразователь выполнены с переменными коэффициентами передачи.

Фильтр нижних частот выполнен на базе операционного усилителя, инвертирующий вход которого через входные резисторы соединен с входными зажимами этого фильтра, выход которого соединен с выходом операционного усилителя, а через параллельно включенные конденсатор и резистор обратной связи с инвертирующим входом операционного усилителя, причем резистор обратной связи выполнен переменным.

В способе преобразования среднеквадратического значения напряжения, включающем преобразование входной величины, пропорциональной мгновенному значению измеряемого переменного напряжения, в первую промежуточную величину, которую сглаживают, пропуская через фильтр нижних частот, на выходе которого получают выходную величину, пропорциональную среднеквадратическому значению измеряемого напряжения, причем первая промежуточная величина пропорциональна квадрату входной величины, деленному на вторую промежуточную величину, последнюю согласно изобретению получают, пропуская выходную величину через масштабный преобразователь, а коэффициенты передачи фильтра нижних частот и масштабного преобразователя увеличивают при возрастании коэффициента амплитуды измеряемого напряжения и уменьшают при его снижении, при этом отношение указанных коэффициентов передачи поддерживают неизменным.

Коэффициенты передачи фильтра нижних частот и масштабного преобразователя изменяют пропорционально коэффициенту амплитуды измеряемого напряжения.

Сравнение совокупности признаков, характеризующих заявленное решение, и известных совокупностей признаков, характеризующих известные решения (аналоги и прототип), свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".

Благодаря перечисленным решениям при измерении напряжений с одинаковым среднеквадратичным значением, но с различными значениями коэффициента амплитуды постоянная составляющая выходного напряжения не изменяется, а постоянная составляющая выходного напряжения квадратора-делителя уменьшается обратно пропорционально коэффициенту амплитуды. Максимальное напряжение на выходе квадратора-делителя растет пропорционально первой, а не второй, как у прототипа, степени коэффициента амплитуды и соответствует верхней границе последнего сегмента квадратичного аппроксиматора. Поэтому при увеличении коэффициента амплитуды измеряемого напряжения точность преобразователя сохраняется, а диапазон измеряемого напряжения изменяется обратно пропорционально коэффициенту амплитуды, а не его квадрату, как у прототипа. Благодаря увеличению постоянной времени фильтра нижних частот с увеличением коэффициента амплитуды фильтрующие свойства преобразователя по сравнению с прототипом улучшаются. Пульсации выходного напряжения возрастают с увеличением коэффициента амплитуды измеряемого напряжения, но в значительно меньшей степени, чем у прототипа.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 показана функциональная схема преобразователя; на фиг. 2 изображена функциональная схема одной из возможных реализаций преобразователя, выполненных на основе операционных усилителей, при аппроксимации квадратичной характеристики тремя сегментами и управлении по фокальному параметру.

Преобразователь среднеквадратического значения напряжения в напряжение постоянного тока содержит квадратор-делитель 1, фильтр нижних частот 2 и масштабный преобразователь 3, имеющие соответственно коэффициенты передачи K₁, K₂ и K₃. Два последних можно изменять с помощью блока управления 4. Вход преобразователя подключен к сигнальному входу квадратора-делителя 1, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот 2. Выход последнего подключен к выходным зажимам преобразователя среднеквадратического значения напряжения и к входу масштабного преобразователя 3, выход которого соединен с делительным входом квадратора-делителя. В показанном на фиг. 2 варианте в квадратор-делитель входят узел взятия модуля (квазиидеальный выпрямитель), выполненный на операционных усилителях DA1 и DA2, узлы для образования сегментов кусочно-линейной аппроксимации квадратичной характеристики, выполненные на операционных усилителях DA3 и DA4, и инвертор на операционном усилителе DA5. Характеристика "вход-выход" узла взятия модуля совпадает с первым сегментом кусочно-линейной аппроксимации квадратичной характеристики, соответствующим мгновенным значениям измеряемого напряжения U_x (t), модуль которых меньше одной трети от максимального значения этого напряжения. Следующий сегмент образуется суммированием характеристик узла взятия модуля и узла, образованного на основе операционного усилителя DA3 и инвертора DA5. Верхняя граница этого сегмента соответствует двум третям максимального значения измеряемого напряжения. Характеристика последнего, третьего, сегмента построена добавлением характеристики узла, образованного на основе операционного усилителя DA4.

Фильтр нижних частот содержит операционный усилитель DA6, входные резисторы 5 и 6, конденсатор 7 и резистор 8 обратной связи. Сопротивление последнего изменяется с помощью двухполюсного многопозиционного переключателя 4. Коэффициент передачи K₂ R_oc/R_вх и постоянная времени фильтра Т_ф C_oc R_oc изменяются пропорционально R_oc, где R_вх и R_oc сопротивления резисторов 5 и 8, а C_oc емкость конденсатора 7.

Масштабный преобразователь выполнен активным на базе операционного усилителя DA7, включенного по неинвертирующей схеме с помощью делителя, содержащего резисторы 9 и 10. Его коэффициент передачи K₃ (R₉ + R₁₀)/R₁₀ изменяется с помощью переключателя 4, где R₉ и R₁₀ сопротивления резисторов 9 и 10.

Резисторы делителей R_oc и R₉, R₁₀ подобраны таким образом, чтобы на каждой позиции переключателя 4 отношение коэффициентов K₂ и K₃ сохранялось неизменным.

При подаче на вход преобразователя переменного напряжения U_x (t) на выходе квадратора-делителя появится напряжение K₁U²_x(t)(K₃Y)^-1. Фильтр нижних частот сгладит пульсации этого сигнала и на его выходе возникает напряжение , где текущее среднее значение квадрата входного сигнала, Т интервал времени.

Таким образом, среднее значение выходного напряжения преобразователя Y_ср пропорционально среднеквадратическому значению измеряемого напряжения U: Y_ср KU, (1) где . (2) Постоянная времени T_ф выбирается такой, чтобы амплитуда пульсаций выходного напряжения преобразователя не превосходила допустимую долю от Y_ср.

При неизменных коэффициентах передачи K₂ и K₃ наибольшая точность измерения достигается в том случае, когда амплитуда измеряемого напряжения соответствует верхней границе последнего сегмента. При изменении коэффициента амплитуды K_a измеряемого напряжения это условие будет соблюдаться, если коэффициенты передачи K₂ и K₃ изменять пропорционально K_a, т.е.

K₂ K₂₀ K_a, K₃ K₃₀ K_a, (3) где K₂₀ и K₃₀ коэффициенты передачи, соответствующие измерению постоянного напряжения или меандра.

Из выражения (2) и принципа действия элементов преобразователя можно установить, что перестройка коэффициентов передачи по выражению (3) вызывает следующие последствия: коэффициент передачи К преобразователя остается постоянным, т.е. цена деления измерительного прибора, подключенного к выходу преобразователя, не меняется;
напряжение на выходе квадратора-делителя достигает допустимой величины при одном и том же максимальном значении измеряемого напряжения и не зависит от его коэффициента амплитуды;
максимальное, допустимое по условию отсутствия насыщения элементов преобразователя, квадратическое значение измеряемого напряжения изменяется обратно пропорционально коэффициенту амплитуды;
постоянная времени Т_ф и, следовательно, сглаживающие свойства фильтра нижних частот увеличиваются пропорционально коэффициенту амплитуды (хотя относительное значение пульсаций с ростом коэффициента амплитуды возрастает, но в коэффициент амплитуды раз меньше, чем у прототипа).

Переключатель 4 имеет ряд положений, соответствующих расчетным значениям коэффициента амплитуды, и устанавливается в такое положение, чтобы коэффициент амплитуды измеряемого напряжения не превосходил соответствующее этому положению расчетное значение, но был бы больше расчетного значения, соответствующего предыдущему положению переключателя 4.

Источники информации
1. Попов В.С. Желбаков И.Н. Измерение среднеквадратического значения напряжения. М. Энергоатомиздат, 1987, 120 с.

Волгин Л.И. Измерительные преобразователи переменного напряжения в постоянное. М. Сов. радио, 1977, 240 с.

Формула изобретения

1. Преобразователь среднеквадратического значения напряжения, содержащий квадратор-делитель, сигнальный вход которого является входом преобразователя, и фильтр нижних частот, входные зажимы которого подключены к выходным зажимам квадратора-делителя, а выход, являющийся выходом преобразователя, связан с делительным входом квадратора-делителя, отличающийся тем, что в него введен масштабный преобразователь, выход которого подключен к делительному входу квадратора-делителя, а вход к выходу фильтра нижних частот, причем последний и масштабный преобразователь выполнены с переменными коэффициентами передачи.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что фильтр нижних частот выполнен на базе операционного усилителя, инвертирующий вход которого через входные резисторы соединены с входными зажимами этого фильтра, выход которого соединен с выходом операционного усилителя, а через параллельно включенные конденсатор и резистор обратной связи с инвертирующим входом операционного усилителя, причем резистор обратной связи выполнен переменным.

3. Способ преобразования среднеквадратического значения напряжения, включающий преобразование входной величины, пропорциональной мгновенному значению измеряемого переменного напряжения, в первую промежуточную величину, которую сглаживают, пропуская через фильтр нижних частот, на выходе которого получают выходную величину, пропорциональную среднеквадратическому значению измеряемого напряжения, причем первая промежуточная величина пропорциональна квадрату входной величины, деленному на вторую промежуточную величину, отличающийся тем, что последнюю получают, пропуская выходную величину через масштабный преобразователь, а коэффициенты передачи фильтра нижних частот и масштабного преобразователя синхронно увеличивают при возрастании коэффициента амплитуды измеряемого напряжения или уменьшают при его снижении, при этом отношение указанных коэффициентов передачи поддерживают неизменным.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что коэффициенты передачи фильтра нижних частот и масштабного преобразователя изменяют пропорционально коэффициенту амплитуды измеряемого напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2