Измеритель активной мощности

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

{u)744354 (61) Дополнительное к авт. сеид-ву (22) Заявлено 210378 (21) 2592061/18-21 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет

Опубликовано 300б80. Бюллетень № 24 (54)М. Кл.2

6 01 R 21/08

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 621. 317..78(088.8) Дата опубликования описания 300680 (72) Автор изобретения

В. В. Иванютин (71) Заявитель

Куйбышевский электротехнический институт связи (5 4 ) ИЗМЕРИТЕЛЬ AKT HB HOB МОЩНОСТИ

Изобретение относится к электроизмерительной и импульсной технике и предназначено для использования при контроле активной мощности в диапазоне звуковых, ультразвуковых и ра5 диочастот.

Известен измеритель активной мощности, содержащий входные преобразователи тока и напряжения, измеритель- 10 ный преобразователь с датчиком Холла и электромагнитом, преобразователь измерительного сигнала и стрелочный индикатор (1).

B этом устройстве используется пи- 15 тание датчика и электромагнита через (тассивные цепи, т. е. преобразователи входных тока и напряжения не содержат активных (дающих усилие по мощности) элементов B сигналом несущим20 информацию об измеряемой мощности, является постоянная составлякщая выходного напряжения датчика, имекщая малый уровень. Повышение чувствительности и точности устройства имеет ограничения, связанные с дрейфом усилителей постоянного тока, входящих в состав преобразователя измерительного сигнала, а частотный диапазон, ввиду непосредственного вклю 30 чения электромагн ита в измерительную цепь, обычно ограничен десятками килогерц. Кроме того, известный измеритель не может применяться при измерении мощности радиоимпульсов, поскольку в нем среднее за период частоты повторения радиоимпульсов. значения тока стрелочного индикатора обратно пропорционально скважности радиоимпульсов. При низких частотах следования радиоимпульсов в паузе между радиоимпульсами показание этого прибора будет равно нулю, поскольку усреднение в нем осуществляется стрелочным индикатором, обладающим недостаточной для этого случая инерционностью, Известен также измеритель активной мощности, содержащий входной преобразователь тока с последовательно включенными шунтом и первым усилителем, входной преобразователь Напряжения с последовательно включенными делителем напряжения и вторым усилителем„ измерительный преобразователь с датчиком Холла, размещенным в воздушном зазоре электромагнита, подключенного к выходу первого усилителя, преобразователь иэмеритель744354 нОго сигнала с последовательно включенными фильтром низкой частоты, третьим усилителем и пиковым детектором, блок управления с последовательно включенными генератором импульсов и переключателем, стрелочнЫй индикатор, вход которого соединен с выходом пикового детектора (21.

Недостаток этого устройства связан с отсутствием в нем коррекции аддитинной погрешности нелинейности и невозможностью измерения мощности радио- 1 импульсов. Кроме того, в известном устройстве, а именно н его фильтре низкой частоты имеет место перехоцный процесс, вызываемый видеоимпульсами измерительного сигнала и харак- 15 теризующийся появлением задержки нидеоимпульсов и выбросами. Указанный процесс приводит к дополнительной погрешности измерения.

Цель изобретения — понышение точ- Щ ности и расширение функциональных возможностей измерителя активной мощности, а именно, коррекция основной аддитивной погрешности, связанной с нелинейными свойствами входных кочтактов датчика Холла, устранение дополнительной аддитивной погрешности, обусловленной частотными изменения,ми параметров фильтра, и наделение устройства возможностью измерения мощности радиоимпульсон.

Для достижения поставленной цели измеритель активной мощности, содержащий входной преобразователь тока с последовательно включенными шунтом и первым усилителем, входной преобразователь напряжения с последовательно включенными делителем напряжения и вторым усилителем, измерительный преобразователь с датчиком Холла, равмещенным н воэ 1ушном зазоре элек- 40 тромагнита, подключенного к выходу первого усилителя, преобразователь измерительного сигнала с последовательно включенными фильтром низкой частоты, третьим усилителем и пиковым детектором, блок управления с последовательно включенными генератором импульсов и переключателем, стрелсчный индикатор, вход которого соединен с выходом пикового детектора, снабжен корректирующим преобразователем с квадратичным детектором и регулятором уровня, но входной преобразователь тока или напряжения введены временной селектор и четвертый усилитель с симметричным ныхо- 55 дом, н преобразователь измерительного сигнала — пятый усилитель с дифференциальной схемой включения и шестой усилитель-сумматор, а н блок управления — седьмой усилитель-ограничи- щ тель, детектор огибающей, триггер

Шмитта, три одновибратора и блок совпадения,:причем квадратичный детектор и регулятор уровня соединены последовательно и включены между выходом четвертого усилителя и одним иэ входов шестого усилителя, временной селектор и четвертый усилитель соединены последовательно и включены между выходом второго усилителя и входом датчика Холла, пятый усилитель включен между ..выходом датчика Холла и другим входом шестого усилителя, выход которого соединен со входом фильтра низкой частоты, седьмой усилитель, детектор огибающей и триггер Шмитта соединены последовательно и включены между выходом второго усилителя и соответствующим входом переключателя, вход первого одновибратора соединен с выходом переключателя, а выходы через второй и третий одновибраторы — со нходами блока сонпадения, выход блока совпадения подключен к управляющему входу пикового детектора, а выход второго одновибратора соединен с управляющим входом временного селектора.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого измерителя активной мощности.

Устройство содержит входные преобразователи тока 1 и напряжения 2, измерительный преобразователь 3 на эффекте Холла, преобразователь 4 измерительного сигнала, стрелочный инди катор 5 и блок б управления.

В измеритель активной мощности введен корректирующий преобразователь

7 с квадратичным детектором 8 и регулятором 9 уровня. Во входной преобразователь, выход которого подключен к датчику Холла„т. е. в данном случае н преобразователь 2 напряжения, введены временной селектор 10 и усилитель 11 с симметричным выходом. В преобразователь 4 измерительного сигнала введены дифференциальный усилитель 12 и суммирующий операционный усилитель 13. В блок б управления введены усилитель-Ограничитель 14, детектор 15 огибающей радиоимпульсов, триггер 1б Шмитта, однонибраторы 1719 и блок 20 совпадения.

В состав входного преобразователя

1 тока входят шунт 21 и усилитель 22 во входном преобразователе 2 напряжения размещены делитель 23 напряжения и усилитель 24, н измерительном преобразователе 3 находятся электромагнит 25 и датчик 26 Холла, в преобразователе 4 измерительного сигнала установлены фильтр 27 низкой частоты, усилитель 28 и пиковый детектор 29 видеоимпульсон, а также н блоке b управления содержатся генератор 30 импульсон и переключатель

3I режима синхронизации.

Преобразователь 1 тока осуществляет линейное преобразование входного тока н ток l>M, питающий обмотку электромагнита 25 измерительного преобразователя 3. Шунт 21 и уси744354 го тока: в о в ход ном к ас к аде . Применение усилителей 11 и 12 позволяет уменьшить дополнительную . погрешность нелинейности до пренебрежимо малых величин. Суммирукщий операционный усилитель 13 обеспечивает сложение сумвж измерительного сигнала и напряжения нелинейности с сигналом, поступакщим от корректирующего преобразователя 7. Фильтр

27 низкой частоты осуществляет интегрирование ЭДС Холла и выделение видеоимпульсов измерительного сигнала. Дальнейшее усиление видеоимпульсов производится усилителем 28.

Пиковый детектор 29 видеоимпульсов, выполненный на элементах, работающих в режиме управляемого ключа, осуществляет детектирование видеоимпульсов и преобразование их в ток стрелочного индикатора 5. Коэффициент преобразования преобразователя

4 измерительного сигнала Кц определяется коэффициентами преобразования входящих в его состав узлов..

Корректирующий преобразователь

7 преобразует выходное напряжение усилителя ll,ïðîïîðöèîíàëüíîå входному току датчика 26 Холла д в сигнал, компенсирующий напряжение нелинейности. Квадратичный детектор 8 вырабатывает корректирующий сигнал со средним значением Ок (постоянной составляющей), пропорциональным 1 „, т. е. квадрату входного

2. тока датчика. Регулятор 9 уровня обеспечивает регулировку уровня этого сигнала, целью которой является минимизация аддитивной погрешноСти нелинейности.

Блок 6 управления предназначен для формирования строб-импульсов, управляющих работой временного селектора

10 и пикового детектора 29 видеоимпульсов, Переключатель 31 режима синхника синхронизации вырабатываемых блоком строб-импульсов. При измерении мощности синусоидальных сигналов синхронизация осуществляется генератором 30 импульсов. При измерении мощнос ти радиоимпульсов синхронизация стробимпульсов производится радиоимпульсами напряжения, .по ступающими на вход селектора 10. При этом .усилительограничитель 14 ограничивает уровень сигнала этих радиоимпульсов, обеспечивая независимость их амплитуды от амплитуды входного напряжения 0 измерителя мощности, что необходимо для нормальной работы всех узлов блока.

Детектор 15 огибающей вырабатывает сигнал, имеющий форму огибающей выходных радиоимпульсов усилителя-ограничителя 14. Триггер 16 Шмитта формирует синхронизирующий импульс с крутым передним фронтом, совпадающим с передним фронтом радиоимпульлитель 22 определяют коэффициент преобра ования к =t M / и диапазон измерения входного тока

Преобразователь 2 напряжения служит для линейного преобразования входного напряжения 0 во входной

ToK „„ датчика 26 Холла измерительного преобразователя 3, Делитель 23 напряжения и усилитель 24 обеспечивают необходимый коэффициент преобразования K „, соответствующий определенному диапазону изменения входного напряжения U . Временной селектор 10 и усилитель 11 с симметричным выходом при измерении мощности синусоидальных сигналов формируют периодическую последовательность радиоим-5 пульсов для питания датчика 26 Холла, а при измерении мощности радиоимпульсов обеспечивают вырезание из радиоимпульса напряжения 0 некоторого участка, на интервале действия Кото- 20 рого требуется .измерить мощность., Последнее необходимо, например, в тех случаях, когда передняя часть радиоимпульсов имеет выброс огибающей. Усилитель 11 обеспечивает также 25 симметричное питание входной цепи датчика 26 Холла, при котором может быть значительно снижена дополнительная погрешность нелинейности, поскольку при симметричном включении $Q входной цепи датчика напряжение, под которым находятся его выходные контакты относительно корпуса, не превышает десятков милливольт.

Измерительный преобразователь 3 З5 производит аналоговое перемножение выходных токов преобразователя 1 тока и преобразователя 2 напряжения пропОрциональных соответственно току и напряжению О, в результате 40 которого формируется сигнал ЭДС Холла х.

Постоянная составляющая этого сигнала f пропорциональна активной . ронизации обеспечивает выбор источх

Мощности и имеет форму видеоимпульсов.

Коэффициент преобразования K„ измерительного преобразователя 3 определяется параметрами используемого в нем датчика 26 Холла и конструкцией электромагнита 25, осуществляющего преобразование тока в индукцию магнитного поля.

Преобразователь 4 измерительного сигнала осуществляет преобразование . видеоимпульсов измерительного сигнала во входнои ток стрелочного индика- 55 тора 5. Дифференциальный усилитель

12 предназначен для усиления ЭДС Холла и обеспечения малых величин токов, протекающих через выходные контакты датчика 26 Холла. Последнее может быть достигнуто, если усилитель имеет малые входные емкости и большое входное сопротивление. Таким усилителем является дифференциальный усилитель с генератором стабильно- ttt5

744354 сов на входе измерителя. Одновибратор 1 7 з аде ржки стробимпульс а вырабатывает прямоугольный импульс с регулируемой длнтельностью, передний фронт которого совпадает с передним фронтом импульса синхрониэа ции, поступающего с переключателя

31 режима синхронизации. Одновибратор

18 строб-импульса формирует строб-: импульс, упранляющий селектором 1 О, длительность которого также можно регулировать. Запуск одновибратора 18 .йроизводится задним фронтом выходного импульса одновибратора 17 задержки и, в связи с этим, его передний фройт запаздывает по отношению к переднему фронту синхрочизирующих импульсов на величину длительности импульса одновибратора 17 задержки строб-импульса. При измерении мощности радиоимпульсон зто обеспечивает сдвиг начала участка. 20 радиоимпульса, на котором измеряется мощность по отношению к переднему фронту радиоимпульсов. Регулировка длительности импульсов однавибратора 18 строб-импульса 25 позволяет изменять длительность ука- * эанного участка. Однонибратор 19 задержки строб-импульса пикового детектора 29 видеоимпульсов запускается одновременно с одновибратором 18 ДЦ строб-импульса и имеет длительность импульса, равную длительности задержки видеоимпульса измерительного сигнала в фильтре 27 низкой частоты.

Блок 20 совпадения, к которому подключены одновибраторы 18 и 19, вырабатывает строб-импульс управления пиковым детектором 29, начало которого задержано относительно начала строб-импульса на величину длительности импульса одновибратора 19.

Это предотвращает открывание ключей детектора 29 до окончания переходного процесса н фильтре 27 и позволяет устранить связанные с этим процессом погрешности измерения.

При измерении мощности синусоидальных сигналов и радиоимпульсон, мгновенные значения напряжения Д и тока 1 могут быть описаны известными соотношениями 5С

U=U соэ{и>с.+g,} >=.> сов(иА -ч >) .

Разность фаз между током и напряжением Ч= V< -- Р2 определяется соотношением активной и реактивной 55 составляющих сопротивления., Произведение мгновенных значений и > записывается как

0 = — U I сОЪЧ тсоз(1и> + -Г + 0 ))

4 а его среднее значение О; соответст.вует активной мощности Р, поступающей в нагрузку

0"- — 5uldt.-- — U 1 cosq -Р. т 2 m

Согласно принятым выше обозначениям ток датчика Холла и ток электромагнита связаны с напряжением и током нагрузки следующими зависимостями зм 1 р> н > зм

Мгновенное значение ЭДС Холла на выходе датчика 2б при открытом селекторе 10 определяется выражением „=«

Среднее значение (потоянная составляющая) ЭДС Холла в этом случае пропорциональна активной мощности =к к х, и н

Кроме ЭДС Холла R на входе. преобразователя 4 измерительного сигнала на интервале действия радиоимпульсов присутствует напряжение нелинейности О <, среднее значение которого U не равно нулю. Действие напряженйя нелинейности состоит в том, что оно линейно складывается с ЭДС Холла > и является причиной основной аддитивной погрешности нелинейности. В результате этого напряжение на выходе усилителя 12 определяется выражением

„-K44 (cc„+ 088), где и — коэффициент усиления уси12 лителя 12.

Это напряжение поступает на один из нходон суммирующего операционного усилителя 13. К другому его входу подводится напряжение корректирующего сигнала U, имеющего среднее значение 0 >, . В результате воздействия на входы усилителя 13 указанных сигналов, сигнал U на выходе усилителя 28 нидеоимпульсов соответствует где К вЂ” произведение коэффициентов усиления усилителей

13 и 28 и коэффициента передачи фильтра 27, осуществляющего интегрирование и усреднение.

Если среднее значение напряжения корректирующего сигнала 6 к равно

0 g4, а полярность его — противоположна полярности О, то напряжение видеоимпульсон на выходе усилителя 28 соответствует

И -КК Е =К К К km Р т и и погрешность нелинейности исчезает, т. е. наблюдается полная коррекция напряжения нелинейности. Подстройка схемы, необходимая дЛя выполнения условия коррекции производится регулятором 9 при закороченном входе преобразователя 1 тока.

Если обозначить коэффициент преобразования напряжения видеоимпульсов U в ток 7н стрелочного индикатора, который имеет детектор 29 нидеоимпульсон как К, а коэффициент преобразования преобразователя

4 измерительного сигнала как

744354 к„ ккрм, то при полной коррекции

I ток стрелочного индикатора 5 равен

1и=06Ка=КнКчКиКисРг т. е.имеет место линейная зависимость 1„от измеряемой мощности Р.

Таким образом, в результате использования симметричной схемы питания входной цепи датчика Холла, обеспечиваемой введением в преобразователь 2 усилителя с симметричным выходом и применения в качестве

10 входного узла преобразователя 4 измерительного сигнала дифференциального усилителя с большим входным сопротивлением можно достигнуть значительного уменьшения величин токов, протекающих через выходные контакты. датчика

26 Холла. Снижение величин этих токов позволит уменьшить дополнительную погрешность нелинейности до пренебрежимо малого значения. коррекция основной погрешности 20 нелинейности достигается в результае использования корректирующего преобразователя 7 и суммирующего операционного усилителя 13.

Измерение мощности радиоимпульсов 25 на"любом их участке обеспечивается введением временного селектора 10 и элементов 14 — 20 блока 6 управления.

Полученное в результате устране- 30 ния влияния частотнозависимой дополнительной погрешности нелинейности значительное расширение частотного диапазона прибора. даст возможность испольэовать его в качестве измерите- 35 ля мощности сигналов типа периодических имлульсов и мощности радиоимпульсов, заполнением которых является не синусоидальный, а какой-либо импульсный сигнал При этом среднее 40 значение ЭдС Холла будет пропорционально сумме активных мощностей всех гармоник импульсного сигнала.

Возможность измерения предлагаемым устройством мощности непрерывных синусоидальных сигналов, периодических импульсных сигналов различной формы, а также мощности радиоимпульсов с синусоидальным и импульсным заполнением выгодно отличает его от дру- . гих известных измерителей мощности.

55 Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США Р 2550492, кл. 172-247, 1953. 2. Авторское свидетельство СССР

60 М 385229, кл. G 01 R 21/08, 1971 °

Формула изобретения

Измеритель активной мощности, содержащий входной преобразователь тока с последовательно включенными шунтом и первым усилителем, входной преобразователь напряжения с последовательно включенными делителем напряжения и вторым усилителем, измерительный преобразователь с датчиком Холла, размещенным в воздушном зазоре электромагнита, подключенного к выходу первого усилителя, преобразователь измерительного сигнала с последовательно включенными фильтром низкой частоты, третьим усилителем и пиковым детектором, блок управления с последовательно включенными генератором импульсов и переключателем, стрелочный индикатор, вход которого соединен с выходом пикового детектора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей, он снабжен корректирующим преобразователем с-квадратичным детектором и регулятором уровня, во входной преобразователь тока или напряжения введены временной селектор и четвертый усилитель с сим-. метричным выходом, в преобразователь измерительного сигнала — пятый усилитель с дифференциальной схемой включения и шестой усилитель-сумматор, а в блок управления — седьмой усилитель-ограничитель, детектор огибающей, триггер Шмитта, три одновибратора и блок совпадения, причем квадратичный детектор и регулятор уровня соединены последовательно и включены между выходом четвертого усилителя и одним из входов шестого усилителя, временной селектор и четвертый усилитель соединены последовательно и включены между выходом второго усилителя и входом датчика

Холла, пятый усилитель включен между выходом датчика Холла и другим входом шестого усилителя, выход которого соединен со входом фильтра низкой частоты, седьмой усилитель, детектор огибающей и триггер Мкитта соединены последовательно и включены между выходом второго усилителя и соот-. ветствующим входом переключателя, вход первого одновибратора соединен с выходом переключателя, а выходы через второй и третий одновибраторысо входами блока совпадения, выход блока совпадения подключен к управляющему входу пикового детектора, а выход второго одновибратора соединен с управляющим входом временного селектора.

744354

Г с щ ! р

Щ ! ! „! Ч ! l ! ! ъ ! ! !

I !

I!

1 ! ! ! 13

I ! ч! ! ! ! (Составитель Л. Морозов

Техред Л. Теслюк

Корректор В. Синицкая

Редактор С. Тимохина

Заказ 3783/8 Тираж 101 9

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4