ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ Российский патент 2002 года по МПК G01R19/04 H02M7/04 

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 в автоматике.

Известны преобразователи переменного напряжения в постоянное со стабилизацией напряжения на нагревателе термопреобразователя (см. В. С. Попов, И. Н. Желбаков. Измерение среднеквадратического значения напряжения. М. : Энергоатомиздат, 1987 г. , 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 выходе аналогового запоминающего устройства, поддерживающего постоянство фотосопротивления во втором такте.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип преобразователь среднеквадратического значения переменного напряжения в постоянное (см. Л. И. Волгин. Измерительные преобразователи переменного напряжения в постоянное. М. : Советское радио, 1977 г. , с. 130-132. ), содержащий два термопреобразователя, термопары которых соединены встречно-последовательно и вторыми концами подключены к блоку сравнения в виде усилителя постоянного тока, выход которого является выходом преобразователя. Нагреватель первого термопреобразователя присоединен ко входу устройства, а нагреватель второго через делитель напряжения - к выходу устройства. Таким образом, преобразователь представляет собой измерительную следящую систему, постоянное напряжение на выходе которой пропорционально переменному напряжению на ее входе.

Недостатком этого преобразователя являются низкие быстродействие и точность и узкий диапазон преобразования входных сигналов, обусловленные значительным изменением температуры, а следовательно, и теплосодержания термопреобразователей в процессе работы, зависимостью чувствительности термопреобразователей от напряжения, приложенного к нагревателям, и значительным влиянием аддитивной погрешности блока сравнения при малом значении входного сигнала.

Задачей, решаемой заявляемым техническим решением, является повышение быстродействия и точности преобразователя и расширение диапазона преобразователя входных сигналов.

Поставленная задача достигается тем, что в преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий первый и второй термопреобразователи, термопары которых соединены встречно-последовательно и вторыми концами подключены соответственно к первому и второму входу первого блока сравнения, выход которого является выходом устройства, введены первый биполярный умножающий цифроаналоговый преобразователь, аналоговый вход которого является входом устройства, второй биполярный умножающий цифроаналоговый преобразователь, первый и второй операционный усилитель, каждый из которых охвачен цепью параллельной отрицательной обратной связи, аналого-цифровой преобразователь, второй блок сравнения и источник постоянного напряжения, причем выход первого и второго цифроаналогового преобразователя подключен к инвертирующему входу соответственно первого и второго операционного усилителя, выход первого и второго операционного усилителя 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 аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с цифровым входом первого и второго цифроаналогового преобразователя, выход первого блока сравнения соединен с аналоговым входом второго цифроаналогового преобразователя, а вход первого блока сравнения, подключенный к термопаре первого термопреобразователя, вторые концы нагревателей обоих термопреобразователей, неинвертирующие входы обоих операционных усилителей и отрицательный полюс источника постоянного напряжения соединены с общей шиной.

Сущность настоящего изобретения состоит в создании в заявляемом преобразователе двух систем автоматического регулирования, обеспечивающих стабилизацию напряжений на выходе первого и второго термопреобразователей.

В заявляемом техническом решении благодаря совокупности перечисленных признаков в процессе работы устройства поддерживается постоянство напряжений на выходе обоих термопреобразователей и, следовательно, постоянство их температур, что позволяет решить поставленную задачу: обеспечить более высокие быстродействие и точность преобразователя и расширить диапазон преобразования входных сигналов.

На чертеже приведена функциональная схема заявляемого преобразователя.

Преобразователь переменного напряжения в постоянное содержит первый 1 и второй 2 термопреобразователи, термопары которых соединены встречно-последовательно и вторыми концами подключены соответственно к первому и второму входу первого блока сравнения (БС) 3, выход которого является выходом устройства, первый биполярный умножающий цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 4, аналоговый вход которого является входом устройства, второй биполярный умножающий ЦАП 5, первый 6 и второй 7 операционный усилитель (ОУ), каждый из которых охвачен цепью параллельной отрицательной обратной связи по напряжению, второй БС 8, выход которого подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 9, и источник постоянного напряжения 10. Выходы первого ЦАП 4 и второго ЦАП 5 подключены к инвертирующему входу соответственно первого ОУ 6 и второго ОУ 7, а выходы этих усилителей соединены с нагревателями соответственно первого и второго термопреобразователя. Общая точка термопар обоих термопреобразователей соединена с первым входом второго БС 8, к второму входу которого подключен положительный полюс источника постоянного напряжения 10. Выход АЦП 9 соединен с цифровыми входами ЦАП 4 и ЦАП 5. Вход первого БС 3, подключенный к термопаре первого термопреобразователя 1, вторые концы нагревателей обоих термопреобразователей, неинвертирующие входы обоих ОУ и отрицательный полюс источника постоянного напряжения 10 соединены с общей шиной.

Устройство работает следующим образом. Входной сигнал V_вх через последовательно соединенные биполярный умножающий ЦАП 4 и ОУ 6 поступает на нагреватель термопреобразователя 1. Напряжение Е₁ на выходе термопреобразователя 1 сравнивается с напряжением V₀ источника стабильного опорного постоянного напряжения 10. Разность напряжений V₀-Е₁ поступает на блок сравнения 8, управляющий работой АЦП 9. Код на выходе АЦП 9 управляет проводимостью ЦАП 4 и тем самым поддерживает напряжение Е₁≈V₀= const. Таким образом, в устройстве функционирует вспомогательная система автоматической стабилизации напряжения Е₁, состоящая из термопреобразователя 1, источника опорного напряжения 10, БС 8, АЦП 9, ЦАП 4 и ОУ 6. Работа этой системы состоит в следующем. При отсутствии входного напряжения напряжение E₁ на выходе термопреобразователя 1 равно нулю. При этом сигнал V₀-Е₁, поступающий на вход БС 8 максимален, максимальны и выходной код АЦП 9 и соответственно проводимость ЦАП 4. При появлении входного напряжения V_вх напряжение E₁, возрастает, сигнал (V₀-E₁) уменьшается, что приводит к уменьшению кода на выходе АЦП 9 и уменьшению проводимости ЦАП 4. Этим осуществляется отрицательная обратная связь, сохраняющая неравенство V₀>E₁, причем разность напряжений V₀-E₁ в процессе работы устройства будет тем меньше, чем меньше статизм системы автоматической стабилизации напряжения Е₁.

В устройстве, кроме вспомогательной системы стабилизации напряжения Е₁, имеется основная система стабилизации. Она предназначена для стабилизации напряжения Е₂ на выходе термопреобразователя 2. Система состоит из термопреобразователя 2, блока сравнения 3, усиливающего разность выходных напряжений термопреобразователей E₁-E₂, умножающего ЦАП 5, преобразующего выходное напряжение БС 3 в ток, который поступает на вход ОУ 7, нагруженного на нагреватель термопреобразователя 2. При достаточно малом статизме основной системы стабилизации Е₂≈Е₁= const. Следовательно, и токи подогрева обоих термопреобразователей также будут приблизительно равны друг другу. Тогда при идентичности характеристик ЦАП 4 и ЦАП 5, цифровые входы которых присоединены к общему АЦП 9, постоянное напряжение V_вых на выходе устройства будет приблизительно равно входному напряжению V_вх.

Так как E₁≈Е₂≈V₀= const, температуры обоих термопреобразователей в процессе работы автоматически поддерживаются постоянными. Следовательно, не требуется время на их нагрев или охлаждение, т. е. на изменение их теплосодержания. В результате значительно повышается быстродействие устройства. Как показывает анализ, при переходе термопреобразователей из режима переменной температуры в режим постоянной температуры быстродействие средств измерения возрастает приблизительно на порядок (см. В. С. Попов. Измерение среднеквадратического значения переменного тока способом равных и постоянных температур // Измерительная техника, 7, 1999 г. , с. 53-59. ).

При работе обоих термопреобразователей при постоянной температуре, т. е. в одной точке характеристики отпадает требование идентичности вольтамперных характеристик термопреобразователей и значительно снижается влияние аддитивной погрешности БС 3 на точность преобразования. В результате значительно расширяется диапазон преобразования входных сигналов устройства. Оптимальные значения напряжений Е₁ и Е₂ можно установить путем регулировки постоянного напряжения V₀.

Зависимость статизма вспомогательной системы стабилизации напряжения Е₁ от входного напряжения и обусловленное этим изменение кода на выходе АЦП 9 не нарушает равенство проводимостей обоих ЦАП, а следовательно, и токов подогрева термопреобразователей и поэтому практически не влияет на точность устройства.

Таким образом, в предлагаемом устройстве благодаря вспомогательной системе стабилизации напряжения повышается быстродействие и точность устройства и существенно расширяется диапазон его входных сигналов.

Предлагаемое техническое решение относится к измерительной технике. Технический результат - повышение быстродействия и точности преобразования и расширение диапазона преобразуемых входных сигналов. Технический результат достигается тем, что в преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий первый и второй термопреобразователи и первый блок сравнения, введены первый и второй биполярный умножающий цифроаналоговый преобразователь, первый и второй операционный усилитель, второй блок сравнения, аналого-цифровой преобразователь и источник постоянного напряжения. Термопреобразователь, источник опорного напряжения, блок сравнения, аналого-цифровой преобразователь, цифроаналоговый преобразователь и операционный усилитель образуют вспомогательную систему автоматической стабилизации напряжения. 1 ил.

Преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий первый и второй термопреобразователи, термопары которых соединены встречно-последовательно и вторыми концами подключены соответственно к первому и второму входу первого блока сравнения, выход которого является выходом устройства, отличающийся тем, что он содержит первый биполярный умножающий цифроаналоговый преобразователь, аналоговый вход которого является входом устройства, второй биполярный умножающий цифроаналоговый преобразователь, первый и второй операционный усилитель, каждый из которых охвачен цепью параллельной отрицательной обратной связи, аналого-цифровой преобразователь, второй блок сравнения и источник постоянного напряжения, причем выход первого и второго цифроаналогового преобразователя подключен к инвертирующему входу соответственно первого и второго операционного усилителя, выход первого и второго операционного усилителя соединен с нагревателем соответственно первого и второго термообразователя, общая точка термопар обоих термообразователей соединена с первым входом второго блока сравнения, ко второму входу которого подключен положительный полюс источника постоянного напряжения, выход второго блока сравнения подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с цифровым входом первого и второго цифроаналоговых преобразователей, выход первого блока сравнения соединен с аналоговым входом второго цифроаналогового преобразователя, а вход первого блока сравнения подключен к термопаре первого термообразователя, вторые концы нагревателей обоих термопреобразователей, неинвертирующие входы обоих операционных усилителей и отрицательный полюс источника постоянного напряжения соединены с общей шиной.