ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ Российский патент 2004 года по МПК G01R19/03 

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 U_вх 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 U0-Е1, 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 U_вх 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 U₀>Е₁, 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 Е₁-Е₂, 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 Е₀-Е₂. 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.

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.

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.