Способ измерения действующего значения тока или напряжения в диапазоне инфразвуковых частот Советский патент 1983 года по МПК G01R19/02 

Изобретение относится к области электрических измерений и предназначено для использования при построении высокоточной поверочной аппаратуры. .Известен способ измерения действукадего значения тока или напряжения в диапазоне инфразвуковых частот, предусматривакедий квадратичное преобразование (например, с помощью термоэлектрического преобразователя) и интегрирование контролируемой электрической величины, формирование вспомогательной электрической величины, отображающей интервал интегрирования, и деление результата интегрирования на вспомогательную электрическую величину Cl}.

Недостаток известного способа заключается в значительной сложности практического осуществления.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ измерения действующего значения тока или напряжения в диапазоне инфразвуковых частот, заключающийся в формировании и регистрации эквивалентной по тепловор/iy действию вспомогательной электрической величины, в частности постоянного тока или напряжения С2.

Недостаток указанного способа проявляется в невысокой точности измерения, обусловленной частотной погрешностью используемого при реализации способа термоэлектрического преобразователя. В диапазоне инфранизких частот - при температур ных колебаниях нагревателя термоэлемента период изменения мгновенного значения выделяемой в нагревателе мощности оказывается соизмеримым с тепловой постоянной времени преобразователя. В связи с эти имеет место неодинаковый режим последнего, при подведении к нему контролируемого инфразвукового тока или напряжения и вспомогательной электрической величины. В первом случае температура нагревателя, а следовательно , и выходная термоэлектродвижущая сила представляют собой сумму двух составляющих - постоянной и переменной, т.е. преобразователь работает в динамическом режиме, а во втором случае температура нагревателя, а .следовательно, и выходная термоэлектродвижущая сила является постоянными величинами, т.е, преобразователь работает в. статическом режиме. Отличие режимов работы термоэлектрического преобразователя приводит к тому, -что равным постоянным составляющим выходной термоэлекродвижущей силы преобразователя соответствуют разные .отличающиеся на величину низкочастотной погрешности перехода) действующие значения инфразвукового и постоянного токов (напряжений). Источниками низкочастотной погрешности перехода при динамическом режиме работы термоэлектрического преобразовате-. 5 ля являются, например, зависимость омического сопротивления нагревателя от его температуры,изменение коэффициента теплоотдачи при изменении температуры и нелинейность

0 температурной характеристики термочувствительного элемента.

Целью изобретения является повышение точности способа измерения за счет исключения частотной погреш5 ности.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения действующего значения тока или напряжения в диапазоне инфразвуковых часQ тот, основанному на формировании эквивалентной по тепловому действию вспомогательной электрической величины, вспомогательную электрическую величину формируют путем сложения

5 двух рлвных по амплитуде синусоидаль ных составляющих с частотами, разнесенными одна от другой на удвоенное значение частоты контролируемой электрической величины и .с периода. ми, на несколько порядков меньшими

периода последней, регистрируют

действующие значения каждой из составляющих вспомогательной электрической величины, суммируют их и по полученной сумме судят о действую5 щем значении контролируемой электрической величины.

На фиг. 1 представлен один из возможных вариантов устройства, реализующего предложенный способ изме0 рения действующего значения тока или напряжения, на фиг. 2 - временные диаграммы сигналов, иллюстрирующие составные операции предлагаемого способа.

Устройство содержит генераторы 1 и 2 синусоидальных колебаний, частотомер 3, переключатель 4 с четырьмя направлениями и шестью контактами в каждом направлении, сумматор 5 с операционным усилителем б, нерегулируемыми резисторами 7 и 8 и регулируемым резистором .9, преобразователь 10 напряжения в ток с операционным усилителем 11 и резистором 12, термоэлектрический

преобразователь (термопреобразователь ) 13, фильтр 14 нижних частот, источники 15 и 16 постоянного напряжения, делители 17-19 напряжения, нуль-индикатор 20 и измеритель 21

0 постоянного напряжения.

Входная шина устройства подключена к первому (сверху ) контакту третьего напрадления переключателя 4, Один из входов сумматора 5 че5 рез второй и третий контакты первого направления переключателя 4 соед нен с выходом генератора 1, а через четвертый, пятый и шестой контакты того же направления - с шиной нулевого потенциала, Другой вход сумматора 5 через второй и пятый контакты второго направления переключателя 4 подключен к выходу генератора 2, а через третий, четвертый и шестой контакты того же направления - к шине нулевого потенциала. Вход преобразователя 10 напряжения в ток через первый контакт третьего направления соединен с входной шиной устройства, к которой подключен также частотомер 3,через второй, третий и пятый контакты того же направления - с выходом йумматора 5, и через четвертый и шесто контакты - с промежуточными выводами соответственно делителей 17 и 18 напряжения, между КОТОРЫМИ вкто чей измеритель 21 постоянного напря жения. Выход преобразователя 10 напряжения в ток подключен к входу термопреобразователя 13. Выход термопреобразователя 13 соединен с одним из входов нуль-индикатора 20 через третий, четвертый, пятый и шестой контакты четвертого напра.вле ния переключателя 4 непосредственно а через первый и второй контакты то го же направления - с помощью фильтра 14 нижних частот. Другой вход нуль-индикатора 20 подкликтен к промежуточному выводу делителя 19 напряжения, крайние выводы которого соединены с разноименными полюсами последовательно включенных источников 15 и 16постоянного напряжения и крайними выводами последовательно включенных делителей 17 и 18 напряжения. Точки соединения источников 15 и 16 и делителей 17 и 18 меж ду собой объединены. На временных диаграммах приняты следующие обозначения: U (фиг.2, ) и и (фиг. составляющие вспомогательного напряжения, вырабатываемые соответственно генераторами 1 и 2, Utv (фиг. 2в - вспомогательное напряжение, образованное путем суммирования IJ (фиг. 2 г ) - напряжение на выходе термопреобразователя 13, вызванное вспомогательным напояжением , и(фиг. 2,3) - контролируемое напряжение, (фиг. 2,е) - напряжение на выходе термопреобразователя, 13, вызванное контролируемдш напряжением и . Предложенный способ реализуется следующим образом С помощью частотомера 3 определяют частоту контролируемого напряжения. Создают вспомогательное напряжен 5-1 т. S , где и амплитуды составляющих вырабаты и и ваемых генераторами 1 и 2 частоты составляющих и и и ; t - время Для простоты начальные фазы обеих составляющих и и и приняты равными нулю. Частоты со и w- выбирают, исходя из следующих условий и fli /. 2Л « % f - тепловая постоянная времени термопреобразователя 13, Для создания вспомогатепьного напряжения на выходах генераторов 1 и 2, обладающих хорошей стабильностью ампитуды и частоты выходных сигналов, выставляют напряжения,одинаковые по уровню и разнесенные по частоте на удвоенное значение частоты контролируемого напряжения. При этом периоды выходных напряжений обоих генераторов 1 и 2 должны быть на несколько порядков тепловой постоянной времени f термопреобразователя 13. С помощью переключателя 4 в различных его положениях обеспечивается как раздельное, так и одновременное подключение выходов генераторов 1 и 2 к входам сумматора 5. Сумматор 5 выполнен по схеме суммирующего масштабного усилителя с двумя независимыми входами. С помощью регулируемого резистора 9 в цепи обратной связи операционного усилителя 6 можно регулировать коэффициент передачи сумматора 5. При этом изменения коэффициента передачи сумматора 5 оказываются одинаковыми по обоим его входам. Если один из входов заземлен, то на выходе сумматора 5 действует только одна составляющая вспомогательного напряжения. Равенство составляющих вспомогательного напряжения проверяется в третьем и пятой положениях переключателя 4. При этом через третий контакт первого напрашления (пятый контакт ВТОРОГО направления на сумматор 5 подается выходное напряжение соохветствуншего генератора 1 {2L Выходное напряжение сумматора 5 через третий (пятый) контакт третьего направления поступает на вход преобразователя 10 напряжения в ток. Преобразователь Ю обеспечивает согласование высокоомных источников напряжения с низким сопротивлением нагревателя термопреобразователя 13. Выходной ток преобразователя 10, пропорциональный его вход,ному напряжению, подается На вход термопреобразователя 13.С выхода термопреобразователя 13 через третий (пятый )контакт четвертого направле ния переключателя 4 постоянное напр .жение, пропорциональное одной из составляющих вспомогательного напря жения, подводится, к одному из входо нуль-индикатора 20. На другой вход нуль-индикатора 20 подается компенсиругацее напряжение с делителя 19 напряжения, подключенного к стабиль ным источникам 15 и 16 постоянно,го напряжения. Равенство обеих составлягацих вспомогательного напряжения фиксируется по установлению нулевого показа ия нуль-индикатора 20 при одинаковом компенсирующем напряжении, устанавливаемом с помощью делителя 19. В случае неравенст ва составляющих вспомогательного напряжения величину одной из состав ляющих можно подрегулировать под значение другой составляющей. Для этого с помощью делителя 19 внставляют компенсирующее напряжение равное постоянному напряжению на выходе термопреобразователя 13, когда переключатель 4 находился в третьем ( пятом )положении (нульиндикатор 20 должен при этом показать нулевое значение ). После этого переключатель 4 переводят в пято.е (третье) положение и регулировкой выхода генератора 2(1 )добива- ются нулевого показания нуль-индикатора 20 при выставленном значении компенсирующего напряжения. Указанная операция обеспечивает получение необходимого вспомогательного напрЯ жения при переключении переключателя 4 Во второе положение, при котором на входы сумматора 5 подаются одновременно напряжения обоих генераторов 1 и 2. Вместе с тем она не занимает много времени, поскольку выходное напряжение термопрёобразователя 13 в данном случае не содержит переменной составляющей и не тр бует дополнительной фильтрации (выходное напряжение термопреобраэователя 13 в третьем и пятом положениях переключателя 4 подается на нуль-индикатор 20, минуя фильтр 14 нижних частот ). Добиваются равенства постоянных составляющих напряжения на выходе термопреобраэоватлея 13 при поочередном подключении к его входу конт ролируемого и вспомогательного напр жений. Для этого сначала переключа- тель 4 ycTaHaBJ-швают в первое положение. Контролируемое напряже . ние u.j{ ii fiZt через первый кон такт третьего направления подается на вход терйопреобраэователя 13. Выходное напряжение термопреобраао: : вателя 13, пропорциональное его температуре, поступает на фильтр 14 нижних частот, в котором подавляется переменная составляющая. Постоянная составляющая выходного напряжения термопреобразователя 13, пропорциональная контролируемому напряжению Ujf, через первый и второй контакты четвертого направления переключателя 4 подается на один из входов нуль-индикатора 20. Регулируя делитель 19 напряжения, выставляют такой уровень компенсирующего посто.янного напряжения, при котором нульиндикатор 20 показывает нулевое значение. В этом случае среднее значение выходного напряжения термопреобразователя 13, пропорциональное контролируемому напряжению U,, запоминается на выходе делителя 19. Затем переключатель 4 переводят во второе положение. При вход преобразователя 10 напряжения в ток вместо- контролируемого напряжения U подается вспомогательное напряжение Ujj-c выхода сумматора 5. Выходное напряжение термопреобразователя 13, пропорциональное температуре, фильтруется фильтром 14 нижних частот, и его постоянная составляющай поступает на один из входов нульиндикатора 20. На другом входе нульиндикатора 20 действует напряжение, пропорциональное контролируемому напряжению U)(, Регулируя резистор 9 в цепи отрицательной обратной связи операционного усилителя б, изменяют коэффициент передачи сумматора 5 до тех пор, пока вспомогательное напряжение не вызовет на выходе термопреобразователя 13 постоянную составляющую, равную той, которая зафиксиров.ана на выходе делителя 19-напряжения. Нулевое показание нуль-индикатора 20 свидетельствует о равенстве постоянных составляющих на выходе термопреобрдзователя 13, вызванных контролируемым и вспомогательным напряжениями. По равенству постоянных составляющих на выходе термопреобразователя 13 судят о равенстве тепловых ействий контролируемого и вспомогательного напряжений. Фактическое райенство теЪловых действий достигается лишь при условии, что термопребразователь 13 работает в обоих случаях с одинаковой частотной погрешостью, т.е. в одинаковых динамических режимах. Предложенное техническое решение обеспечивает выполнение казанного условия. Нетрудно убеиться, что в данном случае имеет есто соотношение где Dj , D. и - действующие значе ния токов, обусло ленных соответств но контролируемым напряжением и :х и составляющими и и вспомогательно го напряжения. Учитывая, что указанные токи х г л связаны с действующими значенйями напряжений Uj;, и и и 2 через один и тот же коэффицинт преобразования преобразователя 10 Напряжения в ток, можно записатьu fufnJf. Таким образом, для определения действугацего значения контролируемого напряжения и необходимо измерить действующие значения составляквдих и к 2 вспомогательного напряжения, которое оказывает такое же тепловое действие на термощ еобразователь 13, как и контролируемое напряжение, . Поскольку частоты обеих составля гадих вспомогательного напряжения вы бираются вьшю инфразвуковых частот и, следовательно., -имеются средства для высокоточных измерений действую щего значения переменного напряжения, в принципе измерение действующих значений составляющих вспомогательнаго напряжения можно произво дить с помощью указанных средств. В предлагаемом устройстве эти измерения осуществляют способом разновременного сравнения с эквивалентной по тепловому действию на термоП:реобразователь 13 величиной постоя ного тока. Для этого сначала устанавливают переключатель 4 в третье положение. На первый вход (резистор 7/ сумматора 5 поступает напряжение генератора 1,а второй вход {резистор 8 /замыкается на землю. В этом случае на выходе сумматора 5 появляется составляющая U вспомогательного напряжения, которое с помощью регулируемого резистора 9 в предыдущей операции было выставлено равным контролируемому Напряжению. Вызванное составляющей Ui постоянное напряжение с вых ка термопреобразователя 13 подается через переключа:тель 4 на один :Из входов нуль-индикатора 20. Регулировкой делителя 19 напряжения добиваются нулевого показания нульиндикатора 20. После достижения нулевого значения нуль-индикатора 20 :величина выходного напряжения термо преобразователя 13, соответствующая составляющей Щ вспомогательного напряжения, сохраняется на выходе делителя 19. Далее переключатель 4 переводят в четвертое положение. Вместо составляющей и на вход преобразователя 10 напряжения в ток подается постоянное напряжение, снимаемое с делителя 17 напряжения, подключенного к источнику 15 постоянного напряжения. Регулировкой делителя 17 добиваются нулевого показания нуль-индИкатора 20, что свидетельствует о равенстве выходного постоянного напряжения делителя 17 действующему значению составляющей и вспомогательного напряжения. Указанное значение постоянного напряжения, равное действующему значению составляющей и, сохраняется на выходе делителя 17. Аналогичным образом измеряют величину составляющей вспомогательного, напряжения. Переводят переключатель 4 в пятое положение и, регулируя делитель 19 напряжения, добиваются нулевого показания нульиндикатора 20. Величина выходного напряжения термопреобразователя 13, соответствующая составляющей Uj вспомогательного напряжения, запоминается на выходе делителя 19. После этого переключатель 4 переводят в шестое положение и регулировкой делителя 18 напряжения, подключенного к источнику 16 постоянного напряжения (противоположной полярности по отношению к источнику 15), добиваются нулевого показания нуль-индикатора 20. Таким образом, действующее значение составляющей 2 запоминается в виде постоянного напряжения на выходе делителя 18. Операция измерения действующих значений составля- ющих и и и не занимает много времени, поскольку в данном случае нет необходимости в дополнительной фильтрации выходного напряжения термопреобра,зователя 13. Это обстоятельство позволяет пренебречь изменением величин Ujj и U2 в процессе их и-змерения. Можно констатировать, что постоянные напряжения на выходах делителей 17 и 18 напряжения точно равны тем значениям и и U г которые были установле.ны в момент равенства действукндего значения вспомогательного напряжения действующему значению контролируемого напряжения Lx. Для определения действующего значения контролируемого напряжения полученные действующие значения составлякядих U и U2 должны складываться геометрически. Величины составляющих и-|.и и в процессе создания вспомогательного напряжения выставляются равными. Поэтому в случае высокой амплитудной стабильности генераторов 1 и 2 действующее значение контролируемого напряжения можно было бы оценить по действующему значению одной из составляющих 1.

или Ug . Однако на практике в процессе сравнения действующих значений контролируемого и вспомогательного напряжений, занимающем на инфразвукових частотах большой промежуток времени, вследствие амплитудной нестабильности генераторов 1 и 2 может произойти нарушение равенства составляющих вспомогательдого напряжения. Поэтому при оценке значения Uy по одной из составляющих вспомогательного напряжения может быть допущена существенная .погрешность. При умеренной амплитудной нестабильности генераторов 1 и 2 на практике удается заменить геомет рическое сложение составляющих U/j и U2 вспомогательного напряжения более простым алгебраическим сложением, сохраняя при этом высокую точность в определении действующего зн чения контролируемого напряжения.

Поскольку в предложенном устройстве значения U и U запоминаются в виде разнополярных постоянных напряжений на выходах делителей 17 и 1 напряжения, их гшгебраическую сумму измеряет высокоточный измеритель 21 постоянного напряжения. Показания измерителя 21 соответствуют величине действующего значения контролируемого напряжения Uу/умноженной на постоянный множитель У2, Исключить влияние указанного множителя на результат измерения можно соответствующей градуировкой измерителя 21 или же применением на его входе делителя напряжения с коэффициентом передачи 1/ 2. .

Применение двух разнополряных источников 15 и 16 постоянного напряжения и по;цключенных к ним делителей 17 и 18 напряжения дает возможнос ь не только автоматически и более точно произвести сложение действуняцих значений составляющих и, и U-y , но также исключить

погрешность от несимметрии термопреобразователя, так как в процессе измерения и., и и постоянные тока, соответствующие значениям и.| И и , протекают через термопрёобразователь 13 в разных направлениях.

Следует отметить, что выделение постоянной составляющей выходного напряжения термопреобразователя 13 при достижении равенства действующих значений контролируемого и вспомогательного токов {напряжений.)возможно не только с помощью фильтра нижних частот, как в случае предлагаемого устройства, но и с помощью интегратора. При этом для обеспечения максимального быстродействия Измерений время интегрирования должно выбираться равным ,... , т.е. равным пеЯ

риоду,контролируемого тока напрйжения/i при подведении к термопреобразователю 13 контролируемой величины, и равным 2 , т.е. рав. .J.

ным удвоенному периоду биений вспомогательного тока (напряжения ; при подведении к термопреобразователю 1 вспомогательной величины.

,

Таким образом, предложенный способ дает возможность иckлкlчить влияние низкочастотной погрешности перехода термоэлектрического преобразователя на результаты измерений действующего значения тока .(напряжения ) в, диапазоне инфразвуковых частот. Применение предложенного способа позволяет повысить точность измерений действующего значения тока (напряжения ( в указанном диапазоне частот и обеспечивает возможность создания высокоточной поверочной аппаратуры для поверки измер телей действукяцего значения тока (напряжения i). .

Фиг.г И}Злср/ tz

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕЙСТВУЮ ЩЕГО ЗНАЧЕНИЯ ТОКА ИЛИ НАПРЯЖЕНИЯ В ДИАПАЗОНЕ ИНФРАЗВУКОВЫХ ЧАСТОТ, основанный на формировании эквивалентной по Тепловому действию вспо могательной электрической величины, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, вспомогательную электрическую величину формируют путем сложения двух равных по амплитуде синусоидальных составляю1дих с частотги ли, разнесенными одна от другой на удвоенное значение частоты контролируемой электрической величины, и с периодами, на несколько порядков меньшими периода последней, :регистрируют действующие значения каждой из составляющих вспомогательной электрической величины, суммируют их и по полученной сумме судят о действующем значении контролируемой .электрической величины.