Преобразователь мощности в напряжение постоянного тока Советский патент 1984 года по МПК G01R21/00 

Изобретение относится к электроизмерительной технике к может быть использовано для создания точных аналоговых и цифровых измерителей мощности переменного тока/ . По основному авТо св„ № 771559 известен преобразователь мощности Е напряжение постоянного тока содержащий два источника опорного напряженрш, дифференциальньй операционный усилительS активный интеграторj масштабный преобразователь и дифференциальньй термокомпаратор„ два нагревателя которого соединены с выходами двух сумматоров, вход одного из них является входом преобразователя мощности, а выход дифференциального термокомпаратора соединен через активньш интегратор с выходом преобразователя мощности, а также два блока вычитания входы которых соединены с соответствующими входами сумматоров., вход одного из них - с вькодами первого источника опорного напряжения, а их выходы подключены к входам второй пары нагревателей термокомпаратора. Кроме того, выход активного интегратора, через масштабный преобра зователь соединен с инвертирзтощШг входом дифференциального усилитепя, ,к его неинвертирующему входу подключен выход второго источника опорного напряжения, полярность которого соот ветствует полярности выходного напря жения активного интегратора,. Выход усилителя соединен с общим выводом встречного соединения тех термоэлектродов дополнительнык термопар, рабочие спаи каждой из которьпс имеют тепловой контакт с одним противоположным торцом дифференциального полу проводникового термоэлемента, полярность которых соответствует полярное ти включени.с на вход ус:илктеля второ го источника опорного напряжения Гij Недостатком данного преобразовате .является низкая точность преобразова ния, из-за неидентичности его В.АХ в динамическом диапазоне преобразовани поскольку наблюдается смещение рабочей точки. ВАХ, так как имеет место несоответствие зависда1остей ЭДС дифференциального полупроводникового термоэлемента и дополнительных термо пар от выделяемого в их рабочих спая тепла (соответственно тепла Джоуля и тепла Пельтье, т.е. зависимости квадратичная и линейная соответстт.гек но). В связи с этим, при динамическом диапазоне преобразования входных сигкалоЕ: ДО дБ и более,, происходит пгре.нещение рабочей, точки преобразозан.ия термоксмпарап ора вдсс:;:, ЪАХ по каладому вь-ходу-входу обес;с.-;ить идентичность которьк в этом случае весьма сложно. Цель изобретения повьюление точности преобразования путем овышения стабильности рабочей точки термокомпаратора, Поставленная цель достигаеггся ТИМ., что в преобр,азоват8пе г. в напряжение постоянного тока выход дифференциального усилителя подключен к первым выводам дополнительных термопар термокомпаратора через дополН: тельнс введенньй нелинейный блок с передаточной характеристикой вида ,r, где выходное напряжение нелинейного блока; k - коэффициент пропорциональНОСГИ| . U|i,.j - входное напряжение нелиней-.юго блока. На фиг. 1 представлена функциона,з1ьная схема преобразователя мощности в напряжение постоянного тока; на фиг. 2 - saKoHbi изменения тепла Джоуля и Пельтье„ Преобразователь мощности и напряжение постоянного тока содержит дифференциальньй термокомпаратор 1, состоящий из 4-к нагревателей 2-5, чувствительного элемента - дифференциального полупроводниково.го термоэлемен- та 6 и дсгшлните.пьных термопар 7 и 8, первнй источник 9 опорного напряения постоянного тока, сумматоры 10 и 11J блоки 12 и 13 вычитания, активный интегратор 14, масштабный преобразователь 15, дифференциальный операционный усилитель 16 с инертирующим 16,1 и неинвертирующим 16,2 входами,; .второй источник 17 опорого напряжения постоянного тока. У и выходную ходные клеммы 20, а также нелинейный блок 21. Преобразователь мощности в напряжение постоянного тока работает следующим образом, В неходком состоянии,, когда сигна..ггь) ихэ 1х; ЕО отсутствуют, напряжение Urt источника 17 пс ступает на неннвертирующий вход 16.2 усилителя 16, усиленное напряжение прямой полярнос ти которого в нелинейном блоке 21 преобразуется к виду Ьши 1 а I Кц U6,,K,KXf Де Ьы«а, выходное напряжение нелинейного блока 21; k, коэффициент передачи нелинейного блока 21; его входное напряжение; коэффициент передачи усилителя 16. Выходное напряжение нелинейного блока 21 поступает на дополнительные термопары 7 и 8 термокомпаратора 1, что приводит к протеканию по ним постоянного тока прямой полярности в направлении от положительного термоэлектрода к отрицательному и вызывает выделение одинакового количества тепла Пельтье в их рабочих спаях. Это приводит к выводу термокомпарато ра 1 на рабочую точку, где крутизна вольт-амперных характеристик преобра зования имеет номинальное (заданное) значение. При этом 0, так как температуры рабочих спаев термоэлемента 6 равны между собой. Входное напряжение V и входной ток 1, мощность которых необходимо измерить, с клемм 18 и 19 поступают на соответ ствующие входы сумматора 10 и блока 12 вычитания, с выходов которых они подаются на нагреватели 2 и 5 соответственно. В результате этого на торцах термоэлемента 6 создается раз ность темпе Ьатур, что вызывает появление на выходе термокомпаратора 1 термо-ЭДС, которая усиливается интег ратором 14 и поступает на клемму 20 преобразователя. Выходное напряжение и. интегратора 14 через блок 13 вычитания и сумматор 11, на вторые входы которых поступает напряжение Eg с источника 9, подается соответственно на нагреватели. 3 и 4 термокомпаратора 1, уве личивая разбаланс термо-ЭДС термоэле мента 6, что вызывает увеличение U на выходной клемме 20 интегратора 14 Выходное напряжение интегратора 14 через масштабный преобразователь 15 поступает на инвертирующий вход 16.1 усилителя 16, что приводит к уменьшению напряжения на входе и выходе блока 21 и, следовательно, к уменьшению тока через термопары 7 и 8, вследствие чего тепловыделение Пельтье в них падает до тех пор, пока результирующая температура торцов термоэлемента 6 не становится первоначальной. При дальнейшем росте U и 1, когда эти сигналы достигают, например, номинальных значений нагревателей 2 и 5, напряжение на выходе масштабного преобразователя 15 становится равным напряжению источника 17 ив этот момент выходной ток усилителя 16 становится равным нулю. В случае дальнейшего увеличения Ux и 1)( выходное напряжение масштабного преобразователя 15 превышает опорное напряжение IL источника 17 и на выходе усилителя 16 напряжение Up меняет полярность, т.е. становится -U(,X(y . В этом случае в соответствии с (1) выходное напряжение блока 21 становится равным IUgbixar-lt«(-U x«UUlxii)-K,; К,() Последнее обстоятельство приводит к изменению направления тока через термопары 7 и 8 и тепловьвделение Пельтье в их спаях сменяется теплопоглощением, т.е. охлаждением этих спаев. В результате этого результирующая температура торцов термоэлемента 6 уменьшается до исходной (первоначально заданной выбором напряжения ЕО) . Таким образом, осуществляется увеличение чувствительности, динамического диапазона и надежности преобразователя, исключается возможность перегрузки входных цепей термокомпаратора. В конце цикла уравновешивания наступает тепловой баланс на торцах термоэлемента 6, который с погрешностью активного интегратора имеет вид следующего уравнения. K,(U,0/+K4.(Eo-U6,,n- KTaui-Ubwx) KjlUxJ/+K(,,lUo-Uib,x) где Ц, k, k, k4 - коэффициенты преобразования компаратора 1 по нагревателям 2-5 соответственно; k, коэффициенты передачи термопар 7 и 8; S После соответствующих преобразо ваний получают - 4UxJx 4Ec,UB,, , (3) и, .кРх РХ Uxlif Следовательно, выходное напряжение U(,yx преобразователя прямо пропорционально измеряемой мощности Р Известно, что тепло, вьщёляющеес в нагревателях 2,3 и 4,5 согласно закону Джоуля пропорционально И где kj - коэффициент пропорциональностиIH нагревателей 2-5. Тепло, которое вьщеляется в терм парах 7 и 8 прототипа согласно зако Пельтье пропорционально току, проте кающему через эти термопары. Следовательно, в прототипе имеет место несоответствие между квадратичным з коном изменения тепла Джоуля линейным законом изменения тепла Пельтье Qn п-Ц. где П - коэффициент Пельтье, 1 - ток через термопары 7 и 8 Эти законы изображены на фиг. 2 соответственно кривой 22 и прямой Так, например, при работе термокомп ратора 1 в динамическом диапазоне токов его нагревателей от 1 до I... (вызванных изменением измеряемых сигналов U и Ту) имеет место нескомпенсироранная разность тепло 196 ты Др, которая равна нулю тольков двух точках диапазона (1щ и 1 и имеет максимальное значение в середине диапазона. можно уменьшить в два раза выбором середины диапазона измерения в качестве точки полной компенсации (прямая 24). Однако достичь полной компенсации тепла Джоуля (например, при его увеличении) соответствующим уменьшением тепла Пельтье в прототипе принципиально невозможно, что при отклонении коэффициентов передачи термокомпаратора по всем нагревателям как друг о г друга, так и от квадратичного закона приводит к погрешности преобразования мощности, которая может составлять 0,5-2% и даже более. В связи с тем, что в данном преобразователе ток, проходящий через и -Чьж-У термопары 7 и 8, равньй R-n R - сопротивление термопар, то с учетом соотношений (1) и (2) тепло Пельтье ПК™; и Из (5) видно, что в данном преобразователе подбором коэффициента про порциональности k.p,| (т.е. коэффициентов передачи масштабного преобразователя 15, усилителя 16 и коэффициента Пельтье П) можно достичь практически полной идентичности законов изменения QgjK и Q, т.е. стабилизировать рабочую точку термокомпаратора 1 и тем самым уменьшить погрешность от неидентичности его вольтамперных характеристик (ВАХ) по обоим торцам (горячим спаям). Таким образом, предлагаемый преобразователь мощности обладает повышенными метрологическими характеристиками по сравнению с прототипом.

п te.

2

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МОЩНОСТИ В НАПРЯЖЕНИЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА по авт. св. № 771559, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования путем «JL повышения стабильности рабочей точки термокомпаратора, выход дифферен-; циального усилителя подключен к первым выводам дополнительных термопар термокомпаратора через дополнительно введенный нелинейный блок с передаточной характеристикой вида bb-t - ы /UM Л где U|i,y - выходное напряжение нелинейного блока; k - коэффициент пропорциональности; и - входное напряжение нелинейного блока. (Л