Способ измерения действующего значения переменного напряжения Советский патент 1985 года по МПК G01R19/02 

сд

1 Изобретение относится к электроиз мерительной технике и предназначено для использования при построении цифровых вольтметров и аналого-цифровых преобразователей действукнцего значения переменного напряжения. По оснр,9ному авт.св. № 1040431 известен способ измерения действующе го значения переменного напряжения, заключающийся в периодическом формированин постоянного опорного напряже ния и формировании однополярного пульсирующего напряжения, вольт-, секзгндная площадь которого пропорцио нальна искомому действующему значению, .путем возведения в квадрат измеряемого напряжения, интегрировании однополярного пульсирующего напряжения в течение фиксированных, 1нтервалов времени, времяимпульсном преобразовании полученных интегральн уровней посредством периодического интегрирования сформированного опорного напряжения до моментов сравнения с ранее полученными интегральными уровнями, определении искомого действующего значения путем извлече ния корня ия длительности образованных импульсов fl. Недостатком данного способа является ограниченный снизу частотный диапазон, обусловленньй пульсациями, возникающими на низких частотах при интегрировании однополярного пульсирующего напряжения в течение фиксированных интерваловВремени. При это подавление указанных пульсаций посре ством увеличения длительности фиксированного интервала времени приведет к чрезмерному увеличению времени измерений, причем тем большему, чем вьше , требуемая точность измерения. Цель изобретения - расширение час тотного диапазона измерения в област Низких частот при сохранении высокого быстродействия способа. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения действующего значения переменного на пряжения, на низ JCKX частотах фиксированный интервал времени превращают в переменный, состоящий из двух частей: основной постоянной части, длительность которой выбирают равной половине периода измеряемого напряжения минимальной частоты, а ее начало синхронизируют с моментом перехода через ноль измеряемого напряжения, и дополнительной переменной части, начало и конец которой синхронизи- руют cooTBeTCtBeHHo с концом основной части и с очередным моментом перехода через ноль измеряемого напряжения, отстоящего от начала основной части на время, кратное периоду измеряемого напряжения, при этом искомое.действующее значение определяют извлечением квадратного корня из частг ного отношения длительности импульса, образованного в результате времяимпульсного преобразования, к длительности интервала времени, превращенного из фиксированного в . переменный. На фиг.1 приведены временные диаграммы, пояснякнцие данный способ измерения; на фиг.2 - блок-схема цифрового вольтметра по данному способу, на фиг.З - вариант вьтолнения аналогового запоминающего устройства. На диаграммах (фиг.1) обозначено: {j(i - измеряемое напряжение; Ugt первичное опорное напряжение; (-tj ; (-fc)- импульсные напряжения, фиксирунщие моменты перехода через ноль измеряемого напряжения соответственно из области положительных значений в область отрицательных значений и .наоборот,и5()импульсное напряжение, определяющее интервал времени, превращенный из фиксированного в переменный, Ll(i;) - напряжение, возводимое в квадрат; напряжение возведенное в квадрат, g(t) - проинтегрированное Напряжение, (JQ{{:)импульсное напряжение, определяющее интервал времени, сформированный в результате времяимпульсного преобразования. Для наглядности на фиг.1 в качестве измеряемого напряжения U f(t) приведены два напряжения с разными частотами, но с одинаковым действующим значением. При этом обе частоты выше, чем минимальная частота измеряемого напряжения. Данный способ реализуется следующим образом. Рассмотрим один цикл измерения,например, заключающий в себя интервал времени от i до is Измеряемое напряжение U,j(i,) с момента времени -(д , совпадающего с моментом перехода через ноль измеряемого напряжения U)(t) , возводят в квадрат. Интегрируют сигнал U (i , сформиро, ванный при возведении в квадрат измеряемого напряжения, в течение интервала .времени itcpp ( tit ф - t 2 Интервал времени utmn «& низких частотах формируют в соответствии соj следующим вьфажением

лЦп й1о+й1д л.Т1 , (О

где uiji и &tx - соответственно основ 1

ная и дополнительная части интервала Ю времени blcpn(,-to,

, П - целое натуральное

число (п 1,2,3..,),5 Т, - период измеряемого

напряжения.

При этом длительность основной части интервала времени строго постоянна и выбирается равной поло- 20 вине периода измеряемого напряжения минимальной частоты, причем ее начало синхронизируют с моментом перехода через ноль измеряемого напряжения (момент времени ig ) Длительность 25 дополнительной части интервала времени utmn переменна и зависит от частоты измеряемого напряжения, причем начало и конец ее синхронизируют соответственно с концом основной ти и с очередным (после окончания основ- . ной части данного интервала)моментом перехода через ноль измеряемого напряжения , отстоящего от начала интерв-ала времени : время, кратное периоду измеряемого напряжения.35

Параллельно с процессом формирования интервала времени uimn линейно преобразуют данньй интервал времени в цифровой код Ncpn . В конце интервала времени uimn (момент 40 времени 12 ) запоминают выходное напряжение интегратора Ua (i2) а также цифровой код Нерп полученньй в результате преобразования интервала времени tcpn в цифровой код. 45

Далее устанавливают интегратор в исходное состояние, а затем, начиная с i.if , подключают ко входу квадратора первичное опорное напряжение И U) , например,, прямоуголь-50 Ной формы, которое имеет по сравнению с измеряемым напряжением не меньшее действующее значение, но меньший период. Возводят в квадрат первичное опорное напряжение и интегрируют 55 вторичный сигнал Ujlt) , сформированный при возведении в квадрат первичного опорного напряжения, до тех

пор, пока напряжение Ug(t) не достигнет уровня ранее за.помненного напряжения) tj в момент времени i , Параллельно линейно преобразуют интервал времени ft j( ( &tx « с -t в течение которого интегрируют возведенное в квадрат первичное опорное напряжение Uj(t) , в цифровой код

NX .

Затем, для получения окончательного результата, делят полученный цифровой код NX на значение ранее запомненного цифрового кодаМф| а из .полученного при этом результата извлекают квадратный корень, т.е. производят в цифровой форме вычисления в соответствии со следующим выражением:

действующие значеи опорного напряжеЦифровой вольтметр (фиг.2) по данному способу измерения содержит источник 1 опорного напряжения, выход которого подкг ючен к первому входу, аналогового коммутатора 2, второй вход которого подключен к входу вольтметра, третий вход - к общей шине вольтметра, а выход - к первому входу входного усилителя 3, к второму входу которого подключен выход первой схемы 4 коррекции . Выход усилителя 3 подключен к первому входу схемы 4 и через аналоговый квадратор 5 к первому входу аналогового интегратора 6. Второй вход схемы 4. подключен к общей шине вольтметра, второй и третий входы интегратора 6 подключен соответственно к первому и второму выходам цепи 7 разряда, четвертьй вход и выход интегратора 6 подключены соответственно к выходу и к первому входу второй схемы 8 коррекции нуля, второй вход которой подключен к общей шине вольтметра. Выход интегратора 6 через аналоговое запоминающее устройство 9 подключен к первому входу схемы 10 сравнения, второй вход которой подключен к общей шине вольтметра, к входу которого подключен также вход формирователя 11 импульсов. Выход генератора 12 импульсов эталонной частоты подключен

к первым входам блока 13 управления и преобразователя 14 время-код. Второй, третий и четвертый входы блока 13 управления подключены соответственно к первому и второму выходам формирователя Пик вьиоду схе.мы 10 сравнения. Выход преобразователя 14 подключен к первому входу блока 16 деления через регистр 15 данных и ко второму его входу непосредственно. Выход блока 16 через блок 17 извлечения квадратного корня подключен к блоку 18 индикации. Блок 13 управления подключен первым выходом к управляющему входу коммутатора 2, вторым вьпсодом - к управляющему входу схемы 4 коррекции нуля, третьим выходом - к управляющему входу схемы 8 коррекции нуля, чет вертым выходом - к управляющему входу цепи 7 разряда,,пятым выходом к управляющему входу запоминающего устройства 9, щестым выходом - к стробирующему входу схемы 10 сравнения седьмым выходом - к управляющему входу блока 18, восьмьпч выходом - к управляющему входу блока 17, девять1м выходом - к управляющему входу блока 16, десятым выходом к управляющему входу регистра 15, одиннадцатым и двенадцатым выходами - соответственно к второму и третьему входам преобразователя 14.

Аналоговое запоминающее устройстов 9 (фиг.З) содержит входную клемму 19, первый и второй резисторы 20 и 21, первьй ключ 22, третий и четвертьй резисторы 23 и 24, операционньй усилитель 25, второй ключ 26, инвертор 27, третий ключ 28 управляющую клемму 29, четвертьй и пятый ключи 30 и 31, повторитель 32 напряжения, запоминающий конденсатор 33 и выходную клемму 34. Входная клемма 19 через резистор 20 подключена к инвертирующему входу усилителя 25, через последовательно соединенные резистор 24 и ключ 28 к выходу уси.гштеля 25 и через последовательно соединенные резистор 21 и ключ 22 - к общей щине вольтметра. Неинвертирукяций вход усилителя 25 подключен к .общей щине вольтметра через резистор 23, выход усилителя 25 подключен к выходной клемме 34 и через ключ 30 к неинвертирующему входу повторителя 32, подключенному через конденсатор 33 к общей

шине вольтметра. Инвертирующий вход и выход повторителя 32 соединены и подключены через ключ 26 к соединению резистора 21 и ключа 22, а через ключ 31 - к соединению резистора 24 и ключа 28. Управляющая клемма 29 подключена к управлякнцим входам ключей 22, 30 и 31 и через инвертор 27 к управляющим входам ключей 26 и 28. 1

Вольтметр работает следующим обра зом.

Синхронизация работы вольтметра осуществляется блоком 13 управления. Каждьй цикл измерения цифрового вольтметра начинается его калибровкой. При этом в течение времени калибровки первьй вход входного усилителя 3 через аналоговьй коммутатор 2 подключен к общей шине, а обе схемы коррекции нуля находятся в активном состоянии. На выходе первой схемы 4 коррекции нуля появляется .корректирующий сигнал, которьй устанавливает через второй вход входного усилителя 3 нулевое смещение на его выходе. В начале калибровки в течение короткого интервала времени замыкается цепь разряда 7, подключенная параллельно накопительному элементу аналогового интегратора 6, посредством чего последний грубо, но быстро устанавливается в исходное со тояние. Затем цепь разряда 7 размыкается и на выходе второй схемы коррекции нуля 8 к концу времени калибровки также появляется корректирующи сигнал, которьй точно устанавливает аналоговьй интегратор 6 через второй его вход в исходное состояние,. При этом корректируется не только напряжение смещения нуля аналогоного интегратора 6, но и напряжение смещения нуля аналогового квадратора 5, поступакнцее с его выхода на первьй вход аналогового интегратора

После окончания калибровки первьй вход входного усилителя 3 остается подключенным посредством аналогового коммутатора 2 к общей шине, а обе схемы коррекции нуля продолжают оставаться в активном состоянии д тех пор, пока на одном из двух выходов формирователя импульсов 11 не появится короткий импульс, фиксирующий очередной момент перехода через ноль измеряемого напряжения. В момент возникновения указанного импуль7

са первый вход входного усилителя 3 переключается посредством аналогового коммутатора 2 к измеряемому напряжению (ii , а схемы коррекции нуля переключаются в пассивное состояние , При этом схемы коррекции нуля запоминают и хранят уровни соответствуюп(их корректирующих напряжений, установившихся на их выходах.

С момента времени io выходное напряжение аналогового интегратора 6 начинает линейно убывать, так как на его первьй вход поступает выходное напряжение аналогового квадратора 5LI;(t, прямо пропорциональное квадрату измеряемого напряжения. Это продолжается в течение интервала време-и ui-mf), который формируется в блоке управления 13 в соответствии с формулой (l) . При этом ос новная часть данного интервала времени формируется с высокЬй точностью в блоке управления 13 на основе, например, метода прямого счета (до момента достижения определенного числа) внешних импульсов эталонной частоты, поступающих с выхода генератора импульсов эталонной частоты 12 на первьй вход блока управления 13.

Параллельно с процессом формирования интервала времени btopn линейно преобразуют его в цифровой код Jcpn с помощью преобразователя время - код 14. Принцип работы данного преобразователя также основан на методе прямого счета импульсов эталонной частоты, доступаюпщх с выхода того же renepatopa импульсов эталонной частоты 12 на первый вход преобразователя за интервал времени {itrnp . При этом импульсное напряжение, определяющее данный интервал времени, поступает от блока управления 13 на второй вход преобразователя 14.

Благодаря тому, что с момента началавремени калибровки и до момента времени Ig первьй 22, чет вертьй 30 и пятьй 31 ключи замкнуты а второй 26 и третий 28 ключи - ра зомкнуты, аналоговое запоминающее устройство 9 в течение указанного интервала времени находится в следящем запоминающем режиме с инверсией знака записываемого напряжения. В конце интервала времени Л icon (момент времени i ) первьй 22,

548

четвертьй 30 и пятьй 31 ключи размыкаются, а второй 26 и третий 28 ключи замыкаются. При этом на запоминающем конденсаторе 33 фиксируется и хранится далее уровень выходно- го напряжения операционного усилителя 25, а само аналоговое запоминакяцее устройство 9 переходит в режим инвертирующего суммирования выкодных напряжений аналогового интегратора бил(4;)и повторителя напряжения (ijK Напряжение и,0(12 равно:.,

,оы -5 «а1У-.)-:-.,,

«4 R4 R4

K5.U,(t)(.

j . ч г

Ч к;г-гЧу 5К

СМ 21 R,

6.1 4 R4

,,

)

0

(3) R - сопротивления

где R,, R и соответственно первого 20, второго 21 и четверто5го 24 резисторов,

см приведенное ко входу напряжение смещения нуля операционного усили0теля 25 i

1), 5

коэффициенты передачи соответственно входного усилителя 3 по .

5 первому входу, аналогового квадрато-ра 5 и аналогового . интегратора 6 по первому входу.

0

Из-за того, что повторитель напряжения 32 включен в цепи отрицательной обратной связи операционного усилителя 25, имеющего большой

коэффициент усиления, влиянием его напряжения смещения нуля на формулу (3) можно пренебречь.

В конце интервала времени itipn в регистре данных 15 записывается

и хранится далее цифровой код Nqjri j полученньй на выходе преобразователя время - код 14.

Далее, с момента времени in первый вход входного усилителя 3 переключается посредством аналогового коммутатора 2 к общей шине, а вторая схема коррекции нуля 8 переходит в активное состояние (интервал вое9. мени от i до ig). В начале этогЬ интервала времени з.амыкается на короткое время цепь разряда 7, посредством которой аналоговьй интегратор 6 грубо, но быстро устанавливает ся в исходное состояние. Затем к моменту ) на выходе второй схемы коррекции нуля 8 появляется корректирующий сигнал, точно устанавливающий аналоговьй интегратор 6 в исходное -состояние. Затем, с момента времени г , пер вьй вход входного усилителя 3 переключается посредством аналогового ко мутатора 2 к выходу источника опорно го напряжения 1, а вторая схема коррекции нуля 8 переходит в пассивное состояние. При этом выходное напряжение аналогового интегратора 6 вновь начинает линейно убывать, так как на его первьй вход поступает с выхода а налогового квадратора 5 напряжение, прямо пропорциональное квадрату первичного опорного напряжения и/, (t) . Это продолжается в течение интервала времени от момента подключения к первому входу входного усипителя 3 первичного опо ного напряжения до момента равенст.ва выходного напряжения аналогового запоминающего устройства 9 (совпадающее с выходным напряжением операционного усилителя 25) с уровне общей шины, которьй фиксируется схемой сравнения 10. Благодаря тому, что блок управления 13 через управляющий вход схемы сравнения 10 переводит,ее из пассивного состояния (в течение которой она не реагирует на изменения ее входных сигналов) в активное только с момента времени ia , исключаются.возможные ложные срабатывания данной схемы сравнения в течение интервала времени от начала времени калибровки до момента времени i . Выходное напряжение аналогового запоминающего устройства 9 U, (t) в момент срабатывания схемы сравнения 10 (момент времени -t ) равно ,и8и.Ья1,о1... в этот же. момент времени выходное напряжение аналогового интегратора 6 Ua({) равно 54 .l .WJbxJ t d.uJ Подставив в формулу (4) значения Uioi) (4)из формул (3) и (5), после соответствующих преобразований, имеем Т. Чп л-Чи А е,,, R Rrll-Rl Из последней формулы следует, что :если Е Ej то решение данного уравнения относительно совпадает с уравнением (2), независимо от погрещности величин К , | и k бсм Таким образом, момент времени соответствует точному равенству напряжений, полученных на выходе аналогового интегратора 6 в конце интервалов временид1 р и ui х Параллельно с процессом формирования интервала времени импульсное напряжение, определяющее данный интервал времени, поступает от блока управления 13 на второй вход преобразователя время-код 14, в котором интервал времени uij линейно преобразуется в цифровой код NX . С момента времени i первьй вход входного усилителя 3 вновь подключается посредством аналогового коммутатора 2 к общей шине, обе схемы коррекции нуля переходят в активное состояние, а в .блоке деления 16 вьшолняется операция деления значения кода NX хранимого в самом преобразователе время - код.14, на значение ранее запомненного коД N фи , хранимого в регистре данных 15. Затем через интервал времени, определяемьй быстродействием блока деления, из цифрового кода, полученного в результате деления, извлекается квадратньй корень посредством блока извлечения квадратного корня 17. Через интервал времени, определяемьй быстродействием блока извлечения квадратного корня 17, цифровой код, полученньй на выходе данного блока, преобразуется посредством блока 18 индикации в форму, удобную для восприятия человеком.

Точность измерений цифрового вольтмё тра, реализующего предложенный способ, на низких частотах зависит в.основном от значений погрешностей формирования стабильного первичного опорного напряжения, обеспечения стабильных значений сопротивлений 8 и R , преобразования интервалов времени в цифровой код и выполнения в цифровой форме оп раций деления и извлечения квадратного кррня. Поскольку обеспечить малые величины упомянутых погрешностей технически не трудно, точность измерений цифрового вольтметра оказывается высокой в широком диапазоне параметров внешней среды.

Быстродействие данного цифрового вольтметра составляет несколько периодов измеряемого напряжения минималь ной частоты.

Благодаря тому, что начало и конец интервала времениьimncинxpoнизируют с моментами перехода через нуль измеряемого напряжения, а его длительность формируют кратной периоду измеряемого напряжения, пульса1щи, возникакицие при интегрировании квадрата измеряемого напряжения

низкой частоты, не влияют на результаты измерений предлагаемого способа.. Поэтому частотный диапазон предлагаемрго способа шире в области низких частот, чем частотный диапазон прототипа. При этом сохранено высокое быстродействие измерений, которое в предлагаемом способе не првышает длительности 2,5-3 периодов измеряемого напряжения минимальной частоты. При необходимости низкочастотный диапазон может быть разбит на несколько поддиапазонов, внутри каждого из которых выбирают поддиапазонные минимальные частоты.

В предлагаемом способе сравнителы нр-просто решена задача обеспечения независимости результатов измерений от частоты измеряемого напряжения, благодаря тому что интервал времени формируют как сумму двух частей: основной постоянной части 4 L, и дополнительной переменной части Л.Ьд . При этом с изменением частоты измеряемого напряжения изменяется лишь дополнительная часть интервала

/времениAtф({, причем чем выше частота тем меньше величина дополнительной

.части.

Л Л Л

V V

N

e

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕЙСТВУЮЩЕГО ЗНАЧЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ по авт.св. № 1040431, о -т -л и ч а ющ и и с я тем, что, с целью расширения частотного диапазона в области низких частот при сохранении высокого быстродействия, на низких частотах фиксированный интервал времени превра1дают в переменный, состоящий из двух частей: основной постоянной части, длительность которой выбирают равной половине периода измеряемого напряжения минимальной частоты, а ее начало синхронизируют с моментом перехода через ноль измеряемого напряжения, и дополнительной переменной части, начало и конец которой синхронизируют соотйетственно с концом основной части и с очередным моментом перехода через ноль измеряемого напряжения, отстоящего от начала основной части на время, кратное периоду измеряемого напряжения, при этом искомое действуняцее значение определяют извлечением квадратного корня из частного отношения 5 длительности импульса, образованного (Л в результате времяимпульсного преобразования, к длительности интервала времени, превращенного из фиксированного в переменньм.