Измерительный преобразователь среднеквадратичного значения напряжения в постоянное напряжение Советский патент 1985 года по МПК G01R19/22 

I Изобретение относится к электроиз мерительной технике и может быть использовано в вольтметрах среднеквадратичного значения напряжения. Известен линейный преобразователь среднеквадратичного значения напряжения в постоянное напряжение, содер жаний выпрямляющее устройство, ампли тудный вьшрямитель, генератор разнополярного треугольного напряжения, два устройства сравнения, схему И, ключ и .интегратор 1Д . В известном преобразователе обеспечивается широкий диапазон входного напряжения, однако чувствительность его квадратора примерно в два раза ниже, чем у квадраторов с однополяр ным треугольным напряжением. Кроме того, преобразователю свойственна погрешность, вызванная пульсацией напряжения на выходе амплитудного выпрямителя. Уровень пульсации этог напряжения зависит от постоянной разряда конденсатора амплитудного в прямитетеля. Увеличение постоянной разряда приводит к увеличению переходного процесса при уменьшении амплитуды входного напряжения и, след вательно, к уменьшению быстродействия преобразователя. Рассмотрим влияние пульсации выходного напряжения амплитудного выпрямителя на погрешность преобразования, считая входное напряжение си нусоидальным (и sincot), тогда для выходного напряжения амплитудного выпрямителя можно получить следующее приближенное выражение, справед ливое на полупериоде синусоидальног .сигнала (от одного максимума до дру гого максимума выпрямленной синусои ды) )..Среднее значение этого напряжения, которое принимается за амплиту ду треугольного напряжения, равно IT 2V , 2CUn-r. -T/2t-) f J идв) J 1 о с - постоянная времени амплитуд ного выпрямителя; Т - период синусоидального напря жения. Переменная составляющая выходного напряжения амплитудного выпрямителя равна иАн)и,,и)-идв,р . Эта составляющая складывается с входным вьтрянпенным напряжением (в данном случае синусоидальным), 8 озводится в квадрат и дает отличное от нуля постоянное смещение, которое и определяет погрешность преобразования. Определяем его, m ,2. Jc(H4 nnWco5(oi-2 :JUftn(ilco6(oiJi- °.т/4 .|.|,.).и„.-№ и„с „ал-jfe(,-/«),U..o«ajt.. ЩJ ь и I- . . . Знак приблизительного равенства объясняется тем, что экспоненциальная функция разлагается в степенной ряд. Относительная погрешность преобразования определяется по формуле с с« - 2Ус, . 2TU2 0|- где и - квадрат среднеквадратичного « значения синусоидального напряжения. Таким образом, погрешность от пульсации выходного напряжения амплитудного выпрямителя получается большой, особенно при работе преобразователя на низких частотах, например 50 Гц, При погрешности преобразования 1% о должно быть порядка 1,3 с, что для промьшшеннык преобразователей недопустимо, так как их время установления не должно превьппать 0,3-0,5 с. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является измерительный преобразователь среднеквадратичного значения напряженияяя в постоянное напряжение, содержащий генератор разнополярного треугольного напряжения, соединенный с первыми входами двух ограничителей. Второй вход первого ограничителя является входом преобразователя. Выходы ограничителей связаны со входами суммирукмце- фильтрующего устройства низкой частоты, выход которого через ограничитель полярности и модулятор соединен со вторым входом второго ограничителя И Однако этому преобразователю присущи недостатки: малая чувствительность, которая снижается пропорционально квадрату среднеквадратичного значения входного напряжения и, в связи с этим, узкий динамический диапазон и большие погрешности при работе с малыми напряжениями. Действительно, выходное сруеднее значение напряжения (U .„ ) на выходе ограничителя равно , (1) где Ux - СКЗ преобразуемого напряжения; амплитуда треугольного напряжения. Из выражения (1) видно, что И уменьшается, при уменьшении Ux по квадратичному закону. Например, при уменьшении и у в 10 раз и уменьшается в 100 раз. Это приводит к тому, что резко возрастает погрешность от нестабильности нуля суммирующего фильтрующего устройства. Можно получить с -&Р -™ Ар где f.p погрешность от дрейфа нуля Если считать дрейф нуля операцион ного усилителя, равным 10 В/ С, предел преобразования 1 В, коэффициент амплитуды входных напряжений, равным 2, при этом А 2В, то из выражения (2) можно вычислить относительную погрешность на 10°С при U)(0,1 В; дрд, 8%, которая соответствует приведенной погрешности 0,8%. Такая погрешность не допус-тима в современных преобразователях среднеквадратичного значения напряжения. Цель изобретения - повьш1ение точности преобразования и расширение динамического диапазона преобразуе.мых напряжений. Поставленная цель достигается тем что в измерительный преобразователь, : среднеквадратичного значения напряжения в постоянное напряжение, содер жащий генератор треугольного напряже ния-, выход которого подключен к первым входам двух ограничителей напряжения, фильтрующее устройство низкой частоты, выход которого связан с выходной шиной и со вторым входом первого ограничителя напряжения, второй вход второго ограничителя напряжения соединен с входной шиной, дополнительно содержит амплитудный выпрямитель, вход которого подключен к вход ной шине, а выход - ко входу генератора треугольного напряжения, вьшолненного в виде генератора однополяр- ного напряжения и вычитающий блок. включенный между выхрдами ограничителей напряжения и входом фильтрующего Устройства низкой частоты. На фиг,. 1 приведена структурная схема преобразователя; на фиг. 2 эпюры напряжений в характерных точках преобразователя. ./ Измерительный преобразователь среднеквадратичного значения напряжения в постоянное напряжение содержит генератор треугольного напряжения 1, выход которого подключен к первым входам двух ограничителей напряжения 2 и 3, фильтрующее устройство низкой:частоты 4, выход .которого связан с выходной шиной и со вторым входом первого ограничителя напряжения 2, второй вход второго ограничителя напряжения 3 соединен со входной шиной. В преобразователь дополнительно введен амплитудный выпрямитель 5, вход которого подключен к входной шине, а выход - ко входу генератора треугольного напряжения 1. Генератор треугольного напряжения 1 выполнен в виде генератора однополярного напряжения. Вычитающий блок (не показан) включен между выходами ограничителей напряжения 2 и 3 и Фильтрующим устройством низкой частоты 4. - Измерительньй преобразователь среднеквадратичного значения напряжения в постоянное напряжение работает следующим образом. После подачи на вход .преобразователя преобразуемого напряжения И (t) на выходах ограничителей напряжения 2 и 3 формируются напряжения соответственноUv(t)7r-. U4.(t)ff- ; (3) 2А 2А л Ад -среднеквадратичное значение входного напряжения; -выходное постоянное напряжение;- амплитуда треугольного напряжения. Напряжение на выходе фильтрующего стройства низкой частоты 4, котоое является выходным постоянным напряжением преобразователя, равно (t)-U3(t)Ujy, .(4) де KU - коэффициент усиления фильтр щего устройства 4. Подставим в вьфажении (4) соотношение (3) получаем UjtlL Uia- Цж« 2А„ 2А„, Отсюда .1Т бых . u,K.. Знак равенства выполняется с погрещ HocTi io меньшей 0,01% уже при Кц 300 : Таким образом, выходное постоянн напряжение прямо пропорционально среднеквадратическому значению вход ного напряжения. Оценим относительную погрешность вызванную дрейфом нуля фильтрующего устройства 4, , . тогда р .5A.i. 5 - - - - АГи КА « .Ug,, ft где и.,.. ,,„., максимальное значение ох махе . - коэффициент амплитуды входного напряжения; К - коэффициент пропорциомальности преобразован амплитуды входного напряжения в амплитуду треугольного напряжени Оцениваем значение погрешности в предлагаемом преобразовании при тех же условиях, что и в прототипе, считая Ki 1,1 (соответствует уровн пульсации, равной 10%), в том случа др 0,8% 1,1 0,9%. Это соответствует приведенной по грешности 0,1%. В измерительном преобразователе отсутствует погрешность, вызьгеаемая пульсацией выходного напряжения амплитудного выпрямителя. Это видно из эпюр напряжений на выходе отдель ных блоков преобразователя, приведе ных на фиг. 2. Так как в преобразователе треугольное напряжение однополярное U(i(t), то нулевой уровень треугольного Напряжения не подвергается амплитудной модуляции выходным напряжением амплитудного выпрямителя. На выходе ограничителей и U).(t)J выделяется разностное напряжение между ) и (t); Ua(t) и Up;((t). Как видно из эпюр напряжений ) и U(t)J f оно не зависит от пульсации выходного напряжения амплитудного выпрямителя, т.е. точность преобразования не зависит от пульсации напряжения ). Благодаря тому, что амплитуда треугольного напряжения А изменяется пропорционально уровню входного напряжения 3д (t) между изменениями уровня входного напряжения Ug(t) и его квадратом, как следует из соотношений (3), существует пропорциональная зависимость. По этой причине измерительный преобразователь имеет расширенный динамический диапазон и значительно уменьшенную погрешность преобразования, особенно при малых уровнях входного напряжения. Таким образом, использование предлагаемого генератора треугольного напряжения с возможностью формирования однополярного напряжения с амплитудой, пропорциональной амплитуде входного напряжения, при посредстве амплитудного выпрямителя, а также выполнение фильтрукяцего устройства .с возможностьк) вычитания его входных сигналов позволяют расширить динамический диапазон преобразователя и повысить точность преобразования. Для обеспечения преобразования разнополярного напряжения, его можно подать на вход преобразователя через любой из известных двухполупериодных измерительных выпрямителей.

(ft(t}

s

f(n

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СРЕДНЕКВАДРАТИЧНОГО ЗНАЧЕНИЯ НАПР5ШЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ НАПРЯЖЕНИЕ, содержащий генератор треугольного напряжения, выход которогоподключен к первым входам двух ограничителей напряжения, фильтрующее устройство низкой частоты, выход которого связан с выходной шиной и со вторым входом первого ограничителя напр5гаения, второй вход второго ограничителя напряжения соединен со входной шиной, отличающийся, тем, что, с целью повьшения точности и расширения динамического диапазона, в него дополнительно введен амплитудный выпрямитель, вход которого подключен к входной шине, а выход - ко входу генератора треугольного напряжения, выполненного в виде генератора одно(Л полярного напряжения и вычитающий . блок, включенный между выходами ограс ничителей напряжения и входом фильтрующего устройства низкой частоты.

)

4 /

иг.2 ,(t)

-5

U8t,x(t) (/r(t) .