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

1 Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования при создании точных широкополосных вольтметров. Целью изобретения является расши рение частотного диапазона устройства в сторону инфразвуковых частот при сохранении высокой точности измерения. На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для измерения действующего значения перемен ного напряжения; на фиг. 2 - схема стабилизированного источника биений звуковых напряжений на фиг. 3 - вр менные диаграммы сигналов, иллюстри рующие работу устройства. Устройство (фиг. 1) содержит стабилизированный источник биений звуко вых напряжений, блок 2 управления, переключатели 3 и 4, термопреобразователь 5, преобразователь 6 напряжения в частоту, вычислительный блок 7, переключатель 8, делитель 9 частоты (на два), реверсивный счетчик 10 импульсов, отсчетный блок 11 и преобразователь 12 код - напряжение Сигнальные входы переключателя 3 соединены с входом устройства и с выходом преобразователя 12 код - нап ряжение. Термопреобразователь 5 и преобразователь 6 напряжения в частоту включены последовательно. Суммирующий и вычитающийвходы реверсив ного счетчика 10 импульсов подключены к соответствующим выходам переключателя 8 непосредственно и через делитель частоты 9, а выход соединен с сигнальными входами преобразователя 12 код - напряжение и отсчетного блока 11. Вход стабилизированного источника 1 биений звуковых напряжений соединен с входом устройства, подключенным к первому входу блока 2 управления, первый выход - с питающим входом преобразователя 12 код - напряжение и с вторым входом блока 2 управления, а второй выход с одним из сигнальных входов переключателя 4, другой сигнальный вход которого подключен к выходу переключателя 3, а выход - к входу термопреобразователя 5. Сигнальный вход вычислительного блока 7 соединен с выходом преобразователя 6 напряжения в частоту. Выходы блока управления подключены к управляющим входам переключателей 3, 4 и 8, 322 вычислительного блока 7, реверсивного счетчика 10 импульсов и отсчетного блока 11. Стабилизированный источник 1 биеНИИ звуковых напряжений (фиг. 2) содержит генератор 13 опорной частоты, управляющий узел 14, управляемый делитель 15 частоты, делитель 16 частоты, управляемые аттенюаторы 17 и 18, избирательные фильтры 19 и 20, блоки 21 и 22 сравнения действующих значений переменного и постоянного напряжений, источник 23 опорного постоянного напряжения и аналоговый сумматор 24. Выход генератора 13 опорной частоты соединен с информационными входами управляемого делителя 15 частоты и делителя 16 частоты, выходы которых соединены с сигнальными входами управляемых аттенюаторов 17 и 18. К выходам управляемых аттенюаторов 17 и 18 подкл бчены входы соответственно избирательных фильтров 19 и 20, которые своими выходами соединены с входами аналогового сумматора 24 и первыми входами блоков 21 и 22 сравнения действующих значений переменного и постоянного напряжений, подключенных вторыми входами к выходу источника 23 опорного постоянного напряжения. Выходы блоков 21 и 22 сравнения соединены с управляющими входами соответствующих управляемых аттенюаторов 17 и 18. Управляющий вход управляемого делителя 15 частоты подключен к выходу управляющего узла 14, вход которого является управляющим входом стабилизированного источника 1 биений звуковых напряжений. Выход сумматора 24 и выход избирательного фильтра 20 являются соответственно первым и вторым выходами стабилизированного источника 1 биений звуковых напряжений .. . Работа устройства для измерения действующего значения переменного напряжения происходит в два цикла, каждый из которых состоит из двух тактов. Длительность циклов и тактов задается блоком 2 управления с помощью переключателей 3, 4 и 8. При этом первому циклу соответству- ют положения переключателей 3 и 8, при которых замкнуты первые -(верхние на фиг. 1) контактные группы, а второму циклу - положения переклю31173332чателей 3 и 8, при которых замкнуты вторые контактные группы. Первому такту измерения -соответствует положение переключагеля4, при котором замкнута первая (верхняя на фиг. 1) j контактная группа, а второму такту положение, при котором замкнута вторая контактная группа. В первом такте первого цикла измеряемое напряжение U (фиг. 3,3 ) ю через переключатели 3 и 4 подается на вход термспреобразсвателя 5, который преобразует действукицее значение измеряемого напряжения в термоэлектродвижущую силу. При измерении 15 звукового напряжения термоэлектродвижущая сила на выходе термопреоб- разователя 5 представляет собой постоянное напряжение, а при измерении инфразвукового напряжения электро- 20 движущая сила состоит из двух составляющих: постоянной е., несущей информацию о действукмцем значении Ux и цпеременной е, частота которой равна удвоенной частоте измеряемого напря- 25 жения и (фиг. 3,е ). С помощью преобразователя 6 напряжения в частоту термоэлектродвижущая сила преобразуется в частоту импульсов. С задержкой по отношению к началу каждого такта, необходимой для установления выходной термоэлектродвижущей силы термопреобразователя 5, по команде блока 2 управления включается вычислительный блок 7. В первом такте вычислительный блок 7 вьтолняет функцию интегратора. Время интегрирования задается блоком 2 управления и, с целью исключения методической погрешности на инфразБуковых частотах, вы- о бирается равным целому числу периодов измеряемого напряжения U,j . Количество периодов выбирается в зависимости от частоты измеряемого напряжения Ujj и с учетом обеспечения макеи- 5 мальной точности вычислений в вычислительном блоке 7. К концу первого такта первого цикла в вычислительном блоке 7 записывается число N, (К,),. (К, (Ш + иД)пТ X о где (Кс), , (К), коэффициенты передачи звеньев 5 и 6 в первом такте первого циклам 55 действующее значе- , ние измеряемого напряжения U,;; по кл 5 то на де фи ча ко та го вт 7 со та щи ва вт ци изв кол ны ни пе го действующее значение напряжения аддитивного шума, приведенного к входу устройства i число периодов измеряемого напряжения и,, , период измеряемого напряжения tjjc. Во втором такте переключатель 4 команде блока 2 управления подчает к входу термопреобразователя торой выход стабилизированного исника 1 биений звуковых напряжений, котором действует постоянное по ствующему значению напряжение сированной звуковой частоты. Вклюмый блоком 2 управления с задержвычислительный блок 7 во втором те выполняет функции делительнои корнеизвлекающего узлов. Во ром такте вычислительный блок роизводит деление числа импульNJ , записанного в нем в первом те, на число импульсов, поступаюна его вход с выхода преобразоеля 6 напряжения в частоту во ром такте. Одновременно с операй деления производится операция лечения квадратного корня. Поську во втором такте вычислительблок 7 включен на протяжении времеравного времени его включения в вом такте, на его вход за время второакта поступает число импульсов (KJ,. (Kj: + U2)n т я , (2) коэффициенты передачи преобразователей 5 и 6 во втором такте первого цикла (их значения могут отличаться от значений в первом такте вследствие частотной неравномерности) ; действующее значение опорного звукового напряжения на втором выходе стабилизированного источника 1 . В результате операций деления и извлечения квадратного корня за время второго такта первого цикла с выхода вычислительного блока 7 через переключатель 8 на суммирующий вход реверсивного счетчика 10 посту пает число импульсов., liT. |Тк5);-(х,у, 7и I 1 и.. д HM -UbVa , М (JxH+yal , (Ы ГИГ Цх0-Ум (Чc,, где 2К Kj/Up - номинальное значение коэффициента передачи прямого канала в первом цикле измерения, Kj - коэффициент переда чи вьйислительного блока 7, 1 -. 1 U| U -{ -2WUT7D|1 + си лультипликативная погрешность коэффи циента преобразова ния прямого канала г1ддитивная погрешность коэффициента преобразования пря мого канала; . UKj);, (Кб),-(к,);(Кб)2 ГГ (К,) -(К,); тотная погрешност коэффициента преоб разования прямого канала в первом ци ле измерения. С разрядных выходов реверсивного счетчика 10 информация передается на разрядные входы преобразователя 12 код - напряжение, на выходе кот рого к концу первого цикла устанавливается напряжение N ( 1 + V ) J гжн - коэффициент преобразовани преобразователя 12 код напряжение, причем Кц Y пкн погрешность преобразоват ля 12 код - напряжение. Поскольку на выходе вычислительного блока 7 во время первого такта обоих циклов импульсы отсутствуют, то состояния, которые установились В реверсивном счетчике 10 и преобразователе 12 код - напряжение во втором такте, сохраняются без изменений в течение первого такта последующего цикла измерений. Во втором цикле измерений предложенное устройство работает аналогично. Однако в первом такте к входу термопреобразователя 5 покдлючается вместо измеряемого напряжения выходное напряжение преобразователя 12 код - напряжение, а во втором такте выходные импульсы вычислительного блока 7 поступают не на суммирующий вход, а через делитель 9 частоты на вычитаюшдй вход реверсивного счетчика 10. Продолжительность работы вычислительного блока 7 в каждом из тактов втррого цикла одинакова и составляет целое число периодов . биений звуковых напряжений, информапдя о которых на блок 2 управления подается с первого выхода стабилизированного источника 1 биений звуксвых напряжений. Для нормальной работы предложенного устройства необходимо, чтобы действующее значение сигнала на каждом из выходов источника 1 было постоянным. Кроме этого, частота биений должна быть равна удвоенной частоте измеряемого напряжения и при измерении инфразвукового тепловая напряжения, постоянная времени термопреобразо- вателя 5соизмерима или меньше периода измеряемого напряжения Ь . При измерении же звукового напряжения частота биений должна быть звуковой, однако при этом она может быть фиксированной, поскольку в этом случае обеспечивается такой же статический режим работы термопреобразователя 5, который имеет мес- , то при подаче на него постоянного нацряжения. Таким образом, для обеспечения идентичности режимов работ1 1 термопреобразователя 5 в первых тактах обоих циклов измерения стабнлизированный источник 1 биений звуковых напряжений должен обеспечивать получение частоты биений, равной удвоенной частоте измеряемого напряжения Uj , при измерениях в диапазо не инфразвуковых частот и фиксированной звуковой .частоты биений при измерениях в диапазоне звуковых частот. Фиксированная частота звуковых биений при измерениях звуковых напряжений выбирается равной удвоен ной верхней частоте инфразвукового диапазона, т. е. около 40 Гц. Стабилизированный источник 1 бие ний звуковых напряжений представляет собой двухканальный генератор синусоидальных колебаний, на выходе которого включен аналоговый сумматор 24. Частоты обоих синусоидальных сигналов являются производными частоты, генератора 13 опорной часто ты. Высокая частота с выхода генератора 13 поступает на входы управляемого делителя 1 5 частоты и делителя 16 частоты,На выходе делителя 16 созда ется прямоугольное напряжение типа меандр фиксированной звуковой частоты Управляющий узел 14 благодаря информа ции о частоте измеряемого сигнала Ux , пос.тупающер на управляющий вход, устанавливает такой коэффициент деления управляемого делителя 15, при котором его выходная частота (сигнал прямоугольной формы типа меандр отличается от частоты на выходе делителя 16 частоты на удвоенное значение частоты измеряемого напряжения U)( в случае измерения инфразвукового напряжения. Если измеряется звуковое напряжение, то коэффициент деления устанавливается фиксированным и таким, чтобы выходная частота управляемого делителя 15 отличалась от выходной частоты делителя частоты 16 примерно на 40 Гц. При этом значения частот выходных сигналов делителей 15 и 16 выбираются на нес колько порядков выше верхней частот инфразвукового диапазона. Выходные сигналы делителей 15 и 16 подаются на входы соответствующих управляемы аттенюаторов 17 и 18, где происходи нормирование их уровней. С выходов управляемьгх аттенюаторов 17 и 18 сигналы поступают на входы избирате ных фильтров 19 и 20. В результате избирательных свойств фильтров 19 и 20 сигналы V , U (фиг. 3) на их выходах представляют собой синусоидальные колебания, частоты которых равны частотам прямоугольные; сигналов на выходах делителей 15 и 16. Указанные синусоидальные сигналы подаются на первые входы соответствующих блоков 21 и 22 сравнения действующих значений переменного и постоянного напряжений, на вторые входы которых подается напряжение с выхода источника 23 опорного постоянного напряжения.В зависимости от соотнощения действующих значений синусоидального и постоянного напряжений на выходе каждого из блоков 21 и 22 сравнения образуются такие управляющие сигналы, которые, воздействуя на управляющие входы управляемых аттенюатаров 17 и 18, обеспечивают постоянство действующих значений синусоидальных напряжений на выходах избирательных фильтров 19 и 20. Оба указанных стабилизированных по действующему значению синусоидальных напряжения подаются на суммирующие входы аналогового сумматора 24. Выходное напряжение и(фиг. 3) сумматора 24 представляет собой стабилизированные по действующему значению биений звуковых напряжений. Оно снимается с первого выхода стабилизированного источника 1. На втором выходе источника 1 существует стабилизированное по действукяцему значению выходное синусоидальное напряжение избирательного фильтра 20 фиксированной частоты. Исходя из того, что во втором цикле измерений предложенное устройство для измерения действующего значения переменного напряжения работает так же, как в первом число импульсов, зафиксированное в ВЬЕЧИСлительном блоке 7 в конце первого такта второго цикла, записывается следующим образом: N (Kj;. (кл;. (ш + ид )пТл (з) где (к,) и (К,) - коэффициенты преV образования преобразователей 5 и 6 в первом такте второго циклам и - действующее значение напряжения на выходе преобразователя 12 код - напряжение в первом такте второго цикла;

у11

Tjj - период биений звуковых напряжений, За второй такт второго цикла на вход вычислительного блока 7 поступает число импульсов

N (v;(K,); № + ;ьт (6) где (Kf)2 и - коэффициенты передачи преоб разователей 5 6 во втором та те второго ци ла, причем (V.g (Kj);, а (К,) . ( результате операций делений и извлечения квадратного корня за время второго такта второго цикла с выхода делителя 9 частоты на вычитающий вход реверсивного счетчика 10 поступает число импульсов где / - I J-iMLjlibiliblL . и 2 (кр;(к); частотная погрешность коэффици ента преобразования прямого ка нала во втором цикле измерения Значение Uj, может быть определено путем подстановки выражения (3) в (4) с принятием во внимание равенс ва К,| К. Исходя из этого UK и,(1 -у) (1 и- у) (1 + -(f.,.) Учитывая, что 1)2 -V -3, и принимая во ОМ U2 внимание (8), выражение (7) можно преобразовать N Ки,(1 -у)Ч1 ) (1 + n.j (1 -)с) (1 --/;). . Di Сброс реверсивного счетчика 10 в нулевое состояние происходит в начале второго такта первого цикла а запись информации в него производится во время вторых тактов обо их циклов, причем в первом цикле и

733321

формация записывается череу суммирующий вход, а во втором - через вычитающий вход. Поэтому к концу второго цикла в реверсивном счетчике 10 записывается число

N N - N

(10) С учетом (3) и (9) выражение (10) принимает вид N Ки 2(1 -U) (1 + Уд) (1 + + У/) - (1 -Гм) (1 +Ь) (1 + (1 Уг . 11) Если пренебречь величинами третьего и выше порядка малости, а также величинами второго порядка малости, содержащими множитель У , то выражение (11) приводится к виду .LI -уп.иЛГ + „ ЙмУа , 12) . . о , . о . - л т Из выраясения (12) видно, что выбирая коэффициент К равным единице, можно к концу второго цикла получить в реверсивном счетчике 10 код N, численно равньй действующему значению измеряемого напряжения Uj. Поскольку к выходу реверсивного счетчика 10 подключен цифровой отсчетный блок 11, показания последнего на протяжении первого такта последующего цикла измерений равны этому значению измеряемого напряжения. Подача питания на цифровой индикатор цифрового отсчетного блока 11 осуществляется по команде блока 2 управления во время первого цикла каждого измерения, т.е. когда на входе отсчетного блока 11 существует результат предыдущего измерения. Как видно из (12), суммарная погрешность измерения равна lJn.H+ (yl-ri ) - (Ь-УО,) + ( 2у„).(13) Использование стабилизированного источника 1 биений звуковых напряжений позволяет обеспечить в первом такте второго цикла измерений такой же режим работы термопре.образователя 5 и включенного после него преобразователя 6 напряжения в частоту, как и в первом такте первого цикла измерений (фиг. 3,) . Идентичность режимов указанных звеньев структурной схемы устройства обусловлена тем, что термопреобрауовате.ги, 5 при подаче на его вход биений звуковых n частот вследствие своей инерционное ти не реагирует на мгновенные значе ния звуковых составлякнцих, а реагирует на изменения действующего значения суммы звуковых составляющих, образующих биения, и только в том случае, если период биений соизмерим или больше тепловой постоянной времени термопреобразователя 5. При измерении инфразвукового на ряжения режим работы термопреобразователя 5 в первых тактах обоих циклов динамический, а при измерении звукового.напряжения - статический. Из этого слует, что частот ные погрешности и jj j , обусловленные термопреобразователем 5 и включенным, после него преобразователя 6 напряжения в частоту, оди наковы в обоих циклах измерения вн зависимости от частоты измеряемого напряжения учетом изложенног выражения (13) упрощается и принимает вид (Ум-Уа) IfiCyr - (f nkk Па) У. - частотная noi- решность прямо канала. В предложенном устройстве частотная погрешность у. влияет на результат измерений значительно 22 меньше, чем в известном, поскольку в результате умножения на у j. + 2 у становится величиной второго порядка малости. Остальные составляющие суммарных погрешностей у и у. являются величинами одинакового порядка малости.. Расширение частотного диапазона в сторону инфразвуковых частот в предложенном устройстве оказывается возможным в результате применения вычислительного блока 7, выпол-няющего функции цифрового интегрирования, деления и извлечения квадратного корня. Вычислительный блок 7 совместно с преобразователем 6 напряжения в частоту, подключенным к выходу термопреобразователя 5, позволяет производить необходимые для определения действующего значения напряжения операции интегрирования, деления на период и извлечения квадратного корня практически с одинаковой точностью вне зависимости от частоты измеряемого напряжения Uj; , При этом благодаря применению стабилизированного источника 1 биений звуковых напряжений удается существенно уменьшить влияние частотной погрешности прямого канала. Последнее обстоятельство позволяет достичь расширения частотного диапазона, при этом сохраняется высокая точность измерений.

Вход

/ о

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗШРЕНИЯ ДЕЙСТВУЮЩЕГО ЗНАЧЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащее первый переключатель, сигнальные входы которого соединены со входом устройства и с выходом преобразователя код-напряжение, последовательно включенные термопреобразователь и преобразователь напряжения в частоту, реверсивный счетчик импульсов, суммирующий и вычитающий входы которого подключены к соответствукхцим выходам второго перекл очателя непосредственно и через делитель частоты, а выход соединен с сигнальными входами преобразователя код-напряжение и отсчетйЬго блока, третий переключатель, блок управления, первый, второй. третий и четвертьш выходы которого подключе}1ы к управляющим входам соответственно первого и второгопереключателей, третьего переключателя реверсивного счетчика импульсов, отсчетного блока, отличающееся- тем, что, с целью paciuiiрепня частотного диапазона в сторону инфразвуковых частот, в пего введены стабилизированиый источник биений звуковых напряжепил и вычислительный блок, причем вход упомянутого источника биений соединен с входом устройства, подключенным к i первому входу блока управления, нервьш выход - с питающим входом пре(Л С образователя код - напряжение и с вторым входом блока управления, а второй выход - с одним из сигнальных входов третьего переключателя, другой сигнальный вход которого подключен к выходу первого переключателя, а выход - к входу термопреобразователя, сигнальный вход вычислительного блока соединен с выходом преоб | разователя напряжения в частоту, с управляющий вход - с пятым выходом блока управления, а выход - с сигОд нальным входом второго переключателя. го

Фиг.2

ч А,1-/л

e«/

z.