Измерительный преобразователь активной мощности Советский патент 1986 года по МПК G01R21/06 

15

« 123961

Изобретение относится к электрозмерительной технике и может быть спользовано в радиотехнике и гидрокустике для измерения активной мощости непрерывных синусоидальных игналов и радиоимпульсов с длительостью, превышающей единицы миллисеунд, в диапазонах звуковых, ультравуковых и радиочастот.

Целью изобретения является умень- Q ение погрешностей, измерен.ия.

На чертеже приведена функ1чиональ- ная схема измерительного преобразователя активной мощности.

Измерительный преобразователь активной мощности содержит полевой транзистор 1, соединенные последова- корректор 2 и аналоговьй сум- матор 3, делитель 4 напряжения преобразователь 5 напряжение-ток, фильтр .... 6 нижних частот, источник 7 регулируемого напряжения смещения, выход которого соединен с третьим входом аналогового сумматора 3, выход которого соединен с затвором полевого транзис- 25 тора 1, исток которого соединен с шиной нулевого потенциала, второй вход аналогового суьшатора 3 соединен с выходом делителя 4 напряжения вход которого соединен с входом преобразователя 5 напряжение-ток выход которого соединен со стоком полевого транзистора 1 и входом фильтра 6 нижних частот, источник 8 стабильного синусоидального напряжения,первый 9 и второй 10 электронные переключатели первые входы которых соединены соответственно с первым и вторым входами измерительного преобразователя-активной мощности, вторые входы - с выходом источника 8 стабильного синусоидального, напряжения а выходы - соответственно с соединенными друг с другом входами делителя 4 напряжения и преобразователя 5 напряжение- ток,и входом корректора 2, первьй элемент 11 выборки-хранения,вход которого соединен с выходом фильтра 6 нижних частот, а выход - с выходом измерительного преобразователя активной мощности, соединенные последова- тельно второй элемент 12 выборки-хранения и компаратор-интегратор 13, соединенные последовательно третий элемент 14 выборки-хранения и усилитель-интегратор 15, формирователь- 5 распределитель 16 импульсов управления выходьГ которого соединены с вхо- р,ами управления электронных переклю30

45

5

61

Q

.... 25 5

30

чателей 9 и 10 и входами управления элементов 11, 12 и 14 выборки-хранения детектор 17 огибающей радиоимпульсов, вход которого соединен с входом электронного переключателя 9, а выход - с входом управления формирователя-распределителя 16 импульсов управления,причем входы второго и третьего элементов 12 и 14 выборки- хранения соединены с выходом фильтра 6 нижних частот вькод компаратора- интегратора 13 соединен с входом управления корректора 2, а выход усилителя-интегратора 15 - с входом управления д чителя 4 напряжения.

Измерительный преобразователь активной мощности осуществляет преобразование напряжений U, и U пропорциональных соответственно мгновенным значениям тока, и напряжения нагрузки источника сигнала к которой подключен измеритель активной мощности, в соответствии в уравнением 1), , , и,,где К МП - коэффициент преобразования измерительного преобразователя,а черта над произведением и, и Ug означает нахождение среднего значения этого произведения которое пропорционально активной мощности, поскольку активная мощность

ВХ

4-1

&х вх

а .

Особенностью предлагаемого измерительного преобразователя является то, что он в отличие от известного вырабатьшает вь-жодное напряжение U j, не непрерывно, а периодически.Это связано с тем, что для обеспечения автоматической коррекции аддитивной и мультипликативной погрешностей интервалы времени работы измерительного преобразователя разбиваются на многократно повторяюпщеся периоды с длительностью Т . каждый из которых содерлшт три: цикла. Во время первого цикла осуществляется коррекция аддитивной погрешности, связанной с составляющей напряжения исток-сток полевого транзистора 1, пропорциональной квад,рату тока канала. Во время второго цикла осуществляется коррекция мультипликативной погрешности, связанной с непостоянством коэффициентов преобразования узлов измерительного преобразователя и коэффициента ct полевого транзистора

Во время третьего цикла преобразователь формирует напряжение i про10

t5

порциональное измеряемой мощности. В течение этого цикла предлагаемьй измерительный преобразователь работает аналогично преобразователю активной мощности известного измерителя активной мощности.При этом в измерительном преобразователе входные напря жения и, и Uj через электронные переключатели 9 и 10 соответственно пос- -тупают на входы делителя А напряжения и преобразователя 5 напряжение-ток и вход корректора 2.

Выходной ток преобразователя 5 напряжение-ток, протекаклций через канал полевого транзистора 1, линейно связан с первым входным напряжением и, измерительного преобразова- теля и входным током « . измерителя мощности, в состав которого входит преобразователь, Переменное нап- жение, поступающее, в цепь затвора полевого транзистора от аналогового сумматора 3, является суммой выходного напряжения корректора 2, которое пропорционально второму входному напряжению измерительного преобразователя и входному напряжению Ugj измерителя мощности и выходного напряжения дьлителя 4 напряжения. При этом напряжение исток-сток полевого тран- - зистора 1 содержит три составляющих. Первая из них пропорцион альна (J , вторая -квадрату U, , а третья - произлиаительно рарно половине напряжени исток-сток полевого транзистора 1 .

Коррекция аддитивной погрешност связанной с квадратичной составляющ напряжения исток-сток в объекте предлагаемого изобретения,обеспечив ется регулировкой коэффициента пере дачи делителя 4 напряжения во время первого цикла (цикла коррекции, нуля измерительного преобразователя мощности. Во время этого цикла выходно напряжение источника 8 синусоидал ного напряжения поступает на входы преобразователя 5 напряжение-ток и делителя 4 напряжения через электро ный переключатель 9. При этом на вх де корректора 2 переменное напряже ние отсутствует,так как электронный переключатель 10 не пропускает ни одного из его входных напряжений. Постоянное напряжение квадратичной составляющей вьщеляется фильтром 6 нижних частот. В конце цикла коррекции нуля третий элемент 14 выборки- хранения обеспечивает выборку этого напряжения и оно усиливается усилителем-интегратором 15, выходное напряжение которого обеспечивает управление коэффициентом передачи делителя 4 напряжения. В результате toro, что усилитель-интегратор 15 в такой схеме измерительного преобразователя через делитель 4 напряжения, поле вой транзистор 1, фильтр 6 нижних частот и элемент 14 выборки-хранения

20

25

веденшо U,- U , среднее значение ко- 35 охватьшается отрицательной обратной

торого пропорционально измеряемой мощности. Подавление первой и выделение среднего значения третьей составляющей достигаются с помощью фильтра 6 нижних частот.

Составляющая., пропорциональная квадрату и, при измерении мощности в цепяхJгде действуют синусоидальные напряжения, представляет собой сумму постоянного и переменного напряжений с частотой, в два раза превьшающей частоту U(, и входйого напряжения изме рителя мощности. Так как постоянное напряжение этой составляющей на выхода фильтра 6 складьгоается с постоянным напряжением,пропорциональным активной мощности,эта составляющая должна быть подавлена. В измерительном преобразователе это достигается установкой такого коэффициента передачи делителя 4 напряжения при котором его выходное напряжение приб

50

55

связью, через несколько циклов коррекции нуля достигается подавление постоянного напряжения квадратичной составляющей.

Для обеспечения устойчивости режи ма коррекции нуля постоянная времени усилителя-интегратора 15 должна быть во много раз больше, чем длительность переходных процессов в фильтре 6 нижних частот.

Коррекция мультипликативной погрешности, связанной с непостоянством коэффициентов преобразования узлов измерительного преобразователя,обеспечивается регулировкой коэффициента передачи корректора 2,входящего как сомножитель в выражение для зна- чения коэффициента преобразования измерительного преобразователя.Для этого во время второго цикла (цикла калибровки) на входы делителя 4 напряжения, преобразователя 5 напряжение-ток и корректора 2 через элек0

5

96154

лиаительно рарно половине напряжения исток-сток полевого транзистора 1 .

Коррекция аддитивной погрешности, связанной с квадратичной составляющей напряжения исток-сток в объекте предлагаемого изобретения,обеспечивается регулировкой коэффициента передачи делителя 4 напряжения во время первого цикла (цикла коррекции, нуля) измерительного преобразователя мощности. Во время этого цикла выходное напряжение источника 8 синусоидального напряжения поступает на входы преобразователя 5 напряжение-ток и делителя 4 напряжения через электронный переключатель 9. При этом на входе корректора 2 переменное напряжение отсутствует,так как электронный переключатель 10 не пропускает ни одного из его входных напряжений. Постоянное напряжение квадратичной составляющей вьщеляется фильтром 6 нижних частот. В конце цикла коррекции нуля третий элемент 14 выборки- хранения обеспечивает выборку этого напряжения и оно усиливается усилителем-интегратором 15, выходное напряжение которого обеспечивает управление коэффициентом передачи делителя 4 напряжения. В результате toro, что усилитель-интегратор 15 в такой схеме измерительного преобразователя через делитель 4 напряжения, поле вой транзистор 1, фильтр 6 нижних частот и элемент 14 выборки-хранения

0

5

связью, через несколько циклов коррекции нуля достигается подавление постоянного напряжения квадратичной составляющей.

Для обеспечения устойчивости режима коррекции нуля постоянная времени усилителя-интегратора 15 должна быть во много раз больше, чем длительность переходных процессов в фильтре 6 нижних частот.

Коррекция мультипликативной погрешности, связанной с непостоянством коэффициентов преобразования узлов измерительного преобразователя,обеспечивается регулировкой коэффициента передачи корректора 2,входящего как сомножитель в выражение для зна- чения коэффициента преобразования измерительного преобразователя.Для этого во время второго цикла (цикла калибровки) на входы делителя 4 напряжения, преобразователя 5 напряжение-ток и корректора 2 через электронные переключатели 9 и 10 поступает сннусощдальное напряжение источника 8 стабильного синусоидального напряжения, равное, например, максимальным входным, напряжениям, измерительного преобразователя активной мощности. Во время цикла ка.ггибровки. как и во время циклз. измерения, на выходе фильтра 6 нилсних частот формируется напряжение пропорциональное среднему значению произведения вькодных напряжений электронньгх переключателей 9 и 10 и квадрату амплитудного значения выходного напряжения источника 8 стабильного сину- ,ального напряжения, частота которого выбирается порядка центральной частоты рабочего диапазона частот напряжения Ug, измерителя мощности, в состав которого входит измерительный преобразователь. Поскольку выходное напряжение источника 8 стабильного синусоидального напряжения имеет малую нестабильность амплитудного -значения, нестабильност выходного напряжения фильтра 6 нижних частот определяется нестабильностью коэффициентов преобразования узлов измерительного преобразователя В конце цикла калибровки второй элемент 12 выборки-хранения обеспечива- ет выборку этого напряжения, а. компаратор-интегратор 13 сбрасьшает его с опорным напряжением соответствуЕо- щим номинальному значению коэффици- ента преобразования измерительного преобразователя,осзтцествляя получени и усиление разности указанных напряжений. Выход нее напряжение компаратора-интегратора 13 используется для управления коэффшщентом передачи корректора 2,В результате того„что компаратор-интегратор 13 в такой схеме измерительного преобразователя через корректор 25полевой транзистор 1 фильтр б нижних частот и элемент 12 выборки-хранения охватьшается отрида телькой обратной связью, через несколько циклов калибровки достигаются равенство выходного напряжения фильтра 6 нижних частот опорному напряжению и стабилизация коэффициента преобразования измерительного преобразователя. Для обеспечения, устойчивости режима калибровки постоянная времени компаратора-интегратора 13 должна быть выбрана аналогично времени усилителя-интегратора 15,

0

5

0

5

0

5

5

5

Формировате;ль-распределитель 1Ь импульсов обеспечивает формирование импульсов управления для электронных переключателей 9 и 10 и импульсов выборки элементов 11, 12 и 14 выборки-хранения. Импульсы управления длительность, равную длительности цикла работы измерительного преобразователями определяющую длительность цикла, которая обычно выбирается равной нескольким миллисекундам. Длительность импульсов выборки обычно равна единицам-десяткам микросекунд.. На вход управления элемента 1 1 выборки-хранения .импульс выборки поступает в конце цикла измерения, обеспечивая выборку выходного напрязкения фильтра 6 нижних частот, пропорциональногэ измеряемой мощности, по окончании переходного процесса в фильтре. С выхода элемента 11 выборки-хранения это напряжение поступает на выход измерительного преобразователя активной мощности.

Источник 7 регулируемого напряжения смещения введен в измерительный преобразователь для обеспечения возможности изменения значения коэффициента управления рб полевого транзистора 1„ Это необходимо в связи с тем, что полевые транзисторы одного и того же типа имеют значительный разброс значений указанного коэффициента. Кроме того, использование запираюпчего смещения позволяет расширить ди:намический диапазон измерительного преобразоватапя за счет увеличения допуст:имьгх; значений переменного напряжения в цепи затвора полевого транзистора с р П переходом.1

Детектор 17 огибающей используется в основном ,цля предотвращения формирования импульса выборки, посту- на вход управления элемента 11 J 13О зремя паузы между радиоимпульсами при измерении их мощности. Это обеспечивается тем, что во время паузы входные напряжения измерительного преобразователя равны нулю и управляющее напряжение на выходе детектора 17 огибающей соединенного с одним из входов преобразователя и входом управления формирователя 16, отсутствует ,

Таким образом, в предлагаемом изобретении обеспечивается коррекция аддитивной и мультипликативной погрешностей с использованием калиброврчного синусоидального напряжения и отрицательной обратной связи.В 5-10 и более раз удается уменьшить значения указанных погрешностей по отношению к значениям аналогичных погрешностей известного измерительного преобразователя, в котором используется параметрическая коррекция мультипликативной погрешности и отсутствует автоматическая коррекция нуля.

В результате этого полная погрешность предлагаемого изобретения в широком диапазоне температур может быть уменьшена до значения, не пре- вьш1ающего 0,2-0,3%.

Формула изобретени

Измерительный преобразователь активной мощности, содержащий полевой транзистор, соединенные последовательно корректор и аналоговьй сумматор, делитель напряжения, преобразователь напряжение-ток и фильтр нижних частот, причем выход аналогового сумматора подключен к затвору полевого транзистора, исток которого соединен с шиной нулевого потенциала, второй вход аналогового сумматора соединен с выходом делителя напряжения, вход которого соединен с входом преобразователя напряжение-ток, выход которого подключен к стоку полевого транзистора и входу фильтра нижних частот, отличающий- с я тем, 4fo, с целью уменьшения погрешностей измерения, корректор и делитель напряжения выполнены управляемыми напряжением,и в него ввеСоставитель В.Быков Редактор Л.Гратшшо Техред О.Сопко Корректор

Заказ 3390/44 Тираж 728 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-33, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужцород, ул. Проектная, 4.

0

5

0

5

0

дены источник регулируемого напряжения смещения, выход которого подключен к третьему входу аналогового сумматора источник стабильного синусоидального напряжения, первый и второй электронные переключатели первые входы которых подключены соответственно к первому и второму входам измерительного преобразователя активной мощности,вторые входы - к выходу источника стабильного синусоидального напряжения а выходы - соответственно к входам делителя напряжения и кор- ректора первый элемент выборки-хране- ния вход которого подключен к выходу фильтра нижних частот, а выход - к выходу измерительного преобразователя активной мощноети соединенные последовательно второй элемент выбор- ки-хранения и компаратор-интегратор, соединенные последовательно третий элемент выборки-хранения и усилитель- интегратор , формирователь-распределитель импульсов управления, выходы которого соединены с входами управления электронных переключателей и входами управления элементов выборки- хранения и детектор огибающей радиоимпульсов, вход которого соединен с входом электронного переключателя, 4 выход - с входом управления формирователя-распределителя импульсов управления, причем входы второго и третьего элементов выборки-хранения подключены к выходу фильтра нижних частот, выход компаратора-интегратора соединен с входом управления корректора а выход усилителя-интегратора - с входок управления делителя напряжения.

Изобретение может быть использовано в радиотехнике и гидроакустике для измерения активной мощности непрерьгоных синусоидальных сигналов и радиоимпульсов с длительностью, превышающей единицы миллисекунд, в диапазонах звуковых, ультразвуковых и радиочастот. Цель изобретения - уменьшение -погрешностей преобразования активной мощности. Устройство содержит полевой транзистор 1, корректор 2, аналоговый сумматор 3, делитель 4 напряжения, преобразователь 5 напряжение-ток и фильтр 7 нижних частот. Введение источника 8 стабильного синусоидального напряжения, электронных переключателей 9 и 10, элементов 11, 12 и 14 выборки-хранения, компаратора-интегратора 13, усилителя-интегратора 15, формирователя 7Р а с преде лит ел я 16 импульсов управления, детектора 17 огибакяцей радиоимпульсов и образование новых связей между элементами устройства позволяет обеспечить коррекцию аддитивной и мультипликативной йогрешности с использованием калибровочного синусоидального напряжения и отрицательной обратной связи. Значения указанных погрешностей уменьшаются в 5-10 и более раз. 1 ил. (Л to со Од сл