Способ измерения среднеквадратического значения напряжения переменного тока и устройство для его осуществления Советский патент 1987 года по МПК G01R19/02 

щий блок б, Вычислительный блок 2 состоит из п элементов 8 сравнения, цифроаналогового преобразователя 9, .элемента Ш1И 10, накапливающего сумматора 11, цифровых квадраторов 12 и 13, элемента И 14, цифрового блока 15 сравнения, управляемого счетчика 16, счетчика 17 импульсов и блока 18 индикации. Благодаря этому из каждого выпрямленного формирователем

Изобретение относится к технике и предназначено для измерения средне- квадратического (действующего или эффективного) значения напряжения переменного тока произвольной формы.

Целью изобретения является снижение продолжительности измерений, повышение точности и расширение частотного диапазона.

Измеряемое напряжение Uy(t) посредством двухполупериодного выпрямления преобразуют в однополярный сигнал U(t)lU (t)l, далее сигнал и (t) разделяется на два сигнала: задержанный сигнал U,,(t) и пропорциональный среднему значению U(t) на интервале задержки )

и., (t)|Uv(t-«)l

11

(1)

Uj, (t) I |U,(t)|dt.

I,

Из этих сигналов формируют разностный сигнал

и,, (t)Ui,(t)-u,,(t)lUx(t--e)l -ii 10.

(t)ldt.

t-t

т,е, разностный сигнал Uj, (t) соответствует текущему значению переменной составляющей входного сигнала Uj(t) на интервале задержки i, а сигнал U(t) - текущему значению постоянной составляющей сигнала на том же интервале.

При дальнейшем повторении указанных операций разностный сигнал Uj(t) соответствует текущему значению переменной составляющей результата k-ro

1модуля сигнала посредством элемента 4 задержки формируют сигнал, задержанный на время, меньшее периода входного сигнала,. Из задержанного сигнала вычитают среднее значение выпрямленного сигнала, а на интервале задержки измеряют мгновенные значения полученной разности через интервал задержки, 2 с,п ф-лы,

2ил.

2

двухполупериодного выпрямления, а сигнал iJoj,(t) - постоянной составляющей, определенной на интервале задержки. Если осуществить измерение

постоянных составляющих ) через интервалы i , равные времени задержки, и их квадраты, получают значения среднего квадрата измеряемого сигнала на этом интервале

m,(t) XI LP Jt)-t- ,

(2)

V i

где n - число операции двухполупериодного выпрямления; - погрешность, обусловленная конечным числом таких операций,

В связи с тем, что на интервале усреднения Т, равном или кратном периоду сигнала Ux(t), производится

Т N -- измерений средних значений

выпрямленного сигнала на интервале о среднеквадратическое значение v измеряемого сигнала определяется вычислительными средствами последующим усреднением в аналоговой форме

V

Г Г

u4t)dt+6 ,

J I- J

а в цифровой фор1 1е приведено

35

V (t).E,

На фиг, 1 изображено устройство для осуществления способа (для случая ); на фи1 , 2 -, временные диаграммы, отражающие работу устрой.ства

Устройство содержит п последовательно соединенных цепочек, включающих в себя формирователь 1 модуля, причем один из входов каждой цепочки подключен к информационному входу вычислительного блока 2,.блок 3 управления, элементы А задержки, интеграторы 5, вычитающий блок 6, блок 7 выборки и запоминания, причем выход формирователя 1 модуля соединен с входами элемента 4 задержки и интегратора 5, выходы которых через вычитающий блок 6 соединены с входами следующих цепочек, выход интегратора 5 подключен также к блоку 7 выборки и запоминания, вход синхронизации которого подключен к тактовому, выходу блока 3 управления, а выход - к информационным входам вычислительного блока 2, при этом вычислительный блок 2 .содержит п аналоговых элементов 8 сравнения, цифроаналоговый преобразователь 9i элемент ИЛИ 10, накапливающий сумматор 11, два цифровых квадратора 12 и 13, элемент И 14, цифровой блок 15 сравнения, управляемый счетчик 16, счетчик 17 импульсов и блок 18 индикации.

Первые входы аналоговых элементов

10

15

20

25

рового квадратора 12, накапливающего сумматора 1.1, счетчиков 17 и 16, выход предустановки блока 3 управле- ния соединен с управляющими входами

управляемого счетчика 16.

Устройство работает следующим образом.

Измеряемое напряжение в первом формирователе 1 модуля подвергается двухполупериодному выпрямлению, поэтому сигнал на выходе первого элемента 4 задержки повторяет выпрямленный входной сигнал U (t) с задержкой на fl, а на выходе интегратора 5 сигнал ) пропорционален среднему значению выпрямленного сигнала на интервале задержки (1).

Время усреднения Т соответствует временному интервалу, на котором определяется среднеквадратическое значение (равно или кратно периоду периодического сигнала или интервалу стационарности случайного). Это время может задаваться устройствами внешней синхронизации либо блоком 3 управления. Период повторения импульсов на тактовом выходе блока 3 управления устанавливается равным времени задержки I , а на выходах сбро -у - -1-I-JC- -

8 сравнения являются информационными са импульсов индикации периоду, раввходами вычислительного блока 2,, вторые входы подключены к выходу цифро- аналогового преобразователя 9, а выходы через элемент ИЛИ 10 к входу записи накапливающего сумматора 11, вход которого подключен к квадратичному выходу первого цифрового квадратора 12, линейным выходом подключенным к входу цифроаналогового преобраному времени усреднения Т. Установка временных интервалов Т и С производится одновременно с вводом коэффициента деления k управляемого счетчика 35 где .

Величина 2 фиксированная, oпpeдe- ляется временем задержки элементов 4 задержки и для снижения погрещнос- ти из-за некратности и времени усВеличина 2 фиксированная, oпpeдe- ляется временем задержки элементов 4 задержки и для снижения погрещнос- ти из-за некратности и времени усзователя 9, а счетным входом - к вы- 40 реднения Т выбирается минимальной; ходу счетных импульсов блока 3 управ- п - число операций выделения постоян- ления и первому входу элемента И 14, ной составляющей, а также число лине- второй вход которого подключен к вы- ек выпрямпения; N - число, фиксиро- ходу цифрового блока 15 сравнения,

своими входами соединенного с выходом45 ределяется как ). накапливающего сумматора 11 и второго Вычитающий блок 6 из сигналов ин- цифрового квадратора 13, счетньй тегратора 5 и элемента 4 задержки вход которого соединен с выходом элемента И 14 и входом управляемого

ванное при конкретных измерениях (опформирует разностный сигнал Uj, (t). Второй формирователь 1 модуля форми- 50 рует выпрямленный сигнал 1и51(1)из разностного сигнала ), т.е. из текущего значения переменной составляющий входного сигнала ) на интервале задержки 1 , этот сигнал

счетчика 16, выход которого подключен к входу счетчика 17 импульсов, своим выходом соединенным с входом блока 18 индикации, вход которого подключен к выходу импульсов индикаформирует разностный сигнал Uj, (t). Второй формирователь 1 модуля форми- 50 рует выпрямленный сигнал 1и51(1)из разностного сигнала ), т.е. из текущего значения переменной составляющий входного сигнала ) на интервале задержки 1 , этот сигнал

ции блока 3 управления, тактовый вы- 55 является входным для второй цепочки, ход которого подключен также к второ- При прохождении через элемент 4 заму цифровому квадратору 13, а выход сброса - к входам сброса первого цифдержки формируется задержанный сигна lUi, (t- u)l и через интегратор 5 сиг

5

0

5

рового квадратора 12, накапливающего сумматора 1.1, счетчиков 17 и 16, выход предустановки блока 3 управле- ния соединен с управляющими входами

управляемого счетчика 16.

Устройство работает следующим образом.

Измеряемое напряжение в первом формирователе 1 модуля подвергается двухполупериодному выпрямлению, поэтому сигнал на выходе первого элемента 4 задержки повторяет выпрямленный входной сигнал U (t) с задержкой на fl, а на выходе интегратора 5 сигнал ) пропорционален среднему значению выпрямленного сигнала на интервале задержки (1).

Время усреднения Т соответствует временному интервалу, на котором опг ределяется среднеквадратическое значение (равно или кратно периоду периодического сигнала или интервалу стационарности случайного). Это время может задаваться устройствами внешней синхронизации либо блоком 3 управления. Период повторения импульсов на тактовом выходе блока 3 управления устанавливается равным времени задержки I , а на выходах сбро -у - -1-I-JC- -

са импульсов индикации периоду, равному времени усреднения Т. Установка временных интервалов Т и С производится одновременно с вводом коэффициента деления k управляемого счетчика. где .

Величина 2 фиксированная, oпpeдe- ляется временем задержки элементов 4 задержки и для снижения погрещнос- ти из-за некратности и времени усреднения Т выбирается минимальной; п - число операций выделения постоян- ной составляющей, а также число лине- ек выпрямпения; N - число, фиксиро-

реднения Т выбирается минимальной; п - число операций выделения постоян- ной составляющей, а также число лине- ек выпрямпения; N - число, фиксиро-

ределяется как ). Вычитающий блок 6 из сигналов ин- тегратора 5 и элемента 4 задержки

ванное при конкретных измерениях (определяется как ). Вычитающий блок 6 из сигналов ин- тегратора 5 и элемента 4 задержки

формирует разностный сигнал Uj, (t). Второй формирователь 1 модуля форми- рует выпрямленный сигнал 1и51(1)из разностного сигнала ), т.е. из текущего значения переменной составляющий входного сигнала ) на интервале задержки 1 , этот сигнал

является входным для второй цепочки, При прохождении через элемент 4 задержки формируется задержанный сигнал lUi, (t- u)l и через интегратор 5 сиг513

нал, равный среднему значению выпряленного сигнала Uj, (t)

tt

iJjj- Т jjuj, (t)ldt I ijlu,( 1

V

|Ux(t-c)l dtldt.

- Т J

. t-t Процессы в третьем формирователе

. 1. модуля, элементе 4 задержки и интеграторе 5 происходят аналогично, но входным сигналом здесь является текущее значение переменной составляющей результата.второго преобразо вания на интервале задержки. При подаче от блока 3 управления тактовых импульсов на входе синхронизации блока 7 выборкИ и запоминания происходит выборка значений постоянных составляющих каждого из результатов трех преобразований через интервалы времени,равные времени задержки.Выбоки в зти же моменты поступают на информационные входы вычислительного бло ка 2, осуществляющего операции суммрования квадратов, усреднения и извлечения квадратного корня.

Работа вычислительного блока 2

синхронизируется блоком 3 управления ЗО квадратов измеренных напряжений. Если

по тактам, равным времени задержки С, и по циклу, равному времени усреднения, и иллюстрируется диаграммой (фиг. 2а). В начале каждого такта тактовым импульсом с тактового выхода блока 3 управления производится сброс первого цифрового квадратора 12, после чего за счет поступления счетных импульсов на счетный вход, код на его линейном выходе линейно во зрастает. Одновременно с изменением кода на линейном выходе на квадратичном выходе цифрового квадратора 12 формируется квадратичный код числа

(фиг. 2е), а на выходе цифроаналого- енстза кодов на выходах накапливаю- вого преобразователя 9 - ступенчатое щего сумматора 11 и второго цифрового возрастающее напряжение U(фиг.2 б-г) , квадратора 13 от цифрового блока 15 сравниваемое аналоговьми элементами сравнения на элемент И 14 поступает 8 ср авнения с выборками текущих сред- запрещакмций уровень. При изменении ник значений и,., , U2,Uj, на выходе интег- gp на выходе накапливающего сумма- раторов 5.В момент равенства напряже- тора 11 процесс повторяется. Таким НИН на выходе цифроаналогового преоб- .разователя 9 и напряжения на выходе одного из блоков 7 выборки и запоминания соответствующий аналоговьй эле- gg мент 8 сравнения формирует импульс (фиг. 2д), поступающий через элемент ИЛИ 10 на вход записи накапливающего сумматора 11 и записывающий в него

образом, на вход второго цифрового квадратора 14 поступает число импульсов

, (t),

а на счетчик 17 N., N-r/N,j, ветствует выражению (3).

что COOTранее

в

числовое значение N N,, квадрата напряжения на выходе интегратора 5 (фиг. 2ж). При достижении равенства напряжений на входах другого аналогового элемента 8 сравнения формируется импульс, (фиг. 2д) также через элемент ИЛИ 10, поступающий на вход записи накапливающего сумматора 11, при этом содержимое накапливающего сумматора 11 N, суммируется с числовым значением квадрата Nj, напряжения хранимого в блоке 7 выборки и запоминания. В результате срабатывания всех п аналоговых элементов 8 сравнения в накапливающем сумматоре 11

ранее

записывается код N.

ji+N3,+ N,, ,

ранее

соответствующий сумме квадратов текущих средних значений выпрямленных сигналов в моменты времени t, , ..., t+n t. В течение следующего такта процессы протекают аналогично, но сформированные коды суммируются со значением суммы квадратов, полученных

ранее

Для ускорения усреднения и извлечения корня эти операции осуществляются одновременно с суммированием

число, записанное в накапливающем сумматоре 11, больше числа на квадратичном выходе второго цифрового квадратора 13, на первый вход элемен|та И 14 от цифрового блока 15 сравнения поступает разрешающий уровень и счетные .импульсы (фиг. 2з) проходят на счетный вход второго цифрового квадратора 13 и на управляемый счет- чик 16, коэффициент пересчета которого N, VN VT/ C , с выхода которого поступает на счетчик 17, осуществляющий счет импульсов для индикации (фиг. 2и). В момент достижения ра енстза кодов на выходах накапливаю щего сумматора 11 и второго цифрово квадратора 13 от цифрового блока 15 сравнения на элемент И 14 поступает запрещакмций уровень. При изменении на выходе накапливающего сумма тора 11 процесс повторяется. Таким

образом, на вход второго цифрового квадратора 14 поступает число импульсов

енстза кодов на выходах накапливаю- щего сумматора 11 и второго цифровог квадратора 13 от цифрового блока 15 сравнения на элемент И 14 поступает запрещакмций уровень. При изменении на выходе накапливающего сумма- тора 11 процесс повторяется. Таким

, (t),

а на счетчик 17 N., N-r/N,j, ветствует выражению (3).

что COOTПо окончании цикла содержимое счетчика 17 (фиг. 2к), блока 3 управления переписывается в блок 18 индикации, после чего импульсом сброса (фиг. 2л) осуществляется установка нуля в накапливающем сумматоре 11, втором цифровом квадраторе 13 и счетчиках 16 и 17.

Формула изобретения

1. Способ измерения среднеквадра- тического значения напряжения переменного тока, заключающийся в том, что входной сигнал подвергают дву- полупериодному выпрямлению, формируют среднее значение выпрямленного сигнала и измеряют его величину, переменную составляющую выпрямленного сигнала подвергают указанным операциям последовательно п раз, по измеренным значениям вычисляют результат, отличающийся тем, что, с целью сокращения времени измерений, повышения точности и расширения частотного диапазона, из каждого выпрямленного сигнала формируют сигнал задержанный на время., меньшее периода входного сигнала, вычитают из задержанного сигнала среднее значение выпрямленного сигнала, на интервале задержки измеряют мгновенные значения полученной разности через интервал задержки.

2. Устройство для измерения сред- неквадратического значения напряжени переменного тока, содержащее блок управления, п последовательно соединенных цепочек, включаю1цих в себя формирователь модуля, причем один из выходов каждой цепочки подключен к информационному входу вычислительного блока, отличающееся тем, что, с целью сокращения измерений, повьщ1ения точности и расширения частотного диапазона измерений, в него введены п элементов задержки, п интеграторов, п вычитающих блоков выборки и запоминания, и п аналоговых злементов сравнения, цифроаналог

, о57857

вый преобразователь, элемент ИЛИ, накапливающий сумматор, элемент И, цифровой блок сравнения, управляемый счетчик, два цифровых квадратора, счетчик импульсов и блок индикации, причем выход каждого из формирователей модуля соединен с входами одного из элементов задержки и интеграторов,

1Q выходы каждой пары из которых соединены с входами одного из вычитающих блоков, выход которого подключен к входу следующего формирователя модуля, выходы интеграторов подключены

15 к входам соответствующих блоков выборки и запоминания, входы синхронизации которых подключены к тактовому выходу блока управления, а выходы - к информационным входам вычислитель20 ного блока, образованным первыми входами элементов сравнения, вторые входы которых подключены к выходу ч цифроаналогового преобразователя, а вькоды через элемент ИЛИ - к входу

25 записи накапливающего сумматора, второй вход которого подключен к . квадратичному выходу первого цифрового квадратора, который линейным выходом подключен к входу цифроаналоjQ гового преобразователя, а счетным входом к выходу счетных импульсов блока управления и первому входу элемента И, второй вход которого подключен к выходу цифрового блока сравнения, своим первым входом соединенного с выходом накапливающего сумматора, а вторым - с квадратичным выходом второго цифрового квадратора, первый вход которого соединен с выходом элемента И и входом управляемого счетчика, управляющий вход которого соединен с выходом предустановки блока управления, а вход сброса - с выходом сброса блока управления, с которым соединены также соответствующие входы счетчика импульсов, накап- ливакщего сумматора и второго цифрового квадратора, выход управляемого счетчика соединен с входом блока ин-

gQ дикации, второй вход которого подключен к выходу импульсов индикации блока управления.

35

40

45

РГ

VIK/ 5

8 V3K

д п

Nn

тц и

tW il til i

11 ||яHI 111 mil II HI

N,

У7

ti ti t3

и

К Л

/,

III IIIIHIHIIII

фиг. г

Составитель В. Степанкин Редактор О. Головач Техред А.Кравчук Корректор Г. Решетник

Заказ 5994/45 Тираж 730Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

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

Изобретение предназначено для снижения продолжительности измерения, повьшения точности и расширения частотного диапазона. Устройство, реализующее способ, содержит блок 3 управления, п цепочек, включающих формирователь 1 модуля и соединенных с вычислительным блоком 2. В каждую из п цепочек введены элемент 4 задержки, интегратор 5 и вычигаю СО СП 00 СП -si