Способ измерения амплитудного значения и периода переменного напряжения Советский патент 1992 года по МПК G01R19/04 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для ИЗмерения амплитуды и периодп электрических сигналов, в частности в широком диапазоне изменения частоты сигнглов.

Известен способ измерения амплитудного значения переменного напряжения, основанный на введении дополнительного фазового сдвига, сравнении мгновенных значений исследуемого и сдвинутого по фазе электрических сигналов, измерении в момент их равенства значения нагфяжения и определении отношения 1.

Недостатки этого способа заключаются в сложности практической реализации и низкой точности измерений, невозможности измерений периода исследуемого сигнала.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ измерения амплитудного значения переменного напряжения, основанный на введении в него дополнительного фазового сдвига, сравнении мгновенных значений исследуемого и сдвинутого по фазе электрических сигналов, измерении в момент их равенства значения напряжения, определении отношения, причем в момент равенства исследуемого и сдвинутого по фазе электрических сигналов измеряют значение исследуемого сигнала, при этом о значении амплитуды исследуемого сигнала судят по отношению измеренного напряжения к постоянной величине, равной синусу половины фазового сдвига 2. Этот способ выбран в качестве прототипа.

Недостатками известного способа являются низкая точность измерений амплитуды при изменении частоты сигнала и невозможность измерения периода исследуемого сигнала.

По известному способу амплитуда А сигнала определяется при совпадении исследуемого Х1 А sin лл и сдвинутого на фазовый угол /;сигнала хг А sin(ftX - гр ) из условия XI Х2, при котором

д .

smip72

Невозможность обеспечения постоянства фазового сдвига ip при изменении частоты сигнала ш приводит к относительной погрешности измерения tA амплитуды А сигнала

f;A - WA е /-1 i/j где WA j --jrrn WA - относительный

коэффициент влияния погрешности fj/jHa погрешность бд .

Анализ выражения для А показывает, что исключить или существенно уменьшить влияние ;-.)/; на ед практически невозможно. Поскольку при , когда tg / , оказывается, что xi - О и измерение А оказывается невозможным (сигналы xi и Х2 не пересекаются, а сливаются в один). Поэтому, например при Etfr 30% и при оказывается, что fA -0,7830 -23,3%.

Следовательно, известному способу присуща низкая точность измерения амплитуды А сигнала при изменении частоты ш . С увеличением погрешности фазового сдвига возрастает погрешность измерения амплитуды сигнала. На результат измерения амплитуды влияет величина фазового сдвига, которую невозможно обеспечить постоянной при изменении частоты (О исследуемого сигнала. Кроме того, известный способ не позволяет измерять период (частоту) исследуемого сигнала, чтоограничивает область применения способа.

Цель изобретения - повышение точности измерений амплитуды переменного напряжения при изменении его частоты и расширение области применения.

Поставленная цель достигается тем, что в предложенном способа-измерения амплитудного значения и периода переменного напряжения, включающем сравнение мгновенных значений исследуемого и вспомогательного электрических сигналов, измерение в момент их равенства значения исследуемого сигнала, определение амплитуды исследуемого сигнала в зависимости от измеренного значения исследуемого сигнала,, фиксируют начальный момент времени перехода исследуемого сигнала через нулевое значение, формируют текущее среднее значение (t) исследуемого сигнала x(t) путем интегрирования последнего согласно зависимости

x(t) j; x(t)dt

(1

)

где t - текущее время, формируют вспомогательный электрический сигнал путем умножения текущего среднего значения. x(t) на постоянный коэффициент К, измеряют длительность интервала времени to до момента равенства мгновенных значений исследуемого и вспомогательного сигналов, определяют амплитуду А исследуемого сигнала согласно зависимости

А - Л(

(2)

определяют период Т исследуемого сигнала25 согласно зависимости

to

Т 2я

ро

30 причем фазу (fo исследуемого сигнала, отвечающую моменту времени to находят из соотношения

1 - cos (fo

(3)

К

sin i;Po

a также тем, что величину коэффициента К прини,мают равной К JT /2, при этом (ро/п/7 рад,

На фиг.1 приведена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, на фиг.2 - временная диаграмма, поясняющая сущность предлагаемого способа, где t - кривая x(t); II- кривая x(t).

Устройство,, реализующее предлагаемый способ, содержит ключ 1, нуль-орган 2, таймер 3, блок 4 формирования текущего среднего значения сигнала, пороговый элемент 5, умножитель 6, схему сравнения 7.

аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8, умножитель 9, устройство 10 индикации.

Вход устройства-соединен с входом ключа 1 и первым входом нуль-органа 2,

выход которого соединен с первым управляющим входом ключа 1 и первым управляющим входом таймера 3, выход ключа 1 соединен с входом блока 4 и через пороговый элемент 5 - с первым входом схемы сравнения 7 и входом АЦП 8, выход которого соединен с первым входом устройства 10 индикации. Выход блока 4 соединен через умножитель 6 с вторым входом схемы сравнения 7, выход которой соединен с управляющим входом АЦП 8 и вторыми управляющими входами ключа 1 и таймера 3, выход которого через умножитель 9 соединен со вторым входом устройства 10 индикации. В качестве блока 4 могут использоваться измерительные преобразователи информации средних значений сигнала. Способ осуществляется следующим образом. В исходном состоянии ключ 1 разомкнут. При подаче сигнала разрешения на второй вход нуль-органа 2 устройство начинает выполнять измерение. Переменное напряжение x{t) А sin О) I поступает на первый вход нуль-органа 2, который вырабатывает синхронизирующий сигнал в момент перехода x(t) через нулевое значение. Под действием этого сигнала открывается ключ 1 и включается таймер 3 отсчета времени. Сигнал x(t) поступает на вход блока 4 и вход порогового элемента 5. Блок 4 начинает формировать текущее среднее значение исследуемого сигнала в соответствии с алгоритмом(t) Y-4 где t - текущее время с момента включения ключа 1. Умножитель 6 умножает значение x(t) на постоянный коэффициент К. Сигнал К- x(t) поступает на второй вход схемы сравнения 7. Одновременно сигнал x(t) поступает на вход порогового элемента 5. Когда сигнал x(t) превысит пороговое значение, то элемент 5 начнет пропускать сигнал x(t) на первый вход схемы сравнения 7 и вход ДЦГ 8. Наличие элемента 5 исключает возможность срабатывания схемы сравнения 7 в начальный момент времени (фиг.2). В момент времени to, когда будет выполнено условие x(to) К x(to) схема сравнения 7 выдаст сигнал на управляющий вход АЦП 8 и вторые управляющие входы ключа 1 и таймера 3. По этому сигналу АЦП 8 осуществляет преобразование мгновенного значения измеряемого сигнала x(to) в цифровой эквивалент, который отображает на устройстве 10 индикации, как амплитуда сигнала, т.е. А x(to). Одновременно по сигналу схемы совпадения 7 выключается ключ 1 и прекращается отсчет времени таймером 3. Цифровой эквивалент времени to умножается в блоке 9 на постоянный коэффициент pto, а величина Т р -to, равная периоду сигнала Т, отображается на устройстве 10 индикации. Устройство выключается и будет находиться в этом состоянии до подачи сигнала разрешения на второй вход нуль-органа 2. Затем цикл измерения повторится. В основе предложенного способа лежит установленная авторами взаимосвязь сигналов x(t) и x(t), имеющая вид Ргде wl 27Гу ; t - текущее время; Т - период сигнала x(t). Представив x(t) |Д xWdt sin О) tdt, 2 л: 2 получаем с учетом равенство x(t) (1-cosy). Поскольку x(t) А sin , то для величины справедливо уравнение (4). В момент времени to, когда x(to) K-x(to), находят .. 1 - cos РО О9о К; const. (ро При этом амплитуда А сигнала x(t) равна период Т равен Т 2 ф- Относительная погрешность измерения мплитуды д равна ед WA Е(/)о . WA - относительный коэфде WA tgyJo ициент влияния. Величина погрешности ЕФ обусловлеа погрешностью ею определения момента ремени to tp 2я -Pto Относительная погрешность измерения периода гг равна {- WT eto где WT 1, WT - относительный коэффициент влияния. Анализ выражения (5) показывает, что Е/ О при выборе (ро-п 12 рад, когда tg (д, 00, при этом К л:/2,Д{эугими словами, при (f)o -7i 11 коэффициент влияния WA равен нулю. Однако на практике величина коэффициента WA будет равна WA . («о Vo РаД При выборе оптимального значения -nil рад, К jr/2 получают А x(to); Т-4 То: р ж/2 fto. Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает повышение точности измерения амплитуды переменного напряжения за счет обеспечения постоянства величины (/)о п1 2 рад при изменении частоты Шо . П р и м е р 1, В процессе метрологической аттестации изготовленного по схеме фиг,1 устройства были регламентированы пределы относительной погрешности &,о ± 2 %, В процессе измерений АЦП 8 в момент срабатывания схемы сравнения 7 зафиксирован результат измерения x(to) 235,5 В. Этому значению отвечало среднее значение сигнала x(to) 149,92 В. Таймер 3 выдал значение to 5,021 .10 с. На табло устройства 10 индикации пойвились значения А 235,5 В, Т 0,020084 с. -При этом относительная погрешность измерения амплитуды равна ЕА WA ,14%: л -3.14 ± 0,049 рад: 200 W 2-tg-(5 7f±-OI)49) А - ± 0,077-3,14 ±0,24%, Погрешность измерения периода равна frr ± 2%, Абсолютные погрешности измерения амплитуды и периода равны соответственно ДА ± 0,56 В; Дт ±4-10 с. Пример 2, В процессе измерений АЦП 8 в момент срабатывания схемы сравнения 7 зафиксирован результат измерения А 24,1 В, Этому значению отвечало среднее значение сигнала x(to) 15,34-В, Таймер 3 выдал значение Ь 6,25 с. На табло устройства 10 индикации появились значени А 24,1 В, Т 2,5-10 с. При этом относительные погрешности измерения амплитуды и периода, при условии fito ± 2%, соответственно равны ftA ± 0,24%: Т ± 2%, Абсолютные, погрешности измерения амплитуды и периода равны соответственно ДА ± 0,058 В; Дт ± 5-10 с, Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает повышение точности измерения амплитуды переменного напряжения при изменении частоты Шо. Относительные погрешности измерения амплитуды и периода не зависят от частоты переменного напряжения в соответствии с выражениями (5), (6). Для уменьшения указанных погрешностей необходимо обеспечить требуемую погрешность измерения времени бЧд, Способ характеризуется простотой практической реализации и широкой областью применения. Отсутствуют ограничения на достижение высокой точности измерений, Выполненный сравнительный анализ известного и предложенного технических решений показывает преимущества последнего: повышение точности измерений амплитуды переменного напряжения в условиях изменения его частоты и расширение области применения. Следовательно, признаки предложенного способа являются существенными. Результаты испытаний устройства, реализующего предложенный способ, выполненные в КНИГА, свидетельствуют о его высоких и метрологических технических характеристиках, Формула изобретения 1. Способ измерения амплитудного значения и периода переменного напряжения, заключающийся в том, что сравнивают

мгновенные значения исследуемого и вспомогательного электрических сигналов, измеряют в момент их равенства значения исследуемого сигнала, определяют амплитуду исследуемого сигнала по расчетной формуле, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений амплитуды переменного напряжения при изменении его частоты и расширения области применения, формируют начальный момент времени перехода исследуемого сигнала через нулевое значение, формируют текущее среднее значение x(t) исследуемого сигнала x(t) путем интегрирования последнего согласно зависимости

(t)

где t -- текущее время, формируют вспомогательный электрический сигнал путем умножения текущего среднего значения x{t) на постоянный коэффициент К, измеряют длител ьность интервала времени to до момента равенства мгновенных значений исследуемого и вспомогательного сигналов, определяют амплитуду А исследуемого сигнала согласно зависимости А x(to)/sin (fo , определяют период Т исследуемого сигнала согласно зависимости Т 2я to/ ро , причем фазу /)о исследуемого сигнала, отвечающую моменту времени to, находят из соотношения (о К(1 -cos (flo )/Slnipo

2. Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и-й с я тем, что величину коэффициента К принимают равной К , при этом у7о рад.

fft)

Использование: в измерительной технике, для измерения амплитуды и периода электрических сигналов, в частности в широком диапазоне измерения частоты сигналов. Сущность изобретения: способзаключается в том, что сравнивают мгновенные значения исследуемого и вспомогательного электрических сигналов, измеряют в момент их равенства з'начения исследуемого сигнала, фиксируют начальный момент времени перехода исследуемого сигнала через нулевое значение, формируют текущее среднее значение исследуемого сигнала путем интегрирования последнего, формируют вспомогательный электрический сигнал путем умножения текущего среднего значения сигнала на постоянный, определенным образом выбранный коэффициент, измеряют длительность интервала времени до момента равенства мгновенных значений исследуемого и вспомогательного сигналов, амплитуду и период исследуемого сигнала определяют по расчетным формулам, 1 з,п.ф-лы, 2 ил.слс

x(t) т