Способ измерения среднеквадратического значения напряжения сложной формы Советский патент 1993 года по МПК G01R19/02 

Изобретение относится к электрическим измерениям, предназначено для использования при построении цифровых вольтметров среднеквадратического значения переменного напряжения с встроенной микроЭВМ.

Известен способ измерения среднеквадратического значения напряжения сложной формы, заключающийся в повторении N раз последовательно выполняемых операций масштабирования, фильтрации в Области низких частот с частотой среза fi, преобразования среднеквадратического значения переменного напряжения в напряжение постоянного тока, аналого-цифрового преобразования, запоминания результата аналого-цифрового преобразований и расчете предела д п допускаемой погрешности измерения среднеквадратиче- ского значения переменного напряжения сложной формы согласно выражению

I ( )5,, (Т)

Aft i 1

гдеА0 0;

(3| - предел допускаемой относительной погрешности измерения напряжения синусоидальной формы с частотой, лежащей в диапазоне fi-i, fi;

fo, fw - допускаемые нижняя и верхняя граничные частоты спектра измеряемого напряжения.

Этот способ обеспечивает высокую достоверность измерения при работе вольтметра в режиме закрытого входа, то есть при исключении вольтметром постоянной составляющей измеряемого напряжения. При работе вольтметра в режиме открытого входа, то есть при измерении полного значения переменного напряжения сложной формы, предел дп допускаемой погрешности измерения оказывается существенно завышенным.

Действительно, в формуле (1) сомножитель (Ai2-F02) при составляющей 5i , обусловленной искажениями гармоник, лежащих в самом нижнем частотном поддиапазоне f0-fi, в случае открытого входа включает в себя постоянную составляющую измеряемого напряжения. А нулевая гармоника Do, то есть постоянная составляющая, не вносит частотную погрешность. Так как постоянная составляющая U0 может составлять значительную, а иногда даже большую часть среди гармоник измеряемого напряжения, то предел 5П , рассчитанный по формуле (1), оказывается существенно завышенным.

Целью изобретения является повышение достоверности определения предела допускаемой погрешности измерения напряжения сложной формы,

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения среднеквадратического значения напряжения сложнбй формы,, заключающемуся в повторении N раз последовательно-выполняемых операций масштабирования, фильтрации в области низких частот с частотой среза fi, преобразования среднеквадратического значения переменного напряжения в напряжение постоянного тока, аналого-цифрового преобразования, запоминания результата At аналого-цифрового преобразования дополнительно последовательно выполняют операции исключения постоянной составляющей измеряемого напряжения, масштабирования, фильтрации, пропускающей гармоники с частотой ниже fi, преобразования среднеквадратического

значения переменного напряжения в напряжение постоянного тока, аналого-цифрового преобразования и запоминания результата аналого-цифрового преобразования AN+I и рассчитывают предел 5П допускаемой погрешности измерения среднеквадратического значения напряжения сложной формы согласно выражению

15

1

I (Af-A2,-, )(5,+

Aft ) 2

+

AW АИ

.

(г)

где д -предел допускаемой относительной погрешности измерения напряжения синусоидальной формы с частотой, лежащей в диапазоне fi-1-fi;

fo, fN - допускаемые нижняя и верхняя граничные частоты спектра измеряемого напряжения.

Таким образом, в предлагаемом способе измерения среднеквадратического значения напряжения сложной формы дополнительно вводят последовательно выполняемые операции исключения постоянной составляющей измеряемого напряжения, масштабирования, фильтрации, пропускающей гармоники с частотой ниже fi, преобразования среднеквадратического значения переменного напряжения

в напряжение постоянного тока, аналого- цифрового преобразования и запоминания результата аналого-цифрового преобразования AN-M. Это позволяет по выражению (2) вычислить предел допускаемой.погрешности измерения среднеквадратического значения напряжения сложной формы при работе вольтметра в режиме открытого входа. Предлагаемый способ по сравнению с прототипом имеет новые операции и, таким

образом, соответствует критерию изобретения новизна.

При поиске по патентной и научно-технической литературе не обнаружены научно-технические решения, имеющие

признаки, сходные с признаками, отличающими предлагаемый способ от прототипа.

.Существо предлагаемого способа заключается в следующем. Измеряемое напряжение сложной формы имеет спектр, у которого частоты гармоник лежат в пределах f0-fw и имеется гармоника нулевой частоты, то есть постоянная составляющая. При измерении переменного напряжения наличие каждой гармоники, кроме нулевой, вносит свою погрешность д. В принципе, зная спектральный состав измеряемого напряжения и погрешности д, можно рассчитать погрешность измерения напряжения сложной формы. Однако число гармоник велико. Поэтому в предлагаемом способе поступают следующим образом. Рабочий диапазон частот любого вольтметра средне- квадратического значения всегда разбит на несколько поддиапазонов, в каждом из которых нормируется максимальная погрешность д измерения напряжения синусоидальной формы. Оценив в процессе измерения мощность спектра входного напряжения в каждом из упомянутых поддиапазонов частот и используя известные нормированные значения погрешности д каждого поддиапазона, оценивают предел допускаемой погрешности измерения напряжения сложной формы.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства, реализующего данный способ измерения среднеквадратического значения напряжения сложной формы; на фиг. 2 - пример зависимости относительной погрешности 5 измерения напряжения синусоидальной формы от частоты f.

Устройство содержит (фиг, 1) последовательно соединенные блок исключения по- стоянной составляющей 1. масштабный преобразователь 2, управляемый фильтр низкой частоты (УФНЧ) 3, преобразователь среднеквадратического значения переменного напряжения в напряжение постоянного тока 4, аналого-цифровой преобразователь 5, микроЭВМ 6, цифровой отсчетный блок 7. Параллельно с блоком исключения постоянной составляющей 1 соединен ключ 8. МикроЭВМ 6 осуществляет управление УФНЧ 3 и ключом 8.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. МикроЭВМ 6 замыкает ключ 8 и устанавливает границу полосы пропускания УФНЧ .fi. Входное напряжение UBX масштабируют в блоке 2, фильтруют в блоке 3, преобразуют по уровню среднеквадратического значения в напряжение постоянного тока в блоке 4, осуществляют аналого-цифровое преобразование в блоке 5. Результат аналого-цифрового преобразования, запоминаемый в микроЭВМ 6, равен

где С -суммарный номинальный коэффициент масштабирования, фильтрации в полосе пропускания, преобразования среднеквадратического значения переменного напряжения в напряжение постоянного тока и аналого-цифрового преобразования.

ni fi/fo,

где to -допускаемая нижняя граничная частота спектра измеряемого напряжения;

Uj - среднеквадратическое значение )

гармоники измеряемого напряжения;

Uo - среднеквадратическое значение нулевой гармоники измеряемого напряжения;

5j - относительная погрешность измерения j гармоники.

Последующие (N-1) преобразования выполняют аналогично, Результат I аналого- цифрового преобразования, запоминаемый

в микроЭВМ б, равен

iufo+4)2

(3)

25

1

где nrfi/fo.

Далее микроЭВМ 6 размыкает ключ 8 и устанавливает границу полосы пропускания УФНЧ 3 fi. Измеряемое напряжение проходит через блок исключения постоянной составляющей 1 (разделительный конденсатор или устройство, компенсирующее постоянную составляющую сигнала). Далее измеряемый сигнал масштабируют в

блоке 2, фильтруют в блоке 3, преобразуют по уровню среднеквгдратического значения в напряжение постоянного тока в блоке 4, осуществляют аналого-цифровое преобразование в блоке 5. Результат AN+I зналого-цифрового преобразования, запоминаемый в микроЭВМ б, равен

45

; AM+. -cvui+ 1и(1-)г(4)

J 1

Искомое значение предела допускаемой по грешности измерения среднеквадратиче ского значения напряжения сложной формы рассчитывают в микроЭВМ 6 по выражению (2). Подставив (3) и (4) в (2), пренебрегая членами второго порядка малости, получаем

Изобретение относится к электрическим измерениям и предназначено для использования при построении цифровых вольтметров среднеквадратического значения переменного напряжения с встроенной микроЭВМ. Сущность изобретения: способ измерения среднеквадратического значения напряжения сложной формы, заключающийся в том, что повторяют N тактов измерения, в каждом из которых производят операции масштабирования, фильтрации в области низких частот, преобразования среднеквадратического значения переменного напряжения в напряжение постоянного тока, аналого-цифрового преобразования и запоминания результата аналого- цифрового преобразования AI, затем ту же последовательность операций повторяют(Ы+ 1}нй раз при исключенной из измеряемого сигнала постоянной составляющей. Рассчитывают предел допускаемой погрешности согласно выражению: i ( )Л + Aft + А + АЙ 5i, где 3| -предел допускаемой относительной погрешности измерения напряжения синусоидальной формы с частотой, лежащей в диапазоне fi-rfi; fo, fN допускаемые нижняя и верхняя граничные частоты спектра измеряемого напряжения. 2 ил. 00 ю Ю О

AI -С/

Ui+ | Ufp+d,)2

Так как 5i - максимальное возможное значение (при J, лежащих в пределах (пм+1)- есть максимальное возможное значение относительнрй погрешности из- .меренил напряжения синусоидальной формы, .частота которого лежит в пределах fi-1-fi (фиг.2), то

5i 2 Л1 X

J П| -1 +1j П| -1 +)

) n 1-1+1I

Таким образом, выражение (5) является пределом допускаемой погрешности измерения, так как оно представляет собой максимальное возможное значение выражения

1 1

и

являющегося погрешностью измерения напряжения сложной формы.

Результат измерения среднеквадрати- ческого значения напряжения сложной формы и предел допускаемой погрешности измерения индицируют в цифровом отсчет- ном блоке 7.

Предел 5i допускаемой относительной погрешности измерения напряжения синусоидальной формы это одна из основных метрологических характеристик вольтметров среднёквадратического значения,которая всегда контролируется при его поверке и приводится е паспорте прибора.

Любое измерение характеризуется двумя параметрами результатом измерения и погрешностью результата измерения.

Использование данного способа позволяет при измерении напряжения сложной формы определять и индицировать предел допускаемой погрешности измерения. Такими

возможностями раньше ни отечественные ни зарубежные приборы не обладали, Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я Способ измерения среднёквадратического значения напряжения сложной формы, заключающийся в том, что производят N циклов измерения, в каждом из которых измеряемый сигнал, масштабируют, фильтруют, пропуская гармоники с частотой ниже fi, преобразуют среднеквадратическое значение переменного напряжения в напряжение постоянного тока, производят аналого-цифровое преобразование, запоминают результаты аналого-цифрового преобразования AI и рассчитывают предел 5П

допускаемой погрешности измерения по формуле, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности измерения, d(N+1)-OM цикле измерения, из измеряемого сигнала дополнительно исключают

постоянную составляющую, при фильтрации пропускают гармонику с частотой ниже fi, и рассчитывают предел 5П допускаемой погрешности измерения согласно выражению

;

(АГ-А5 - )(5j +

AV+ А&

где 5i -предел допускаемой относительной погрешности измерения напряжения синусоидальной формы с частотой, лежащей в диапазоне fi-1-fi;

fo, fN - допускаемые нижняя и верхня граничные частоты спектра измеряемого напряжения.

Фиг. I

Ifli

$0fi$1faJk/ Ј

Фиг. 2

f