УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Советский патент 1968 года по МПК G01R19/255 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для измерения параметров переменного тока.

Известны устройства для точного измерения параметров переменного тока, содержащие электродинамический измерительный механизм, фотогальванометрический усилитель и магнитоэлектрический измерительный механизм в цепи обратной связи.

Предложенное устройство, в отличие от известных снабжено формирователем импульсов тока, включенным между фотогальванометрическим усилителем и магнитоэлектрическим измерительным механизмом и выполненным в виде ждущего мультивибратора, преобразующего постоянное напряжение, снимаемое с выхода усилителя, в интервал времени, и электронной ключевой схемы, преобразующей интервал времени в код и импульсы переменной длительности, величина которой пропорциональна измеряемой величине.

Формирователь импульсов тока может быть выполнен также в виде ждущего мультивибратора и генератора пилообразного напряжения фантастронного типа.

Это обеспечивает преобразование измеряемой величины в цифровую форму.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема описываемого устройства, предназначенного для измерения действующего значения переменного тока и напряжения; на фиг. 2 - схема второго варианта этого же прибора; на фиг. 3 - принципиальная схема цифрового прибора для измерения мощности.

Принцип действия цифрового прибора для измерения действующего значения переменного тока и напряжения основан на сравнении механических моментов, один из которых образуется измеряемым током или напряжением в электродинамическом механизме, а другой создается компенсирующим током в магнитоэлектрическом механизме.

Подвижные части электродинамического 1 и магнитоэлектрического 2 механизмов жестко связаны общей осью 3. Угол поворота оси является функцией разности сравниваемых моментов.

Момент, образуемый в электродинамическом механизме, равен

где I_х - измеряемый ток (или ток, создаваемый измеряемым напряжением);

K_эд - постоянная электродинамического механизма.

Компенсирующий ток I_к создается импульсами пилообразной формы, длительность которых равна Δt, а амплитуда K·Δt, где K - коэффициент пропорциональности.

Момент в магнитоэлектрическом механизме пропорционален среднему значению компенсирующего тока I_к.

где K_мэ -постоянная магнитоэлектрического механизма;

- частота пилообразных импульсов.

В случае равенства моментов

при постоянстве величин K_эд; K_мэ; и Т измеряемый ток пропорционален временному интервалу Δt.

Угол α поворота оси является функцией разности сравниваемых моментов

На оси 3 укреплено зеркало 4. При М_эд≠М_мэ ось 3 с зеркалом 4 поворачивается и свет от осветительной лампы 5 падает на фотосопротивления 6, включенные по дифференциальной схеме.

Полученные на выходе этой схемы напряжение

усиливается электронным усилителем 7.

С выхода усилителя 7 напряжение, равное

где K′ - коэффициент усиления, подается на формирователь импульсов тока, содержащий модулятор 8 длительности.

Используемый в схеме модулятор 8 длительности импульсов представляет собой ждущий мультивибратор, одно из плеч которого - транзистор 9 питается напряжением U₂. В устойчивом состоянии триод 9 закрыт, а триод 10 открыт. Конденсатор 11 заряжен до напряжения

где U_б - напряжение на базе триода 10 в устойчивом состоянии.

Мультивибратор запускается импульсами от генератора 12, импульсов через делитель частоты 13. Положительный запускающий импульс запирает триод 10 и переводит схему в неустойчивое состояние равновесия. Промежуток времени Δt, в течение которого схема находится в этом состоянии и на ее выходе имеется отрицательное напряжение U₃, определяется временем перезаряда конденсатора 11 от напряжения до напряжения - . При напряжении - триод 10 вновь скрывается, и схема возвращается в исходное состояние.

Таким образом,

Выходное напряжение мультивибратора подается на схему совпадения 14 импульсов. В течение времени Δt на счетчик 15 импульсов через схему совпадения 14 проходят импульсы от генератора 12.

Счетчик 15 импульсов управляет электронной ключевой схемой 16 преобразователя кода счетчика в импульсы тока пилообразной формы. Преобразование кода счетчика в ток производят методом суммирования токов на делителе, составленном из цепочки сопротивлений двух номиналов (R и R/2).

Ключи 17-26, состоящие каждый из двух транзисторов (типа n-р-n и р-n-р-переходов), могут по сигналам управления, поступающим от счетчика 15, подключать соответствующие сопротивления к отрицательному или положительному полюсу источника стабилизированного напряжения Е_ст (при этом один из транзисторов каждого ключа заперт, а другой находится в насыщенном состоянии). По мере заполнения счетчика ток I_к на выходе формирователя равномерно возрастает.

Так как импульсы от генератора 12 поступают на счетчик в течение времени Δt, длительность импульсов выходного тока I равна Δt, а так как ток возрастает равномерно, то амплитуда импульсов пропорциональна Δt.

В схеме, изображенной на фиг. 2, выходное напряжение мультивибратора управляет генератором 27 пилообразного напряжения (например, генератором фантастронного типа, применяемым в выпускаемых промышленностью цифровых вольтметрах с времяимпульсным преобразованием). Длительность импульсов напряжения на выходе генератора 27 так же, как и в первой схеме, равна Δt, а амплитуда пропорциональна Δt.

Из уравнений (4), (5), (6) и (8) видно, что ток, протекающий через рамку магнитоэлектрического механизма 2, равный является функцией угла

Поэтому при М_эд≠М_мэ угол поворота оси α увеличивается до тех пор, пока при определенном I_к М_мэ не станет равным М_эд, т.е. выполняется равенство (3).

В течение времени Δt схема совпадения пропускает на счетчик 15 импульсы от генератора 12 импульсов. Количество импульсов, прошедших на счетчик, равно

где - частота генератора 12;

- коэффициент делителя частоты 13.

Подставляя в уравнение (10) значение Δt из уравнения (3), получаем

т.е. показание счетчика пропорционально

Принцип действия электродинамического цифрового ваттметра (см. фиг. 3) также основан на сравнении механических моментов, один из которых образуется измеряемой мощностью в электродинамическом механизме, а второй - компенсирующим током в магнитоэлектрическом механизме. При этом момент, создаваемый в электродинамическом механизме, равен

где I₁; I₂ - токи соответственно в последовательной и параллельной цепи электродинамического механизма;

φ - угол сдвига фаз между токами I₁ и I₂;

K_эд - постоянная электродинамического механизма;

Р_х - измеряемая мощность.

Компенсирующий ток I_к в магнитоэлектрическом механизме создается импульсами постоянной амплитуды и переменной длительности Δt. Амплитуда импульсов равна где Е_ст - источник стабилизированного напряжения;

r - сопротивление рамки магнитоэлектрического механизма;

R - добавочное сопротивление 28.

Момент в магнитоэлектрическом механизме пропорционален среднему значению компенсирующего тока I_к

где - частота прямоугольных импульсов.

При равенстве моментов

и постоянстве величин K_эд; K_мэ; Е_ст; r и R измеряемая мощность Р_х пропорциональна скважности импульсов

Выходное напряжение мультивибратора управляет ключами 29 и 30 (транзисторы р-n-р и n-р-n) и схемой совпадения импульсов 14. В течение времени Δt триод 30 открыт, триод 29 заперт и через сопротивление 28 и рамку магнитоэлектрического измерительного механизма протекает ток от источника стабилизированного напряжения Е_ст.

В течение промежутка времени Δt на схему совпадения 14 импульсов подается напряжение U₃ с выхода мультивибратора 8 и схема совпадения 14 пропускает на счетчик 15 импульсы от генератора 12, количество которых равно

где - частота генератора 12.

Подставляя в уравнение (16) значение Δt из уравнения (15), получим

где - коэффициент деления частоты 13.

Таким образом, показание счетчика пропорционально измеряемой мощности.

1. Устройство для измерения параметров переменного тока, содержащее электродинамический измерительный механизм, вход которого является входом устройства, фотогальванометрический усилитель и магнитоэлектрический измерительный механизм в цепи обратной связи, отличающееся тем, что, с целью преобразования измеряемой величины в цифровую форму, оно снабжено формирователем импульсов тока, включенным между фотогальванометрическим усилителем и магнитоэлектрическим измерительным механизмом и выполненным в виде ждущего мультивибратора, преобразующего постоянное напряжение, снимаемое с выхода усилителя, в интервал времени, и электронной ключевой схемы, преобразующей интервал времени в код и в импульсы переменной длительности, величина которой пропорциональна измеряемой величине.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что формирователь импульсов тока выполнен в виде ждущего мультивибратора и генератора пилообразного напряжения фантастронного типа.