Измеритель активной мощности Советский патент 1980 года по МПК G01R21/08 

(54) ИЗМЕРИТЕЛЬ АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

1

Изобретение относится к электроизмерительной и импульсной технике и предназначено для использования при контроле активной мощности в диапазоне звуковых, ультразвуковых и радиочастот.

Известен измеритель активной мощности, содержащий входные преобразователи тока и напряжения, измерительный преобразователь с датчиком Холла и электромагнитом, преобразователь измерительного сигнала и стрелочный индикатор 1 .

В этом устройстве используется питание датчика и электромагнита через пассивные цепи, т. е. преобразователи входных тока к напряжения не содержат активных (дающих усилие по мощности) элементов, а сигналом, несущим2Q информацию об измеряемой мощности, является постоянная составлякадая выходного напряжения датчика, имеющая малый уровень. Повышение чувствительности и точности устройства имеет 25 ограничения, связанные с дрейфом усилителей постоянного , входящих в состав преобразователя измерительного сигнала, а частотный Диапазон , ввиду непосредственного втслю- Q

чения электромагнита в измерительную цепь, обычно ограничен десятками килогерц. Кроме того, известный измеритель не может применяться при измерении мощности радиоимпульсов, поскольку в нем среднее за период частоты повторения радиоимпульсов значения тока стрелочного индикатора обратно пропорционально скважности радиоимпульсов. При низких частотах следования радиоимпульсов в паузе между радиоимпульсами показание этого прибора будет равно нулю, поскольку усреднение в нем осуществляется стрелочным индикатором, обладающим недостаточной для этого случая инерционностью.

Известен также измеритель активной мощности, содержащий входной преобразователь тока с последовательно включенными шунтом и первым усилителем, входной преобразователь йапряжения с последовательно включенными делителем напряжения и вторым усилителем, измерительный преобразователь с датчиком Холла, размещенным в воздушном зазоре электромагнита, подключенного к выходу первого усилителя, преобразователь измерительного сигнала с последовательно включенными фильтром низкой частоты, третьим усилителем и пиковым детектором, блок управления с последовательно включенными генератором импульсов и переключателем, .стрелочный индикатор, вход которого соединен с выходом пикового детектора 12.

Недостаток этого устройства связан с отсутствием в нем коррекции аддитивной погрешности нелинейности и невозможностью измерения мощности радиоимпульсов. Кроме того, в известном устройстве, а именно в его фильтре низкой часЬтоты имеет место переходньгй процесс, вызьоваемый видеоимпульсами измерительного сигнала и характеризуквдийся появлением задержки видеоимпульсов и выбросами. Указанный процесс приводит к дополнительной погрешности измерения.

Цель изобретения - повышение точности и расширение функциональных возможностей измерителя активной мощности, а именно, коррекция основной аддитивной погрешности, связанной с нелинейными свойствами входных контактов датчика Холла, устранение допо нительной аддитивной погрешности, обусловленной частотными изменения,ми параметров фильтра, и наделение устройства возможностью измерения мощности радиоимпульсов,

Для достижения поставленной цели измеритель активной мощности, содержащий входной преобразователь тока с последовательно включенными шунтом и первым усилителем, входной преобразователь напряжения с последовательно включенными делителем напряжения и вторым усилителем, измерительный преобразователь с датчиком Холла, размещенным в воздушном зазоре электромагнита, подключенного к выходу первого усилителя, преобразователь измерительного сигнала с последовательнЬ включенными фильтром низкой частоты, третьим усилителем и пиковым детектором, блок управления с последовательно включенными генератором импульсов и переключателем, стрелочный индикатор, вход которого соединен с выходом пикового детектора, снабжен корректирующимпреобразователем с квадратичным детектором и регулятором уровня, во входной преобразователь тока или напряжения введены временной селектор и четвертый усилитель .с симметричным выходом, в преобразователь измерительного сигнала - пятый усилитель с дифференциальной схемой включения и иестой усилитель-сумматор, а в блок управления - .седьмой усилитель-ограничитель, детектор огибаивдей, триггер Шмитта, три одновибратора и блок совпадения, -.причем квадратичный детектор и регулятор уровня соединены последовательно и вкл- очены между выходом четвертого усилителя и одним из входов шестого усилителя, временной селектор и четвертый усилитель соединены последовательно и включены между выходом второго усилителя и входом датчика Холла, пятый усилитель включен между .выходом датчика Холла и другим входом шестого усилителя, выход которого соединен со входом фильтра низкой частоты, седьмой усилитель, детекторогибающей и триггер Шмитта соединены последовательно и включены между выходом второго усилителя и соответствующим входом переключателя, вход-первого одновибратора соединен с выходом переключателя, а выходы через второй и третий одновибраторы - со входами блока совпадения, .выход блока совпадения подключен к управляющему входу пикового детектора, а выход второго, одновибратора соединен с управлякяцим входом временного селектора.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого измерителя активной мощности.

Устройство содержит входные преобразователи тока 1 и напряжения 2, измерительный преобразователь 3 на эффекте Холла, преобразователь 4 измерительного сигнала, стрелочный индикатор 5 и блок б управления.

В измеритель активной мощности введен корректирукздий преобразователь 7 с квадратичным детектором 8 и регулятором 9 уровня. Во входной преоб|)азователь, выход которого подключен к датчику Холла, т. е. в данном случае в преобразователь 2 напряжения введены временной селектор 10 и усилитель 11 с симметричным выходом. В преобразователь 4 измерительного сигнала введены дифференциальный усилитель 12 и суммирующий операционный усилитель 13. В блок 6 управления введены усилитель-Ограничитель 14, детектор 15 огибающей радиоимпульсов, триггер 16 Шмитта, одновибраторы 1719 и блок 20 совпадения.

В состав входного преобразователя 1 тока входят шунт 21 и усилитель 22 во входном преобразователе 2 напряжения размещены делитель 23 напряжения и усилитель 24, в измерительном преобразователе 3 находятся электромагнит 25 и датчик 26 Холла, в преобразователе 4 измерительного сигнала установлены фильтр 27 низкой частоты, усилитель 28 и пиковый детектор 29 видеоимпульсов, а также в блоке Ь управления содержатся генератор 30 импульсов и переключатель 31 режима синхронизации.

Преобразователь 1 тока осуществляет линейное преобразование входного тока ( в ток j , питагаций обмотку электромагнита 25 измерительного преобразователя 3. Шунт 21 и усилитель 22 определяют коэффициент преобратования / диапазон измерения входного тока . Преобразователь 2 напряжения служит для линейного преобразования входного напряжения U во входной ток датчика 26 Холла измерительного преобразователя 3, Делитель 23 напряжения и усилитель 24 обеспечиBcUOT необходимый коэффициент преобразования к , соответствующий определенному диапазону изменения входного напряжения U , Временной селектор 10 и усилитель 11 с симметричным выходом при измерении мощности синусоидальных сигналов формируют пе риодическую последовательность радиои пульсов для питания датчика 26 Холла а при измерении мощности радиоимпуль сов обеспечивают вырезание из радиоимпульса напряжения U некоторого участка, на интервале действия которого требуется :измерить мощность., Последнее необходимо, например, в тех случаях, когда передняя часть радиоимпульсов имеет огибающей. Усилитель 11 обеспечивает также симметричное питание входной цепи да чика 26 Холла, при котором может быть значительно снижена дополнительная погрешность нелинейности, поскольку при симметричном включении входной цепи датчика напряжение, под которым находятся его выходные конта ты относительно корпуса, не превышае десятков милливольт. Измерительный преобразователь 3 производит аналоговое перемножение выходных токов преобразователя 1 тока и преобразователя 2 напряжения пропорциональных соответственно току I , и напряжению U , в результате которого формируется сигнал ЭДС Холл Постоянная составляющая этого t пропорциональна активной сигнала Ьющности и имеет форму видеоимпульсо Коэффициент преобразования К измерительного преобразователя 3 определяется параметрами используемого в нем датчика 26 Холла и конструкцие электромагнита 25, осуществляющего преобразование тока в индукцию магнитного поля. Преобразователь 4 измерительного сигнала осуществляет преобразование видеоимпульсов измерительного сигнала во входной ток стрелочного индика тора 5. Дифференциальный усилитель 12 предназначен для усиления ЭДС Хол и обеспечения малых величин токов, протекающих через выходные контакты датчика 26 Холла. Последнее может быть достигнуто, если усилитель имеет малые входные емкости и Сольшое входное сопротивление. Таким усилителем является дифференциальнвай усилитель с генератором стабильного тока:вэ входном каскаде. Применение усилителей 11 и 12 позволяет уменыйить дополнительную погрешность нелинейности до пренебрежимо малых величин. Суммирующий операционный усилитель 13 обеспечивает сложение суммы измерительного сигнала и напряжения нелинейности с сигналом, поступающим от корректирующего преобразователя 7. Фильтр 27 низкой частоты осуществляет интегрирование ЭДС Холла и выделение видеоимпульсов измерительного сигнала. Дальнейшее усиление видеоимпульсов производится усилителем 28. Пиковый детектор 29 видеоимпульсов, выполненный на элементах, работающих в режиме управляемого ключа, осуществляет детектирование видеоимпульсов и преобразование их в ток стрелочного индикатора 5. Коэффициент преобразования преобразователя 4 измерительного сигнала определяется коэффициентами преобразования входящих в его состав узлов.. Корректирующий преобразователь 7 преобразует выходное напряжение усилителя 11, пропорциональное входному току датчика 26 Холла дх в сигнал, компенсирующий напряжение нелинейности. Квадратичный детектор 8 вырабатывает корректирующий сигнал со средним значением Оц (постоянной составляющей), пропорциональным 1 д , т. е. квадрату входного тока датчика. Регулятор 9 уровня обеспечиваетрегулировку уровня этого сигнала, целью которой является минимизация аддитивной погрешности нелинейности. Блок 6 управления предназначен для формирования строб-импульсов, управляющих работой временного селектора 10 и пикового детектора 29 видеоимпульсов. Переключатель 31 режима синхронизации- обеспечивает выбор источника синхронизации вырабатываемых блоком строб-импульсов. При измерении блоком cTDofi-HMovjibcoR. Ппи ( мощности синусоидальных сигналов синхронизация осуществляется генератором 30 икшульсов. При измерении мснцнос ти радиоимпульсов синхронизация стробимпульсов производится радиоимпульсами напряжения, по ступающими на вход селектора 10. При этом .усилительограничитель 14 ограничивает уровень сигнала этих радиоимпульсов, обеспечивая независимость их амплитуды от амплитуды входного напряжения U измерителя мощности, что необходимо для нормальной работы всех узлов блока, Детектор 15 огибающей вырабатывает имеющий форму огибаклцей выходных радиоимпульсов усилителя-ограничителя 14. Триггер 16 Шмитта формирует синхронизирующий импульс с крутым передним фронтом, совпадаю1ДИМ с передним фронтом радиоимпульСОВ на входе измерителя. Одновибратор 17 задержки стробимпульса вырабатывает прямоугольный импульс с регулируемой длительностью, передник фронт которого совпадает с П€: редним фронтом импульса синхронизации, поступающего с переключателя 31 режима синхронизации. Одновибратор 18 строб-импульса формирует строб-: импульс, управляющий селектором 10, длительность которого также можно регулировать. Запуск одновибратора 18 -11роизводится задним фронтом выходного импульса одновибратора 17 задержки и, в связи с этим, его передний фроНт запаздывает по отношению к переднему фронту синхронизирующих импульсов на величину длительности импульса одновибратора 17 задержки строб-импульса. При измерб нйи мощности радиоимпульсов это обеспечивает сдвиг начала участка радиоимпульса, на котором измеряется -мощность по отношению к переднему фронту радиоимпульсов.

Регулировка длительности импульсов одновибратора 18 строб-импульса позволяет изменятьдлительность указанного участка. Одновибратор 19 задержки строб-импульса пикового детектора, 29 видеоимпульсов запускается одновременно с одновибратором 18 строб-импульса и имеет длительность иг ульса, равную длительности заержки видеоимпульса измерительного сигнала в фильтре 27 низкой частоты. Блок 20 совпадения, к которому подключены одновибраторы 18 и 19, вырабатывает строб-импульс управления пиковым детектором 29, начало которого задержано, относительно начала строб-импульса на величину длительности импульса одновибратора 19. Это предотвращает открывание ключей детектора 29 до окончания переходного процесса в фильтре 27 и позволяет устранить связанные с этим процессом погрешности измерения.

При измерении мощности синусои,цальных сигналов и радиоимпульсов, мгновенные значения напряжения U и тока могуз: быть описаны известными соотношениями

(ш1л-4,)-: (uatvt T.)

Разность фаз между током и напряжением U. определяется соотношением активной и реактивной составляющих сопротивления.,

Произведение мгновенных значений L и j записывается как

.. I U l costftco5fau;t-vif 4(,) а его. среднее значение U i соответствует активной мощности Р, поступаюей в нагрузку

0 -iSUldt4 Jmlrт ° P

Согласно принятым выше обозначениям ток датчика Холла и ток электромаг,нита связаны с напряжением и током нагрузки следукяцими зависимостями

Мгновенное значение ЭДС Холла на выходе датчика 26 при открытом селекторе 10 определяется выражением

,.,

Среднее значение (потоянная составляющая) ЭДС Холла в этом случае пропорциональна активной мощности

Ч л н тРКроме ЭДС Холла Е на входе- преобразователя 4 измерительного сигнала на интервале действия радиоимпульсов присутствует напряжение нелинейности 1) , среднее значение которого и не равно нулю. Действие напряжения нелинейности состоит в

Q том, что оно линейно складывается с ЭДС Холла &) и является причиной основной аддитивной погрешности нелинейности. В результате этого напряжение на выходе усилителя 12 определяется выражением

J.)где 12 коэффициент усиления усилителя 12.

Это напряжение поступает на один 0 из входов суммирующего операционного усилителя 13. К другому его входу подводится напряжение корректирующего сигнала U v , имеющего среднее значение UK. В результате воздействия 5 на входы усилителя 13 указанных сигналов, сигнал Ug на выходе усилителя 28 видеоимпульсов соответствует

V I niNi Kl,

где К произведение коэффициен0 тов усиления усилителей

13 и 26 и коэффициента передачи фильтра 27, осуществляющего интегрирование и усреднение.

5 Если среднее значение напряжения корректирующего сигнала U равно , , а полярность его - противоположна полярности и , то напряжение видеоимпульсов на выходе g усилителя 28 соответствует

%...л .г и погрешность нелинейности исчезает, т. е, наблюдается полная коррекция напряжения нелинейности. Подстройка

5 схемы, необходимая дЛя выполнения условия коррекции производится регулятором 9 при закороченном входе преобразователя 1 тока.

Если обозначить коэффициент преQ образования напряжения видеоимпульсов Ug в ток 1 стрелочного индикатора, который имеет детектор 29 видeoи myльcoв как Кд , а коэффициент преобразования преобразователя

s 4 измерительного сигнала как Кцс.

rt,5KK , то при полной коррекции YOK стрелочного индикатора 5 равен

1и ивКа КнК1КиК лсР, т. е.имеет место линейная завйсимость1ц от измеряемой мощности Р.

Таким образом, в результате иепользования симметричной схемы питания входной цепи датчика Холла, обеспечиваемой введением в преобразователь 2 усилителя с симметричным выходом и применения в качестве входного узла преобразователя 4 измерительного сигнала дифференциального усилителя с большим входным сопротивлением можно достигнуть значительного уменьшения величин токов, протекающих через выходные контакты датчи 26 Холла. Снижение величин этих токов позволит уменьшить дополнительную погрешность нелинейности до пренебрежимо малого значения.

Коррекция основной погрешности {нелинейности достигается в результате использования корректирующего преобразователя 7 и суммирующего операционного усилителя 13.

Измерение мощности радиоимпульсов ни любом их участке обеспечивается введением временного селектора 10 и элементов 14-20 блока 6 управления .

Полученное в результате устранения влияния частотнозависимой дополнительной погрешности нелинейности значительное расширение частотного диапазона прибора, даст возможност использовать его в качестве измерите ля мощности сигналов .типа периодических импульсов и мощности радиоимпульсов, заполнением которых является не синусоидальный, а какой-либо импульсный сигнал. При этом среднее значение ЭДС Холла будет пропорционально сумме активных мощностей всех гармоник импульсного сигнала.

Возможность измерения предлагаемы устройством мощности непрерывных синусоидальных сигналов, периодических импульсных сигналов различной формы, а также мощности радиоимпульсов с синусоидальным и импульсным заполнением выгодно отличает его от других известных измерителей мощности.

Формула изобретения Измеритель активной мощности, содержащий входной преобразователь тока с последовательно включенными шунтом и первым усилителем, входной преобразователь напряжения с последовательно включенными делителем напряжения и вторым усилителем, измерительный преобразователь с датчиком Холла, размещенным в воздушном зазоре электромагнита, подключенного к выходу первого усилителя, преобразователь измерительного сигнала с последовательно включенными фильтр низкой частоты, третьим усилителем и пиковым детектором, блок управления с последовательно включенными генератором импульсов и переключател стрелочный индикатор, вход которого соединен с выходом пикового детектора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей, он снабжен корректирующим преобразователем с- квадратичным детектором и регулятором уровня во входной преобразователь тока или напряжения введены временной селектор и четвертый усилитель с симметричным выходом, в преобразователь измерительного сигнсша - пятый усилитель с дифференциальной схемой включения и шестой усилитель-сумматор, а в блок управления - седьмой усилитель-ограничитель, детектор огибающей, триггер йЫитта, три одновибратора и блок совпадения, причем квадратичный детектор и регулятор уровня соединены последовательно и включены между выходом четвертого усилителя и одним из входов шестого усилителя, временной селектор и четвертый усилит.ель соединены последовательно и включены между выходом второго усилителя и входом датчика Холла, пятый усилитель включен между выходом датчика Холла и другим входом шестого усилителя, выход которого соединен со входом фильтра 1НИЗКОЙ частоты, седьмой усилитель, 1цетектор огибакхцей и триггер соединены последовательно и включены между выходом второго усилителя и советствующим входом переключателя, вход первого одновибратора соединен с выходом переключателя, а выходы через второй и третий одновибраторысо входами блока совпадения, выход блока совпадения подключен к управляющему входу пикового детектора, а выход второго одновибратора соедине с управляющим входом временного селектора. 55 Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Патент США № 2550492, кл. 172-247, 1953. 2. Авторское свидетельство СССР Q№ 385229, кл. G 01 R 21/08, 1971.