RU168459U1

RU168459U1 - Измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное

Info

Publication number: RU168459U1
Application number: RU2016132495U
Authority: RU
Inventors: Евгений Борисович Колесников
Original assignee: Евгений Борисович Колесников
Priority date: 2016-08-05
Filing date: 2016-08-05
Publication date: 2017-02-03

Abstract

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована для измерения переменного напряжения путем преобразования его в постоянное в широком диапазоне частот. Техническим результатом заявляемой полезной модели является расширение рабочего диапазона частот преобразователя. Преобразователь содержит два квадратора, дифференциатор, блок деления, сумматор, блок извлечения квадратного корня, компаратор и преобразователь частота-напряжение. Применение автоматического изменения коэффициента деления блока деления пропорционально частоте входного напряжения позволяет избавиться от переменной составляющей выходного напряжения во всем рабочем диапазоне частот измеряемого напряжения. 1 ил.

Description

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована для измерения переменного напряжения путем преобразования его в постоянное в широком диапазоне частот.

Известен преобразователь эффективного напряжения [Авторское свидетельство СССР №822056 МПК G01R 19/22, опубл. 15.04.1981 г.], содержащий двухполупериодный выпрямитель, квадратор, два фильтра нижних частот, амплитудный детектор, вычитающее и суммирующее устройства, причем выходом фильтр нижних частот соединен с входом амплитудного детектора и с неинвертирующим входом вычитающего устройства, а выход амплитудного детектора соединен с инвертирующим входом вычитающего устройства и с одним входом суммирующего устройства, выход вычитающего устройства соединен со входом дополнительного фильтра нижних частот, выход которого соединен с другим входом суммирующего устройства, выход которого соединении с фокальным входом квадратора и является выходом устройства.

Недостатком данного преобразователя является невысокое быстродействие и точность измерения напряжения, обусловленная наличием фильтров нижних частот в цепях прохождения сигнала постоянного тока.

Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное [Патент на ПМ №163230 РФ, МПК G01R 19/22, опубл. 10.07.2016 г.], содержащий фазосмещатель, первый и второй квадраторы, суммирующее устройство и блок извлечения квадратного корня, причем вход преобразователя соединен с входами первого квадратора и фазосмещателя, выход которого соединен с входом второго квадратора, а выходы первого и второго квадраторов подключены соответственно к первому и второму входам суммирующего устройства, выход которого через блок извлечения квадратного корня соединен с выходом преобразователя.

Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.

Недостатком данного преобразователя является то, что наряду с высоким быстродействием и точностью его область применения ограничивается только измерением напряжения промышленной частоты, так как фазосмешатель обеспечивает фазовый сдвиг в 90° только на этой частоте. На других частотах преобразователь не выполняет своей функции, так как его выходное напряжение будет иметь значительную переменную составляющую, соизмеримую с постоянной.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является расширение рабочего диапазона частот преобразователя.

Указанный технический результат достигается тем, что в известный измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий первый и второй квадраторы, сумматор и блок извлечения квадратного корня, причем вход измерительного преобразователя соединен с входом первого квадратора, а выходы первого и второго квадраторов подключены соответственно к первому и второму входам сумматора, выход которого через блок извлечения квадратного корня соединен с выходом измерительного преобразователя, дополнительно введены дифференциатор, блок деления, компаратор и преобразователь частота-напряжение, вход которого соединен с выходом компаратора, вход которого соединен с входом измерительного преобразователя и входом дифференциатора, выход которого соединен с первым входом блока деления, выход которого соединен с входом второго квадратора, а выход преобразователя частота-напряжение соединен со вторым входом блока деления.

Существенными отличиями предлагаемого преобразователя являются введение дифференциатора, блока деления, компаратора и преобразователя частота-напряжение. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - расширение рабочего диапазона частот преобразователя.

Сущность полезной модели поясняется чертежом. На чертеже приведена функциональная схема устройства.

Преобразователь (см.чертеж) содержит квадраторы 1 и 2, дифференциатор 3, блок деления 4, сумматор 5, блок извлечения квадратного корня 6, компаратор 7 и преобразователь частота-напряжение 8. Компаратор 7 предназначен для формирования напряжения прямоугольной формы u₆ из входного синусоидального напряжения u_вх. Преобразователь частота-напряжение 8 преобразует частоту входного сигнала ω в напряжение u₇ постоянного тока положительной полярности, пропорциональное частоте ω.

Преобразователь работает следующим образом. Измеряемое напряжение переменного тока u_вх=U_{m вх}sinωt подается на входы квадратора 1, компаратора 7 и дифференциатора 3, на выходе которого формируется напряжение u₁, сдвинутое по фазе относительно u_вх на угол ϕ=90° в сторону опережения

где U_{m вх} - амплитуда измеряемого входного напряжения;

ω - круговая частота входного напряжения;

R - сопротивление резистора дифференциатора;

С - емкость конденсатора дифференциатора.

Коэффициент деления блока деления 4 выбирается таким образом, чтобы напряжение u₃ на входе второго квадратора 2 было одинаковой амплитуды с напряжением u_вх. Для этого необходимо выдержать следующие соотношения параметров дифференциатора 3 и блока деления 4

K_д=RCω,

где K_д - коэффициент деления блока деления 4.

Тогда на входе второго квадратора 2 после блока деления 4 имеем напряжение u₃

Таким образом, блок деления 4 компенсирует изменение коэффициента передачи дифференциатора 3 в зависимости от частоты ω входного сигнала u_вх.

На выходах квадраторов 1 и 2 формируются противофазные напряжения u₂ и u₄, полученные после возведения в квадрат напряжений u_вх и u₃, которые пульсируют с двухкратной частотой входного сигнала 2ω и имеют постоянную составляющую

После суммирования напряжений u₂ и u₄ в сумматоре 5 и преобразований, на его выходе имеем напряжение u₅, не содержащее переменной составляющей

После операции извлечения квадратного корня в блоке извлечения квадратного корня 6 на выходе устройства формируется напряжение u_вых

Таким образом, выходное постоянное напряжение u_вых устройства не содержит переменной составляющей, а его величина равна амплитуде измеряемого входного напряжения U_{m вх}, то есть пропорционально действующему значению U_вх.

Для того чтобы напряжения u₂ и u₄ на входах квадраторов 1 и 2 имели одинаковую амплитуду вне зависимости от частоты измеряемого напряжения ω, необходимо изменять коэффициент деления блока деления 4, пропорционально изменению частоты ω.

Для этого на второй вход блока деления 4 подается напряжение u₇ с выхода преобразователя частота-напряжение 8, пропорциональное частоте ω входного напряжения u_вх:

u₇=K_пω,

где K_п - коэффициент преобразования преобразователя частота-напряжение 8.

В результате при изменении частоты измеряемого напряжения ω коэффициент деления блока деления 4 изменяется таким образом, что результирующий коэффициент передачи дифференциатора 3 и блока деления 4 равен единице.

При этом коэффициент преобразования K_п преобразователя частота-напряжение 8 определяется выражением

K_п=RC/K_пр,

где K_пр=K_д/u₇ - коэффициент пропорциональности канала деления блока деления 4.

Благодаря автоматическому изменению коэффициента деления K_д блока деления 4 пропорционально частоте ω входного напряжения u_вх напряжения u₂ и u₄ на выходах квадраторов 1 и 2 имеют одинаковую амплитуду, а выходное постоянное напряжение u_вых на выходе устройства не содержит переменной составляющей во всем рабочем диапазоне частот ω. Тем самым достигается технический результат - расширение рабочего диапазона частот преобразователя.

При практической реализации предлагаемого устройства дифференциатор 3 можно выполнить по известной схеме на операционном усилителе (ОУ) с время-задающей RC-цепью. При построении квадраторов 1 и 2 можно использовать перемножители напряжений на микросхеме КР525ПС3, объединив входы х и у. Блок деления 4 можно выполнить на ОУ, включив перемножитель напряжений в цепь его отрицательной обратной связи. При этом вход х перемножителя необходимо подключить к выходу ОУ, выход через резистор - к инвертирующему входу, а на вход у подать напряжение u₇ с выхода преобразователя частота-напряжение 8. Сумматор 5 представляет собой обычный сумматор на ОУ. В качестве блока извлечения квадратного корня 6 можно использовать схему на ОУ, включив квадратор в цепь его отрицательной обратной связи. В качестве преобразователя частота-напряжение 8 можно использовать преобразователь на микросхеме КР1108ПП1.

Claims

Измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий первый и второй квадраторы, сумматор и блок извлечения квадратного корня, причем вход измерительного преобразователя соединен с входом первого квадратора, а выходы первого и второго квадраторов подключены соответственно к первому и второму входам сумматора, выход которого через блок извлечения квадратного корня соединен с выходом измерительного преобразователя, отличающийся тем, что в него дополнительно введены дифференциатор, блок деления, компаратор и преобразователь частота-напряжение, вход которого соединен с выходом компаратора, вход которого соединен с входом измерительного преобразователя и входом дифференциатора, выход которого соединен с первым входом блока деления, выход которого соединен с входом второго квадратора, а выход преобразователя частота-напряжение соединен со вторым входом блока деления.