RU2090895C1 - Method measuring root-mean-square value of signal - Google Patents
Method measuring root-mean-square value of signal Download PDFInfo
- Publication number
- RU2090895C1 RU2090895C1 RU93041185A RU93041185A RU2090895C1 RU 2090895 C1 RU2090895 C1 RU 2090895C1 RU 93041185 A RU93041185 A RU 93041185A RU 93041185 A RU93041185 A RU 93041185A RU 2090895 C1 RU2090895 C1 RU 2090895C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- signal
- values
- value
- reference signals
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Current Or Voltage (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения среднеквадратического значения сигнала для преимущественного использования на инфранизких частотах, когда требуется точность измерений при обработке сигналов, изменяющихся в большом динамическом диапазоне. The invention relates to measuring equipment and is intended to measure the root mean square value of the signal for predominant use at infra-low frequencies, when measurement accuracy is required when processing signals that vary in a large dynamic range.
Известен способ измерения среднеквадратического (действующего) значения напряжения переменного тока произвольной формы [1] путем линейного двухполупериодного выпрямления и измерения действующего значения переменной составляющей выпрямленного напряжения, которое суммируют с его средневыпрямленным значением. A known method of measuring the rms (effective) value of an alternating current voltage of arbitrary shape [1] by linear half-wave rectification and measuring the effective value of the variable component of the rectified voltage, which is summed with its average rectified value.
Такому способу присущи недостатки большие погрешности при обработке сигналов различной формы, особенно на инфранизких частотах. This method has inherent disadvantages of large errors when processing signals of various shapes, especially at infralow frequencies.
Известен другой способ измерения действующего напряжения переменного тока [2] основанный на измерении выпрямленного напряжения с последующим возведением в квадрат всех выпрямленных значений и извлечении корня квадратного из суммы полученных квадратов, по которому и судят о величине действующего значения напряжения. There is another method of measuring the effective AC voltage [2] based on measuring the rectified voltage, followed by squaring all the rectified values and extracting the square root of the sum of the obtained squares, which is used to judge the value of the effective voltage value.
Способу присущи недостатки, связанные с недостаточной точностью преобразования, особенно на инфракрасных частотах, и необходимостью вычисления корня квадратного из суммы квадратов многих величин, что увеличивает инструментальную погрешность. The method has inherent disadvantages associated with insufficient conversion accuracy, especially at infrared frequencies, and the need to calculate the square root of the sum of squares of many quantities, which increases the instrumental error.
Известен другой способ измерения действующего значения напряжения переменного тока произвольной формы [3] в соответствии с которым многократно выпрямляют напряжения, из выпрямленного измеряемого напряжения вычитают напряжение, пропорциональное опорному, и снова выпрямляют, причем коэффициенты пропорциональности задают равными членам геометрической прогрессии, суммируя n выпрямленных напряжений со своими весовыми коэффициентами, величины которых также соответствуют геометрической прогрессии, но из суммы выделяют постоянную составляющую, которую используют в качестве опорного напряжения и по величине которой судят о действующем значении измеряемого напряжения. There is another method for measuring the effective value of an arbitrary voltage AC voltage [3] according to which the voltage is rectified many times, the voltage proportional to the reference voltage is subtracted from the rectified measured voltage and rectified again, the proportionality coefficients being set equal to the members of the geometric progression by summing n rectified voltages with their weight coefficients, the values of which also correspond to a geometric progression, but the constant composition is distinguished from the sum which is used as a reference voltage and whose value is used to judge the actual value of the measured voltage.
Недостатки способа заключаются в трудности сохранения высокой точности измерений напряжений на инфранизких частотах при условии, что величины этих напряжений могут изменяться в большом динамическом диапазоне, так как усреднять приходится напряжения, которые также изменяются в большом динамическом диапазоне. The disadvantages of the method are the difficulty of maintaining high accuracy in measuring voltage at infra-low frequencies, provided that the values of these voltages can vary in a large dynamic range, since it is necessary to average the voltages, which also vary in a large dynamic range.
Известен другой способ измерения среднеквадратического значения переменного напряжения [4] основанный на квадрировании мгновенных значений переменного напряжения, усреднении преобразованного сигнала и извлечении из полученного напряжения квадратного корня, по которому судят о среднеквадратическом значении сигнала. There is another method of measuring the rms value of the alternating voltage [4] based on the squaring of the instantaneous values of the alternating voltage, averaging the converted signal and extracting the square root from the obtained voltage, which is used to judge the rms value of the signal.
Недостатки связаны с необходимостью усреднять с большой точностью сигналы, изменяющиеся в большом динамическом диапазоне, что представляет сложность в инфранизкочастотной области. The disadvantages are related to the need to average with high accuracy the signals that vary in a large dynamic range, which is difficult in the infra-low-frequency region.
Известен другой способ измерения среднеквадратического значения переменного напряжения [5] в соответствии с которым последовательно выделяют постоянные составляющие из выпрямленных значений измеряемых напряжений для их преобразования, формируют дополнительные гармонические колебаний, сдвинутые по фазе на П/2, попеременно моделируют выделенные составляющие, попарно суммируют эти модулированные сигналы, в результате получают суммарное колебание, амплитуда которого соответствует корню квадратному из суммы квадратов выделенных составляющих. There is another method of measuring the rms value of the alternating voltage [5] according to which the constant components are sequentially extracted from the rectified values of the measured voltages for their conversion, additional harmonic oscillations are generated, shifted in phase by P / 2, alternately model the selected components, summarize these modulated pairs signals, as a result, receive a total oscillation, the amplitude of which corresponds to the square root of the sum of the squares of the selected state vylyayuschih.
Недостатки способа связаны с необходимостью выделять с большой точностью постоянные составляющие сигналов, изменяющихся в большом динамическом диапазоне, что представляет сложность в инфранизкочастотной области. The disadvantages of the method are associated with the need to isolate with great accuracy the constant components of the signals that vary in a large dynamic range, which is difficult in the infra-low frequency region.
Наиболее близким к изобретению способом по сходным используемым техническим признакам, взятым за прототип, является способ измерения среднеквадратического значения сигнала [6] основанный на выделении из спектра сигнала первой гармоники и гармоник высших порядков с помощью узкополосной фильтрации, преобразовании выделенных гармоник в постоянные величины, пропорциональные их среднеквадратическим значениям, и последующем вычислении корня квадратного из суммы квадратов полученных величин. The closest to the invention method for similar technical features used, taken as a prototype, is a method of measuring the rms value of the signal [6] based on the selection of the first harmonic and higher-order harmonics from the signal spectrum using narrow-band filtering, converting the selected harmonics into constant values proportional to RMS values, and the subsequent calculation of the square root of the sum of the squares of the values obtained.
Способ имеет невысокую точность, так как выделение первой гармоники сигнала на инфранизких частотах, когда сигнал изменяется в большом динамическом диапазоне, требует увеличения времени интегрирования, что снижает быстродействие. The method has a low accuracy, since the extraction of the first harmonic of the signal at infralow frequencies, when the signal changes in a large dynamic range, requires an increase in integration time, which reduces speed.
Целью изобретения является повышение точности измерений при увеличении быстродействия. The aim of the invention is to increase the accuracy of measurements with increasing speed.
Цель в способе измерения среднеквадратического значения сигнала, достигается тем, что выделяют из спектра входного сигнала первую гармонику и гармоники высших порядков, определяют их среднеквадратические значения, определяют частоту первой гармоники входного сигнала, формируют опорный синусоидальный сигнал с частотой первой гармоники входного сигнала, выбирают первый временной интервал, в котором входной сигнал не изменяет свой знак, определяют середину первого временного интервала, выбирают второй временной интервал, в котором опорный синусоидальный сигнал не изменяет свой знак, определяют середину второго временного интервала, измеряют мгновенные значения входного сигнала в момент времени t1, а опорного сигнала в момент времени t2, причем моменты времени t1 и t2 выбирают равностоящими соответственно от середин первого и второго временных интервалов, определяют модуль отношений мгновенных значений входного и опорного сигналов, многократно определяют модули отношений мгновенных значений входного и опорного сигналов для каждой пары моментов времени, равноотстоящих от середин соответственно первого и второго временных интервалов, определяют усредненное значение модулей отношений измеренных мгновенных значений входного и опорного сигналов, а среднеквадратическое значение входного сигнала определяют, как корень квадратный из суммы квадратов двух величин - произведения среднеквадратического значения опорного синусоидального сигнала на усредненное значение модулей отношений измеренных мгновенных значений входного и опорного сигналов и среднеквадратического значения произведения мгновенных значений опорного синусоидального сигнала на корень квадратный из разности квадратов вычисленных значений модулей отношений мгновенных значений входного и опорного сигналов и усредненного значения модулей отношений измеренных мгновенных значений входного и опорного сигналов.The goal in the method of measuring the rms value of the signal is achieved by extracting the first harmonic and higher-order harmonics from the input signal spectrum, determining their rms values, determining the frequency of the first harmonic of the input signal, generating a reference sinusoidal signal with the frequency of the first harmonic of the input signal, selecting the first time the interval in which the input signal does not change its sign, determine the middle of the first time interval, choose the second time interval in which the sinusoidal signal does not change sign, determine the middle of the second time interval, measure the instantaneous values of the input signal at time t 1 , and the reference signal at time t 2 , and the time t 1 and t 2 are chosen equal to the midpoints of the first and second time intervals, determine the modulus of the relationship of the instantaneous values of the input and reference signals, repeatedly determine the modules of the relationship of the instantaneous values of the input and the reference signals for each pair of time instants, equally from the midpoints of the first and second time intervals, respectively, determine the average value of the ratio moduli of the measured instantaneous values of the input and reference signals, and the root-mean-square value of the input signal is determined as the square root of the sum of the squares of two quantities - the product of the root-mean-square of the reference sinusoidal signal and the average value of the ratio modules measured instantaneous values of the input and reference signals and the root mean square value of the product of instantaneous s values of the reference sine wave to square root of the difference of the squares of the calculated values of the moduli relationships instantaneous values of the input and reference signals and the average value of the measured moduli relationships instantaneous values of the input and reference signals.
Сущность способа заключается в том, что среднеквадратическое значение Uск входного сигнала определяют при помощи математического выражения
где Uоск среднеквадратическое значение опорного синусоидального сигнала;
Т время интегрирования;
Aosin ωt2 мгновенные значения опорного синусоидального сигнала с частотой первой гармоники ω и амплитудой Аo в моменты времени t2;
K(ωt) вычисленные значения модулей отношений мгновенных значений входного и опорного сигналов;
Кс усредненное значение модулей отношений измеренных мгновенных значений входного и опорного сигналов, для определения которого формируют опорный синусоидальный сигнал с частотой первой гармоники входного сигнала, многократно определяют модули отношений мгновенных значений входного и опорного сигналов для каждой пары моментов времени, равноотстоящих от середин выбранных временных интервалов, внутри которых соответственно входной и опорный сигналы не изменяют свои знаки.The essence of the method lies in the fact that the rms value U ck of the input signal is determined using a mathematical expression
where U Osk is the rms value of the reference sinusoidal signal;
T integration time;
A o sin ωt 2 instantaneous values of the reference sinusoidal signal with a frequency of the first harmonic ω and amplitude A o at time t 2 ;
K (ωt) calculated values of the moduli of relations of instantaneous values of the input and reference signals;
K c, the average value of the moduli of the ratios of the measured instantaneous values of the input and reference signals, for the determination of which a reference sinusoidal signal is generated with the frequency of the first harmonic of the input signal, the moduli of the ratios of the instantaneous values of the input and reference signals for each pair of time instants equally spaced from the middle of the selected time intervals are repeatedly determined , inside which, respectively, the input and reference signals do not change their signs.
Входной квазисинусоидальный сигнал Ux(t) и опорный синусоидальный сигнал Uy(t) с частотой ω первой гармоники входного сигнала представим в виде функций на выбранных временных интервалах bj, не содержащих сигналов, равных нулю:
Ux(t) Ux(bj), (1)
Uy(t) Uy(bj), (2)
где t время;
Ux(bj), Uy(bj) соответствующие сигналы на выбранных временных интервалах bj.The input quasi-sinusoidal signal U x (t) and the reference sinusoidal signal U y (t) with a frequency ω of the first harmonic of the input signal can be represented as functions on selected time intervals bj that do not contain signals equal to zero:
U x (t) U x (bj), (1)
U y (t) U y (bj), (2)
where t is time;
U x (bj), U y (bj) corresponding signals at selected time intervals bj.
Сигналы Ux(bj) и Uy(bj) на выбранных временных интервалах bj будем аппроксимировать в виде фрагментов синусоид, для которых
где Ax, Ay значения амплитуд аппроксимирующих сигналов;
ω круговая частота первой гармоники входного сигнала;
Fx, Fy начальные фазы входного и опорного сигналов.The signals U x (bj) and U y (bj) at the selected time intervals bj will be approximated in the form of fragments of sinusoids for which
where A x , A y the amplitudes of the approximating signals;
ω is the circular frequency of the first harmonic of the input signal;
F x , F y are the initial phases of the input and reference signals.
Разделим мгновенные значения входного и опорного сигналов друг на друга и рассмотрим функцию-частное f(bj):
f(bj)=Ka[sin(ωt+Fx)]/sin(ωt+Fy), (5)
где f(bj) функция на интервале времени bj, определяемая отношением мгновенных значений сигналов Ux(bj) и Uy(bj);
Ka (Ax/Ay) отношение амплитуд сигналов из (3) и (4).We divide the instantaneous values of the input and reference signals to each other and consider the partial function f (bj):
f (bj) = K a [sin (ωt + F x )] / sin (ωt + F y ), (5)
where f (bj) is a function on the time interval bj, determined by the ratio of the instantaneous values of the signals U x (bj) and U y (bj);
K a (A x / A y ) is the ratio of the amplitudes of the signals from (3) and (4).
Для момента времени to на интервале bj, когда значение функции f(bj) f(to) Ka, должно выполняться условие
[sin(ωto+Fx)]/[sin(ωto+Fy)]=1 (6)
Обозначим левую часть уравнения (6) через L, тогда
Разность фаз F0 между сигналами Ux(bj) и Uy(bj) равна
F0 Fx Fy. (8)
Если, к примеру, Fx > Fy, то можно принять Fy 0, и после преобразования из выражения (7) получим
L=cosFo+(sinFo)/(tgωt) (9)
Если Fx < Fy, то можно принять Fx 0, и после преобразования из выражения (7) получим
L=1/[cosFo+(sinFoctgωt)] (10)
Выполнение условия (6) сводится к выполнению условия
cosFo+sinFo/[tg(2π/T)to]=1, (11)
где to соответствует искомому моменту времени;
Т период первой гармоники входного сигнала.For time t o on the interval bj, when the value of the function f (bj) f (t o ) K a , the condition
[sin (ωt o + F x )] / [sin (ωt o + F y )] = 1 (6)
Denote the left side of equation (6) by L, then
The phase difference F 0 between the signals U x (bj) and U y (bj) is
F 0 F x F y . (eight)
If, for example, F x > F y , then we can take F y 0, and after conversion from expression (7) we obtain
L = cosF o + (sinF o ) / (tgωt) (9)
If F x <F y , then we can take F x 0, and after the conversion from expression (7) we obtain
L = 1 / [cosF o + (sinF o ctgωt)] (10)
The fulfillment of condition (6) is reduced to the fulfillment of the condition
cosF o + sinF o / [tg (2π / T) t o ] = 1, (11)
where t o corresponds to the desired point in time;
T is the period of the first harmonic of the input signal.
Обозначим (2π/T)to=β значение угла, определяемого положением to на интервале времени периода Т. Тогда после перестановок выражение (11) перепишем в следующем виде:
tgβ=sinFo/(1-cosFo). (12)
После преобразований получим
sinFo/(1-cosFo)=ctg(Fo/2). (13)
Из (12) и (13) следует
tgβ=ctg(Fo/2). (14)
Из выражения (14) получим
tgβ=tg[(π/2)-(Fo/2)]=tg[π-Fo)/2] (15)
Из равенства (15) получаем выражение для β
b=(π-Fo)/2. (16)
Так как β=(2π/T) to соответствует моменту времени, когда выполняется условие (6), то из (16) определим положение точки to на интервале bj. Угол π соответствует полупериоду, то есть такому интервалу времени, когда значение входного или опорного сигнала не изменяет свой знак. Положение точки to на интервале bj соответствует середине интервала времени, лежащего внутри одного из полупериодов, из которого исключен интервал времени, соответствующий сдвигу фаз между сигналами. Этот момент времени to находится на одинаковом расстоянии от середин выбранных интервалов времени, где не происходит изменение знака входного или опорного сигнала, см. фиг. 1.Let (2π / T) t o = β be the value of the angle determined by the position t o on the time interval of period T. Then, after permutations, we rewrite expression (11) in the following form:
tgβ = sinF o / (1-cosF o ). (12)
After the transformations we get
sinF o / (1-cosF o ) = ctg (F o / 2). (thirteen)
From (12) and (13) it follows
tgβ = ctg (F o / 2). (14)
From expression (14) we obtain
tgβ = tg [(π / 2) - (F o / 2)] = tg [π-F o ) / 2] (15)
From equality (15) we obtain the expression for β
b = (π-F o ) / 2. (16)
Since β = (2π / T) t o corresponds to the time moment when condition (6) is fulfilled, from (16) we determine the position of the point t o on the interval bj. The angle π corresponds to a half-period, that is, to such a time interval when the value of the input or reference signal does not change its sign. The position of the point t o on the interval bj corresponds to the middle of the time interval lying inside one of the half-periods, from which the time interval corresponding to the phase shift between the signals is excluded. This time t o is at the same distance from the midpoints of the selected time intervals, where the sign of the input or reference signal does not change, see FIG. one.
Если сигналы синусоидальные, то в момент времени to на середине интервала, равного фазовому сдвигу Fo, сигналы будут равны соответственно Axsin(Fo/2) и Aysin(Fo/2), а отношение мгновенных значений сигналов будет определяться как Кa Ax/Ay.If the signals are sinusoidal, then at the time t o in the middle of the interval equal to the phase shift F o , the signals will be equal to A x sin (F o / 2) and A y sin (F o / 2), respectively, and the ratio of the instantaneous values of the signals will be defined as K a A x / A y .
Измерение мгновенного значения входного сигнала можно проводить в момент времени t1, отстоящий от середины выбранного первого временного интервала этого сигнала, к примеру, на интервал времени, соответствующий фазовому сдвигу Fo или [( (π/2) ) Fo] а измерение опорного сигнала в момент времени t2, отстоящий от середины выбранного второго временного интервала своего сигнала на интервал времени соответственно Fo или [( (π/2) ) Fo] Для момента времени t1 мгновенное значение входного сигнала можно представить как AxsinF0 Aycos[( (π/2) ) F0] а мгновенное значение опорного сигнала в момент времени t2 можно представить как AysinF0 Aycos[( (π/2) ) F0] Модуль отношения мгновенных значений входного и опорного синусоидальных сигналов будет равен Ka Ax/Ay.The instantaneous value of the input signal can be measured at time t 1 , which is far from the middle of the selected first time interval of this signal, for example, by the time interval corresponding to the phase shift F o or [((π / 2)) F o ] and the reference measurement signal at time t 2 , which is spaced from the middle of the selected second time interval of its signal by the time interval, respectively, F o or [((π / 2)) F o ] For time t 1, the instantaneous value of the input signal can be represented as A x sinF 0 A y cos [((π / 2)) F 0 ] and the instantaneous value the reference signal at time t 2 can be represented as A y sinF 0 A y cos [((π / 2)) F 0 ] The modulus of the ratio of the instantaneous values of the input and reference sinusoidal signals will be K a A x / A y .
Мгновенное значение одного сигнала в момент времени будет равно AxcosF0, другого сигнала в момент времени будет равно AycosF0. Модуль их отношений будет равен Ka Ax/Ay.Instantaneous value of one signal at a time will be equal to A x cosF 0 , another signal at time will be equal to A y cosF 0 . The modulus of their relationship will be K a A x / A y .
Моменты времени t1, t2 относятся соответственно к моментам времени измерений мгновенных значений входного и опорного сигналов. Модули отношений мгновенных значений входного Ux(t) и опорного Uy(t) сигналов в определенные моменты времени можно представить в следующем виде:
где K(ωt) вычисленные значения модулей отношений мгновенных значений входного и опорного сигналов;
Ux(t1) мгновенное значение входного сигнала в момент времени t1;
Uy(t2) мгновенное значение опорного сигнала в момент времени t2.The moments of time t 1 , t 2 relate respectively to the time moments of measuring the instantaneous values of the input and reference signals. The relationship modules of the instantaneous values of the input U x (t) and the reference U y (t) signals at certain points in time can be represented as follows:
where K (ωt) are the calculated values of the moduli of the relations of the instantaneous values of the input and reference signals;
U x (t 1 ) the instantaneous value of the input signal at time t 1 ;
U y (t 2 ) the instantaneous value of the reference signal at time t 2 .
Моменты времени t1 и t2, когда проводят измерения, равноотстоят от середин выбранных первого и второго временных интервалов, в которых соответственно входной и опорный сигналы не изменяют свой знак.The time moments t 1 and t 2 , when measurements are taken, are equally spaced from the midpoints of the selected first and second time intervals, in which the input and reference signals, respectively, do not change their sign.
Каждой паре Ux(t1) и Uy(t2) соответствует свое значение модуля отношения мгновенных значений входного и опорного сигналов.Each pair of U x (t 1 ) and U y (t 2 ) corresponds to its own value of the modulus of the ratio of the instantaneous values of the input and reference signals.
Середины выбранных первого и второго временных интервалов, в которых соответственно входной и опорный сигналы не изменяют свой знак, можно рассматривать как середины выбранных полуволн. The midpoints of the selected first and second time intervals, in which respectively the input and reference signals do not change their sign, can be considered as the midpoints of the selected half-waves.
Следовательно, если измерять отношения мгновенных значений сигналов синусоидальной формы в различные моменты времени, равноотстоящие от середин выбранных временных интервалов-полуволн своих сигналов, то модули K(ωt) отношений мгновенных значений входного и опорного сигналов будут равны K(ωt) Ka Ax/Ay.Therefore, if we measure the ratios of the instantaneous values of the sinusoidal waveforms at different points in time that are equally spaced from the midpoints of the selected half-wave time intervals of their signals, then the modules K (ωt) of the ratios of the instantaneous values of the input and reference signals will be K (ωt) K a A x / A y
Если во входном сигнале будут искажения, обусловленные присутствием гармонических составляющих входного сигнала, то будут наблюдаться отклонения в получаемых значениях модулей отношений мгновенных значений входного и опорного сигналов. If there are distortions in the input signal due to the presence of harmonic components of the input signal, deviations will be observed in the obtained values of the moduli of the relations of the instantaneous values of the input and reference signals.
На фиг. 1 показан пример определений моментов времени t0, t1, t2, равноотстоящих от середин выбранных временных интервалов-полуволн входного и опорного сигналов, для произвольного фазового сдвига между сигналами. Для фазового сдвига Fo получают несколько пар моментов времени t1, t2; и так далее, AxsinFo/AysinFo Ka для измерений в моменты времени t1 и t2; AxcosFo/AycosFo для измерений в моменты времени и так далее.In FIG. Figure 1 shows an example of the definitions of time instants t 0 , t 1 , t 2 equally spaced from the midpoints of the selected half-wave time intervals of the input and reference signals for an arbitrary phase shift between the signals. For the phase shift F o receive several pairs of time points t 1 , t 2 ; and so on, A x sinF o / A y sinF o K a for measurements at time t 1 and t 2 ; A x cosF o / A y cosF o for measurements at time instants and so on.
Измерения в момент времени to можно рассматривать как частный случай выбора соответствующей пары, когда t1 t2.Measurements at time t o can be considered as a special case of the selection of the corresponding pair, when t 1 t 2 .
Среднеквадратическое значение Uск входного сигнала U(t) определяют из известного соотношения
где U(t) напряжение входного сигнала.The root mean square value U ck of the input signal U (t) is determined from the known relation
where U (t) is the input voltage.
Запишем входной сигнал напряжения U(t) в виде
U(t)=βsinωt+g(t) (19)
где β амплитуда синусоидального напряжения первой гармоники входного сигнала;
w круговая частота первой гармоники входного сигнала;
g(t) некоторая функция, значения которой изменяются во времени так, чтобы выполнялось равенство (19).We write the input voltage signal U (t) in the form
U (t) = βsinωt + g (t) (19)
where β is the amplitude of the sinusoidal voltage of the first harmonic of the input signal;
w circular frequency of the first harmonic of the input signal;
g (t) is a function whose values change in time so that equality (19) holds.
Предположим, что опорный синусоидальный сигнал U(y) U'(t) имеет частоту w первой гармоники, тогда
U′(t)=Aosin(ωt+Fo) (20)
где Ao амплитуда опорного синусоидального сигнала;
Fo сдвиги фаз между входным и опорным сигналами.Suppose that the reference sinusoidal signal U (y) U '(t) has a frequency w of the first harmonic, then
U ′ (t) = A o sin (ωt + F o ) (20)
where A o the amplitude of the reference sinusoidal signal;
F o phase shifts between the input and reference signals.
Для каждого из фазовых сдвигов Fo будем определять модули K(ωt) отношений мгновенных значений входного U(t1) и опорного U'(t2) сигналов. Тогда входной сигнал U(t) можно аппроксимировать в следующем виде:
U(t)=[Aosin(ωt2)]K(ωt) (21)
где Aоsin (ωt2) мгновенные значения опорного синусоидального сигнала в моменты времени t2;
K(ωt) вычисленные значения модулей отношений мгновенных значений различных пар входного U(t1) и опорного U'(t2) сигналов для соответствующих моментов времени t1 и t2, равноотстоящих от середин соответственно первого и второго выбранных временных интервалов. При этом можно записать
Усредним вычисленные значения модулей отношений измеренных мгновенных значений входного и опорного сигналов и получим их усредненное значение Kс.For each of the phase shifts F o we will determine the modules K (ωt) of the ratios of the instantaneous values of the input U (t 1 ) and the reference U '(t 2 ) signals. Then the input signal U (t) can be approximated as follows:
U (t) = [A o sin (ωt 2 )] K (ωt) (21)
where A about sin (ωt 2 ) instantaneous values of the reference sinusoidal signal at time t 2 ;
K (ωt) calculated values of the moduli of relations of instantaneous values of different pairs of input U (t 1 ) and reference U '(t 2 ) signals for the corresponding time instants t 1 and t 2 equally spaced from the midpoints of the first and second selected time intervals. You can write
We average the calculated values of the moduli of the ratios of the measured instantaneous values of the input and reference signals and obtain their average value K s .
Если входной сигнал синусоида, то есть g(t) 0 в (19), то при различных фазовых сдвигах при усреднении значений модулей K(ωt) отношений мгновенных значений входного и опорного сигналов получают одно и то же значение Kc, которое численно будет равно Kc B/Ao, и тогда входной сигнал U(t) будем аппроксимировать в следующем виде:
U(t)=(AoKc)sin(ωt2)+g(t), (23)
где Kc усредненное значение модулей отношений измеренных мгновенных значений входного и опорного сигналов.If the input signal is a sinusoid, that is, g (t) 0 in (19), then with different phase shifts, averaging the values of the moduli K (ωt) of the ratios of the instantaneous values of the input and reference signals, they get the same value of K c , which will be numerically equal K c B / A o , and then the input signal U (t) will be approximated in the following form:
U (t) = (A o K c ) sin (ωt 2 ) + g (t), (23)
where K c is the average value of the moduli of the ratios of the measured instantaneous values of the input and reference signals.
Из (21) и (23) определим выражение для функции g(t):
Подставляя (25) в (19), получим для входного сигнала
U(t)=AoKcsin(ωt2)+Aosin(ωt2)[K(ωt)-Kc (26)
Из (26) можно определить значение квадрата входного сигнала:
Запишем выражение квадрата среднеквадратического значения входного сигнала в следующем виде:
После преобразования выражение (29) будет иметь вид
Из (30) среднеквадратическое значение входного сигнала можно представить в следующем виде:
Первое слагаемое правой части выражения (31) представляет собой квадрат произведения среднеквадратического значения опорного синусоидального сигнала на усредненное значение Kc модулей отношения мгновенных значений входного и опорного сигналов, что соответствует составляющей первой гармоники входного сигнала, поэтому (31) можно записать в следующем виде:
где Uоск среднеквадратическое значение опорного синусоидального напряжения;
K(ωt) вычисленные значения модулей отношения мгновенных значений входного и опорного сигналов;
Kc усредненное значение модулей отношения измеренных мгновенных значений входного и опорного сигналов.From (21) and (23) we define the expression for the function g (t):
Substituting (25) into (19), we obtain for the input signal
U (t) = A o K c sin (ωt 2 ) + A o sin (ωt 2 ) [K (ωt) -K c (26)
From (26) we can determine the value of the square of the input signal:
We write the expression of the square of the mean square value of the input signal in the following form:
After the transformation, expression (29) will have the form
From (30), the rms value of the input signal can be represented as follows:
The first term on the right-hand side of expression (31) is the square of the product of the rms value of the reference sinusoidal signal by the average value K c of the ratio of the instantaneous values of the input and reference signals, which corresponds to the component of the first harmonic of the input signal, therefore (31) can be written in the following form:
where U Osc is the rms value of the reference sinusoidal voltage;
K (ωt) calculated values of the moduli of the ratio of the instantaneous values of the input and reference signals;
K c the average value of the modules of the ratio of the measured instantaneous values of the input and reference signals.
Разность квадратов двух величин K(ωt) и Kc в выражении (32) можно представить в виде квадрата корня квадратного из разности квадратов этих же величин, поэтому (32) можно представить в следующем виде:
Первое слагаемое под общим корнем в правой части выражения (33) представляет собой квадрат среднеквадратического значения составляющей первой гармоники входного сигнала, а второе слагаемое равно квадрату среднеквадратического значения гармонических составляющих входного сигнала.The difference of the squares of the two quantities K (ωt) and K c in expression (32) can be represented as the square of the square root of the difference of the squares of the same quantities, therefore (32) can be represented in the following form:
The first term under the common root on the right side of expression (33) is the square of the rms value of the component of the first harmonic of the input signal, and the second term is equal to the square of the rms value of the harmonic components of the input signal.
Таким образом, среднеквадратическое значение входного сигнала равно корню квадратному из суммы квадратов двух величин произведения среднеквадратического значения опорного синусоидального сигнала на усредненное значение модулей отношений измеренных мгновенных значений входного и опорного сигналов и среднеквадратического значения произведения мгновенных значений опорного синусоидального сигнала на корень квадратный из разности квадратов вычисленных значений модулей отношений мгновенных значений входного и опорного сигналов и усредненного значения модулей отношений измеренных мгновенных значений входного и опорного сигналов. Thus, the rms value of the input signal is equal to the square root of the sum of the squares of two values of the product of the rms value of the reference sinusoidal signal and the average value of the moduli of the ratios of the measured instantaneous values of the input and reference signals and the rms value of the product of the instantaneous values of the reference sinusoidal signal and the square root of the difference of the squares of the calculated values modules of relations of instantaneous values of the input and reference signals and srednennogo moduli relationships measured instantaneous values of the input and reference signals.
Следует отметить, что в предлагаемом способе не требуется отдельно выделять первую гармонику входного сигнала или выделять постоянную составляющую из входного сигнала, изменяющегося в большом динамическом диапазоне, что повышает точность измерений. При этом время интегрирования при обработке выделенных только высших гармонических составляющих может быть уменьшено, что увеличивает быстродействие способа при его реализации. It should be noted that in the proposed method, it is not necessary to separately isolate the first harmonic of the input signal or to isolate the constant component from the input signal, which varies in a large dynamic range, which increases the accuracy of measurements. At the same time, the integration time during processing of selected only higher harmonic components can be reduced, which increases the speed of the method during its implementation.
На фиг. 2 приведена структурная схема устройства, реализующего способ. Входной сигнал Ux(t) поступает на вход формирователя 1, на выходе которого формируется напряжение U1, пропорциональное периоду T первой гармоники входного сигнала. Это напряжение U1 поступает на вход управляемого опорного генератора 2, на выходе которого генерируются колебания синусоидальной формы, период которых зависит от управляемого напряжения U1 и равен периоду Т первой гармоники входного сигнала.In FIG. 2 shows a structural diagram of a device that implements the method. The input signal U x (t) is input to the
Синусоидальное напряжение U2 амплитудой Ay с выхода опорного генератора 2 поступает на вход фазовращателя 3, на выходе которого получают синусоидальное напряжение Uy(t) той же амплитуды, которая не изменяется при изменениях фазовых сдвигов. Таким образом, на два входа двухлучевого осциллографа 4 поступают входной сигнал напряжения Ux(t) и опорный синусоидальный сигнал напряжения Uy(t), имеющие между собой фазовый сдвиг, к примеру, как показано на фиг. 1.The sinusoidal voltage U 2 with the amplitude A y from the output of the
Для каждого фазового сдвига Fo производят измерения мгновенных значений сигналов при выбранной паре моментов времени t1 и t2, вычисляют значения модулей отношений мгновенных значений входного и опорного сигналов, усредняют вычисленные значения модулей отношений мгновенных значений входного и опорного сигналов, определяют значение корня квадратного из разности квадратов двух величин вычисленных значений модулей K(ωt) отношений мгновенных значений входного и опорного сигналов при изменении сдвига фаз и усредненного значения модулей отношений измеренных мгновенных значений входного и опорного сигналов, после чего определяют среднеквадратическое значение произведения мгновенных значений опорного синусоидального сигнала в моменты времени t2 на полученное значение корня квадратного из разности квадратов двух величин K(ωt) и Kc, а среднеквадратическое значение входного сигнала получают после вычисления корня квадратного из суммы квадратов двух величин согласно формуле изобретения в соответствии с выражением (33).For each phase shift F o measure the instantaneous values of the signals at a selected pair of time instants t 1 and t 2 , calculate the values of the absolute value of the ratio of the instantaneous values of the input and reference signals, average the calculated values of the absolute value of the ratio of the instantaneous values of the input and reference signals, determine the square root of the difference of the squares of two values of the calculated values of the modules K (ωt) of the ratios of the instantaneous values of the input and reference signals when changing the phase shift and the average value of the modules from wearing the measured instantaneous values of the input and reference signals, after which the rms value of the product of the instantaneous values of the reference sinusoidal signal at times t 2 is determined by the obtained root square root of the difference of the squares of the two quantities K (ωt) and K c , and the rms value of the input signal is obtained after calculating the square root of the sum of the squares of two quantities according to the claims in accordance with expression (33).
Для повышения разрешающей способности следует увеличивать количество выбранных пар моментов времени t1, t2 для измерений.To increase the resolution, it is necessary to increase the number of selected pairs of time instants t 1 , t 2 for measurements.
При использовании прецизионного опорного генератора и малого шага при изменении сдвига фаз способ имеет высокую разрешающую способность, при этом способ не требует использования фильтров для обработки первой гармоники входного сигнала, что повышает точность измерения на инфранизких частотах. When using a precision reference generator and a small step when changing the phase shift, the method has a high resolution, while the method does not require the use of filters to process the first harmonic of the input signal, which increases the accuracy of measurement at infra-low frequencies.
Используемые источники информации. Used sources of information.
1. Авторское свидетельство СССР N 439763, кл. G 01R 19/02, 1973. 1. USSR author's certificate N 439763, cl. G 01R 19/02, 1973.
2. Авт. свид. СССР N 495612, кл. G 01R 19/02, 1974. 2. Auth. testimonial. USSR N 495612, class G 01R 19/02, 1974.
3. Авт. свид. СССР N 789788, кл. G 01R 19/02, 1977. 3. Auth. testimonial. USSR N 789788, class G 01R 19/02, 1977.
4. Волгин Л. И. Измерительные преобразования переменного напряжения в постоянное. М. Сов. радио, 1977, с. 139. 4. Volgin L. I. Measuring transformations of an alternating voltage into a constant. M. Sov. radio, 1977, p. 139.
5. Авт. свид. СССР N 920538, кл. G 01R 19/02, 1980. 5. Auth. testimonial. USSR N 920538, class G 01R 19/02, 1980.
6. Под ред. Шейнголда, Справочник по нелинейным схемам. М. Мир, 1977, с. 114-121. 6. Ed. Sheingolda, Handbook of nonlinear circuits. M. Mir, 1977, p. 114-121.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU93041185A RU2090895C1 (en) | 1993-08-13 | 1993-08-13 | Method measuring root-mean-square value of signal |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU93041185A RU2090895C1 (en) | 1993-08-13 | 1993-08-13 | Method measuring root-mean-square value of signal |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU93041185A RU93041185A (en) | 1996-06-10 |
RU2090895C1 true RU2090895C1 (en) | 1997-09-20 |
Family
ID=20146546
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU93041185A RU2090895C1 (en) | 1993-08-13 | 1993-08-13 | Method measuring root-mean-square value of signal |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2090895C1 (en) |
-
1993
- 1993-08-13 RU RU93041185A patent/RU2090895C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
1. Авторское свидетельство СССР N 439763, кл. G 01 R 19/02, 1974. 2. Авторское свидетельство СССР N 495612, кл. G 01 R 19/02, 1975. 3. Авторское свидетельство СССР N 789788, кл. G 01 R 19/02, 1980. 4. Волгин Л.И. Измерительные преобразователи переменного напряжения в постоянное. - М.: Советское радио, 1977, с. 139. 5. Авторское свидетельство СССР N 920538, кл. G 01 R 19/02, 1982. 6. Справочник по нелинейным схемам./Под ред. Шейнголда. - М.: Мир, 1977, с. 114 - 121. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CA2163411A1 (en) | Method for obtaining the fundamental and odd harmonic components of ac signals | |
US4661769A (en) | Measurement of magnitude and phase angle of voltage and current phasors and frequency deviation in power systems | |
CN100437054C (en) | Calibration measurement method and system for single-frequency steady-state sine machinery vibrating amplitude phase characteristic | |
RU2090895C1 (en) | Method measuring root-mean-square value of signal | |
US20060071777A1 (en) | Measuring method for deciding direction to a flickering source | |
RU2442180C1 (en) | Method for determining the parameters harmonic for non-sinusoidal electrical signal | |
RU2090900C1 (en) | Distortion factor signal measuring technique | |
RU167006U1 (en) | AC VOLTAGE TRANSMITTER | |
US5365184A (en) | Quadrature phase processing | |
RU2075756C1 (en) | Method for harmonic analysis of signal for evaluation of expectation | |
RU2065170C1 (en) | Nonlinear distortion factor measurement process | |
RU2086991C1 (en) | Method for spectral analysis of signals | |
JPH07134149A (en) | Method for measuring frequency by fourier analysis | |
RU2090898C1 (en) | Method of spectral analysis of signals | |
RU2090899C1 (en) | Method for determining rms value of harmonic components in signal | |
RU2065168C1 (en) | Signal spectral analysis method | |
RU2065169C1 (en) | Method for determining absolute average signal | |
RU2010246C1 (en) | Method of harmonic analysis of signals | |
JPS6152950B2 (en) | ||
RU2568422C9 (en) | Method of determination of parameters of industrial frequency electric signal vector | |
RU2070735C1 (en) | Meter measuring ratio of amplitude values of quasi-sinusoidal signals | |
RU2039359C1 (en) | Signal spectral analysis method | |
RU208079U1 (en) | CONTROLLED PHASE REFRACTOR | |
JPH0651004A (en) | Measuring device for constant of circuit element | |
RU2096828C1 (en) | Method for detection of amplitude ratio of harmonic signals |