RU4014U1 - Устройство для измерения тока/напряжения - Google Patents

Abstract

1. Устройство для измерения тока/напряжения, содержащее первый согласующий усилитель, подключенный входом к измерительному элементу, второй согласующий усилитель, подключенный к шинам питания, и оптоэлектронный прибор, отличающееся тем, что оно снабжено блоком обработки и управления измеряемого сигнала и блоком обратной связи, подключенным к шинам питания, причем согласующие усилители соединены между собой оптоэлектронным прибором, второй согласующий усилитель соединен с блоком обработки и управления, управляющий выход которого подключен к входу блока обратной связи, а управляющий выход последнего соединен с первым усилителем, подключенным к питающим выходам блока обратной связи.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок обратной связи выполнен в виде схемы, имеющей модулятор с управляющим входом от блока обработки и управления и двумя парафазными выходами, подключенными к двухтактному усилителю мощности, соединенному с первичной обмоткой трансформатора и выходами второго согласующего усилителя, а вторичная обмотка подключена к выпрямительному мосту и однополупериодным выпрямителям, соединенным выходами с низкочастотным фильтром и входом балансировочного потенциометра, средняя точка которого является выходом блока обратной связи, кроме того, выходы выпрямительного моста подключены к фильтрам питания первого согласующего усилителя.

Description

УСТРОЙСТВО дла ШМЕРШШ ТОКАУНАПРШШШ

Пола.2,млд

Предполагаемоа кв р вфвние относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения постоянного и переменного напряжения и тока от источников, находящихся под высоким потенциалом.

Известно устройство для измерения тока, содержащее два оптоэлектронных прибора, фотодиоды которых подключены к источнику питания и входам дифференциального усилителя, а светодиоды соединены последовательно. Кроме того, устройство имеет два транзистора противоположной проводимости и дифференциальный усилитель, инвертирующий вход которого соединен со средним выходом двухполярного источника питания, а инвертирующий - о коллекторами транзисторов и средним выводом потенциометра. Выход дифференциального усилителя через последовательно соединенные резисторы соединен со светодиодами оптопар и эмиттерами транзисторов. Кроме того, устройство содержит два диода, соединенные последовательно через потенциометр, средний вывод которого через измерительный резистор подключен к среднему выводу двухполупериодаого источника питания /I/.

Недостатками этого устройства является низкая точность измерения и довольно низкий динамический диапазон измеряемых сигналов из-за наличия нелинейных искажений на его выходе, т.к. в устройстве отсутствует цепь отрицательной обратной связи от выходного усилителя, а также из-за отсутствия возможности

Объект: полезная модель

IviKH ; G 01 R 19/00

компенсации напряжений смещения и временного дрейфа указанных выше усилителей. Вследствие этого, нарушается симметрия передаточной характеристики всего устройства. Кроме того, описанная схема устройства громоздка.

За прототип взято устройство для измерения тока, содержащее согласующий усилитель, входом подключенный к измерительному элементу и усилитель линейной коррекции, вход которого соединен с выходами согласующего усилителя и первого оптоэлектронного прибора, а выход - с последовательно включенными входными цепями двух оптоэлектронных приборов. Выход второго оптрона подключен ко входу операционного усилителя, причем вход согласующего усилителя соединен с измерительным элементом, а к выходу операционного усилителя подключен показывающий прибор /2/,

Основным недостатком взятого за прототип устройства является низкая точность измерения из-за наличия нелинейных искажений на его выходе, т.к. отрицательной обратной связью охвачен только усилитель линейной коррекции, а искажения сигналов, возникающие в согласующем и операционном усилителях, не устраняются. Кроме того, устройство имеет повышенный уровень шумов на выходе, т.к. оптоэлектронный прибор сам являясь источником шумов, подключен ко входу усилителя линейной коррекции, и эти шумы еще усиливаются усилителем линейной коррекции и операциошшм усилителем. Другим существенным недостатком описанной электрической схемы является необходимость в обеспечении всех трех усилителей отдельными источниками питания для обеспечения гальванической развязки, которую должны обеспечивать два оптоэлектронных прибора.

диапазона измеряемых сигналов при существенном упрощении электрической схемы из-за введения отрицательной обратной связи между усилителями.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения напряжения и тока, содержащее первый согласующий усилитель, подключенный к измерительному элементу, второй согласующий усилитель, подключенный к шинам питаниями оптоэлектронный прибор, введены блок обработки и управления измеряемого тока и блок обратной связи. Усилители соединены между собой оптоэлектронным прибором,выход .второго согласующего усилителя соединен с блоком обработки и управления измеряемого тока, управляющий выход которого подключен ко входу блока обратной связи, а выход последнего, являющийся также управляющим, подключен ко второму входу первого согласующего усилителя. Блок обратной связи подключен к шинам блока питания и к первому согласующее усилителю. Кроме того, блок обратной связи выполнен в виде электрической схемы, имеющей модулятор с управляющим входом от блока обработки и измерения и двумя парафазными выходами, подключенными к двухтактному усилителю мощности, соединенного с первичной обмоткой трансформатора, а вторичная обмотка подключена к выпрямительному мосту и однополупериодным выпрямителям, соединенным выходами с низкочастотным фильтром и входами балансировочного потенциометра, средняя точка которого является выходом блока обратной связи. Кроме того, выходы выпрямительного моста подключены к фильтрам питания первого согласующего усилителя. Введение в предлагаемое устройство блока обработки и управления, а также блока обратной связи, с описанной электрической схемой, обеспечивает высокоточную передачу электрических сигналов напряжения, постоянного и переменного тока через оптоэлектронную развязку от источников, находящихся под высоким потенциалом.

Описанное размещение оптоэдектронного прибора также обеспечивает гальваническую развязку вьосода первого согласующего усилителя и входа второго согласующего усилителя с использованием не двух, как у прототипа, а одного оптоэлектронного элемента.

На фиг.1 изображена блок-схема предлагаемого устройства, на фиг.2 - электрическая схема блока обратной свяаи, на фиг.З временные диаграшды, поясняющие принцип действия блока обратной связи.

Устройство содержит первый согласующий усилитель I, подключенный входом к источнику электрического сигнала 2, который подлежит измерению (измерительный элемент), а выходом - ко входу оптоэлектронного прибора 3. Выход последаего подключен ко входу второго согласующего усилителя 4, выход которого подключен к блоку обработки и управления измеряемого тока и напряжения 5, включающему в себя платы аналого-цифровой обработки и микроЗ& 4 (платы на чертеже не показаны). Второй согласующий усилитель 4 и блок обратной связи 6 подключены к шинам блока питания (на чертеже не показан), а питающие выходы блока обратной связи 6 подключены к первому согласующему усилителю I. Вход блока обратной связи 6 соединен с блоком обработки и управления 5, а выход, являющийся управляющим, подключен ко второму входу первого согласующего усилителя I. Блок обратной связи 6 состоит из модулятора В, имеющего управляющий вход 9, соединенный с выходом блока обработки и управления сигналов 5, и два парафазных выхода 10 и II, подключенных к двухтактному импульсному усилителю мощности 12, а выходы последнего подключены к первичным обмоткам трансформатора 7. Вторичная обмотка трансформатора 7 подключена к выпрямительному мосту 13 и одаополупериодным выпрямителям 14 и 15. Кроме того, вторичная обмотка трансформатора 7 имеет отвод 16 от середины, являющийся общим проводом для первого

Cl

согласующего усилителя I. Выхода моста 13 подключены к фильтрам питания 17 и 16, а выходы однополупериодных выпрямителей 14 и 15 подключены к низкочастотному фильтру 19 и входам балансировочного потенциометра 20, средняя точка которого является выходом 21 блока обратной связи и подключен ко второму входу первого усилителя I.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии при подаче питания на усилители I и 4 и отсутствии входщого сигнала элементы схемы подобраны так, что рабочая точка оптоэлектронного прибора 3 находится на линейном участке его передаточной характеристики и на выходе устройства сигнал равен нулю. Измеряемый электрический сигнал поступает на первый вход первого согласующего усилителя I, усиливается, подается на вход оптоэлектронного прибора 3, а с его выхода поступает на вход второго согласующего усилителя 4, дополнительно усиливается и поступает на вход блока обработки и управления 5, где производится его аналого-цифровое преобразование и компьютерная обработка по заданной программе, визуализа1 уия и регистрация. Кроме того, на управляющем выходе микроЭШ блока обработки и управления 5, который подключен ко входу 9 модулятора В блока обратной свяви 6, формируется управляющий сигнал, приводящий к тому, что на выходе 21 блока обратной связи формируется сигнал, поступающий на второй вход первого согласующего усилителя I. Этот сигнал гальванически не связанный с выходом всего устройства, действует как обратная связь, охватывающая усилители I и 4. В исходшом состоянии, при подключении питания и отсутствии сигнала на управляющем входе 9 модулятора 6, он генерирует на выходах 10 и II парафазные импульсы типа меандр, т.е. с соотношением длительности импульса и паузы равным единице. Двухтактный импульсный усилитель мощности 12 усиливает эти сигналы

//

по мощности, передает их на первичную обмотку трансформатора 7, вторичная обмотка которого имеет отвод от середины, являющийся общим проводом для первого согласующего усилителя I. Выход первого согласующего усилителя I и вход второго согласующего усилителя 4 гальванически не связаны благодаря оптоэлектронному прибору 3. Импульсы напряжения с крайних выводов вторичной обмотки трансформатора 7 подключены к двум цепям. Первая цепь - мостовой выпрямитель 13, фильтры 17 и 16. Здесь благодаря мостовой схеме выпрямления формируется двухполярное напряжение относительно общего провода вторичной обмотки трансформатора 7, которое сглаживается фильтрами 17 и Ifc и амплитуда обеих полярностей не зависит от соотношения длительности импульса и паузы. Этой цепью осуществляется двухполярное стабилизированное питание силовой цепи первого согласующего усилителя I. Вторая цепь - однополупepиo I шe выпрямители на диодах 14 и 15 для положительной и отрицательной полярностей выходного напряжения соответственно, с общим низкочастотным фильтром 19, балансировочным потенциометром 20 и выходом 21. В исходом состоянии при отсутствии управляющего сигнала на входе 9 модулятора Ь однополупериодные выпрямители на диодах 17 и 1Ь вырабатывают напряжение равной амплитуды положительной и отрицательной полярностей, которые сглаживаются низкочастотным фильтром 19 и сравниваются на балансировочном потенциометре 20. Поскольку амплитуды этих напряжений равны, то на выходе 21 результирующее напряжение равно нулю, следовательно сигнал обратной связи на втором входе 21 первого согласующего усилителя I равен нулю. Под воздействием управляющего сигнала на входе 9 модулятора 8 на вторичной обмотке трансформатора 7 формируются импульсы напряжения с соотношением длительности и паузы отличным от единицы. При соотношениях длительностей импульса и паузы приведенных на фиг.За, действующие значения

на выходах однополупериодных выпрямителей 14 и 15 имеют амплитуды для положительной полярности iL и отрицательной ЬС и показаны на фиг.36. В результате их сравнения на средней точке потенциометра 20 формируется результирующий сигнал управления к , имеющий отрицательную полярность. Этот сигнал подается на вход первого согласующего усилителя I, чем и производится изменение положения рабочей точки передаточной характеристики вход-выход усилителей X и 4 постоянной составляющей. Для изменения положения рабочей точки усилителей в другую полярность необходимо на вход 9 модулятора 6 подать управляющий сигнал другой полярности по сравнению с предыдущим случаем, что повлечет изменение соотношения длительностей импульса и паузы, как показано на фиг.36. Б этом случае вырабатывается сигнал iLf другой полярности, пропорциональный амплитуде напряжения управления на вход 9. Например, при передаче электрических сигналов с требуемым коэффициентом усиления микроэвм блока обработки и управления 5 форми ует на входе 9 модулятора 6 и выходе 21 сигнал той же формы определенной амплитуды, являющийся сигналом отрицательной обратной связи для первого усилителя I. Таким образом, измеряемый сигнал постоянного и переменного тока проходит через оптоэлектронный прибор 3, а сигнал обратной связи, модулирующий длительность имцульсов, через трансформатор 7. Этими обстоятельствами осуществляется полная гальваническая развязка цепей измеряемого сигнала и выходом всего устройства. В зависимости от конкретных требований задач изменений микроЭШ блока обработки и управления 5 по 341данний программе на своем управляющем выходе вырабатывает управляющий сигнал на вход 9 модулятора 8 блока обратной связи 6. Например, для компенсаций достоянной составляющей входного сигнала, микро ЪШ. формирует на входе 9 модулятора 6 такой сигнал постоянного тока, чтобы на выходе EI балансировочного потенциометра 20 и.

соответственно, на втором входе 1 усилителя I вырабатывался сигнал постоянного тока, приводящий к компенсации постоянной составляющей входного сигнала и приводящий к нулю сигнал на входе усилителя 4.

Использование предлагаемого устройства измерения напряжения и тока и, прежде всего, его отличительные от прототипа существенные признаки, позволяют достичь высокоточную передачу и расширить динамический и частотный диапазон электрических сигналов постоянного и переменного тока от источников, находящихся под высоким потенциалом. На достижение указанного эффекта очень большое влияние оказывают следующие вновь появившиеся функции, такие как:

-осуществление компенсации постоянной составляющей входного сигнала любой полярности и напряжения, смешения и дрейфа согласующих усилителей, а также термокомпенсацки параметров усилительного канала, причем в автоматическом режиме;

-осуществление калибровки устройства от его входа до выхода сигналами постоянного и переменного токов без применения специальных устройств на входе непосредственно в процессе измерений;

-осуществление передачи электрических сигналов с требуемым и регулируемым линейным, либо частотно зависимым коэффициентом усиления.

для надежной работы предлагаемого устройства большое значение имеет факт питания согласующих усилителей от одного источника питания.

Так, предлагаемое устройство для измерения тока в диагностических системах токамаков для измерения параметров высокотемпературной турбулентной плазмы методом электрических зондов.

С:

измерять локальные колебания плотности и электрических полей (в диапазоне частот от 0,1-1000 кГц) в условиях высокого потенциала (до 3 Квольт) плазменного столба токамака относительно земли.

Авторы:

Патентовед:

Дементьев Г.Н,

Будаев В.П.

/; Ч

(Шанина A.M.)

i// OPiviyM

Claims (2)

1. Устройство для измерения тока/напряжения, содержащее первый согласующий усилитель, подключенный входом к измерительному элементу, второй согласующий усилитель, подключенный к шинам питания, и оптоэлектронный прибор, отличающееся тем, что оно снабжено блоком обработки и управления измеряемого сигнала и блоком обратной связи, подключенным к шинам питания, причем согласующие усилители соединены между собой оптоэлектронным прибором, второй согласующий усилитель соединен с блоком обработки и управления, управляющий выход которого подключен к входу блока обратной связи, а управляющий выход последнего соединен с первым усилителем, подключенным к питающим выходам блока обратной связи.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок обратной связи выполнен в виде схемы, имеющей модулятор с управляющим входом от блока обработки и управления и двумя парафазными выходами, подключенными к двухтактному усилителю мощности, соединенному с первичной обмоткой трансформатора и выходами второго согласующего усилителя, а вторичная обмотка подключена к выпрямительному мосту и однополупериодным выпрямителям, соединенным выходами с низкочастотным фильтром и входом балансировочного потенциометра, средняя точка которого является выходом блока обратной связи, кроме того, выходы выпрямительного моста подключены к фильтрам питания первого согласующего усилителя.