SU862080A1 - Преобразователь переменного напр жени в посто нное - Google Patents

Description

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для построения точных аналоговых и цифровых измерителей действующего значения переменного напряжения или тока.

Известен преобразователь перемен- ⁵ ного напряжения в постоянное, оснований на методе взаимообратных преобразований, содержащий операционный дифференциальный усилитель, на входы которого включены выходы дифференциального компаратора напряжения, образованного двумя однонагревательными термопреобразователями, выходы которых соединены встречно, например, отрицательными термоэлектродами. При этом нагреватель первого термопреобразователя включен в цепь измеряемого сигнала, а нагреватель второго - в цепь обратной связи усилителя, выход кото- _м рого является одновременно выходом преобразователя [l].

Недостатки такого устройства - низкие чувствительность и точность пре2 образования из-за значительной нелинейности характеристик . термопреобразователя в начале диапазона измеряемых сигналов, а также разброса их коэффициентов преобразования в динамическом диапазоне входных сигналов.

Наиболее близок к предлагаемому преобразователь действующего значения переменного напряжения в постоянное, содержащий дифференциальный тёрмокомпаратор напряжения, образовавшей двумя однонагревательными термопреобразователями, выходы которых соединены встречно, например, положительными термоэлектродами, общая точка которых подключена на инвертирующий вход первого операционного усилителя, второй вход которого подк.гвочен к одному из выходов (например, положительному ) опорного источника постоянного напряжения. Выход первого операционного усилителя через ограничительный резистор соединен с входом нагревателя первого термопреобразователя и входом преобразователя, а через модулятор (преобразователь постоянного напряжения в переменнее) и второй ограничительный резистор - с входом нагревателя второго термопреобразователя, $ который включен в цепь обратной связи второго операционного усилителя, выход которого является и выходом преобразователя, а на его входы включены выходы дифференциального термокомпа- 10 ратора напряжений £2^|.

Недостатком прототипа является низкая точность преобразования в широком диапазоне частот, вызванная погрешностью модулятора по амплитуде, часто-15 те (которая постоянна для всего частот-? ного диапазона входных сигналов) и фазе, а также остаточными реактивностями, входных цепей термопрёобразователей.

Цель изобретения - повышение точ- 20 ности преобразования.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий дифференциальный термокомпаратор, образованный двумя термоэлектрическими преобразователями, каждый из которых состоит из нагревателя и термопары, источник опорного напряжения постоянного тока, два операционных усилителя и два последовательно соединенных ограничительных резистора, подключенных общим выводом через нагреватель первого термоэлектрического преобразователя к общей шине, а крайними ко входной шине и к выходу первого операционного усилителя, инвертирующий вход которого подключен к общему выводу термопар, а неинвертирующий - ₄θ к источнику опорного напряжения постоянного тока, инвертирующий вход второго операционного усилителя непосредственно,' а неинвертирующий через встречно включенные термопары под- ₄₅ ключены к общей шине, введены усилитель-ограничитель, управляемый делитель напряжения, сумматор напряжений, конденсатор и третий ограничительный резистор, причем первый вход сумматора^ напряжений соединен с выходом управляемого делителя напряжения, второй вход с выходом первого операционного усилителя и через конденсатор - с общей шиной, а выход - через третий ограни- ₅₅ чительный резистор и нагреватель второго термоэлектрического преобразователя подключен к общей шине, вход усилителя-ограничителя соединен со вход ной шиной, а выход - со входом управляемого делителя напряжения, управляющий вход которого подключен к выходу второго операционного усилителя.

Схема преобразователя переменного напряжения в постоянное представлена на чертеже.

Преобразователь содержит входные клеммы 1-1 , первая из которых через ограничительный резистор R1 соединена с нагревателем 2-1 дифференциального термопреобразователя (ДТП) 2 и с второй входной клеммой 1’, которая соединена с общей шиной. ДТП 2 содержит также второй нагреватель 2-4. Нагреватели 2-1 и 2-4 имеют тепловой контакт с торцами 2-2 и 2-3 полупроводникового термоэлемента, средний положительный вывод которого соединен со входом операционного усилителя (ОУ) 3, на неинвертирующий вход которого подключен положительный выход опорного источника постоянного напряжения 4, второй выход которого соединен с общей шиной. Выход ОУ 3 через ограничительный резистор R2, первый вход сумматора 5 и ограничительный резистор R3 соединен соответственно с нагревателями 2-1 и 2-4 ДТП 2, первый и второй выходы которого соединены со входом ОУ 6 и обшей шиной соответственно, а выход ОУ 6, являющийся и выходом 7 преобразователя, соединен с управляющим входом делителя напряжения 8, выход которого подключен ко второму входу сумматора 5, между первым входом которого и общей шиной подключена емкость С. Вход управляемого делителя напряжения 8 через усилитель-ограничитель 9 соединен со входной шиной 1 преобразователя. На чертеже ⁼~ соответственно входное и выходное напряжения, К - корректор (бесконтактный) вольтамперных характеристик по нагревателям 2-1 и 2-4 ДТП; Rl, ^2, R3 ограничительные резисторы; Е1 и Е2 выходные термо-ЭДС ДТП.’ <

Преобразователь переменного напряжения в постоянное работает следующим образом. В исходный момент, когда ’ 1МЧ =0, на неинвертируюший вход первого 0У 3 поступает опорное напряжение Ео от источника опорного напряжения 4. Выходное напряжение положительной полярности ОУ 3 через резистор R.2, сумматор 5 и ограничительный резистор R3 подается на нагреватели 2-1 и 2-4 ДТП 2 соответственно, вследствие чего в них выделяется тепло Джоуля. В результате разогрева нагревателей на выходе ДТП 2 появятся термо-ЭДС Е1 и Е2, которые в случае идентичности вольтамперных характерис- $ тик ДТП 2 будут одинаковы (El- Е2). (В случае, если Е1/ Е2, корректором К в первоначальный момент корректируют вольтамперные характеристики так, чтобы El= Е2) . Нагрев нагревателей 2-1.. _|0 •й'2-4 ДТП 2 будет происходить до тех пор, пока не будет достигнуто равенство Е_о= Е2^Поскольку полярности включения Е 1 и Е 2 ДТП 2 к выходу ОУ 6 противоположны,при Е1= Е2 напряжение· |5 на выходе ОУ 6 и на выходе преобразователя будет отсутствовать, т.е. U⁼0. Выбором величины напряжения Ε.θ источника опорного напряжения 4 обеспечивается такой исходный температурный ₂о режим работы ДТП 2, при котором его рабочая точка находится на оптимальном по линейности и чувствительности участке вольтамперных характеристик.

Под воздействием измеряемого пере- 25 менного напряжения в нагревателе 2-1 . возникает дополнительный нагрев, в результате которого термо-ЭДС Е1 получает приращение.Разность термо-ЭДС Е1 и Е2 воздействует на инвертирующий вход усилителя 6,и на вы- , ходе его появляется постоянное напряжение и=. Выходное напряжение переменного тока U*(b) одновременно с этим воздействует на вход усилителяограничителя 9, который формирует двухполярные прямоугольные импульсы со стабилизированными уровнями, частота и фаза которых совпадают с частотой и фазой а уровни их зависят от до уровня ·

Прямоугольные импульсы с выхода усилителя-ограничителя 9 поступают на вход управляемого делителя напряжения 8,с выхода которого под воздействием на 45 его управляющем входе напряжения Uподаются на первый вход сумматора 5, в котором складываются с выходным напряжением ОУ 3. Увеличение напряжения на выходе сумматора 5 приводит к уве^-50 личению термо-ЭДС Е2, которая воздействует на инвертирующий вход ОУ 3, вследствие чего уменьшается его выходное напряжение, сохраняя первоначально заданный температурный режим ДТП 2 по 55 его нагревателям. При этом выходное_v напряжение (J ОУ 6, а следовательно, и выходное напряжение преобразователя бу

Дет изменяться пропорционально эффективному значению измеряемого напряжения ΐΜυ .

Поскольку на нагреватели 2-1 и 2-4 воздействуют сигналы одинаковых частоты и фазы, таким образом исключается влияние их остаточных реактивностей на погрешность преобразования в широком диапазоне частот, так как погрешность будет доказывать только неидентичность этих реактивностей.

Кроме того, в преобразователе отсутствуют влияния на точность преобразования погрешности модулятора (преобразователя постоянного напряжения в переменное).

Таким образом, преобразователь переменного напряжения в постоянное обладает более высокой точностью преобразования в широком диапазоне частот по сравнению с прототипом.

Claims (3)

1. Изобретение относитс  к приборостроению и может быть использовано дл  построени  точных аналоговых и цифровых измерителей действующего зна чени  переменного напр жени  или тока Известен преобразователь переменного напр жени  в посто нное, основан М)1й на методе взаимообратных преобразований , содержащий операционный дифференциальный усилитель, на входы которого включены выходы дифферешщапьного компаратора напр жени , образованного двум  однонагревательшлми термопреобразовател ми, выходы которы соединены встречно, например, отрицательными термоэлектродами. При этом нагреватель первого термопреобразовател  включен в цепь измер емого сигна ла, а нагреватель второго - в цепь обратной св зи усилител , выход которого  вл етс  одновременно выходом преобразовател  |. Недостатки такого устройства - низ кие чувствительность и точность преобразовани  из-за значительной нелинейности характеристик . термопреобра-. зовател  в начале диапазона измер емых сигналов, а также разброса их коэффи .циентов преобразовани  в динамическом диапазоне входных сигналов. Наиболее близок к предлагаемому преобразователь действующего значени  переменного напр жени  в посто нное, содержавши дифференциальный тёрмокомпаратор напр жени , образованшлй двум  однонагревательными термопреобразовател ми , выходы которых соединены встречно, например, положительными термоэлектродами, обща  точка которых подключена на инвертируимций вход первого операционного усилител , второй вход которого подк/вочен к одному из выходов (например, положительному ) опорного источника посто нного напр жени . Выход первого операционного усилител  через ограт чительный резистор соединен с входом нагревател  первого термопреобразовател  и входом преобразовател , а через модул тор (преобразователь посто нного напр жени  в переменное) и второй ограничительный резистор - с входом нагревател  второго термопреобразовател , который включен в цепь обратной св зи второго операционного усилител , выход которого  вл етс  и выходом преобразовател , а на его входы включены выходы дифференциального термокомпаратора напр жений
2. 2. Недостатком прототипа  вл етс  низка  точность преобразовани  в широком диапазоне частот, вызванна  погрешностью модул тора по амплитуде, частоте (котора  посто нна дл  всего частот ного диапазона входных сигналов) и фазе , а также остаточными реактивност ми входных цепей термопреобразователей. Цель изобретени  - повышение точности преобразовани . Поставленна  цель достигаетс  тем, что в преобразователь переменного напр жени  в посто нное, содержащий дифференциальный термокомпаратор, образованный двум  термоэлектрическими преобразовател ми , каждьй из которых состоит из нагревател  и термопары, источник опорного напр жени  посто нного тока, два операционных усилител  и два последовательно соединенных ограничительных резистора, подключенных общим выводом через нагреватель первого термоэлектрического преобразовател  к общей шине, а крайними ко входной шине и к выходу первого операционного усилител , инвертирующий вход которого подключен к общему выводу термопар, а неинвертирзтощий к источнику опорного напр жени  посто  нного тока, инвертирующий вход второго операционного усилител  непосред ственно, а неинвертирующий через встречно включенные термопары подключены к общей шине, введены усилитель-огра1шчитель , управл емый дели тель напр жени , сумматор напр жений, конденсатор и третий ограничительный резистор, причем первый вход сумматор напр жений соединен с выходом управл  емого делител  напр жени , второй вхо с выходом первого операционного усили тел  и через конденсатор - с общей шиной, а выход - через третий ограничитальный резистор и нагреватель второго термоэлектрического преобразовател  подключен к общей шине, вход уси лител -ограничител  соединен со вход86 04 ной шиной, а выход - со входом управл емого делител  напр жени , управл ющий вход которого подключен к выходу второго операционного усилител . Схема преобразовател  переменного напр жени  в посто нное представлена на чертеже. Преобразователь содержит входные клеммы 1-1 , перва  из которых через ограничительный резистор R1 соединена с нагревателем 2-1 дифференциального термопреобразовател  (ДТП) 2 и с второй входной клеммой 1 , котора  соединена с общей шиной. ДТП 2 содержит также второй нагреватель 2-4, Нагреатели 2-1 и 2-4 имеют тепловой контакт с торцами 2-2 и 2-3 полупроводникового термоэлемента, средний положительный вывод которого соединен со входом операционного усилител  (ОУ) 3, на неинвертирующий вход которого подключен положительный выход опорного источника посто нного напр жени  4, второй выход которого соединен с общей шиной. Выход ОУ 3 через ограничительный резистор R2, первьш вход сумматора 5 и ограничительный резистор R3 соединен соответственно с нагревател ми 2-1 и 2-4 ДТП 2, первый и второй выходы которого соединены со входом ОУ 6 и общей щиной соответственно, а выход ОУ 6,  вл ющийс  и выходом 7 преобразовател , соединен с управл ющим входом делител  напр жени  8, выход которого подключен ко второму входу сумматора 5, между первым входом которого и общей шиной подключена емкость С. Вход управл емого делител  напр жени  8 через усилитель-ограничитель 9 соединен со входной щиной 1 преобразовател . На чертеже U,r(t),U- соответственно входное и выходное напр жени , К - корректор (бесконтактный) вольтамперных характеристик по нагревател м 2-1 и 2-4 ДТП; RI, 2, R3 ограничительные резисторы; El и Е2 выходные термо-ЭДС ДТП. I Преобразователь переменного напр жени  в посто нное работает следующим образом. В исходный момент, когда Ux()-0 на неинвертируюпдай вход первого ОУ 3 поступает опорное напр жение ЕО от источника опорного напр жени  4. Выходное напр жение положительной пол рности ОУ 3 через резистор R,2, сумматор 5 и ограничительный резистор R3 подаетс  на нагреватели 2-1 и 2-4 ДТП 2 соответственно. вследствие чего в них выдел етс  теп Джоул , В результате разогрева нагре вателей на выходе ДТП 2 по в тс  тер мо-ЭДд Е1 и Е2, которые в случае идентичности вольтамперных характери тик ДТП 2 будут одинаковы (El- Е2). (в случае, если Е1 Е2, корректором К в первоначальный момент корректирую вольтамперные характеристики так, что бы Е| Е2) . Нагрев нагревателей 2-1 -и2-4 ДТП 2 будет происходить до тех пор, пока не будет достигнуто равенст во ЕО Е2;;Поскольку пол рности включени  Е1 и Е 2 ДТП 2 к выходу ОУ 6 противоположны при Е1 Е 2 напр жение на выходе ОУ 6 и на выходе преобр&amp;зовател  будет отсутствовать, т.е. Выбором величины напр жени  Е-о источника опорного напр жени  4 обеспечиваетс  такой исходный температурный режим работы ДТП 2, при котором его рабоча  точка находитс  на оптимальном по линейности и Чувствительности участке .вольтамперных характеристик. Под воздействием измер емого переменного напр жени  в нагревателе 2-1 возникает дополнительный нагрев, в результате которого термо-ЭДС Е1 получает приращение.Разность термо-ЭДС Е1 и Е2 воздействует на инвертирующий вход усилител  6,и на вы- , ходе его по вл етс  посто нное напр жение и. Выходное напр жение переменного тока и )( (.t) одновременно с этим воздействует на вход усилител ограничител  9, который формирует дву пол рные пр моугольные импульсы со стабилизированными уровн ми, частота и фаза которых совпадают с частотой и фазой U)(,(t), а уровни их завис т отуровн  Un Н) Пр моугольные импульсы с выхода усилител -ограничител  9 поступают на вход управл емого делител  напр жени  8,с выхода которого под воздействием на его управл ющем входе напр жени  Uподаютс  на первый вход сумматора 5, в котором складываютс  с выходным напр жением ОУ
3. 3. Увеличение напр жени  на выходе сумматора 5 приводит к увеличению термо-ЭДС Е2, котора  воздействует на инвертирующий вход ОУ 3, вследствие чего уменьшаетс  его выходное напр жение, сохран   первоначально заданный температурный режим ДТП 2 по его нагревател м. При этом выходное напр жение U ОУ 6, а следовательно, и выходное напр жение преобразовател  бу806 Дет измен тьс  п опорционально эффективному значению измер емого напр жени  UK (t) . Поскольку на нагреватели 2-1 и 2-4 воздействуют сигналы одинаковых частоты и фазы, таким образом исключаетс  вли ние их остаточных реактивностей на погрешность преобразовани  в широком диапазоне частот, так как погрешность будет доказывать только неидентичность этих реактивностей. Кроме того, в преобразователе отсутствуют вли ни  на точность преобразовани  погрешности модул тора (преобразовател  посто нного напр жени  в переменное). Таким образом, преобразователь переменного напр жени  в посто нное обладает более высокой точностью преобразовани  в отроком диапазоне частот по сравнению с прототипом. Формула изобретени  Преобразователь переменного напр жени  в посто нное, содержащий дифференциальный термокомпаратор, образованн1з1й двум  термоэлектрическими преобразовател ми, каждый из которых состоит из нагревател  и термо|П ры, источник опорного напр жени  посто нного тока, два операционных силител  и два последовательно соединен-, ных ограничительм 1х резистора, подключенных общим выводом через нагреватель первого термоэлектрического преобразовател  к общей шине, а крайними ко входной шине и к выходу первого операционного усилител , инвертируиидий вход которого подключен к общему выводу термопар, а неинвертирующий - к источнику опорного напр жени  посто нного тока, инвертирующий вход второго операционного усилител  непосредственно , а неинвертирующий - через встречно включенные термопары подключены к общей шине, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности, него введены усилитель-ограничитель, правл емый делитель напр жени , суматор напр жений, ко1зденсатор и третий граничительный резистор, причем перый вход сумматора напр жений соединен выходом управл емого делител  напр ени , лторой вход - с выходом первого перационного усилител  и через коненсатор - с общей шиной, а выход ерез третий ограничительный резистор

   7 .862080

   и нагреватель второго термоэлектрического преобразовател  подключен к общей шине, вход усилител -ограничител  соединен со входной шиной, а выход со входом управл емого делител  напр -5 жени , управл ющий вход которого подключен к выходу второго операционного усилител . Источники информацииJ прин тые во внимание при экспертизе

   I. Таубе B.C. Разработка и исследование методов и средств высокой точности дл  автоматического измерени  действующего и среднего значений пере10 менного напр жени . Диссертаци  на соискание ученой степени к.т.н. Л., ВНИИМ, 1972, с. 10,рис. 1-4. 2. Патент Великобритании № ПЗЙ932, кл. G 1 V , оггублик. 01.01.69 (прототип).