ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ

Полезная модель относится к области электроизмерений, в частности к измерительным преобразователям, и может быть использована в устройствах измерения переменного напряжения электрической сети путем преобразования его в постоянное.
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 выход фильтра 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 соединен 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.
вых
x
y
x
y
Недостатком данного преобразователя является узкий рабочий диапазон измеряемого напряжения. Это связано с тем, что обычный перемножитель напряжений, используемый в устройстве в качестве квадратора и реализующий уравнение U=UU/10, имеет коэффициент передачи 0,1. В результате чего уже при перемножении входных сигналов U=U=0,1 В выходное напряжение перемножителя будет составлять 0,001 В, что с учетом коэффициента сигнал/шум соизмеримо с нижней границей рабочего диапазона полезного сигнала. Следовательно, нижний порог измеряемого входного напряжения будет определяться уровнем напряжения шумов выходного напряжения перемножителя. Тогда при максимальных значениях входных и выходного напряжений перемножителя, равных 10 В, динамический диапазон входных напряжений перемножителя составит примерно D=20lg(10/0,1)=40 дБ. Повышение искусственно коэффициента передачи перемножителя, например, до единицы приведет к снижению верхней и нижней границ диапазона входных напряжений и совсем не повлияет на их динамический диапазон.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является расширение динамического диапазона входных напряжений преобразователя.
Указанный технический результат достигается тем, что в известный измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий фазосмещатель, два квадратора, суммирующее устройство и блок извлечения квадратного корня, причем вход первого квадратора соединен с входом 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 соединен с входом блока извлечения квадратного корня, дополнительно введены управляемый усилитель, управляемый делитель, источник задающего сигнала, вычитающее устройство и ПИ-регулятор, причем вход управляемого делителя соединен с выходом блока извлечения квадратного корня, вход которого соединен со вторым входом вычитающего устройства, выход которого соединен с входом ПИ-регулятора, выход которого соединен с управляющими входами управляемого усилителя и управляемого делителя, выход которого является выходом преобразователя, вход которого соединен с входом управляемого усилителя, выход которого соединен с входом первого квадратора, а выход источника задающего сигнала соединен с первым входом вычитающего устройства.
Существенными отличиями предлагаемого преобразователя являются введение управляемого усилителя, управляемого делителя, источника задающего сигнала, вычитающего устройства и ПИ-регулятора. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение заявляемого технического результата.
вх
1
5
7
вых
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена функциональная схема преобразователя, на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений u, u-u, u и u.
Преобразователь (фиг. 1) содержит управляемый усилитель 1, фазосмещатель 2, первый 3 и второй 4 квадраторы, суммирующее устройство 5, блок извлечения квадратного корня 6, управляемый делитель 7, источник задающего сигнала 8, вычитающее устройство 9 и ПИ-регулятор 10.
вх
m вх
у
1m
Преобразователь работает следующим образом. Входное напряжение u=Usinωt, пройдя через управляемый усилитель 1, умножается на его коэффициент усиления K и стабилизируется по амплитуде на уровне U и поступает на входы фазосмещателя 2 и первого квадратора 3 (фиг. 2):
1
у
m вх
1m
u=KUsinωt=Usinωt,
m вх
где U - амплитуда измеряемого входного напряжения;
у
K - коэффициент усиления управляемого усилителя 1;
1m
U - амплитуда выходного напряжения управляемого усилителя 1;
ω - угловая частота измеряемого входного напряжения.
2
вх
На выходе фазосмещателя 2 формируется напряжение u, равное по амплитуде и сдвинутое по фазе относительно u на угол 90° в сторону опережения (фиг. 2):
2
1m
1m
u=Usin(ωt+90°)=Ucosωt.
1
2
На входы квадраторов 3, 4 поступают соответственно напряжения u и u, одинаковые по амплитуде и сдвинутые по фазе относительно друг друга на угол 90°.
3
4
1
2
На выходах квадраторов 3, 4 формируются напряжения u, u, полученные после возведения в квадрат соответственно напряжений u и u (фиг. 2):
; .
3
4
5
1m
После суммирования напряжений u и u в суммирующем устройстве 5 и преобразований на его выходе имеем постоянное напряжение u, равное квадрату U (фиг. 2):
.
6
После операции извлечения квадратного корня в блоке извлечения квадратного корня 5 на его выходе преобразователя формируется напряжение u, которое не содержит переменной составляющей:
.
6
д
у
д
7
вых
m вх
Напряжение u, пройдя через управляемый делитель 7, делится на коэффициент деления K управляемого делителя 7 и поступает на выход преобразователя (фиг. 2). При выборе равными коэффициента усиления K управляемого усилителя 1 и коэффициента деления K управляемого делителя 7 их произведение будет всегда равно единице при любых значениях управляющего напряжения u. В результате на выходе управляемого делителя 7 и преобразователя формируется постоянное напряжение u, равное амплитуде входного напряжения U (фиг. 2):
у
д
при K=K.
у
д
вх
8
8
6
7
7
у
д
вых
m вх
вх
Для поддержания равенства коэффициентов K=K во всем рабочем диапазоне входных напряжений u в преобразователь введена система автоматического регулирования по отклонению, состоящая из источника задающего сигнала 8, вычитающего устройства 9 и ПИ-регулятора 10 (фиг. 1). С помощью источника задающего сигнала 8 задается уровень напряжения u, который будет поддерживаться на выходе суммирующего устройства 5. В данном случае этот уровень принят равным 1 В. На выходе вычитающего устройства 9 формируется сигнал равный разности напряжений u и u, который подается на вход ПИ-регулятора 10. На выходе ПИ-регулятора 10 формируется управляющее напряжение u, которое изменяет коэффициент усиления управляемого усилителя 1 таким образом, что выходное напряжение суммирующего устройства 5 поддерживается неизменным, равным 1 В. Одновременно это управляющее напряжение u изменяет коэффициент деления управляемого делителя 7 так, что поддерживается равенство коэффициентов K=K. В результате на выходе преобразователя формируется постоянное напряжение u, равное амплитуде входного напряжения U во всем диапазоне входных напряжений u.
Так при изменении коэффициента передачи управляемого усилителя 1 и коэффициента деления управляемого делителя 7 в пределах от 0,1 до 100, что вполне реализуемо, динамический диапазон входных напряжений составит 60 дБ, что в полтора раза больше, чем у прототипа. При этом время переходного процесса составляет не более 3 мс (фиг. 2).
Таким образом, применение в преобразователе управляемого усилителя и управляемого делителя позволяет добиться требуемого технического результата - расширение динамического диапазона входных напряжений преобразователя.
При практической реализации предлагаемого устройства управляемый усилитель может быть выполнен по схеме (А. Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М.: БИНОМ, 1994, стр. 83, рис. 5.2). Управляемый делитель строится на базе операционного усилителя с таким же управляемым усилителем в цепи его отрицательной обратной связи. Применение абсолютно идентичных управляемых усилителей способствует получению высокой точности преобразования. При построении квадраторов 3 и 4 можно использовать перемножители напряжений с коэффициентом передачи, равным единице, выполненные на микросхеме КР525ПС3 (Коломбет Е.А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. - М.: Радио и связь, 1991, стр. 75, рис. 3.12, а), объединив входы x и y. Вычитающее устройство 9 представляет собой параллельный (дифференциальный) сумматор на операционном усилителе. ПИ-регулятор 10 может быть выполнен на операционном усилителе по известной схеме (Терехов В.М. Элементы автоматизированного электропривода. - М.: Энергоатомиздат,1987, стр. 151, рис. 5.7, а).