Сверхвысокочастотный измеритель электрических величин
ULTRA-HIGH-FREQUENCY MEASURER OF ELECTRICAL QUANTITIES

Изобретение относится к области электрических измерений и может быть использовано в измерительной технике для измерения токов и напряжений, а также в области релейной защиты и автоматики.
Известен способ измерения ПЕРЕМЕННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (см. RU 2281516 С1, 10.08.2006), при котором поляризованный световой сигнал пропускают через магнитооптический чувствительный элемент в виде закрученного вдоль направления распространения излучения одномодового оптического волокна. Прошедший через чувствительный элемент световой сигнал делят на две пары взаимно ортогональных линейно поляризованных составляющих, отличающиеся друг от друга угловой ориентацией. Определяют на выходе чувствительного элемента азимутальный угол и угол эллиптичности поляризации светового сигнала. Дополнительно определяют двулучепреломление в выходном фиксирующем соединителе оптического волокна, с его использованием находят состояние поляризации светового сигнала в конце волокна перед выходным фиксирующим соединителем. Формируют измерительный сигнал с учетом угла ориентации между парами и двулучепреломления в выходном фиксирующем соединителе и по нему находят измеряемую величину.
Недостатком этого известного способа является сложность процедуры формирования измерительного сигнала и его измерение.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятое автором за прототип устройство для измерения переменного тока на основе двух полупроводниковых диодов и магнитоэлектрической системы (см. Информационно-измерительная техника в электронике: учебник для студ. высш. учебн. заведений / [Г.Г. Раннев, В.А. Сурогина, В.И. Калашников и др.]; под ред. Г.Г. Раннева. - 2-е изд. стер. - М.: Издательский центр "Академия", 2007. - стр. 305-306). В данном устройстве измеряемый переменный сигнал с выхода источника переменной сети поступает на два полупроводниковых диода. Здесь положительный полупериод (полярность) измеряемого сигнала подают на анод первого диода (анод диода подключен к источнику переменной сети) и в результате этот диод пропускает ток через себя, и как следствие ток измеряется манитоэлектрической системой, соединенной с катодом этого диода. При отрицательном полупериоде (полярности) измеряемого тока ток пропускается через второй диод, подключенный катодом к источнику переменной сети. Так как анод этого второго диода не соединен с магнитоэлектрической состемо, то контролирумый переменный ток не измеряется. Следовательно, данное устройство дает возможность измерить только один (положительный) полупериод исследуемого сигнала.
Недостатком этого известного устройства можно считать узкую функциональную возможность и инерционность подвижной части измерительного механизма магнитоэлектрической системы.
Техническим результатом предлагаемого устройства является расширение функциональной возможности и уменьшение инерционности измерения.
Технический результат достигается тем, что в сверхвысокочастотный измеритель электрических величин, содержащий источник переменного тока, первый и второй преобразователи и регистратор, введены первый и второй усилители, источник постоянного тока и сумматор, первый и второй преобразователи выполнены в виде первого и второго микроволновых генераторов с варакторной перестройкой частоты, причем источник переменного тока через первый и второй усилители соединен соответственно с вводами питания варакторов первого и второго микроволновых генераторов, вводы питания первого и второго микроволновых генераторов подключены к источнику постоянного тока, вывод энергии первого генератора соединен с первым плечом сумматора, вывод энергии второго генератора соединен со вторым плечом сумматора, третье плечо которого подключено к входу регистратора.
Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что измерение суммарной частоты двух микроволновых генераторов с вракторной перестройкой частоты дает возможность вычислить электрическую величину частотой.
Наличие в заявляемом способе совокупности перечисленных существующих признаков, позволяет решить задачу измерения электрической величины на основе измерения суммарной частоты двух микроволновых генераторов с варакторной перестройкой частоты с желаемым техническим результатом, т.е. расширением функциональной возможности и уменьшением инерционности измерения.
На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства.
Устройство содержит источник переменного тока 1, первый и второй усилители 2 и 3, первый и второй микроволновые генераторы с варакторной перестройкой частоты 4 и 5, источник постоянного тока 6, сумматор 7 и регистратор 8.
1
2
Устройство работает следующим образом. Переменный, например, синусоидальный сигнал с выхода источника переменного тока 1 одновременно поступает на входы первого и второго усилителей 2 и 3. Пусть выход первого усилителя соединен с анодом варактора первого микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты 4, а катод варактора второго микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты 5 - с выходом второго усилителя. Предварительно для генерирования электромагнитных колебаний вводы питания первого и второго микроволновых генераторов подключают к источнику постоянного тока 6. При отсутствии переменных сигналов на входах первого и второго усилителей, обозначим частоты на выводах энергии первого и второго микроволновых генераторов соответственно f и f.
1
2
1
1
1
1
2
2
1
2
1
2
1
2
Согласно предлагаемому техническому решению при положительном полупериоде синусоидального переменного сигнала на выходе первого усилителя, посредством варактора первого микроволнового генератора, частота последнего будет увеличиваться пропорционально входному сигналу варактора первого генератора, т.е. на выводе энергии первого генератора для частоты можно принимать f+f*, где f* - частота, возникающая благодаря подаче на анод варактора первого генератора положительного полупериода переменного сигнала. При этом частота на выводе энергии второго микроволнового генератора остается равной f. Другими словами в этом случае при положительном полупериоде контролируемого переменного сигнала, перестраивается по частоте только первый микроволновый генератор. После этого при отрицательном полупериоде синусоидального переменного сигнала на выходе второго усилителя, посредством варактора второго микроволнового генератора, частота последнего будет увеличится пропорционально (пересторока по частоте второго микроволнового генератора) входному сигналу варактора второго генератора, т.е. на выводе энергии второго генератора для частоты можно записать f+f*, где f* - частота, возникающая благодаря подаче на катод варактора второго генератора отрицательного полупериода переменного сигнала. При этом частота на выводе энергии первого микроволнового генератора остается равной f. Аналогично при отрицательном полупериоде контролируемого переменного сигнала, перестраивается по частоте только второй микроволновой генератор. Обозначим сумму частот f+f*=F, а - f+f*=F. Отсюда получаем, что на первое плечо и второе плечо сумматора 7 поочередно в зависимости от полярности переменного сигнала поступает либо сигнал частотой F, либо сигнал частотой F. В рассматриваемом случае так как частота F соответствует положительному полупериоду контролируемого сигнала, а частота F -отрицательному полупериоду того же сигнала, то их сумма в сумматоре 7, даст возможность получить информацию о действующем значении (за весь период) измеряемого переменного сигнала. В сумматоре можно предусмотреть запоминание частот F и F при их суммировании. В предлагаемом устройстве для регистрации суммарной частоты, соответствующей действующему значение переменного сигнала, с третьего плеча сумматора сигнал переносится на вход регистратора 8, в качестве которого, например, может быть использован частотомер. Следовательно, измерив суммарную частоту посредством частотомера, можно вычислить действующее значение переменного сигнала, например, тока.
Таким образом, в предлагаемом техническом решении на основе измерения суммарной частоты двух микроволновых генераторов варакторной перестройкой частоты, можно обеспечить расширение функциональной возможности и уменьшение инерционности измерения переменного электрического сигнала.
При построении данного устройства в качестве микроволновых генераторов могут быть использованы генераторы типа ГЛПД - 2.
Одним из преимуществ данного сверхвысокочастотного измерителя электрических величин, по сравнению с прототипом, можно считать возможность передачи результата измерений на расстояние дистанционно.
Предлагаемое устройство успешно может быть использовано и решения других задач, например, для косвенного измерения активной мощности в сочетании с вольтметром.