ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована для измерения переменного напряжения путем преобразования его в постоянное в широком диапазоне частот.
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 выходом фильтр 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 соединении 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.
Недостатком данного преобразователя является то, что наряду с высоким быстродействием и точностью его область применения ограничивается только измерением напряжения промышленной частоты, так как фазосмешатель обеспечивает фазовый сдвиг в 90° только на этой частоте. На других частотах преобразователь не выполняет своей функции, так как его выходное напряжение будет иметь значительную переменную составляющую, соизмеримую с постоянной.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является расширение рабочего диапазона частот преобразователя.
Указанный технический результат достигается тем, что в известный измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий первый и второй квадраторы, сумматор и блок извлечения квадратного корня, причем вход измерительного преобразователя соединен с входом первого квадратора, а выходы первого и второго квадраторов подключены соответственно к первому и второму входам сумматора, выход которого через блок извлечения квадратного корня соединен с выходом измерительного преобразователя, дополнительно введены дифференциатор, блок деления, компаратор и преобразователь частота-напряжение, вход которого соединен с выходом компаратора, вход которого соединен с входом измерительного преобразователя и входом дифференциатора, выход которого соединен с первым входом блока деления, выход которого соединен с входом второго квадратора, а выход преобразователя частота-напряжение соединен со вторым входом блока деления.
Существенными отличиями предлагаемого преобразователя являются введение дифференциатора, блока деления, компаратора и преобразователя частота-напряжение. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - расширение рабочего диапазона частот преобразователя.
Сущность полезной модели поясняется чертежом. На чертеже приведена функциональная схема устройства.
6
вх
7
Преобразователь (см.чертеж) содержит квадраторы 1 и 2, дифференциатор 3, блок деления 4, сумматор 5, блок извлечения квадратного корня 6, компаратор 7 и преобразователь частота-напряжение 8. Компаратор 7 предназначен для формирования напряжения прямоугольной формы u из входного синусоидального напряжения u. Преобразователь частота-напряжение 8 преобразует частоту входного сигнала ω в напряжение u постоянного тока положительной полярности, пропорциональное частоте ω.
вх
m вх
1
вх
Преобразователь работает следующим образом. Измеряемое напряжение переменного тока u=Usinωt подается на входы квадратора 1, компаратора 7 и дифференциатора 3, на выходе которого формируется напряжение u, сдвинутое по фазе относительно u на угол ϕ=90° в сторону опережения
m вх
где U - амплитуда измеряемого входного напряжения;
ω - круговая частота входного напряжения;
R - сопротивление резистора дифференциатора;
С - емкость конденсатора дифференциатора.
3
вх
Коэффициент деления блока деления 4 выбирается таким образом, чтобы напряжение u на входе второго квадратора 2 было одинаковой амплитуды с напряжением u. Для этого необходимо выдержать следующие соотношения параметров дифференциатора 3 и блока деления 4
д
K=RCω,
д
где K - коэффициент деления блока деления 4.
3
Тогда на входе второго квадратора 2 после блока деления 4 имеем напряжение u
вх
Таким образом, блок деления 4 компенсирует изменение коэффициента передачи дифференциатора 3 в зависимости от частоты ω входного сигнала u.
2
4
вх
3
На выходах квадраторов 1 и 2 формируются противофазные напряжения u и u, полученные после возведения в квадрат напряжений u и u, которые пульсируют с двухкратной частотой входного сигнала 2ω и имеют постоянную составляющую
2
4
5
После суммирования напряжений u и u в сумматоре 5 и преобразований, на его выходе имеем напряжение u, не содержащее переменной составляющей
вых
После операции извлечения квадратного корня в блоке извлечения квадратного корня 6 на выходе устройства формируется напряжение u
вых
m вх
вх
Таким образом, выходное постоянное напряжение u устройства не содержит переменной составляющей, а его величина равна амплитуде измеряемого входного напряжения U, то есть пропорционально действующему значению U.
2
4
Для того чтобы напряжения u и u на входах квадраторов 1 и 2 имели одинаковую амплитуду вне зависимости от частоты измеряемого напряжения ω, необходимо изменять коэффициент деления блока деления 4, пропорционально изменению частоты ω.
7
вх
Для этого на второй вход блока деления 4 подается напряжение u с выхода преобразователя частота-напряжение 8, пропорциональное частоте ω входного напряжения u:
7
п
u=Kω,
п
где K - коэффициент преобразования преобразователя частота-напряжение 8.
В результате при изменении частоты измеряемого напряжения ω коэффициент деления блока деления 4 изменяется таким образом, что результирующий коэффициент передачи дифференциатора 3 и блока деления 4 равен единице.
п
При этом коэффициент преобразования K преобразователя частота-напряжение 8 определяется выражением
п
пр
K=RC/K,
пр
д
7
где K=K/u - коэффициент пропорциональности канала деления блока деления 4.
д
вх
2
4
вых
Благодаря автоматическому изменению коэффициента деления K блока деления 4 пропорционально частоте ω входного напряжения u напряжения u и u на выходах квадраторов 1 и 2 имеют одинаковую амплитуду, а выходное постоянное напряжение u на выходе устройства не содержит переменной составляющей во всем рабочем диапазоне частот ω. Тем самым достигается технический результат - расширение рабочего диапазона частот преобразователя.
7
При практической реализации предлагаемого устройства дифференциатор 3 можно выполнить по известной схеме на операционном усилителе (ОУ) с время-задающей RC-цепью. При построении квадраторов 1 и 2 можно использовать перемножители напряжений на микросхеме КР525ПС3, объединив входы х и у. Блок деления 4 можно выполнить на ОУ, включив перемножитель напряжений в цепь его отрицательной обратной связи. При этом вход х перемножителя необходимо подключить к выходу ОУ, выход через резистор - к инвертирующему входу, а на вход у подать напряжение u с выхода преобразователя частота-напряжение 8. Сумматор 5 представляет собой обычный сумматор на ОУ. В качестве блока извлечения квадратного корня 6 можно использовать схему на ОУ, включив квадратор в цепь его отрицательной обратной связи. В качестве преобразователя частота-напряжение 8 можно использовать преобразователь на микросхеме КР1108ПП1.