ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для осуществления контроля величины напряжения переменного тока синусоидальной формы в устройствах контроля сетевого напряжения, устройствах контроля выходного напряжения различных силовых установок, а также в измерительных приборах для измерения среднего значения напряжения переменного тока.
Целью полезной модели является повышение точности за счет уменьшения нелинейности измерительного преобразователя при формировании среднего значения измеряемого (контролируемого) переменного напряжения.
Кроме основной функции преобразования переменного входного напряжения в постоянное напряжение пропорциональное среднему значению известные измерительные преобразователи, как правило, осуществляют гальваническую развязку измерительной части устройств от источника измеряемого напряжения (сети) и масштабирование (нормализацию) измеряемого напряжения до величины безопасной и удобной для дальнейшего измерения.
Наиболее близким и выбранным в качестве прототипа является измерительный преобразователь [1], который содержит входной нормализующий трансформатор Тр, вторичная обмотка которого имеет среднюю точку, два выпрямительных диода Д1 и Д2, масштабирующий подстроечный резистор R1, низкочастотный RC-фильтр, состоящий из резистора и конденсатора. Выпрямительные диоды Д1 и Д2 образуют схему двухполупериодного выпрямления, а на RC-фильтре выделяется напряжение, пропорциональное среднему значению входного напряжения.
К выходу измерительного преобразователя может быть подключен измерительный прибор, в качестве которого могут использоваться вольтметр постоянного тока, аналого-цифровой преобразователь или компаратор с двумя пороговыми напряжениями, осуществляющий функцию допускового контроля.
В известном устройстве выводы первичной обмотки трансформатора являются входами устройства. Крайние выводы вторичной обмотки трансформатора подключены к анодам соответственно первого и второго выпрямительных диодов Д1 и Д2, катоды которых подключены к первому крайнему выводу подстроечного резистора, второй крайний вывод которого соединен со средней точкой вторичной обмотки трансформатора и с шиной нулевого потенциала. Движок подстроечного резистора R1 через резистор R2 RC-фильтра подключен ко второму выводу конденсатора RC-фильтра,
другой вывод которого соединен с шиной нулевого потенциала. Выводы конденсатора RC-фильтра образуют выход измерительного преобразователя.
Подстроенный резистор R1 предназначен для устранения влияния разброса коэффициента трансформации трансформатора Тр и для нормализации величины выходного напряжения к стандартному входному диапазону измерительного прибора, подключаемого к выходу измерительного преобразователя.
К недостаткам известного измерительного преобразователя следует в первую очередь отнести низкую точность преобразования действующего значения входного напряжения в среднее значение, обусловленную нелинейностью характеристики устройства, которое, в свою очередь определена падением напряжения на открытых выпрямительных диодах (первом и втором диодах Д1 и Д2).
Для уменьшения влияния указанной нелинейности повышается напряжение вторичной обмотке трансформатора, так чтобы падение напряжения на диодах составило приемлемую долю от общего выпрямленного напряжения. Однако при незначительном увеличении точности преобразования, измерительные преобразователи становятся небезопасными.
Известны схемы на операционных усилителях для осуществления прецизионного выпрямления, или компенсации указанной нелинейности. [2]. Однако при применении операционных усилителей, значительно возрастает сложность, а, следовательно, и стоимость измерительных преобразователей.
Задачей полезной модели является повышение точности преобразования переменного напряжения в постоянное.
Сущность полезной модели заключается в том, что измерительный преобразователь содержит входной трансформатор, первый, второй, третий диоды, подстроечный резистор, резистор RC-фильтра, токозадающий резистор, конденсатор RC-фильтра, источник напряжения постоянного тока, при этом выводы первичной обмотки входного трансформатора образуют вход измерительного преобразователя, крайние выводы вторичной обмотки входного трансформатора соединены с анодами соответственно первого и второго диодов, катоды которых соединены между собой и через подстроечный резистор соединены с шиной нулевого потенциала, движок подстроечного резистора соединен с выводом резистора RC-фильтра, второй вывод резистора RC-фильтра соединен с выводом конденсатора RC-фильтра, другой вывод которого соединен с шиной нулевого потенциала, выводы конденсатора RC-фильтра образуют
выход измерительного преобразователя, катод третьего диода соединен с шиной нулевого потенциала, первый вывод токозадающего резистора соединен с анодом третьего диода и со средней точкой вторичной обмотки трансформатора, положительный выход источника напряжения постоянного тока соединен со вторым выводом токозадающего резистора, а отрицательный выход соединен с шиной нулевого потенциала.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором приведена электрическая принципиальная схема измерительного преобразователя.
На чертеже обозначены:
1 - входной трансформатор (Тр);
2 - первый диод (Д1);
3 - второй диод (Д2);
4 - третий диод (Д3);
5 - подстроечный резистор (R1);
6 - резистор RC-фильтра (R2);
7 - токозадающий резистор (R3);
ф
8 - конденсатор RC-фильтра (С);
9 - источник напряжения постоянного тока (ИН);
10 - измерительный прибор (ИП).
Выводы первичной обмотки входного трансформатора 1 образуют вход измерительного преобразователя. Крайние выводы вторичной обмотки входного трансформатора 1 соединены с анодами соответственно первого и второго диодов 2 и 3, катоды которых соединены между собой и через подстроечный резистор 5 соединены с шиной нулевого потенциала. Движок подстроечного резистора 5 соединен с выводом резистора 6. второй вывод которого соединен с выводом конденсатора 8, другой вывод которого соединен с шиной нулевого потенциала. Выводы конденсатора 8 образуют выход измерительного преобразователя. Катод третьего диода 4 соединен с шиной нулевого потенциала. Первый вывод токозадающего резистора 7 соединен с анодом третьего диода 4 и со средней точкой вторичной обмотки трансформатора 1. Положительный выход источника 9 напряжения постоянного тока соединен со вторым выводом токозадающего резистора 7, а отрицательный выход соединен с шиной нулевого потенциала.
Входной трансформатор 1 (Тр) обеспечивает гальваническую развязку измерительного прибора 10 (ИП) от источника измеряемого переменного напряжения и обеспечивает нормализацию измеряемого напряжения в соответствии с диапазоном измерения измерительного прибора 10 (ИП).
Первый, второй и третий диоды 2, 3 и 4 (Д1, Д2 и Д3) являются однотипными.
В качестве источника 9 напряжения постоянного тока (ИН) может использоваться внешний источник или источник, выполненный по известным схемам источников эталонного напряжения.
В качестве измерительного прибора 10 (ИП) могут использоваться вольтметр постоянного тока, аналого-цифровой преобразователь или компаратор с двумя пороговыми напряжениями, осуществляющий функцию допускового контроля. При использовании в качестве измерительного прибора 10 (ИП) аналого-цифрового преобразователя выход измерительного прибора 10 (ИП) может быть подключен к вычислительному устройству (например, к электронно-вычислительной машине).
Подстроечный резистор 5 в целях повышения точности регулировки может быть выполнен в виде последовательной цепи, состоящей из двух или трех резисторов, один из которых переменный.
RC-фильтр может состоять из нескольких звеньев, аналогичных звену, состоящему из резистора 6 и конденсатора 8.
Измерительный преобразователь работает следующим образом.
Ток, протекающий от источника 9 напряжения постоянного тока (ИН) через токозадающий резистор 7 (R3) и третий диод 4 (Д3) создает на средней точке выходной обмотки трансформатора 1 (Тр) компенсирующее напряжение, равное падению напряжения на третьем диоде 4 (Д3) и имеющее полярность, противоположную по отношению к полярности падения напряжения на попеременно открытых первом и втором диодах 2 и 3 (Д1 и Д2).
Выпрямленный ток в устройстве замыкается через первый и второй диоды 2 и 3 (Д1 и Д2), резистор RC-фильтра б (R2), сопротивление нагрузки (через измерительный прибор 10). источник 9 напряжения постоянного тока (ИН), токозадающий резистор 7 (R3), вторичную обмотку трансформатора 1 (Тр), производя модуляцию напряжения на третьем диоде 4 (Д3). Для уменьшения влияния возникающей модуляции на точность компенсации падения напряжения на первом и втором диодах 2 и 3 (Д1 и Д2), ток смещения, определяемый значением напряжения источника 9 напряжения постоянного
тока (ИН) и величиной резистора 6 RC-фильтра (R2), должен превышать выпрямленный ток. При использовании третьего диода 4 Д3 аналогичного первому и второму диодам 2 и 3 (Д1 и Д2) характеристика устройства становится более линейной.
Погрешность, обусловленная технологическим разбросом параметров диодов, устраняется подстроечным резистором 5 (R1). В заявленном устройстве, при одинаковых первом, втором и третьем диодах 2, 3 и 4 (Д1, Д2 и Д3), происходит и температурная компенсация нелинейности, так как температурное приращение напряжения на первом и втором диодах 2 и 3 (Д1 и Д2) включено встречно по отношению к приращению напряжения на третьем диоде 4 (Д3).
На предприятии-заявителе испытания заявляемого устройства показали, что введение компенсирующего диода позволяет примерно на десятичный порядок уменьшить погрешность нелинейности устройства. Таким образом, очень простым и дешевым решением удается значительно повысить точность измерительного преобразователя.
Представленные чертежи и описание системы позволяют, используя существующую элементную базу, изготовить преобразователь промышленным способом и использовать для осуществления контроля величины напряжения переменного тока синусоидальной формы в устройствах контроля сетевого напряжения, устройствах контроля выходного напряжения различных силовых установок, а также в измерительных приборах для измерения среднего значения напряжения переменного тока, что характеризует предлагаемую полезную модель как промышленно применимую.
Литература
1. Л.И.Волгин. Линейные электрические преобразователи для измерительных приборов и систем. М. "Советское радио", 1971 г.
2. Л.И.Волгин. Измерительные преобразователи переменного напряжения в постоянное. М. "Советское радио", 1977 г. С.87-88.