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 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 соединении с фокальным входом квадратора и является выходом устройства.
Недостатком данного преобразователя являются невысокие 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 фазосмещатель, первый и второй квадраторы, сумматор 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 сумматора, выход которого через блок извлечения квадратного корня соединен с выходом преобразователя, дополнительно введены фазовый детектор, ПИ-регулятор и источник задающего сигнала, а фазосмещатель выполнен управляемым и дополнен управляющим входом, причем вход и выход управляемого фазосмещателя соединены соответственно с первым и вторым входами фазового детектора, выход которого соединен с первым входом ПИ-регулятора, второй вход которого соединен с выходом источника задающего сигнала, а выход ПИ-регулятора присоединен к управляющему входу управляемого фазосмещателя.
Существенными отличиями предлагаемого преобразователя являются введение фазового детектора, ПИ-регулятора и источника задающего сигнала и выполнение фазосмещателя управляемым с управляющим входом. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - расширение рабочего диапазона частот преобразователя.
вх
1
4
у
вых
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена функциональная схема преобразователя, на фиг. 2 - характеристика управления управляемого фазосмещателя, на фиг. 3 - фазовая характеристика фазового детектора, на фиг. 4 - временные диаграммы напряжений u, u-u, u и u.
Преобразователь (фиг. 1) содержит управляемый фазосмещатель 1, фазовый детектор 2, ПИ-регулятор 3, источник задающего сигнала 4, квадраторы 5, 6, сумматор 7 и блок извлечения квадратного корня 8.
y
Управляемый фазосмещатель 1 обеспечивает в соответствии с характеристикой управления (фиг. 2) сдвиг фазы Δφ синусоидального сигнала в диапазоне от 0° до 180° под действием сигнала управления U при единичном коэффициенте усиления в широком диапазоне частот.
Фазовый детектор 2 формирует на выходе постоянное напряжение, пропорциональное разности фаз сигналов на его входах (фиг. 3).
вх
у
1
вх
Преобразователь работает следующим образом. Измеряемое напряжение переменного тока u подается на входы управляемого фазосмещателя 1 и квадратора 5. На выходе управляемого фазосмещателя 1 в соответствии с напряжением управления U формируется напряжение u, равное по амплитуде и сдвинутое по фазе Δφ относительно u на угол 90° в сторону отставания (фиг. 4).
вх
1
На входы квадраторов 5, 6 поступают соответственно напряжения u и u, одинаковые по амплитуде и сдвинутые по фазе Δφ относительно друг друга на угол 90°:
вх
m вх
1
m вх
m вх
u=Usinωt; u=Usin(ωt-90°)=-Ucosωt,
m вх
где U - амплитуда измеряемого входного напряжения.
2
3
вх
1
На выходах квадраторов 5, 6 формируются напряжения u, u, полученные после возведения в квадрат напряжений u и u:
2
3
4
После суммирования напряжений u и u в сумматоре 7 и преобразований на его выходе получается постоянное напряжение u (фиг. 4):
вых
После операции извлечения квадратного корня в блоке извлечения квадратного корня 8 на выходе преобразователя формируется напряжение U:
вых
m вх
вх
В результате выходное напряжение U преобразователя не содержит переменной составляющей, а его величина равна амплитуде измеряемого входного напряжения U, то есть пропорционально действующему значению u.
2
3
вх
1
у
Для того чтобы напряжения u, u на выходах квадраторов 5, 6 находились в противофазе в широком диапазоне частот, необходимо постоянно поддерживать угол сдвига фаз Δφ между напряжениями u и u равным 90° вне зависимости от частоты измеряемого напряжения. Для этого служит управляемый фазосмещатель 1, имеющий управляющий вход, на который подается напряжение u с выхода ПИ-регулятора 3.
ФД
вх
1
На выходе фазового детектора 2 формируется напряжение u, пропорциональное разности фаз Δφ между напряжениями u и u и подается на первый вход ПИ-регулятора 3, который сравнивает это напряжение с напряжением задания, соответствующим поддерживаемому напряжению с выхода фазового детектора 2, подаваемому на его второй вход.
у
ПИ-регулятор 3 обрабатывает напряжение рассогласования между входами при нулевой статической ошибке и поддерживает на управляющем входе управляемого фазосмещателя 1 напряжение управления u, обеспечивающее угол сдвига фаз Δφ равный 90°.
з
ФД
у
В данном случае, судя по характеристикам (фиг. 2, фиг. 3), напряжение задания U, поступающее на первый вход ПИ-регулятора 3 от источника задающего сигнала 4, равно напряжению 3 В, что соответствует выходному напряжению u фазового детектора 2 при угле сдвига фаз 90°. При этом на выходе ПИ-регулятора 3 устанавливается напряжение управления U, равное 4 В, обеспечивающее фазовый сдвиг Δφ сигнала управляемого фазосмещателя, равный 90°. ПИ-регулятор 3 обеспечивает максимальное быстродействие системы при перерегулировании не более 5%.
вх
1
вых
Благодаря применению системы автоматического регулирования по отклонению разности фаз угол сдвига фаз Δφ между напряжениями u и u поддерживается неизменным во всем рабочем диапазоне частот входного напряжения и равным 90°, а выходное постоянное напряжение u преобразователя не содержит переменной составляющей.
При практической реализации предлагаемого преобразователя в качестве управляемого фазосмещателя 1 можно использовать известные схемы (Авторское свидетельство РФ №1667222, МПК Н03Н 11/20, опубл. 30.07.1991 г.; Тимонтеев В.Н., Величко Л.М., Ткаченко В.А. - М.: Радио и связь, 1982, с. 107, рис. 6.13). Фазовый детектор 2 может быть выполнен по одной из схем (Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. - М.: Мир, 2003, с. 80, рис. 9.52; Тимонтеев В.Н., Величко Л.М., Ткаченко В.А. - М.: Радио и связь, 1982, с. 82, рис. 5.9). ПИ-регулятор 3 выполняется по стандартной схеме на операционном усилителе. При построении квадраторов 5, 6 можно использовать перемножители сигналов на микросхеме К525ПС3, объединив при этом ее информационные входы х и у. Сумматор 7 представляет собой обычный сумматор на операционном усилителе. В качестве блока извлечения квадратного корня 8 можно использовать схему на операционном усилителе, включив квадратор в цепь его отрицательной обратной связи.
Таким образом, за счет применения в предлагаемой полезной модели управляемого фазосмещателя, фазового детектора и ПИ-регулятора обеспечивается расширение рабочего диапазона частот преобразователя.