Способ измерения амплитудного значения и периода переменного напряжения

(71) Киевский институт инженеров грской авиации им. 60-летия СССР(56) 1. Авторское свидетельство СССМ 847218, кл, 6 01 В 19/04, 1979.2. Авторское свидетельство ССС6,.1,269041, кл, 6 01 В 19/04, 1985. ждан(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АМПЛИТУДНОГО ЗНАЧЕНИЯ И ПЕРИОДА ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ(57) Использование: в измерительной технике, для измерения амплитуды и периода электрических сигналов, в частности в широком диапазоне измерения частоты сигналов. Сущность изобретения: способ Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано дляизмерения амплитуды и периода электрических сигналов, в частности в широком диапазоне изменения частоты сигн;лов,Известен способ измерения амплитудного значения переменного напряжения,основанный на введении дополнительногофазового сдвига, сравнении мгновенныхзначений исследуемого и сдвинутого по фазе электрических сигналов, измерении в момент их равенства значения наг ряжения иопределении отношения 1,Недостатки этого способа заключаютсяв сложности практической реализации инизкой точности измерений, невозможности измерений периода исследуемого сигнала,СО 1 С С) ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР,БАЛ 1780028 заключается в том, что сравнивают мгновенные значения исследуемого и вспомогательного электрических сигналов, измеряют в момент их равенства значения исследуемого сигнала, фиксируют начальный момент времени перехода исследуемого сигнала через нулевое значение, формируют текущее среднее значение исследуемого сигнала путем интегрирования последнего, формируют вспомогательный электрический сигнал путем умножения текущего среднего значения сигнала на постоянный, определенным образом выбранный коэффициент, измеряют длительность интервала времени до момента равенства мгновенных значений исследуемого и вспомогательного сигналов, амплитуду и период исследуемого сигнала определяют по расчетным формулам, 1 з,п.ф-лы, 2 ил. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ измерения амплитудного значения переменного напряжения, основанный на введении в него дополнительного фазового сдвига, сравнении мгновенных значений исследуемого и сдвинутого по фазе электрических сигналов, измерении в момент их равенства значения напряжения, определении отнощения, причем в момент равенства исследуемого и сдвинутого по фазе электрических сигналов измеряют значение исследуемого сигнала, при этом о значении амплитуды исследуемого сигнала судят по отношению измеренного напряжения к постоянной величине, равной синусу половины фазового сдвига 2. Этот способ выбран в качестве прототипа.Недостатками известного способа являются низкая точность измерений амплигуды при изменении частоты сигнала иневозможность измерения периода исследуемого сигнала,По известному способу амплитуда Асигнала определяется при совпадении исследуемого х = А зп йл и сдвинутого нафазовый угол ) сигнала х 2 = А зп(гм - ф ) изусловия х 1 = х 2, при которомА -зп )72Невозможность обеспечения постоянства фазового сдвига ф при изменении частоты сигнала в приводит к относительнойпогрешности измерения д амплитуды Асиналад =-Яд ,р,1 Фгде Од = -- , Рlд - относительный2 цф/2коэффициент влияния погрешности у напогрешность д,Анализ выражения для д показывает,что исключить или существенно уменьшитьвлияние ) на д практически невозможно, Поскольку при )-+л, когда сц ф 2 ф,оказывается, что х 1 - 0 и измерение А ока-.зывается невозможным (сигналы х и х 2 непересекаются, а сливаются в один), Поэтому, например при р= 30, и при ф =л/2оказывается, что д -- -0,7830 = -23,3 ,Следовательно, известному способуприсуща низкая точность измерения амплитуды А сигнала при изменении частоты и),С увеличением погрешности фазового сдвига возрастает погрешность измерения амплитуды сигнала. На результат измеренияамплитуды влияет величина фазового сдвига, которую невозможно обеспечить постоянной при изменении частоты висследуемого сигнала. Кроме того, известный способ не позволяет измерять периодГчастоту) исследуемого сигнала, что ограничивает область применения способа.Цель изобретения - повышение точности измерений амплитуды переменного напряжения при изменении его частоты ирасширение области применения.Поставленная цель достигается тем, чтов предложенном способе измерения амплитудного значения и периода переменногонапряжения, включающем сравнение мгновенных значений исследуемого и вспомогательного электрических сигналов,измерение в момент их равенства значенияисследуемого сигнала, определение амплитуды исследуемого сигнала в зависимостиот измеренного значения исследуемого сиг нала фиксируют начальный момент времени перехода исследуемого сигнала через нулевое значение, формируют текущее среднее значение х(с) исследуемого сигнала 5 х(с) путем интегрирования последнего согласно зависимости Х(1 о) А = -- ,ЯП 7 о(2) определяют период Т исследуемого сигнала25 согласно зависимости СоТ =2 л -у)о 30 причем фазу ро исследуемого сигнала, отвечающую моменту времени то находят из соотношения 1 - соз ро35 Уо = зп фо ГЗ) а также тем, что величину коэффициента К принимают равной К = л /2, при этом уо/Ж 2 рад.На фиг,1 приведена структурная схема устройства, реализующего предлагаемыл способ, на фиг.2 - временная диаграмма, поясняющая сущность предлагаемого способа, где - кривая х(1);1- кривая х(1)Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит ключ 1, нуль-орган 2, таймер 3, блок 4 формирования текущего среднего значения сигнала, пороговый элемент 5, умножитель б, схему сравнения 7, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8, умножитель 9, устройство 10 индикации,Вход устройства соединен с входом ключа 1 и первым входом нуль-органа 2, выход которого соединен с первым управляющим входом ключа 1 и первым управляющим входом таймера 3, выход ключа 1 соединен с входом блока 4 и через пороговый элемент 5 - с первым входом схемы х(т) = - / х(1)сЗт1(1 10 )где 1 - текущее время, формируют вспомогательный электрический сигнал путем умножения текущего среднего значения х(т) на постоянный коэффициент К, измеряют дли тельность интервала времени 1 о до моментаравенства мгновенных значений исследуемого и вспомогательного сигналов, определяют амплитуду А исследуемого сигнала согласно зависимости201780028 сравнения 7 и входом АЦП 8, выход которого соединен с первым входом устройства 10индикации, Выход блока 4 соединен черезумножитель б с вторым входом схемы сравнения 7, выход которой соединен с управляющим входом АЦП 8 и вторымиуправляющими входами ключа 1 и таймера3, выход которого через умножитель 9 соединен со вторым входом устройства 10 индикации, 10В качестве блока 4 могут использоваться измерительные преобразователи информации средних значений сигнала.Способ осуществляется следующим образом, 15В исходном состоянии ключ 1 разомкнут, При подаче сигнала разрешения навторой вход нуль-органа 2 устройство начинает выполнять измерение. Переменное напряжение х(т) = А зп в т поступает на 20первый вход нуль-органа 2, который вырабатывает синхронизирующий сигнал в момент перехода х(т) через нулевое значение,Под действием этого сигнала открываетсяключ 1 и включается таймер 3 отсчета времени,Сигнал х(т) поступает на вход блока 4 ивход порогового элемента 5, Блок 4 начинает формировать текущее среднее значениеисследуемого сигнала в соответствии с алгоритмом х 1 3 Пх 1 ф - совр45 а период Т равен Т = 2 л - ,1 оЪОтносительная погрешность измеренияамплитуды Е д равна(5) 50Ед =Яд Ер я,р - - 2 л - е,1 о,фо -Г о где т - текущее время с момента включения ключа 1.Умножитель б умножает значение х(т) на постоянный коэффициент К. Сигнал К х(т) поступает на второй вход схемы сравнения 7, Одновременно сигнал х(т) поступает.на вход порогового элемента 5. Когда сигнал х(1) превысит пороговое значение, то элемент 5 начнет пропускать сигнал х(т) на пер вый вход схемы сравнения 7 и вход АЦГ 1 8, Наличие элемента 5 исключает возможность срабатывания схемы сравнения 7 в начальный момент времени (фиг,2).В момент времени то, когда будет выполнено условие х(то) = К х(то) схема сравнения 7 выдаст сигнал на управляющий вход АЦП 8 и вторые управляющие входы ключа 1 и таймера 3. По этому сигналу АЦП 8 осуществляет преобразование мгновенного значения измеряемого сигнала х(то) в цифровой эквивалент, который отображает на устройстве 10 индикации, как амплитуда сигнала, т.е, А = х(то), Одновременно по сигналу схемы совпадения 7 выключается ключ 1 и прекращается отсчет времени таймером 3, Цифровой эквивалент времени то умножается в блоке 9 на постоянный коэффициент рто, а величина Т = р то,равная периоду сигнала Т, отображается на устройстве 10 индикации,Устройство выключается и будет находиться в этом состоянии до подачи сигнала разрешения на второй вход нуль-органа 2, Затем цикл измерения повторится.В основе предложенного способа лежит установленная авторами взаимосвязь сигналов х(С) и х(т), имеющая вид где у" = в 1 = 2 л-,т - текущее время;Т - период сигнала х(т).Представив 11х(т) = -х(1)сП = А дз 1 п г М,2 л шполучаем с учетом =. равенствоТ тх(т) = - (1 - сов р),АР Поскольку х(т) = А ьи гр, то для величиных тсправедливо уравнение (4). В моментх 1времени то, когда х(то) = К х(то), находят 1 -сов р, = К,- сопэт. 3 и фоПри этом амплитуда А сигнала х(т) равна где ЧЧд = -. Иlд - относительный коэфтя Рофициент влияния.Величина погрешности е, обусловлена погрешностью яо определения момента времени ЬОтносительная погрешность измеренияпериода ет равна ьтг = дто(6) где О/ = 1, йlт - относительный коэффициент влияния,Анализ выражения (5) показывает, что ел=- 0 при выборе уЪ =л /2 рад, когда тц ср-+ со, при этом К = л/2, Другими словами, при уо =л/2 коэффициент влияния ЧЧд равен нулю. Однако на практике величина коэффициента ЧЧд будет равна(7) 2 19 тн 72 йЛ) где При выборе оптимального значения /о = л/2 рад, К = л/2 получаютА=ф);Т=-4 т,; ер=л 2е 1 С ьд = йдяр,е/= - 2 = + 3,14 /о Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает повышение точности измерения амплитуды переменного напряжения за счет обеспечения постоянства величины р, =л/ 2 рад при изменении частоты вП р и м е р 1, В процессе метрологической аттестации изготовленного по схеме фиг,1 устройства были регламентированы пределы относительной погрешности ; = + 2 /о, В процессе измерений АЦП 8 в момент срабатывания схемы сравнения 7 зафиксирован результат измерения х(то) = 235,5 В, Этому значению отвечала среднее значение сигнала х(го) = 149,92 В Таймер 3 выдал значение то = 5,02110 с. На табло устройства 10 индикации появились значенияА=235,5 В,Т = 0,020084 с,При этом относительная погрешность измерения амплитуды равна Л/ -- --- + 0,049 рад;3,14200Л2 цлф 2- 0,049) Гд = ф 0,0773,14 =- 0,24%,Погрешность измерения периода равнаят =+ 2%Абсолютные погрешности измеренияамплитуды и периода равны соответственноЬд=+ 0,56 В; Ьт=+4 10 с,П р и м е р 2. В процессе измерений АЦП8 в момент срабатывания схемы сравне 15. ния 7 зафиксирован результат измеренияА = 24,1 В, Этому значению отвечало среднее значение сигнала х(тс) = 15,34 В, Таймер3 выдал значение то = 6,25 10 с, На табло-4устройства 10 индикации появились значени А= 24,1 В, Т = 2,5 10 с, При этом относи-этельные погрешности измеренияамплитуды и периода, при условииЯо =2%, соответственно равныед =+ 0,24/,; сг =+ 2 Абсолютные25 погрешности измерения амплитуды и периода равны соответственно Ъ = ь 0,058 В:Лт =+ 5 10"с,Таким образом, предлагаемый способобеспечивает повышение точности иэмере 30 ния амплитуды переменного напряженияпри изменении частоты во, Относительныепогрешности измерения амплитуды и периода не зависят от частоты переменного напряжения в соответствии с выражениями35 5), (6), Для уменьшения указанных погрешностей необходимо обеспечить требуемуюпогрешность измерения времени я Способ характеризуется простотой практической реализации и широкой областью40 применения, Отсутствуют ограничения надостижение высокой точности измерений,Выполненный сравнительный анализизвестного и предложенного техническихрешений показывает преимущества послед 45 него; повышение точности измерений амплитуды переменного напряжения вусловиях изменения его частоты и расширение области применения. Следовательно,признаки предложенного способа являются50 существенными.Результаты испытаний устройства, реализующего предложенный способ, выполненные в КИИГА, свидетельствую о еговысоких и метрологических технических характеристиках,Формула изобретения1. Способ измерения амплитудного значения и периода переменного напряжения,заключающийся в том, что сравнивают1780028 10 х(т) =- - , 4 х(тИ 1, 1 оставитель Н.Боголюбовехред М.Моргентал Коррек Реда кто пп аказ .4434 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 мгновенные значения исследуемоо и вспомогательного электрических сигналов, измеряют в момент их равенства значения исследуемого сигнала, определяют амплитуду исследуемого сигнала по расчетной формуле, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерений амплитуды переменного напряжения при изменении его частоты и расширения области применения, формируют начальный момент времени перехода исследуемого сигнала через нулевое значение, формируют текущее среднее значение х(т) исследуемого сигнала х(1) путем интегрирования последнего согласно зависимости где 1 - текущее время, формируют вспомогательный электрический сигнал путем умножения текущего среднего значения х(1) на постоянный коэффициент К, измеряют дли тел ьность интервала времени то до моментаравенства мгновенных значений исследуемого и вспомогательного сигналов, определяют амплитуду А исследуемого сигнала согласно зависимости А = х(то)/3 и оо, оп ределяют период Т исследуемого сигналасогласно зависимости Т = 2 л то/ ро, причем фазу ро исследуемого сигнала, отвечающую моменту времени то, находят из соотношения ро = К(1 - сов фо )/в про2. Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что величину коэффициента К и ринимаЛ .7/.ют равной К = , при этом р,=рад.