Преобразователь мощности в напряжение постоянного тока

(19) (И) ш С 01 К 21 И ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ повышения ки термок ь 0 ф 18 В,И. Иатвиив вым выводатермокомпавведенныйточной харбьнгде Б -видетельство СССРК, 1978 (прототип)(54)(57) ПР НАПРЯЖЕНИЕ авт. св. У щ и й с я шения точно БРАЗОВАТЕЛЬ СТОЯННОГО Т 1559, о т л м, что, с ц и преобразо ИОЩНОСТИКА пои ч а ю -лью повыания путе- входное напряжение нел нейного блока. м ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(56) 1. Авторское сУ 771559, кл. С 01 стабильности рабочей точмпаратора, выход дифференусилителя подключен к перм дополнительных термопарратора через дополнительнонелинейный блок с передаактеристикой вида-1 "Ь Ъвыходное напряжение нелинейного блока;коэффициент пропорциональности;Изобретение относится к электра измерительной технике и мажет быть использовано для создания точных аналоговых и цифровых измерителей мощности переменного тока.По основному авт, св, У /71559 известен преобразователь мощности ь напряжение постоянного така, содержащий двя источника опаркогс напря- жения, дифференциальный операционный усилитель, активный Интегратор, масштабный преобразователь и диференциалькый термакомпаратар:, двя нагревателя которого соединены с выходами двух сумматоров, вход адкого иэ них является входом преобразователя мощна сти р я Выход диффер Ркцияльн Ого термакомпаратара соединен через активный интегратор с выходом преобразователя мощности, а также два блока вычитания входы которых соединень 1 с соответствующими входами сумматоров., вход одного из них - с выходами первого источника опорного напряжения, а их выходы подключены к входам второй пары нагревателей термокомпаратора, Кроме того, выход активного интегратора через масштабный преобразователь соединен с иквертирующим входом дифференциального усилителя,. Зн к ега неинвертирующему входу подключен выход второго источника опорного напряжения, полярность которого соответствует псляркости выходного напряжения активнага интегратора., Выход 35 усилителя соединен с общим выводом встречного соединения тех термоэлектрсдов дсполнительных термопар, рабочие спаи каждой из которых имеют тепловой контакт с одним противопо о лажным торцом диеренциального полупроводникового термаэлемента, полярность которых соответствует полярнсстй включения ка вход усилителя второго источника опорного напряжения г 1, 45Недостатком данного преобразователя является низкая точность преобразования, из-зя неидентичности его ВАХ в динамическом диапазоне преабр 1 эования50 поскольку наблюдается смещение рабочей точки. ВАХ, так как имеет место несоответствие зависимостей ЗДС дифференциального полупроводникового термоэлемента и дополнительных термопар ат выделяемОго в их рабочих спаях " тепла (соответственна телла Джоуля и тепла Пелътье, т,е зависимости квадратичная и линейная соатветстпек.на 1. В связи с этим, при динамическом диапазоне преобразования входных сигналов АО дБ и более происходит перемещение рабочей. тачки преабразо=,зкия термокс,мпаряоря вдс.",:., ВАХ по каждому вьхсду-входу сбес".сч:".Ть иден т"г;ность которых в этом случае весьмасложно,Цель изобретения - повышение точ кости преобразования путем; Овышекия стабильности рабочей точки термоКсмгяпятоаяПастЯвленная цель достигаетсятем .что =. Преобразователе" ,стив напряжение постоянного таке выходдийференциального усилителя подключенпервым:ыводам дополнительных термспяв термакампяратаря через дапал кительно введенный нелинейный блок с передаточной характеристикой видагде Пй- выходное няпряжение нелиы 1. Ц 1. - входное напряжение нелинейного блока,Ня фиг. 1 представлеча функциональная схема преобразователя мощнасти в напряжение постоянного тока;на фиг.- законы изменения теплаДжоуля и Пельтье,Преобразователь мощности в напряжение постоянного тока содержит дифференциальный терм=компаратар 1 состоящий из "-х нагревателей 2-5 чувствительного элемента - ди 4 хреренциалького полупроводникового термаэлементя 6 и дспопкителькьх термопариВ, первый источник 9 опсрнагс напряжения постоянного тока сумматоры10 и 11, блоки 12 и 13 вычитания,активный интегратор 14, масштабныйпреобразователь 15 дифференциальный Операционный усилитель 16 с инвертирующим 16 1 и кеинвертирующим16.2 входами .второй источник 1/ опорнапряжения постсякксга така,входные клеммы 18 и 19 и выходнуюклемму 20, я также нелинейный блок 21.Преобразователь мощности в напряжение постоянного така работает следующим образам,Б исхсдком состоянии, когда сигналы Б, 1, ЕО отсутствуют, напряжение Е;,. Источника 17 поступает кя еик 1092419вертирующий вход 16.2 усилителя 16, усиленное напряжение прямой полярности которого в нелинейном блоке 21 преобразуется к виду5 ЬыхИ ФФ ЬхЮ(1 ЬХИ И Ьых ВЬ 0)(11 где Б,. - выходное напряжение неоЬЙ цлинейного блока 21;к- коэффициент передачи 10нелинейного блока 21;- его входное напряжение;- коэффициент передачиусилителя 16.Выходное напряжение нелинейного 15 блока 21 поступает на дополнительные термопары 7 и 8 термокомпаратора 1, что приводит к протеканию по ним постоянного тока прямой полярности в направлении от положительного тер моэлектрода к отрицательному и вызывает выделение одинакового количества тепла Пельтье в их рабочих спаях. Зто приводит к выводу термокомпарато" ра 1 на рабочую точку, где крутизна 25 вольт-амперных характеристик преобразования имеет номинальное (заданное) значение. При этом И Х =О, так как температуры рабочих спаев термоэлемента 6 равны между собой. Входное З 0 напряжение Ух и входной ток 1, мощность которых необходимо измерить, с клемм 18 и 19 поступают на соответствующие входы сумматора 1 О и блока 12 вычитания, с выходов которых они подаются на нагреватели 2 и 5 соответственно. В результате этого на торцах термоэлемента 6 создается разность температур, что вызывает появление на выходе термокомпаратора 1термо-ЗДС, которая усиливается интегратором 14 и поступает на клемму 20 преобразователя.Выходное напряжение Па интегра(тора 14 через блок 13 вычитания и сумматор 11, на вторые входы которых поступает напряжение Ео с источника 9, подается соответственно на нагреватели 3 и 4 термокомпаратора 1, увеличивая разбаланс термо-ЗДС термоэле"50 мента 6, что вызывает увеличение Пц на выходной клемме 20 интегратора 14. Выходное напряжение Бинтеграто; ра 14 через масштабный преобразователь 15 поступает на инвертирующий55 вход 16.1 усилителя 16, что приводит к уменьшению напряжения на входе и выходе блока 21 и, следовательно, к уменьшению тока через термопары 7 и 8, вследствие чего тепловыделение Пельтье в них падает до тех пор, пока результирующая температура торцов термоэлемента 6 не становится первоначальной. При дальнейшем росте Ух и 1, когда эти сигналы достигают, например, номинальных значейий нагревателей 2 и 5, напряжение на выходе масштабного преобразователя 15 становится равным напряжению источника 17 и в этот момент выходной ток усилителя 16 становится равным нулю, В случае дальнейшего увеличения Пк и 1 Х выходное напряжение масштабного преобразователя 15 превышает опорное напряжение Б источника 17 к на выхо" де усилителя 16 напряжение 0 меняет полярность,т.е. становится -Пц.,1 В этом случае в соответствии с (1) выходное напряжение блока 21 становится равнымс- д ОВыи 1=Ке(-Вхдййха)=-1 и ь Мо 3Последнее обстоятельство приводит к изменению направления тока через термопары 7 и 8 и тепловыделение Пельтье в их спаях сменяется тепло-, поглощением, т.е. охлаждением этих спаев, В результате этого результирующая температура торцов термоэлемента 6 уменьшается до исходной (первоначально заданной выбором напряжения Е).Таким образом, оеуществляется увеличение чувствительности, динамического диапазона и надежности преобразователя, исключается возможность перегрузки входных цепей термокомпаратора.В конце цикла уравновешивания наступает тепловой баланс на торцах термоэлемента 6, который с погрешностью активного интегратора имеет вид следующего уравнения.0. Кл(ОХ+Зс) +КЧ(Ео "ЬыХ) л"тл("о "ЬЫК)После соответствующих преобразований получаютгде11 с, РБх 1 к ебСледовательно, выходное напряжение Бы преобразователя прямо пропорционально измеряемой мощности Р,Известно, что тепло, выделяющееся в нагревателях 2,3 и 4,5 согласно закону Джоуля пропорционально20 где 1 - коэффициент пропорциональности1 - ток нагревателей 2-5,Тепло, которое выделяется в термопарах 7 и 8 прототипа согласно закону Пельтье пропорционально току, протекающему через эти термопары. Следовательно, в прототипе имеет место несоответствие между квадратичным законом изменения тепла Джоуляи линейным законом изменения теплаПельтьеП 1где П - коэффициент Пельтье,1 т - ток через термопары 7 и 8.Эти законы изображены на фиг. 2 соответственно кривой 22 и прямой 23. Так, например, при работе термокомпаратора 1 в динамическом диапазоне токов его нагревателей от 1 Н до 1 (вызванных изменением иэмеряемйх сигналов Б и 1) имеет место нескомпенсираванная разность теплоты Ь(, которая равна нулю только в двух точках диапазона (1 н и 1 и имеет максимальное значение в середине диапазона. ДО,п можно уменьшить в два раза выбором середины диапазона измерения в качестве точки полной компенсации (прямая 24), Однако достичь полной компенсации тепла Джоуля (например, при его увеличении) соответствующим уменьшением тепла Пельтье в прототипе принципиально невозможно, что при отклонении коэффициентов передачи термокомпаратора по всем нагревателям как друг о:; друга, так и от квадратичного закона приводит к погрешности преобразования мощности, которая может составлять 0,5-27. и даже более.В связи с тем, что в данном преобразователе ток, проходящий через термопары 7 и 8, равный в в в , гдеЪыЮ В,иК- сопротивление термопар, то с учетом соотношений (1) и (2) тепло Пельтьеьыю ц,(2= и- - и 1(,цпко.ф)11 тИз (5) видно, что в данном преобразователе подбором коэрфициента про порциональности 1 т (т,е. коэффициентов передачи масштабного преобразователя 15, усилителя 16 и коэффициента Пельтье П) можно достичь практически полной идентичности законов изменения Яж и Цп, т.е, стабилизировать рабочую точку термокомпаратора 1 и тем самым уменьшить погрешность от неидентичности его вольтамперных характеристик (ВАХ) по обоим торцам (горячим спаям).Таким образом, предлагаемый преобразователь мощности обладает повышенными метрологическими характеристиками по сравнению с прототипам,1092419 4,у Ю ТЯ 1 и Т( Составитель С. КабикоКасарда Техред А.Ач Корректор А. Фере актор аз 3248/28 П "Патент", г. Ужгород, ул. Проектна Фили Тираж 711 Подписное ИИПИ Государственного комитета СССР о делам изобретений и открытий Москва, Ж, Рауаская наб., д.4/5