Дифференциальный указатель переменных напряжений

(5 ц 5 6 01 В 19 /10 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ О О(71) Научно-исследовательский институт интроскопии Томского политехнического института им.С.М.Кирова(56) Авторское свидетельство СССР М 1018033, кл. 6 01 В 19/10, 1983.Авторское свидетельство СССР М 636584 кл, 6 01 В 19/10, 1978. Ж , 1734030 А 1(54) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ(57) Изобретение касается электроизмерений. Сущность изобретения: устройство содержит один автоматический переключатель 1, один усилитель 2, два переменожителя 3,5, два фильтра нижних частот 4,10, интегратор со сбросом 6, блок обработки 7, блок выборки и хранения 8, блок управления 11, компаратор 12, формирователь переднего фронта 13, 1 - 2 - 10 - 5 - 6 - 7 - 8 - 9 - 11 - 1 - 3 - 4 - 5, 12 - 13 - 8. 2 ил.5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Изобретение относится к измерительной технике, в частности к классу прицизионных сравнивающих устройств, применяемых для измерения разности интегральных значений двух напряжений переменного тока, особенно в области низких частот,Известен двухканальный дифференциальный указатель, содержащий в каждом канале последовательно соединенные повторитель, усилитель и преобразователь, причем выходы преобразователей соединены с соответствующими входами вычитаю- щего устройства, а его выходы - через МДМ-усилитель соединен с индикатором.Недостатком данного устройства является нестабильность показаний вследствие неиндентичности коэффициентов преобразования каналов,Известен дифференциальный указатель синфазных сигналов, а котором использован принцип сравнения напряжений по мгновенному значению, содержащий последовательно соединенные вычитающий блок, синхронный детектор, фильтр нижних частот, усилитель постоянного тока и индикатор, причем входные шины устройства подключены ко входам вычитающего блока, а управляющий вход синхронного детектора, через формирователь коммутирующего напряжения соединен со входом опорного напряжения.Недостатком известного устройства является то, что сравнение возможно только при незначительной разности фаз сравниваемых сигналов. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является дифференциальный указатель, построенный по модуляционнокоммутационному принципу, содержащий первый усилитель, фильтр нижних частот, блок управления, соединенный с одним из входов переключателя, два других входа которого соединены с выводами источников сравниваемых сигналов, а выход переключателя через второй усилитель соединен с входом измерительного преобразователя, а также два блока выборки и хранения информации, вычитающий блок, индикатор и дополнительный усилитель и фильтр, выход которого соединен с первыми входами первого и второго блоков выборки и хранения информации, выходы которых соединены с входами вычитающего блока, соединенного выходом с входом дополнительного усилителя и с входом индикатора, при этом выход дополнительного усилителя соединен с вторым входом первого блока выборки и хранения информации, третий вход которого соединен через последовательно соединенные первый усилитель и фильтр нижних частот с одним из входов второго усилителя, причем второй выход блока управления с вторым входом второго блока выборки и хранения информации, а третий и четвертый выходы блока управления соединены с четвертым и пятым входами первого блока выборки и хранения информации.Уравнение преобразования имеет вид:т 2Овых 3,1 О 1 Ктр б 1 -12 т 1 тз- -2.- /, О 1 Ктрбт, (1)где О 1 и О 2 - входные напряжения;Ктр - коэффициент передачи измерительного тракта; 12-11=1 з-т 2=Т - время измерения каждого из сигналов.Выходное напряжение, также как и в первом устройстве, пропорционально разности квадратов входных напряжений.Недостатком данного устройства, а также его модификации является то, что по принципу действия оно относится к дифференциальным указателям разновременного сравнения, следовательно, сравнение значений двух переменных напряжений происходит поочередно и минимум за два периода частоты входных сигналов, а также присутствует погрешность измерения из-за нестабильности коэффициента преобразователя измерительного тракта за период измерения, равного 2 Т,Цель изобретения - повышение быстродействия, те.получение информации о разности интегральных значений сравниваемых сигналов за один их период и повышение точности измерения путем уменьшения влияния нестабильности коэффициента преобразования измерительного тракта,Поставленная цель достигается тем, что в дифференциальный указатель, содержащий автоматический переключатель, усилитель, первый фильтр нижних частот, блок управления, первый вход которого соединен с управляющим входом автоматического переключателя, входы которого соединены с клеммами для подключения источников сравниваемых сигналов, выход автоматического переключателя подключен к входу усилителя, а также второй фильтр нижних частот, блок выборки и хранения и индикатор введены первый перемножитель,последовательно соединенные второй перемножитель, интегратор со сбросом и блок коррекции, а также компаратор, вход которого подключен к одной из клемм для подключения источников сравниваемыхсигналов, а выход через формирователь переднего фронта к управляющим входам интегратора со сбросом, блока коррекции и блока выборки и хранения, при этом выход усилителя соединен с первым входом первого перемножителя и через второй фильтр нижних частот с первым входом второго перемножителя, второй вход которого через первый фильтр нижних частот подключен к выходу первого перемножителя, причем второй вход первого перемножителя соединен с вторым выходом блока управления, а выход блока коррекции через блок выборки и хранения подключен ко входу индикатора.Кроме того, блок управления вырабатывает управляющие напряжения со скважностью 2 и с частотой Я которая много больше, чем верхняя спектральная составляющая сравниваемых сигналов, а первый и второй фильтры нижних частот идентичны и имеют частоту среза выше верхней границы рабочего диапазоначастот, но ниже Й.Введение вышеперечисленных блоков позволяет, несмотря на коммутационно-модуляционный принцип сравнения, производитель измерение разности. квадратов среднеквадратических значений за один период сравниваемых сигналов, то есть повысить быстродействие путем преобразования манипулированного напряжения на выходе автоматического переключателя в напряжение суммы и разности входных сигналов и измерения среднего значения их (суммы и разности) произведения, а также обеспечивает существенное уменьшение погрешности из-за нестабильности коэффициента преобразования измерительного тракта за период измерения путем уменьшения времени коммутации(или увеличения частоты коммутации).На фиг 1 представлена структурная схема дифференциального указателя; на фиг,2 - временные диаграммы напряжений в различныхх точках устройства.Дифференциальный указатель содержит последовательно соединенные автоматический переключатель 1, два входа которого соединены с клеммами для подключения сравниваемых сигналов, усилитель 2, первый перемножитель 3, первый фильтр нижних частот 4, второй перемножитель 5, интегратор со сбросом б, блок коррекции 7, блок выборки и хранения 8, . индикатор 9 и второй фильтр нижних частот 10, вход которого соединен с выходом усилителя 2 и с первым входом первого пере- множителя 3, а выход - с вторым входом второго перемножителя 5, а также блок управления 11, первый выход которого под о с 2-оо,о,Оо Е ссо",11 ЩР 6 съем.1 й(2 о-Это напряжение поступает на втофильтр нижних частот 9, в котором отровываются высокочастотные состщие с частотами Я+в, 3 И+адалее ( со - частота входных сигй) ( И).45 Выходное напряжение второго фНИЖНИХ ЧаСтст 9 (Офиг 2), таКИМ Обпредставляется в виде:Офиг 2= - О 1(т)+О 2(т, (4К 2 тфиавляитак,(у ндлов, ильтра разом,ль- юи поступает на второй вход второго перемножителя 5 (фиг.2 г). На первый его вход поступает напряжение, пропорциональное разности входных сигналов. Действительно, в первом перемножителе 3 происходит перемножение выходного сигнала усилителя 2 Оус(3) и блока управления 11 Оупен(2),1 о ьЬо цр)46(О И 1+ц 1 ц+1; Ы 1 й 6 1 6,1 д.12 о- % , 26. осключен к управляющему входу автоматического переключателя 1, а второй - к второму входу первого перемножителя 3, и последо вательно соединенные компаратор 12 и формирователь переднего фронта 13, причем вход компаратора 12 подключен к одной из клемм для подключения сравниваемых сигналов, а выход формирователя 13 - к 10 управляющим входам интегратора со сбросом 6, блока коррекции 7 и блока выборки и хранения 8.Устройство работает следующим образом. 15 Управляющее прямоугольное напряжение (фиг.2 а) 4 3 и 2 п - 1 Йс р)- 1частота которого И много больше высшей спектральной составляющей сравниваемых сигналов, с выхода блока управления 11 поступает на управляющий вход автоматического переключателя 1, ко торый поочередно подключает сравниваемые напряжения Оф) (фиг.2 б) и О 2(с)(фиг.2 в) на вход усилителя 2, имеющего коэффициент передачи К 2, На выходе усилителя 2 образуется манипулированное напряжение 30 Оус(фиг.2 г),ав 1+ д /2) или Овых= Ктр 4 елЯл)а 1 "еъГ 4 -,5 лйлч)Ыллгде Кз - коэффициент передачи перемножителя (фиг.2 д),Первый фильтр нижних частот 4 отфильтровывает составляющие с частотамиЙ+ю,3 И+а и такдалее,где щ - частота сигнала, и его выходноенапряжение Офи, (фиг,2 д) можно записатькакОфич 1 - 202 (1) - 01 (1). (6)Выходное напряжение второго перемножителя Оп 2 является произведением выходных напряжений первого и второгофильтров нижних частот:Оп 2=(Офич 1Офич 2)К 5=-02 (1) - О (1)-02 (1) + О (1)=, К 2ОИ (1) - 0 (1) , (7)где К 5 - коэффициент передачи второго перемножителя (фиг.2 е),Учитывая, что интегратор со сбросом 6интегрирует сигнал Оп 2 в течение одногопериода Т входного сигнала, начиная с нуля(фиг,2 ж), его выходное напряжение Оп вконце каждого периодатОп - з0 (1) - О (1) й, (8)где г - постоянная времени интегратора 6;Т - период входного сигнала,Блок коррекции 7 служит для исключения влияния Т на результат измерения, егокоэффициент передачи К 7 является функК 7цией периода входного сигнала К 7(Т)=Выходное напряжение блока коррекции под воздействием управляющего импульса с формирователя 13 ( фиг, 2,з)запоминается блоком выборки и хранения 8(фиг.2,и):О БВХ=Овых=ХОВ (1) - 01 (1)сИ (9) Подставив в (9) значения Оф)=зн щ 1 и02(1)=-(1+д)зп с 01где д - относительная разность среднеквадратических значений, получим: К 2 КЗ К 5 К 7где Ктр - 4 общий коэффициентпередачи измерительного тракта.Погрешность нелинейности д /2 (из-заотсутствия корнеизвлекающего устройства)свойственна дифференциальным указателям, определяющих разность среднеквадратических значений сравниваемых сигналовв соответствии с уравнением измерения (1).Поскольку указатели данного типа используются для измерения разности входных сигналов в основном не превышающихединиц процентов, то можно считать, что15Овых=2 Ктр д, "2 Ктр д,где д и - измеренное значение,так как погрешность измерения будет незначительна,Таким образом, уравнение преобразования данного устройства может быть представлено в виде:1Овых Т,о КтрО 6 (1) Я (1) йСравним значения погрешностей из-занестабильности тракта за время измеренияв прототипе и предлагаемом устройстве.Предложим, что коэффициент передачитракта Ктр линейно зависит от времени, например, в режиме прогрева;К(1)=К(1+У 1),где у - скорость измерения К, а входныесигналы Оф)=зпю 1 и 02(1)=-(1+д)зпв 1ПОдСтаВИВ ЭтИ ЗНаЧЕНИя Ктр(1), Оф) И02(1) в уравнение преобразования прототипа (1) и считая, что время измерения Т равно2 лпериоду входного сигнала, т.е.Т= получают;ев ттрИЦ(Ь 6) елющ-Ц, (,1 цттел 901 ау ( в 6 е16цеетещ Ый.)ел ееЦе,л ц 1)т е- двщ Ч 11-6 6 Д.тт ф(+6 Ь)ег 6 Т ТТт6(.6или при малых значениях дивыхи кре 1+. - 1/е)3 12)ТПогрешность измерения при этом П ых " - (1 - 1/д) (13) подстановке исходных условии впреобразования (11) получают;Тили при малых значениях д Овых=КТРд (1+ 2)Т(1 4)Погрешность измерения Пг в этом случае Сравнивая погрешность П 1 и П 2, очевидно, что погрешность измерения в пред лагаемом устройстве существенное ниже, особенно при измерении малых значений д,Формула изобретенияДифференциальный указатель переменных напряжений, содержащий автома тический переключатель, усилитель, первый фильтр нижних частот, блок управления, первый выход которого соединен с управляющим входом автоматического переключателя, входы которого соединены с клеммами для под ключения источников сравниваемых сигналов, выход автоматического переключателя соединен с входом усилителя, второй фильтр нижних частот, блок выборки и хранения, индикатор, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения быстродействия и точности измерений, в него введены первый перемножитель, последовательно соединенные второй перемножитель, интегратор со сбросом и блок коррекции, а также компаратор, вход которого подключен к одной из клемм для подключения источников сравниваемых сигналов, а выход через формирователь переднего фронта соединен с управляющим входом интегратора со сбросом блока коррекции и блока выборки-хранения, при этом выход усилителя соединен с первым входом первого перемножителя и через второй фильтр нижних частот с первым входом второго перемножителя, второй вход которого через первый фильтр нижних частот соединен с выходом первого пере- множителя, второй вход которого соединен с вторым выходом блока управления, а выход блока коррекции через блок выборки и хранения соединен с входом индикатора,1734030 ФсГ Составитель А. КологривовРедактор М.Товтин Техред М,Моргентал Корректор М. Максимишене аказ 1667 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открыти 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 КНТ С ельский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 роизводственно