Спосіб вимірювання середньоквадратичного значення змінної напруги синусоїдальної форми та пристрій для його здійснення

1. Спосіб вимірювання середньоквадратичного значення змінної напруги синусоїдальної форми, що полягає у порівнянні вхідної синусоїдальної напруги з постійною опорною напругою, коректуванні значення постійної опорної напруги за результатами цього порівняння та вимірюванні значення цієї постійної опорної напруги, який відрізняється тим, що одночасно здійснюють порівняння позитивної і негативної півхвиль вимірюваної змінної напруги відповідно з позитивною і негативною опорними напругами, що однакові за своїм абсолютним значенням, яке дорівнює середньоквадратичному значенню вимірюваної синусоїдальної напруги в момент, коли постійна складова напруги, що утворюється шляхом виконання над імпульсними послідовностями, які формуються в результаті порівняння, логічної операції АБО, дорівнює нулю, причому порівняння вхідної змінної напруги з постійною опорною напругою в момент 36074 це порівняння здійснюється на рівні 1 2 Імпульси другої послідовності також будуть прямувати з періодом, що дорівнює періоду вимірюваного синусоїдального сигналу Т. Третя сформована послідовність буде меандT ром (сигналом із шпаруватістю = 2 ) лише у виt падку, коли рівень опорної напруги буде дорівнювати середньоквадратичному значенню вхідної 1 U m , оскільки змінної напруги + U ОП = - U ОП = 2 тоді тривалості імпульсів першої та другої послідовностей будуть дорівнювати: æ + U ОП ö ÷ T × arcsinç ç U ÷ T è m ø= t1 = t2 = 2 p U m , де 1 » 0,707. 2 На фіг. 1, а-г представлені часові діаграми, що ілюструють запропонований спосіб. Суть способу полягає в наступному. Позитивну півхвилю вимірюваної змінної напруги UВХ(t) порівнюють з позитивною постійною опорною напругою +UОП, рівень якої не перевищує амплітуду вхідної напруги. Негативну півхвилю вимірюваної змінної напруги UВХ(t) порівнюють з негативною постійною опорною напругою –UОП, рівень якої за модулем також не перевищує амплітуду вхідної напруги UВХ(t), причому за модулем рівні позитивної і негативної опорних напруг в процесі вимірювання лишаються однаковими +UОП=ê-UОПê (фіг. 1, а). За результатами кожного з порівнянь формують двополярні послідовності імпульсів. Першу послідовність (фіг. 1, б) формують так, що в моменти часу, коли вхідна напруга UВХ(t) більша за позитивну опорну напругу +UОП напруга послідовності дорівнює позитивній напрузі +UВИХ, а в моменти, коли вхідна напруга UВХ(t) менша за позитивну опорну напругу +UОП, напруга послідовності дорівнює негативній напрузі -UВИХ. Другу послідовність (фіг. 1, в) формують так, що в моменти часу, коли вхідна напруга UВХ(t) менша за негативну опорну напругу –UОП, напруга послідовності дорівнює позитивній напрузі +UВИХ, а в моменти, коли вхідна напруга UВХ(t) більша за негативну опорну напругу –UОП, напруга послідовності дорівнює негативній напрузі -UВИХ. З двох отриманих послідовностей імпульсів формують третю двополярну послідовність імпульсів (фіг.1, г), причому напруга цієї послідовності дорівнює позитивні напрузі +UВИХ, якщо напруга хоча б однієї з двох сформованих раніше послідовностей імпульсів дорівнює позитивній напрузі +UВИХ, у противному разі напруга третьої послідовності дорівнює негативній напрузі -UВИХ (еквівалент – логічна функція АБО). Тривалість позитивного імпульсу першої послідовності æ + U ОП ö ÷ Т × arcsinç ÷ ç U Т è m ø, t1 = p 2 де Т- період вимірюваного синусоїдального сигналу; +UОП - рівень позитивної опорної напруги; Um амплітуда вимірюваного синусоїдального сигналу. Імпульси першої послідовності будуть прямувати з періодом, що дорівнює періоду вимірюваного синусоїдального сигналу Т. Тривалість позитивного імпульсу другої послідовності буде дорівнювати тривалості імпульсу першої послідовності (оскільки +UОП=ê-UОП): æ -U ö ç ОП ÷ T × arcsinç ÷ ç Um ÷ T ø, è t2 = t1 = p 2 де –UОП., - рівень негативної опорної напруги. крутизна вхідного сигналу дорівнює æ 1 ö p ÷ T × arcsinç ç 2 ÷ T T× T ø= è 4 = = p 2 2 p T T T - = . 2 4 4 З третьої двополярної послідовності імпульсів виділяється постійна складова, і якщо ця послідовність імпульсів є меандром, то її постійна складова дорівнює нулю. Отже, щоб виміряти середньоквадратичне значення змінної напруги синусоїдальної форми, необхідно підібрати абсолютне значення опорних напруг +UОП=ê-UОПê, при якому б постійна складова напруги, що виділена з третьої послідовності імпульсів, дорівнювала нулю, причому абсолютне значення опорних напруг, при якому це сталося, і буде шуканим середньоквадратичним значенням вимірюваної напруги UВХ(t). На фіг. 2 наведена структурна схема пристрою для здійснення способу вимірювання середньоквадратичного значення змінної напруги синусоїдальної форми. Пристрій складається з генератора опорних напруг 1, першого компаратора з рівними за абсолютним значенням різнополярними вихідними сигналами +UВИХ (рівень логічної 1) та -UВИХ (рівень логічного 0) 2, другого компаратора з рівними за абсолютним значенням різнополярними вихідними сигналами +UВИХ (рівень логічної 1) та -UВИХ, (рівень логічного 0) 3, логічного елемента АБО з рівними за абсолютним значенням різнополярними вихідними сигналами +UВИХ (рівень логічної 1) та -UВИХ (рівень логічного 0) 4, інтегратора 5, нульіндикатора 6 та вимірювача постійної напруги 7. При цьому перший вихід генератора опорних напруг 1 приєднано до другого (інверсного) входу першого компаратора 2 та до входу вимірювача постійної напруги 7, другий вихід генератора опорних напруг 1 приєднано до першого (прямого) входу другого компаратора 3, вихід першого компаратора 2 з'єднано з першим входом логічного елемента АБО 4, вихід другого компаратора 3 з'єднано з другим входом логічного елемента АБО 4, вихід логічного елемента АБО 4 з'єднано із входом інтегратора 5, вихід інтегратора 5 з'єднано із входом нуль-індикатора 6. Пристрій працює наступним чином. = 2 36074 Вхідний сигнал подається на перший (прямий) вхід першого компаратора 2 та на другий (інверсний) вхід другого компаратора 3. В момент, коли вхідна напруга UВХ(t) перевищує позитивну опорну напругу +UОП, на виході першого компаратора 2 встановлюється позитивна напруга +UВИХ. В момент, коли позитивна опорна напруга +UОП перевищує вхідну напругу UВХ(t) на виході першого компаратора 2 встановлюється негативна напруга -UВИХ. В момент, коли негативна опорна напруга -UОП перевищує вхідну напругу UВХ(t), на виході другого компаратора 3 встановлюється позитивна напруга +UВИХ. В момент, коли вхідна напруга UВХ(t) перевищує негативну опорну напругу -UОП, на виході другого компаратора 3 встановлюється негативна напруга -UВИХ. На виході логічного елемента АБО 4 встановлюється позитивна напруга +UВИХ, коли хоча б на одному з двох його входів встановлюється позитивна напруга +UВИХ, противному разі на його виході встановлюється негативна напруга -UВИХ. На виході інтегратора 5 отримуємо постійну складову двополярної послідовності імпульсів, що надходить на його вхід з виходу логічного елемента АБО 4. Нульіндикатор 6 показує, чи вірно виставлено рівень позитивної та негативної опорних напруг, які формуються генератором опорних напруг 1. Якщо нуль-індикатор 6 установився в "0", то значення опорної напруги, при якому це сталося, і є шуканим середньоквадратичним значенням вхідної напруги UВХ(t). Це значення вимірюється за допомогою вимірювача постійної напруги 7. Таким чином, точність виміру середньоквадратичного значення змінної напруги безпосередньо залежить від точності вимірювання постійної напруги. Всі функціональні блоки запропонованого пристрою (фіг. 2) широко застосовуються та легко піддаються інтеграції. Позитивний ефект у порівнянні з прототипами полягає у: відсутності детекторних елементів із нелінійною ВАХ, які призводять до інструментальних похибок та до зменшення діапазону виміру за частотою; порівняння із опорною напругою здійснюється не на гребені півхвилі вхідної змінної напруги, де крутизна вхідного сигналу (тангенс кута нахилу дотичної) наближається до нуля, а на рівні 1 2 U m , де крутизна вхідного сигналу дорів1 » 0, 707 , що є близьким до максимального 2 значення для синусоїдальних сигналів, яке дорівнює 1 в точках нуль-переходів. Це призводить до підвищення достовірності перетворення і, відповідно, до підвищення точності результатів вимірювання. Джерела інформації 1. Авдеев Б.Я., Антонюк Е.М., Душин Е.М. и др. Основы метрологии и электрические измерения. - Л.: Энергоатомиздат, 1987. – 480 с. нює Фіг. 1 3 36074 Фіг. 2 _________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 4