Спосіб низькочастотного розширення роботи вимірювального перетворювача активної потужності середніх частот

Реферат: Спосіб низькочастотного розширення роботи вимірювального перетворювача активної потужності середніх частот шляхом розміщення в лінії передачі датчика з феромагнітної плівки у зовнішньому магнітному полі, налаштування датчика шляхом зміни величини зовнішнього магнітного поля і вимірювання екстремального значення електричного сигналу на виході датчика. Про величину потужності судять по величині екстремальних значень електричного сигналу. На електричний і магнітний входи перетворювача подаються інвертовані меандром сигнали незалежно від полярності з однаковими фазами, продетектований сигнал на виході перетворювача визначатиме активну потужність в навантаженні. UA 71169 U (54) СПОСІБ НИЗЬКОЧАСТОТНОГО РОЗШИРЕННЯ РОБОТИ ВИМІРЮВАЛЬНОГО ПЕРЕТВОРЮВАЧА АКТИВНОЇ ПОТУЖНОСТІ СЕРЕДНІХ ЧАСТОТ UA 71169 U UA 71169 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області радіовимірювальної техніки і може бути використана в системах вимірювання і контролю активної потужності низьких частот, включаючи постійний струм. Найбільш близьким аналогом є спосіб вимірювання потужності в лінії передачі шляхом розміщення в лінії передачі датчика з феромагнітної плівки у зовнішньому магнітному полі, вимірювання електричного сигналу на його виході, після налаштування датчик перебудовують шляхом зміни величини зовнішнього магнітного поля і вимірюють екстремальні значення електричного сигналу на виході датчика, а про величину потужності судять по величині і знаку суми екстремальних значень електричного сигналу [А.с. СРСР № 687405, МПК G01R 21/07, публікація 28.09.1979, бюл. № 35]. Основним недоліком зазначеного способу вимірювання потужності є низька точність вимірювання в широкому діапазоні частот, велика залежність від впливу зовнішніх магнітних полів споживачів струму. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення способу для вимірювання активної потужності, у якому подача на електричний і магнітний входи інвертованих сигналів незалежно від полярності з однаковою фазою дозволила б захистити перетворювач від впливу зовнішніх магнітних полів споживачів струму, які виникають при роботі перетворювача в реальному середовищі, і зменшити номінали блокувальних та роздільних ємностей, які підвищують масогабаритні характеристики перетворювача, підвищити добротність схеми. Поставлена задача вирішується тим, що на електричний і магнітний входи подаються інвертовані сигнали незалежно від полярності з однаковими фазами, за рахунок комутації вхідних сигналів, які модулюються обвідною амплітуди струму в лінії передач, внаслідок чого розширюється його спектр і тим самим знімається низькочастотне обмеження, включаючи постійний струм, новим є те, що вимірювання активної потужності переноситься на середні частоти, оскільки на цих частотах перетворювач працює без подільника напруги з кращими характеристиками, і відсутність впливу ключа на струм у навантаженні, а також те, що за рахунок модуляції меандром ця комутація знівелює зовнішній магнітний вплив, так як детектуватиметься високочастнотний сигнал, замість низькочастотного. Суть запропонованої корисної моделі пояснюють графічні матеріали, на яких зображено: фіг. 1 - електрична схема низькочастотного розширення роботи вимірювального магніторезистивного перетворювача активної потужності середніх частот, 1 - інвертор струму, 2 - інвертор напруги, 3 - магніт, 4 - шар 80Ni20Fe, 5 - шар Сu, 6 - ватметр, 7 - нановольтметр; фіг. 2, 3 - осцилограми напруг і струмів. При вимірюванні магніторезистивним перетворювачем активної потужності існують обмеження по частоті, зокрема на низьких частотах через значні фази виникає потреба у великих номіналах блокувальних та роздільних ємностях, які підвищують масогабаритні характеристики перетворювача. Крім того, великі номінали елементів RC-кола R3,4, С1,2,3, фіг. 1, на низьких частотах дають похибку в методах модуляції при вимірюванні активної потужності. Для зменшення ємностей при роботі на НЧ, включаючи постійний струм, потрібно розширити спектр вхідного сигналу по напрузі, подавши його через ключ, що інвертує напругу і працює на частотах, на кілька порядків вищих від частоти вимірюваного сигналу. Комутація вхідних сигналів перетворювача вирішить проблему з НЧ сигналом і постійним струмом, в яких може бути постійна складова, яка спотворює вихідний сигнал з перетворювача. Таким чином, суть низькочастотного розширення роботи полягає у переносі вимірювання активної потужності на більш високі частоти, оскількина цих частотах перетворювач працює без подільника напруги, тим самим розширюється спектр вхідних сигналів перетворювача і знімається обмеження на постійний струм, при зменшенні номіналів блокувальних ємностей. Тому, необхідно інвертувати сигнали на електричному вході магніторезистивного перетворювача. Для розширення спектра НЧ сигналу по напрузі необхідно подати його через ВЧ ключ, який працює з частотою на кілька порядків вище. Такий режим - комутація або інверсія сигналу незалежно від полярності, дасть змогу зменшити блокувальні ємності С4,5, зробити перетворювач більш компактним, підвищити добротність схеми. Подільник напруги створює необхідне амплітудно-фазове співвідношення між струмом в магніторезистивному перетворювачі та інвертованою напругою схеми змінного струму. Вихід перетворювача з'єднаний з нановольтметром 2 через низькочастотний фільтр. Ємності С4,5 блокують вплив змінної напруги на роботу магніторезистивного перетворювача. Активна потужність в лінії передачі розсіюється в поглинальній калориметричній головці ватметра 1, фіг. 1. Вихід інвертора напруги з'єднаний з RC-колом, проходячи через яке кожна спектральна складова модульованого меандру змінює свою амплітуду і фазу на середнє значення однієї і 1 UA 71169 U тієї ж величини n  ПН . На першій гармоніці зсув фаз нульовий, так як на робочій частоті фаза проходить через нуль. При синусоїдальній напрузі в лінії передачі, інвертований сигнал на електричному вході перетворювача, фіг. 2, дорівнює: 5 V( t )    k v (n0  )U sin( t  U  ПН ) sin[sin( 0 t  )] , (1) n1,3,5,... де 10 15 20 25 k v (n0  ) - комплексний коефіцієнт передачі напруги для бокових частот, безрозмірний; U - амплітуда напруги в лінії передачі, В;  , U - частота і фаза низькочастотного коливання, рад/с і рад відповідно; ПН - зсув фази через подільник напруги, рад; 0 ,  - частота і фаза інвертованого високочастотного коливання, рад/с і рад відповідно. При роботі перетворювача в реальному середовищі, крім магнітного поля, створюваного провідником зі струмом, існують зовнішні магнітні поля споживачів струму. Тому, захист перетворювача від впливу зовнішніх магнітних полів є актуальним. Для захисту вимірювального перетворювача від зовнішнього магнітного поля потрібно комутувати струм, який тече у навантаженні незалежно від напряму, навіть, якщо струм прямий, тобто потрібно інвертування струму, який модулюється обвідною амплітуди синусоїди. Тому що, за рахунок модуляції меандром, комутація знівелює зовнішній магнітний вплив, тобто перетворювач працюватиме як детектор високочастотного сигналу, а не низькочастотного. Таким чином, необхідно інвертувати сигнали на магнітному вході вимірювального перетворювача активної потужності. Інвертується увесь час струм у навантаженні, а змінюється на 180° лише фаза. В навантаженні струм протікає заданий при постійній роботі ключа, струм змінюється лише у провіднику, тобто впливає тільки на чутливий елемент магніторезистивного перетворювача. Таким чином, магніторезистивний перетворювач не впливає на активну потужність в лінії передачі при її вимірюванні в технологічному процесі. ; Інвертований струм на магнітному вході перетворювача, фіг. 3, має вигляд: h( t )    kI (n0  )U sin( t  I  hM )sign[sin( 0 t  )] , (2) n1,3,5,... де kI (n0  ) - комплексний коефіцієнт передачі по магнітному полю для бокових частот, (А/м)/А; I - амплітуда струму в лінії передачі, А; 0 ,  - частота і фаза інвертованого 30 35 високочастотного коливання, рад/с і рад відповідно;  , I - частота і фаза низькочастотного коливання, рад/с і рад відповідно; hM - зсув фази між магнітним полем і намагніченістю у магнітній плівці, рад. Вхідні сигнали, які подаються на магніторезистивний перетворювач, мають тільки дві бокові m0   без центральної несучої частоти n0 для кожної гармоніки, тобто перетворювач працює як балансний змішувач. Таким чином, промоделювавши лінійним значенням амплітуду і фазу, якщо фаза змінюється нелінійно, то за рахунок вузького спектра і лінійного наближення отримаємо, що добуток бокових буде еквівалентний вихідному сигналу. На основі вищеперерахованих допущень постійну складову сигналу отримуємо, інтегруючи за період низькочастотного сигналу, добуток 1T  V( t )n( t )dt . (3) T0 Для постійної складової: U0  k 0UI cos(U  I ) , (4) U0  40 kp  k v (n0 ) kI (n0 cos(kv (n0 )  kI (n0 ) ) ,(6)  2 n1,3,5,... n2 де k - коефіцієнт перетворення магніторезистивного перетворювача, В/Вт; ' k p - дійсний коефіцієнт перетворення, який є постійною величиною для заданого інвертованого сигналута подільника напруги, 1/м: Отже, в результаті інтегрування виразу (3) залишиться складова, яка залежатиме тільки від зсуву фаз між струмом та напругою в лінії передачі і визначатиме активну потужність в ' kp  45  1 ' , (5) kp  H  4 1 2 UA 71169 U 5 10 15 20 25 навантаженні. При аналізі спектральних характеристик вихідного сигналу видно, що його спектр розширюється. Вклад в постійну складову продетектованого сигналу дає тільки квадрат кожної спектральної складової гармоніки, яка пропорційна активній потужності в лінії передачі. Параметри подільника напруги, фіг. 1, підібрані таким чином, щоб компенсувати зсув фази між магнітним полем і намагніченістю у феромагнітній плівці, тобто hM  ПН . Отже, через провідник у магніторезистивному перетворювачі тече модульований синусоїдою струм, а в розширеному спектрі результуючого вихідного сигналу перетворювача присутня частоти меандру і обвідної амплітуди синусоїди. Таким чином, інвертування з високою частотою напруги та струму в лінії передачі дозволяє зняти обмеження на частоту сигналу, потужність якого вимірюється, в область низьких частот, включаючи постійний струм, зменшити масогабаритні характеристики пристрою, захистити перетворювач від впливу зовнішніх магнітних полів споживачів струму, підвищити добротність схеми. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб низькочастотного розширення роботи вимірювального перетворювача активної потужності середніх частот шляхом розміщення в лінії передачі датчика з феромагнітної плівки у зовнішньому магнітному полі, налаштування датчика шляхом зміни величини зовнішнього магнітного поля і вимірювання екстремального значення електричного сигналу на виході датчика, а про величину потужності судять по величині екстремальних значень електричного сигналу, який відрізняється тим, що на електричний і магнітний входи перетворювача подаються інвертовані меандром сигнали незалежно від полярності з однаковими фазами, продетектований сигнал на виході перетворювача визначатиме активну потужність в навантаженні. 3 UA 71169 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4