Способ измерения амплитудного значения и периода переменного напряжения

 

Использование: в измерительной технике, для измерения амплитуды и периода электрических сигналов, в частности в широком диапазоне измерения частоты сигналов. Сущность изобретения: способзаключается в том, что сравнивают мгновенные значения исследуемого и вспомогательного электрических сигналов, измеряют в момент их равенства з'начения 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.слс

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 R 19/04

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 ((21) 4792513/21 (22) 13.02.90 (46) 07.12.92. Бюл. ¹ 45 (71) Киевский институт инженеров гражданской авиации им. 60-летия СССР (72) Н.В.Боголюбов и В.А.Игнатов (56) 1. Авторское свидетельство СССР

¹847218,,кл,,G 01 R19/04,,1979.

2. Авторское свидетельство СССР

N „.1,269041, кл. G 01 R 19/04, 1985. (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 для измерения амплитуды и периода электрических сигналов, в частности в широком диапазоне изменения частоты сигн;лов.

Известен способ измерения амплитудного значения переменного напряжения, основанный на введении дополнительного фазового сдвига, сравнении мгновенных значений исследуемого и сдвинутого по фазе электрических сигналов, измерении в момент их равенства значения наг ряжения и определении отношения (1), Недостатки этого способа заключаются в сложности практической реализации и низкой точности измерений, невозможности измерений периода исследуемого сигнала.

БАЛ„„1780028 А1 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 отношения, 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.

1780028

Недостатками известного способа являются низкая точность измерений амплигуды при изменении частоты сигнала и невозможность измерения периода исследуемого сигнала, По известному способу амплитуда А сигнала определяется при совпадении исследуемого xt = А sin ы и сдвинутого на фазовый угол сигнала х2 = А sin(Iut - ф ) из

УСЛОВИЯ Х) = Х2, ПРИ КОТОР0М

А—

sin f72

Невозможность обеспечения постоянства фазового сдвига ф при изменении частоты сигнала в приводит к относительной погрешности измерения «д амплитуды А сигнала

«А =- WA « /2, 1 Ф где WA = — — - -, Рlд — относительный

2 tg /)/2 коэффициент влияния погрешности «у на

FA, Анализ выражения для «д показывает, что исключить или существенно уменьшить влияние « /р на «А практически невозможно, Поскольку при l-+л, когда tg ф/2 оказывается, что x< — 0 и измерение А ока-. зывается невозможным (сигналы х1 и х2 не пересекаются, а сливаются в один). Поэтому, например при « р= 30 и при ф =л/2 оказывается, что «p, =- -0,7830 = -23,3%.

Следовательно, известному способу присуща низкая точность измерения амплитуды А сигнала при изменении частоты и).

С увеличением погрешности фазового сдвига возрастает погрешность измерения амплитуды сигнала. На результат измерения амплитуды влияет величина фазового сдвига. которую невозможно обеспечить постоянной при изменении частоты е исследуемого сигнала. Кроме того, известный способ не позволяет измерять период (частоту) исследуемого сигнала, что ограничивает область применения способа.

Цель изобретения - повышение точности измерений амплитуды переменного напряжения при изменении его частоты и расширение области применения.

Поставленная цель достигается тем, что в предложенном способе измерения амплитудного значения и периода переменного напряжения, включающем сравнение мгновенных значений исследуемого и вспомогательного электрических сигналов, измерение в момент их равенства значения исследуемого сигнала, определение амплитуды исследуемого сигнала в зависимости от измеренного значения исследуемого сигнала. фиксируют начальный момент времени перехода исследуемого сигнала через нулевое значение, формируют текущее среднее значение x(t) исследуемого сигнала

5 x(t) путем интегрирования последнего согласно зависимости

x(lo) A = — —, SIn о (2) определяют период Т исследуемого сигнала

25 согласно зависимости о

Т =2_#_ — <

Ро

30 причем фазу ро исследуемого сигнала, отвечающую моменту времени то находят из соотношения

1 — cos po

35 Уо = sIп pî (3) а также тем, что величину коэффициента К принимают равной К = л /2, при этом

p,/л/2 рад.

На фиг,1 приведена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, на фиг.2 — временная диаграмма, поясняющая сущность предлагаемого способа, где t — кривая х(1); 11 кривая х().

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит ключ 1, нуль-орлеан 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

x(t) = — ) x(t)dt

1 (1

10 ) где t — текущее время, формируют вспомогательный электрический сигнал путем умножения текущего среднего значения x(t) на постоянный коэффициент К, измеряют дли15 тельность интервала времени to до момента равенства мгновенных значений исследуемого и вспомогательного сигналов, определяют амплитуду А исследуемого сигнала согласно зависимости

1780028

xt $1П

Х t — COSp (4) x(t) = —, x(t)dt, 35

x (to)

А

Sffl Po (5) 50

eA =WA я,р —- 2z — е, о .

Ро Г о сравнения 7 и входом АЦП 8, выход которого соединен с первым входом устройства 10 индикации, Выход блока 4 соединен через умножитель 6 с вторым входом схемы сравнения 7, выход которой соединен с управля- 5 ющим входом АЦП 8 и вторыми управляющими входами ключа 1 и таймера

3, выход которого через умножитель 9 соединен со вторым входом устройства 10 индикации, 10

В качестве блока 4 могут использоваться измерительные преобразователи информации средних значений сигнала.

Способ осуществляется следующим образом, 15

В исходном состоянии ключ 1 разомкнут, При подаче сигнала разрешения на второй вход нуль-органа 2 устройство начинает выполнять измерение. Переменное напряжение x(t) = А sin м t поступает на 20 первый вход нуль-органа 2, который вырабатывает синхронизирующий сигнал в момент перехода x(t) через нулевое значение, Под действием этого сигнала открывается ключ 1 и включается таймер 3 отсчета вре- 25 мени.

Сигнал x(t) поступает на вход блока 4 и вход порогового элемента 5. Блок 4 начинает формировать текущее среднее значение исследуемого сигнала в соответствии с ал- 30 горитмом где t — текущее время с момента включения ключа 1.

Умножитель б умножает значение x(t) на постоянный коэффициент К. Сигнал К x(t) поступает на второй вход схемы сравнения

7. Одновременно сигнал х(т) поступает.на вход порогового элемента 5. Когда сигнал

x(t) превысит пороговое значение, то элемент 5 начнет пропускать сигнал x(t) на пер вый вход схемы сравнения 7 и вход АЦГ) 8, Наличие элемента 5 исключает возможность срабатывания схемы сравнения 7 в начальный момент времени (фиг.2).

В момент времени to, когда будет выполнено условие x(to) = 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 x(to) 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

pto, а величина Т = р to,ðàâíàÿ 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 x(t) и x(t), имеющая вид где у" = в < = 2 л-г,.

t — текущее время;

Т вЂ” период сигнала x(t).

Представив

1 1

x(t) = — / x(t)dt = А д / sin й) tdt, 2л ш получаем с учетом = равенство

Т т

x(t) = — (I — COS p), 
Поскольку x(t) = А sin p, то для величины х t справедливо уравнение (4). В момент х 1 времени to, когда х(то) = К х(то), находят

1 -cos

p = К . — const.

sin po

При этом амплитуда А сигнала x(t) равна а период Т равен Т = 2 л — .

to

p)

Относительная погрешность измерения амплитуды Е д равна гдеЧЧд=- . WA — относительный коэфtgp, фициент влияния.

Величина погрешности ер, обусловлена погрешностью е о определения момента времени to

1780028

Относительная погрешность измерения периода ет равна (6) 1 = А т tо где N/T = 1, WT — относительный коэффициент влияния, Анализ выражения (5) показывает, что яд=- 0 при выборе ро — — л /2 рад, когда tg />„- <х>, при этом К = л/2. Другими словами, при р =л /2 коэффициент влияния Р/А равен нулю. Однако на практике величина коэффициента ЧЧА будет равна (7) gag (йгг + ë ) где сг = я рад

При выборе оптимального значения уЪ =.г/2 рад, К = т/2 получают

А = x(too);

Т=-4 т: pp = 7г 2 : о ь А =NIA

о = 2 2 = + 3,14 /о

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает повышение точности измерения амплитуды переменного напряжения за счет обеспечения постоянства величины

pp = л/ 2 рад при изменении частоты в, .

Пример 1. В процессе метрологической аттестации изготовленного по схеме фиг,1 устройства были регламентированы пределы относительной погрешности .,, = + 2 /, В процессе измерений АЦП 8 в момент срабатывания схемы сравнения

7 зафиксирован результат измерения

x(tp) = 235,5 В. Этому значению отвечала среднее значение сигнала х(го) = 149,92 В.

Таймер 3 выдал значение tp = 5,021 ° 10 с.

На табло устройства 10 индикации появились значения

А=235,5 В, Т = 0,020084 с. .При этом относительная погрешность измерения амплитуды равна

h, — — - - — — +- 0,049 рад;

314

Jt г tg л, г + 0.049) FA = 0,077 3,14 =- 0,24%, Погрешность измерения периода равна

n =+ 2%.

Абсолютные погрешности измерения амплитуды и периода равны соответственно

Лд=+ 056В; Ay=+4 10 с.

Пример 2. В процессе измерений АЦП

8 в момент срабатывания схемы сравне15. ния 7 зафиксирован результат измерения

А = 24,1 В, Этому значению отвечало среднее значение сигнала х(тс) = 15,34-В. Таймер

3 выдал значение tp = 6,25 10 с. На табло

-4 устройства 10 индикации появились значени A= 24,1 В. Т = 2,5 10 с. При этом относи-э тельные погрешности измерения амплитуды и периода, при условии с =+é 2%, соответственно равны

FA =+ 0,24 /; сг =+ 2/ . Абсолютные погрешности измерения амплитуды и периода равны соответственно Лд = ь 0,058 В;

Лт + 5 10 с.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает повышение точности иэмере30 ния амплитуды переменного напряжения при изменении частоты во, Относительные погрешности измерения амплитуды и периода не зависят от частоты переменного напряжения в соответствии с выражениями

35 (5), (6), Для уменьшения указанных погрешностей необходимо обеспечить требуемую погрешность измерения времени я,, Способ характеризуется простотой практической реализации и широкой областью

40 применения. Отсутствуют ограничения на достижение высокой точности измерений.

Выполненный сравнительный анализ известного и предложенного технических решений показывает преимущества послед45 него; повышение точности измерений амплитуды переменного напряжения в условиях изменения его частоты и расширение области применения. Следовательно, признаки предложенного способа являются существен ными.

Результаты испытаний устройства, реализующего предложенный способ, выполненные в КИИГА. свидетельствуют о его высоких и метрологических технических характеристиках, Формула изобретения

1. Способ измерения амплитудного значения и периода переменного напряжения, заключающийся в том, что сравнивают

1780028

10 х(т) =- — x(t)cIt, 1

Az.!

Составитель Н.Боголюбов

Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор E,Ïàïï

Редактор

Заказ .4434 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 мгновенные значения исследуемо о и вспомогательного электрических сигналов, измеряют в момент их равенства значения исследуемого сигнала, определяют амплитуду исследуемого сигнала по расчетной формуле, отличающийся 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 x(t) исследуемого сигнала

x(t) путем интегрирования последнего согласно зависимости где t -- текущее время, формируют вспомогательный электрический сигнал путем умножения текущего среднего значения x(t) на постоянный коэффициент К, измеряют дли5 тел ьность интервала времени to до момента равенства мгновенных значений исследуемого и вспомогательного сигналов, определяют амплитуду А исследуемого сигнала согласно зависимости А = x(to)/sin po, оп10 ределяют период Т исследуемого сигнала согласно зависимости Т = 2л to/ р,, причем фазу ро исследуемого сигнала, отвечающую моменту времени то, находят из соотношения p<> = К(1 — cos jop )/singe

2. Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и-й с я тем, что величину коэффициента К и ринимаЛ .7/. ют равной К =, при этом 1/,= рад.