Аналоговые измерительные устройства

6.3.3. Преобразователи действующих  значений.

          Функциональная схема преобразователя действующих значений (ПДЗ) состоит из квадратируещего преобразователя, усредняющего устройства и преобразователя, реализующего извлечение квадратного корня. Иногда в функциональной схеме квадратируещему преобразователю может предшествовать устройство выделения модуля входного сигнала.
          В качестве устройства выделения модуля входного сигнала и усредняющего устройства в ПДЗ используются активные и пассивные схемы.
          Квадратирующие преобразователи могут быть построены 1) с использованием элементов с естественной нелинейностью вольтамперной (или иной) характеристики, в сочетании с линейной цепью, нужным образом корректирующей характеристику нелинейного элемента; 2) с использованием цепи, обеспечивающей ступенчатое изменение постоянных коэффициентов gi (i = 1, 2,..., m), ее функции преобразования UВЫХ = F(UВХ, gi) в зависимости от входной величины, например напряжения. Этот способ позволяет реализовать кусочно-ступенчатую, кусочно-линейную и в общем случае кусочно-нелинейную аппроксимацию монотонных функций.
          Примером построения квадратирующих преобразователей первого типа являются преобразователи с применением термоэлементов, которые используют квадратичную зависимость мощности, рассеиваемой на резисторе от тока.  Этот метод используется в термовольтметре, где входной ток течет по нити накала (нагревателю) термопреобразователя (ТП), нагревая ее. Выделенное тепло служит непосредственной мерой среднеквадратического значения тока. Температура нити накала измеряется термопарой, входящей в ТП. Связь между током в нагревателе и ЭДС на выходе  термопары  приближенно  определяется  выражением ET = kJ2, где k – коэффициент, зависящий от конструкции термопреобразователя.  ,  где k – коэффициент, зависящий от конструкции термопреобразователя. В термовольтметрах могут использоваться как контактные, так и бесконтактные термопреобразователи. В контактном ТП (рис. 2.12,а) термопара 2 имеет тепловой и гальванический контакт с нитью накала (нагревателем) 1. В бесконтактных  (рис. 2.12,б) - термопара 2 прикрепляется к нити накала 1 с помощью небольшой стеклянной бусинки 4, которая  обеспечивает  хороший тепловой контакт и электрическую изоляцию между  нитью накала и термопарой.  Бесконтактные   ТП  могут  использоваться   для  создания термобатарей 2,  состоящих   из   нескольких  термопар  соединенных последовательно (рис. 2.12,в).


а)                         б)                                  в)
Рис. 2.12

          При измерении среднеквадратического  значения  переменного  напряжения   чаще   используются  бесконтактные  термопреобразователи   (рис. 2.12,б). Эта конструкция  герметизируется в стеклянном вакуумном  баллоне, чтобы предотвратить потери тепла из-за конвекции, Поэтому температура нити накала может уменьшаться только из-за теплопроводности и излучения. Чтобы минимизировать влияние окружающей среды, температуру нити накала делают высокой, но такой термоспай имеет малый КПД (отношение выходной мощности к входной) – около 0,1%. Данные преобразователи имеют сопротивление нагревателей 20 – 100 Ом; ток нагревателя 10 – 50 мА; значение выходной термоЭДС 1 – 20 мВ; время установления выходного сигнала 2 – 10 с. Погрешность данных преобразователей составляет обычно 1 – 5 %.
          Термопреобразователь можно применять до частот порядка 60 МГц. При более высоких частотах на работу будут влиять различные паразитные эффекты (индуктивность резистивной нити накала, емкость между нитью накала и термопарой и т. д.).  Погрешность в пределах частотного диапазона от 10 Гц до 60 МГц составляет менее 1%, а в диапазоне от 30 Гц до 10 МГц она может быть меньше, чем 0,1%.
          Более быстродействующие квадратирующие преобразователи могут быть построены  на  основе  аналоговых   перемножающих    схем,  например  на  основе  интегральных   микросхем.  На основе  аналоговых  перемножающих  схем  могут  создаваться  преобразователи,  реализующие  функцию   y = vx.  На рис. 2.13 приведены схемы квадратирующего (рис. 2.13,а) и реализующего функцию  y = vx (рис. 2.13,б) преобразователей на основе микросхемы К525ПС2.


а                                                                         б
Рис. 2.13

          Погрешность квадратирования определяется погрешностью перемножающей схемы. Для К525ПС2 погрешность перемножения составляет ±1%.
          Преобразователи построенные по второму способу  можно осуществить с помощью схемы содержащей диоды и резисторы (функциональный преобразователь).
          Такая схема способна реализовать нелинейное преобразование входного напряжения. Пример одной из таких схем представлен на рис. 2.14.

                          
а)                                                                    б)
Рис. 2.14

          Входное напряжение UВХ проходит через несколько параллельных ветвей аттенюаторов, образованных резисторами и (в i-й ветви) (рис. 2.14,а). Как только выходное напряжение одного или более аттенюаторов превосходит величину 0 вольт, в цепи инвертирующего входа усилителя потечет ток I.Эта ситуация соответствует случаю, когда UВХ > U0/. Если обозначить пороговое напряжение, при котором i-й аттенюатор выдавать ток входную цепь усилителя через Ui, то  . Когда проводят первые n диодов, полный ток I,текущий через виртуальное заземление, равен

.  (2.30)

          Поскольку ток может течь только по резистору обратной связи R, выходное напряжение равно

.   (2.31)

          Если правильно выбрать значения Ui и , то зависимость выходного напряжения UВЫХ от UВХ ,будет приблизительно квадратичной (рис. 2.14,б). Так как диоды начинают проводить постепенно, связь между  UВЫХ и UВХ   не будет иметь изломов, а окажется слегка сглаженной.
          Кроме квадратичной функции с помощью подобного функционального преобразователя можно реализовать функцию квадратного корня. Однако,  определение  среднеквадратичного значения  этим  способом  является  неточным.


© Copyright 2008, SLAiPS. All Rights Reserved. | Design by Design by analogiu.ru