Метод и система измерения интегральных характеристик с использованием ортогональных составляющих сигналов

Полный текст

При измерении параметров сигналов, вид которых строго обусловлен физическими законами исследуемых явлений, а погрешности измерений пренебрежимо малы, может быть успешно использован аппроксимационный подход, заключающийся в определении информативных параметров по отдельным мгновенным значениям сигналов в предположении их соответствия известным моделям с последующей оценкой погрешностей, обусловленных отклонением принятых моделей от реальных сигналов [1]. Данный подход может быть успешно применен при измерении интегральных характеристик гармонических сигналов (ИХГС). При определении интегральных характеристик гармонических сигналов значительное сокращение времени измерения достигается за счет формирования дополнительных сигналов, сдвинутых по фазе относительно входных, и определения ИХГС по мгновенным значениям как входных, так и дополнительных сигналов [2]. Значительное упрощение реализации могут обеспечить методы измерения ИХГС, в которых в качестве дополнительных сигналов используются их ортогональные составляющие. Сокращение аппаратурных затрат достигается за счет использования сравнения ортогональных составляющих сигналов [3]. Авторами разработан метод, использующий такой подход и основанный на формировании только дополнительного напряжения, сдвинутого относительно входного на 90°, и измерении мгновенных значений сигналов напряжений и тока в момент равенства входного и дополнительного напряжений [4]. Однако реализация метода предусматривает измерение мгновенных значений входного и дополнительного напряжений и тока, что требует использования трех аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и увеличивает погрешность определения ИХГС. В статье рассматривается новый метод определения ИХГС, в котором формируется дополнительный сигнал напряжения и производится измерение только мгновенных значений входного напряжения и тока. В соответствии с разработанным авторами методом формируют дополнительный сигнал напряжения, сдвинутый относительно входного на 90°; в момент равенства входного и дополнительного сигналов напряжения измеряют мгновенные значения входного напряжения и тока; через произвольный (в общем случае) интервал времени Δt одновременно измеряют мгновенные значения входного напряжения и тока и определяют ИХГС по измеренным значениям. Временные диаграммы, поясняющие метод, представлены на рис. 1. Рис. 1. Временные диаграммы, поясняющие метод Входные гармонические сигналы напряжения и тока и дополнительный сигнал напряжения имеют вид ; ; , где , - амплитудные значения сигналов напряжения и тока; ω - угловая частота входного сигнала; φ - угол сдвига фаз между входными напряжением и током. В момент времени t1, когда основной и дополнительный сигналы напряжения будут равны, выражения для мгновенных значений сигналов примут вид ; ; , где , - фазы сигналов напряжения и тока в момент времени t1. Мгновенные значения и будут равны при угле , где . В этом случае мгновенные значения сигналов примут вид ; . Через интервал времени Δt (момент времени t2) мгновенные значения сигналов будут равны ; . Используя мгновенные значения сигналов и считая, что , можно получить выражения для определения основных ИХГС: - среднеквадратические значения (СКЗ) напряжения и тока ; (1) ; (2) - активная (АМ) и реактивная (РМ) мощности ; (3) . (4) Схема информационно-измерительной системы (ИИС), реализующей метод, представлена на рис. 2. Рис. 2. Схема ИИС, реализующей метод В состав ИИС входят: первичные преобразователи напряжения ППН и тока ППТ, аналого-цифровые преобразователи АЦП1 и АЦП2, фазосдвигающий блок ФСБ, компаратор КОМП, контроллер КНТ, шины управления ШУ и данных ШД. Для анализа влияния квантования на погрешность результата определения ИХГС воспользуемся известным подходом, заключающимся в оценке погрешности вычисления значения функции, аргументы которой заданы приближенно, с помощью дифференциала этой функции [1]. Используя выражения (1) - (4), определим относительные погрешности измерения СКЗ напряжения и тока и приведенные погрешности измерения АМ и РМ: ; (5) ; (6) ; (7) , (8) где п - число двоичных разрядов АЦП. Погрешность измерения СКЗ напряжения, определяемая в соответствии с (5), зависит только от разрядности АЦП. Погрешности измерения СКЗ тока, АМ и РМ, которые определяются согласно выражениям (6) - (8) соответственно, зависят от угла сдвига фаз между напряжением и током φ и интервала времени Δt. Полученные в работе результаты позволяют выбирать соответствующие аппаратные средства и параметры измерительного процесса в зависимости от предъявляемых требований по точности и времени измерения.

Об авторах

Владимир Сергеевич Мелентьев

Самарский государственный технический университет

Email: vs_mel@mail.ru
(д.т.н., проф.), заведующий кафедрой «Информационно-измерительная техника» 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Вера Владимировна Муратова

Самарский государственный технический университет

аспирант 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Екатерина Евгеньевна Ярославкина

Самарский государственный технический университет

(к.т.н.), доцент кафедры кафедрой «Информационно-измерительная техника» 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Список литературы

Дополнительные файлы