Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 7122
(13) U
(46) 2011.04.30
(51) МПК (2009)
G 01R 23/16
(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
ПЕРЕХОДНОГО ПРОЦЕССА
(21) Номер заявки: u 20100631
(22) 2010.07.13
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Институт прикладной
физики Национальной академии
наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Брановицкий Иван Иванович;
Размыслович Геннадий Иванович;
Мацкевич Петр Дмитриевич (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт при-
кладной физики Национальной акаде-
мии наук Беларуси" (BY)
(57)
Устройство для определения параметров переходного процесса, содержащее входную
цепь, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, дисплей, отличающееся тем,
что оно дополнительно содержит масштабирующий усилитель, вход которого соединен с
клеммой входной цепи, а выход - со входом дифференциатора, который подключен к вхо-
ду аналого-цифрового преобразователя, а микроконтроллер соединен с масштабирующим
усилителем, аналого-цифровым преобразователем и дисплеем по шине SPI.
(56)
1. А.с. СССР 1029093, МПК G 01R 23/16, 1983.
2. Патент РФ 2187822, МПК G 01R 23/16, 2002.
Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, а именно к опреде-
лению постоянной времени переходных процессов, которые могут протекать в электро-
энергетическом оборудовании.
Известно устройство, содержащее входную цепь, амплитудный детектор, два элемента
выборки и хранения, блок синхронизации, два аналого-цифровых преобразователя [1], позво-
ляющее измерять амплитуду установившегося переходного процесса. Недостатком данного
BY7122U2011.04.30

2. BY 7122 U 2011.04.30
2
устройства является то, что оно не позволяет определять постоянную времени переходно-
го процесса, значение которой является важной характеристикой, в значительной степени
определяющей параметры частотно-избирательных систем и цепей.
Прототипом полезной модели является устройство [2], содержащее входную цепь,
аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, блок цифровой индикации -дисплей.
Параметры переходного процесса, состоящего из экспоненциальной составляющей, ли-
нейно изменяющейся составляющей и постоянной составляющей, определяются по четы-
рем мгновенным значениям переходного процесса, измеренным через равные интервалы
времени от момента начала переходного процесса. Недостатком данного устройства явля-
ется зависимость постоянной времени экспоненциально изменяющейся составляющей от
интервала времени t1, который определяется моментом начала переходного процесса и
моментом измерения первого мгновенного значения переходного процесса, в то время как
последующие временные интервалы определяются только временем преобразования ана-
лого-цифрового преобразователя, что затрудняет сделать равными между собой все четы-
ре временных интервала. Погрешность задания первого временного интервала приводит к
неточному измерению τ - постоянной времени переходного процесса. Синхронизация пе-
реходного процесса с началом отсчета времени требует обязательного наличия устройства
синхронизации, что усложняет схемную реализацию конечного устройства.
Технической задачей настоящей полезной модели является существенное повышение
точности измерения параметров переходного процесса и простоты схемной реализации
без привязки момента начала переходного процесса к моменту отсчета времени. Сущ-
ность полезной модели заключается в том, что она содержит входную цепь, аналого-
цифровой преобразователь (АЦП), микроконтроллер, дисплей и дополнительно масшта-
бирующий усилитель с дифференциатором. Вход масштабирующего усилителя соединен
с клеммой входной цепи, а выход - со входом дифференциатора, выход которого далее
подключен к АЦП, который подключен к микроконтроллеру и управляется им вместе с
масштабирующим усилителем и дисплеем. Повышение точности измерения в предлагае-
мой полезной модели достигается введением масштабирующего усилителя и дифферен-
циатора, что позволяет измерить постоянную времени переходного процесса по двум
мгновенным значениям кривой скорости изменения переходного процесса во времени и
заданием временного интервала ∆t между этими измерениями (между соседними выбор-
ками АЦП), который представляет собой разность временных интервалов t1 и t1 + ∆t и тем
самым не зависит от момента начала отсчета времени t1. Последнее также упрощает
схемное решение предлагаемого устройства, так как снимает необходимость реализации
блока синхронизации начала переходного процесса и момента отсчета времени.
На фигуре представлена структурная схема предлагаемого устройства.
Устройство для определения параметров переходного процесса содержит входную
цепь (вход), связанную с масштабирующим усилителем 1, выход которого соединен со
входом дифференциатора 2, аналого-цифровой преобразователь 3, на вход которого по-
ступает сигнал с выхода дифференциатора 2, микроконтроллер 4, управляющий по шине
SPI масштабирующим усилителем 1, аналого-цифровым преобразователем 3 и дисплеем 5.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
На входную цепь (вход) устройства 1 подается напряжение








−= τ
−
t
0 e1U)t(U , (1)
где U0 - установившееся значение напряжения переходного процесса;
τ - значение постоянной времени переходного процесса;
t - текущее значение времени.
При этом микроконтроллер управляет коэффициентом усиления масштабирующего
усилителя таким образом, чтобы уровень сигнала на выходе дифференциатора 2 не пре-

3. BY 7122 U 2011.04.30
3
вышал динамический диапазон входного сигнала аналого-цифрового преобразователя 3.
На вход аналого-цифрового преобразователя поступает напряжение
τ
−
⋅⋅
τ
=
t
УС
0
АЦП ek
U
)t(U , (2)
где kУС - коэффициент усиления масштабирующего усилителя.
В моменты времени t1 и t2 микроконтроллер запускает АЦП на преобразование и счи-
тывает с него значения напряжения
( ) τ
−
⋅⋅
τ
=
1t
УС
0
1
1
АЦП ek
U
)t(U , (3)
( ) τ
−
⋅⋅
τ
=
2t
УС
0
2
2
АЦП ek
U
)t(U . (4)
Разделив выражение (3) на выражение (4), получим равенство (5):
τ
−
τ
−
⋅=
12 tt
)2(
АЦП
)1(
АЦП
ee
U
U
. (5)
Логарифмируя выражение (5) после простых преобразований, получим окончательно
выражение для постоянной времени переходного процесса:








∆
=τ
)2(
АЦП
)1(
АЦП
U
U
ln
t
,
(6)
где ∆t = t2 – t1 - интервал между выборками АЦП.
Выражение (6) заносится в программное обеспечение микроконтроллера и использу-
ется для расчета τ. Результаты расчета отображаются на дисплее.
Введение таких новых элементов, как масштабирующий усилитель 1 и дифференциа-
тор 2, позволяет повысить точность измерения постоянной времени переходного процесса
как за счет уменьшения количества точек измерения, в которых определяется текущее
значение величины скорости изменения напряжения переходного процесса, так и за счет
произвольности выбора этих точек, что не требует наличия дополнительного устройства
синхронизации и упрощает схемную реализацию заявляемого устройства.
Кроме того, данное устройство позволяет измерять постоянную времени переходного
процесса при неизвестной величине амплитуды установившегося переходного процесса,
что расширяет функциональные возможности устройства и увеличивает его быстродей-
ствие.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.