Измерение фазового сдвига Общие сведения
Фаза
характеризует состояние гармонического
колебательного процесса в данный момент
времени. Фазой гармонического колебания
считают аргумент
,
где
– угловая частота,
t – время,
– начальная фаза, характеризующая
состояние гармонического колебания в
начальный момент, т. е. при t = 0.
Из понятия о фазе вытекает понятие о фазовом сдвиге двух гармонических колебаний одной и той же частоты
В
случае негармонических процессов
понятие о фазовом сдвиге должно быть
заменено понятием о сдвиге во времени
между указанными процессами. Измерение
фазовых сдвигов между электрическими
сигналами (токами и напряжениями)
проводится в различных областях
измерительной техники. Измерение
фазового сдвига между двумя напряжениями
производится при определении фазочастотных
характеристик радиотехнических устройств
(усилителя, фильтра, трансформатора и
т. п.). Фазовый сдвиг между током и
напряжением характеризует реактивное
сопротивление цепи или нагрузки
четырехполюсника и определяется
величиной
– отношением активной и полной мощности
электрического тока в цепи.
Методы измерения фазового сдвига весьма разнообразны и зависят от диапазона частот, формы сигнала и требуемой точности измерения. Измерительные приборы, предназначенные для измерения фазового сдвига, называют фазометрами.
Логометрические фазометры. Измерение фазового сдвига и коэффициента мощности между током и напряжением звуковой частоты (до 8 кГц) может производиться логометрическими фазометрами электромагнитной, электродинамической и ферромагнитной системы.
В
общем случае логометры являются
приборами, измеряющими отношение двух
величин (токов или напряжений), путем
выбора соответствующих принципиальных
схем их можно использовать для измерения
фазового сдвига. На рис. 9.1, а
изображена схема фазометра, построенного
на базе электродинамического логометра.
Катушки
логометра включены так, чтобы через
неподвижную
протекал весь ток нагрузки, а через
подвижные
и
,
находящиеся в равномерном поле катушки
,
подключенные к напряжению, выделяемому
на нагрузке, – ток, проходящий через
резистор R
и индуктивность L.
Наличие
равномерного магнитного нуля в
пространстве, окружающем катушки
и
,
приводит к тому, что действующие на них
вращающие моменты подчиняются
синусоидальному закону.
Вращающие моменты катушек равны
,
,
где
,
,.
– действующие значения токов в катушках;
,
– конструктивные постоянные прибора;
,
– функции зависимости вращающих моментов
от угла поворота катушек.
На
векторной диаграмме (рис. 9.1, б)
показаны углы между токами
,
,.
.
Ток
имеет фазовый сдвиг 90° относительно
напряжения U
вследствие чисто индуктивной нагрузки
в цепи
.
В установившемся положении стрелки
вращающие моменты
и
уравновешиваются, т.е.
=
,
или
.
Рис. 9.1. Логометрический фазометр
Катушки и имеют одинаковую конструкцию, параметры R и L выбираются так, чтобы = , тогда
,
т. е. угол отклонения α стрелки, связанной с подвижными катушками, прямо пропорционален величине фазового сдвига между током и напряжением и не зависит ни от величины тока, ни от напряжения. Если шкала градуируется в , то она получается неравномерной.
Различными
способами (изменением угла между
катушками
и
,
подбором R и L) можно менять
характер шкалы, делая ее более равномерной
на участках, где требуется большая
точность отсчета. Фазометры данного
вида, бывшие в течение длительного
времени «классическими», получили
большое распространение. К ним относятся
приборы типов Д303, Д392, Д578 и др. Однако
они обладают существенным недостатком:
показания таких фазометров в значительной
степени зависят от частоты, так как
изменяется значение
индуктивного сопротивления цепи катушки
,
а следовательно, и ток
.
Для уменьшения частотной погрешности
подвижные катушки разделяют на секции,
включают дополнительные реактивные
элементы индуктивного и емкостного
типа, применяют трансформаторы. Но, как
правило, применение их ограничено
областью промышленных частот 50 – 400 Гц.
Погрешность метода составляет 1 – 2 %.