6.3.5. Измеритель фазового сдвига с преобразованием во временной интервал.

Разность фаз двух напряжений и (рис. 6.26) и преобразуют во временной интервал в соответствии с определением разности фаз по формуле:

(6.41)

В соответствии с этой формулой измеряемая разность фаз преобразуется во временной интервал . Для этого входные цепи и формирующие устройства (рис. 6.30) содержат следующие устройства:

усилитель-ограничитель, дифференцирующие цепи; ограничители, пропускающие импульсы одной полярности.

С выходов формирующих устройств напряжения поступают на триггер. Первым импульсом триггер переводится из одного состояния в другое, а вторым возвращается в первоначальное состояние. В результате вырабатывается последовательность прямоугольных импульсов тока длительностью . Средний за период ток может быть изменен, например, миллиамперметром. Поскольку , то , т.к. амплитуда импульса тока , выдаваемая ограничителем неизменна.

Обобщенная структурная схема такого измерителя (рис. 6.30б) представляется схемой прямого преобразования, в которой преобразуется в постоянный ток; мерой является значение постоянного тока, измеряемого магнитоэлектрическим миллиампером.

Коэффициент преобразования определяют расчетным путем или экспериментальным способом при градуировке шкалы фазометра. Отсчет результата производится по шкале. Таким образом, сравнение и производится при помощи шкалы прибора, который один раз или периодически "запоминает" значения преобразованные в отклонение стрелки миллиамперметра. Постольку, поскольку значение не изменяется во времени, а и преобразуются с одним и тем же коэффициентом преобразования, то измерение происходит в соответствий со следующими соотношениями:

(6.42)

где обозначает ток, соответствующий калиброванному значению фазового сдвига, принимаемому за ; - ток, соответствующий измеряемому фазовому сдвигу. Очевидно, если , то , а если , то . Таким образом, сравнение измеряемого фазового сдвига с действительным значением производится на основе сравнения токов.

6.3.6. Цифровой фазометр.

Цифровой фазометр осуществляет два основных преобразования:

1. Преобразование фазового сдвига, в интервал времени ;

2. Преобразование интервала времени в количество импульсов известной длительности T и измерение их количества, содержащегося в методом дискретного счета.

В качестве используется длительность интервала T, Принципиальной особенностью цифрового фазометра, как и других цифровых приборов, является то, что измерение сводится к счету. В этом случае устройство сравнения отсутствует, так как сравнение с производится путем сравнения двух чисел, одно из которых пропорционально , а другое пропорционально . Обобщенная структурная схема такого измерителя (рис. 6.11) включает два преобразователя и цифровое устройство для визуализации результата измерении - цифровое табло.

Такая обобщенная, структурная схема реализуется схемой (рис. 6.12а).

Структура формирующих устройств приведена ранее. Временной селектор представляет собой ключевую логическую схему. Генератор счетных импульсов состоит из схемы формирования импульсов и генератора гармонических колебаний стабильной частоты. Фазометр работает следующим образом (рис. 6.12б). В формирующих устройствах напряжения и преобразуются в прямоугольные импульсы, которые затем дифференцируются и ограничиваются сверху (или снизу). На триггер подаются короткие импульсы, соответствующие началу каждого периода напряжений и . Импульсы, соответствующие , включают триггер, а импульсы, соответствующие , выключают его. На выходе триггера формируются импульсы длительностью , пропорциональной измеряемому фазовому сдвигу. Таким образом, происходит преобразование в .

Рассмотрим, как преобразуется в число N. С выхода триггера импульсы поступают на временной селектор, на который поступают также счетные импульсы. На выход временного селектора счетные импульсы поступают только в течение времени . Количество импульсов, поступающих на счетчик за один период исследуемых напряжений , где - период счетных импульсов.

Если предусмотреть, чтобы отношение периода измеряемого напряжения к периоду счетных импульсов было кратным числу 360, то есть , где , то N будет выражать величину в градусах или долях градуса. Это условие кратности можно выполнить двумя способами: 1) подбирая частоту счетных импульсов; 2) преобразуя частоту исследуемых напряжений в фиксированную частоту. Недостатком первого способа является снижение точности установки частоты счетных импульсов, что приводит к дополнительным погрешностям. При втором способе схему дополняют двумя преобразователями (сдвигателями) частоты на входе формирующего устройства. Преобразователи должны иметь общий гетеродин, в этом случае фазовые соотношения между и при преобразовании частоты не нарушаются. В обоих случаях схему рис. 6.32а необходимо дополнить устройством, контролирующим и обеспечивающим выполнение условия . Таким устройством может быть цифровой частотомер, с помощью которого измеряют частоту исследуемых напряжений и частоту счетных импульсов. Таким образом происходит преобразование величины в число импульсов. При этом величиной является период - напряжения, выдаваемого встроенным генератором стабильной и известной частоты.

Погрешность рассмотренного фазометра определяется методической погрешностью, погрешностью дискретности и аппаратурной погрешностью. Погрешность дискретности появляется в связи с тем, что интервал времени заполняется целым числом N периодов T не всегда полностью, так что N . Поэтому максимальная относительная погрешность дискретности измерения .

Аппаратурная погрешность определяется нестабильностью времени срабатывания триггера, различными уровнями срабатывания схем формирования и т. п. Уменьшить погрешности, обусловленные случайными факторами, можно путем усреднения результатов отдельных измерений числа N за достаточно большой по сравнению с периодом T интервал времени. Рассмотрим структуру такого фазометра среднего значения (рис. 6.33а).

Структурная схема рис. 6.33а отличается от предыдущей схемы тем, что в нее введен делитель частоты и второй временной селектор. С помощью делителя частоты формируют длительность цикла измерения , рис. 6.33б, где - коэффициент деления частоты.

Поступающие с делителя частоты на второй временной селектор импульсы длительностью цикла открывают его для прохождения счетных импульсов в течение цикла. За это время на счетчик поступит групп импульсов. Общее число импульсов составит , где N – среднее число импульсов в группе.

(6.43)

Случайная погрешность при измерении фазового сдвига уменьшается, поскольку результат определяют как среднее арифметическое из M отдельных наблюдений.