5.5. Измеритель фазового сдвига с преобразованием во временной интервал

Разность фаз двух напряжений u₁ и u₂ (рис.5.9) преобразуют во временной интервал в соответствии с определением разности фаз по формуле:

. (5.10)

В

соответствии с этой формулой измеряемая разность фаз преобра­зуется вовременной интервал Δt. Для этого входные цепи и форми­рующие устройства (рис. 5.10,а) 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 Δt. Средний за период ток I_ср может быть измерен, например, миллиамперметром. Поскольку , то, т.к. амплитуда импульса токаI_m, выдаваемая ограничителем неизменна.

Обобщенная структурная схема такого измерителя (рис. 5.10,б) представляется схемой прямого преобразования, в которой x_изм преобразуется в постоянный ток. Мерой x_д является значение постоянного тока, измеряемого магнитоэлектрическим миллиампером.

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

, , (5.11)

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

5.6. Цифровой фазометр

Цифровой фазометр осуществляет два основных преобразования:

1) преобразование фазового сдвига в интервал времени Δt;

2) преобразование интервала времени в количество импульсов из­вестной длительности Т и измерение их количества, содержащегося в интервале Δt методом дискретного счета.

В качестве x_д 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 x_изм с x_д производится путем сравнения двух чисел, одно из которых пропорционально x_д, а другое пропорционально x_изм. Обобщенная структурная схема такого измерителя (рис. 5.11) включает два преобразователя и цифровое устройство для визуализации результата измерений - цифровое табло.

Т

акая обобщенная структурная схема реализуется схемой, приведенной на рис. 5.12,а. 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. 5.12,б). В формирующих устройствах напряжения U₁ и U₂ преобразуются в прямоугольные импульсы, которые затем дифференцируются и ограничиваются сверху (или снизу). На триггер подаются короткие импульсы, соответствующие началу каждого периода напряжений U₁ и U₂. Импульсы, соответствующие U₁, включают триггер, а импульсы, соответствующие U₂, выключают его. На выходе триггера формируются импульсы длительностью Δt, пропорциональной измеряемому фазовому сдвигу. Таким образом происходит преобразование Δφ в Δt.

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

о

тношение периода измеряемого напряжения к периоду счетных импульсов было кратным числу 360, то есть, где k = 1, 2, ..., то N будет выражать величину Δφ 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 u₁ и u₂ при преобразовании частоты не нарушаются. В обоих случаях схему рис. 5.12,а 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 Δt в число импульсов. При этом величиной x_д является период T_г 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 Δt заполняется целым числом N периодов T не всегда полностью, так что NT < Δt < (N +1). Поэтому максимальная относительная погрешность дискретности измерения .

А

ппаратурная 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 числаN за достаточно большой по сравнению с периодом T интервал времени. Рассмотрим структуру такого фазометра среднего значения (рис. 5.13). Структурная схема рис. 5.13,а отличается от предыдущей схемы тем, что в нее введен делитель частоты и второй временной селектор. С помощью делителя частоты формируют длительность цикла измерения t_цикла = K_делT_г (рис.5.13,б), где K_дел - коэффициент деления частоты. Поступающие с делителя частоты на второй временной селектор импульсы длительнос­тью цикла t_цикла открывают его для прохождения счетных импульсов в течение цикла. За это время на счетчик поступит групп импульсов. Общее число импульсов составитMN, где N - среднее число импульсов в группе.

(5.12)

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