книги / Цифровые измерительные приборы

Аналоговые, электромеханические и электронные фазометры позволяют осуществлять фазовые измерения с точностью, не превышающей 1°. Цифровые фазометры позволяют повысить точ­ ность до десятых долей грудуса.

Цифровые фазометры применяются для исследования импульс­ ных устройств, для точных измерений малыхуглов поворота, для снятия фазовых частотных характеристик различных звеньев автоматических устройств в широком частотном диапазоне.

Все известные схемы цифровых фазометров могут быть разбиты на две группы: фазометры для измерения мгновенного значения сдвига фаз; фазометры для измерения среднего значения сдвига фаз.

Во второй группе, в свою очередь, можно выделить две под­ группы приборов: фазометры суммирующие и коммутаторные.

Рис. 5-1. Структурная схема цифрового фазометра для измерения мгновенного значения сдвига фаз

Фазометры для измерения мгновенного значения сдвига фаз.

Принцип действия цифрового фазометра заключается в преобразо­ вании измеряемого сдвига между двумя синусоидальными или им­ пульсными напряжениями во временной интервал и в измерении последнего цифровым методом.

Фазовый сдвиг гармонических колебаний ф определяется выра­

где Т = 1 // — период колебаний; т — временной сдвиг между коле­ баниями.

Простейшая структурная схема цифрового фазометра пред­ ставлена на рис. 5-1; временная диаграмма — на рис. 5-2.

Напряжения ux(t) и и2(г), сдвиг фаз между которыми необходимо измерить, подаются на входы формирователей Ф1 и Ф2соответствен­ но. На выходе формирователей появляются импульсы, соответ­ ствующие моменту перехода напряжений через нулевой или через любой другой заранее заданный уровепь.

По команде «запуск» производится сброс прибора в исходное состояние. Через определенное время, задаваемое схемой времен-

Можно видеть, что погрешность прямо пропорциональна час­ тоте исследуемых процессов при постоянной образцовой частоте.

Допустимая верхняя частота диапазона при заданной погреш­ ности дискретности будет

Увеличить значение / тах можно за счет увеличения частоты / 0. Однако при этом возможности расширения частотного диапазона ограничиваются быстродействием счетчика.

Основным недостатком фазометров для измерения мгновенных значений фазового сдвига является ограниченность частотного

Рис. 5-3. Структурная схема цифрового фазометра для измерения среднего значения сдвига фаз

диапазона со стороны верхних частот. Нижнее значение частоты не ограничивается.

Суммирующие фазометры. Функциональная схема и временная диаграмма работы фазометра, измеряющего среднее значение сдвига фаз и относящегося к числу суммирующих, приведены на рис. 5-3 и 5-4.

Временной интервал т, соответствующий сдвигу фаз, изме­ ряется фазометром не за один период измерения исследуемых напря­ жений, а несколько (п) раз в течение нескольких (п) периодов, на протяжении некоторого заданного времени измерения Гизм. Показание прибора будет определяться суммой импульсов образцо­ вой частоты, укладывающихся в п временных интервалов т за п периодов.

Процесс измерения начинается по команде «запуск». С пере­ ключением триггера Тг1 сигналом с его единичного выхода откры­ ваются схемы совпадения Сп1> Сп4 и Сп5.

Импульсы образцовой частоты, появляющиеся на выходе схемы совпадения СпЗ> заполняют временной интервал т точно так же, как и в фазометре, приведенном на рис. 5-1. Эти импульсы через открытую схему совпадения Сп5 поступают на счетчик Сч,

который суммирует их. С запуском схемы на измерение начинается отсчет времени измерения Гизм. При этом импульсы образцовой частоты ГОЧ подаются на делитель частоты ДЧ. Спустя время

где К — коэффициент деления делителя ДЧ, импульс, появляю-

Рпс. 5-4. Временная диаграмма работы цифрового фазометра для измерения среднего значения сдвига фаз

щийся на выходе делителя, возвращает триггер Тг1 в исходное (нулевое) состояние, закрывая тем самым схемы совпадения Crû, Сп4, Сп5.

Цикл измерения прекращается. Следующий цикл может на­ чаться только после поступления команды «запуск».

Как и в фазометре для измерения мгновенного значения сдвига фаз, число импульсов, заполняющих интервал т в каждый период, будет

(5-9)

Общее число импульсов, подсчитанное за п периодов в течение времени Тпам, будет

В рассматриваемом фазометре погрешность дискретности со­ держит две составляющие, обусловленные одна — отсутствием син­ хронизации импульсов образцовой частоты / 0 с началом и концом интервала времени т, другая — отсутствием синхронизации момен­ тов окончания интервалов времени Т1,,,,,,, и т.

Первая составляющая возникает при заполнении каждого интервала т и за время измерения Гиам повторяется п раз. Средне­ квадратичная погрешность измерения временного интервала при заполнении его импульсами образцовой частоты с периодом Т0 определяется [24] выражением:

При п измерениях интервала х можно считать, что возникающие погрешности дискретности распределены по нормальному закону.

Тогда наибольшая относительная погрешность дискретности

Вторая составляющая погрешности дискретности обусловлена тем, что окончание, времени измерения Тиш (рис. 5-4) может не совпадать с окончанием интервала т, в результате чего импульсы образцовой частоты не будут досчитаны счетчиком Сч.

Максимальное абсолютное значение этой составляющей может достигать величины

Наибольшая суммарная погрешность дискретности с учетом выражений (5-15) и (5-17) оказывается

(5-18)

Из последнего выражения видно, что частотный диапазон фазометра имеет ограничение как со стороны нижних, так и со стороны верхних частот. Он может быть расширен с увеличением времени измерения и практически ограничивается сверху быстродействием счетчиков.

Нижняя частота диапазона может быть определена из выраже­ ния:

(5-19)

Для фазометров подобного типа частота исследуемых напряже­ ний лежит в пределах от сотен герц до сотен килогерц.

Коммутаторные фазометры для измерения среднего значения сдвига фаз. В коммутаторных фазометрах для измерения среднего значения сдвига фаз [25, 261 на входе одного из двух каналов вклю­ чен электронный коммутатор. На вход коммутатора подаются оба исследуемые напряжения. На вход другого канала схемы подается только одно из напряжений. Коммутатор управляется от специаль­ ного генератора управления. В течение одного полупериода коле­ баний генератора управления, равного времени измерения Т ^ , коммутатором подключается на вход первого канала одно из вход­ ных напряжений и производится измерение сдвига фаз между напряжениями первого и второго каналов точно так, как было описано ранее. С началом второго полупериода колебаний генера­ тора управления коммутатор подключает на вход первого канала другое напряжение. При этом реверсивный счетчик, используемый

вфазометре, переключается в режим вычитания.

Врезультате происходит вычитание из числа, набранного счетчиком в первом полупериоде и пропорционального среднему значению сдвига фаз между первым из переключаемых коммутато­ ром напряжений и напряжением, которое подано на второй канал, числа, пропорционального среднему значению сдвига фаз между вторым напряжением, подключенным коммутатором на вход пер­ вого канала, и напряжением второго канала.

Пусть на вход коммутатора подаются напряжения: u^t) — Uj^sintof и u2(t) = u2m sin(©< + cp). На вход второго канала пода­ ется напряжением u^t).

Если в первый полупериод колебаний генератора управления коммутатор подключает на вход первого канала напряжение u2(t), то число, набранное счетчиком, будет

сдвиг фаз; ф — фазовый сдвиг, обусловленный элементами схемы.

Во второй полупериод колебаний генератора на вход первого канала подключается напряжение ur(t). На счетчик поступит число импульсов

В результате вычитания числа N% из числа Nx в реверсивном счетчике остается число

От частоты исследуемых колебаний и от неидентичности кана­ лов фазометра результат измерения не зависит.

Такие фазометры до настоящего времени не выпускаются про­ мышленностью и поэтому подробно не рассматриваются.

5-2. Основные узлы

На рис. 5-5 приведена обобщенная структурная схема цифро­ вого фазометра.

Исследуемые напряжения м1(<) и u2(t), сдвиг фаз которых отно­ сительно друг друга необходимо измерить, подаются на входное устройство ВУ. С его выхода на устройство управления УУ посту­ пают импульсы, соответствующие моменту перехода напряжений

ное индикаторное либо регистрирующее устройство.

Структурная схема цифрового фазометра подобна схеме измери­ теля временных интервалов и содержит те же узлы. Рассмотрим лишь входное устройство, вносящее погрешности в результат изме­ рения и содержащее два формирователя.

Наибольшая абсолютная величина нестабильности момента

тогда абсолютная погрешность измерения в градусах составит:

Таким образом, в фазометрах для измерения среднего значения сдвига фаз погрешность, обусловленная нестабильностью порога срабатывания формирователей, тем меньше, чем выше частота исследуемых процессов и чем больше время измерения. Допусти­ мый уровень помех в этом случае будет

значения.

К формирователям фазометров предъявляются требования, аналогичные требованиям, предъявляемым к формирователям измерителей периода. Поэтому по построению они ничем не отли­ чаются от последних.

Все остальные узлы фазометров подобны соответствующим узлам измерителей временных интервалов и описаны в гл. 4.

5-3. Приборы, выпускаемые в СССР

Цифровой фазометр Института электромеханики АН СССР предназна­

чен для измерения среднего значения сдвига фаз между двумя синусоидаль­ ными нли импульсными напряжениями в диапазоне 0—360°.

Погрешность измерения не превышает 0,5°. Входное напряжение лежит в пределах 5—80 в,

Входное сопротивление составляет 750 ком. Частотный диапазон 25— 5000 гц. Прибор рассчитан на использование в лабораториях и цехах про­

мышленных предприятий.

Цифровой фазометр типа Ф2-4 предназначен для измерения среднего

значения сдвига фаз между двумя синусоидальными или импульсными напря­ жениями в диапазоне 0—360°.

Погрешность измерения пе превышает 0,7°. Входное напряжение лежит в пределах 0,1—10 в. Входное сопротивление 100 ком. Предусмотрена регу­ лировка времени измерения в пределах 5—50 сек.

Прибор рассчитан на использование в лабораториях и цехах промыш­ ленных предприятий.

Отличительной особенностью прибора является расширенный частот­ ный диапазон (20 гц — 10 Мгц)% Допускается содержание высших

гармоник до 5%.

К определению попятил измерения. «Измерительная техника», 1961, Ns 12. 4. К а в а л е р о в Г. Им К а в е р к и п И. Я., С о к о л о в С. С.

построения информационно-логических измерительных систем. Сб. «Автома­

низких частот. «Электроизмерительная техника и автоматика». Ученые за­

измерения временных интервалов. Авт. свид. Ns 189946. Кл. 21е, 36/03.