Способ определения сдвига фаз между двумя гармоническими колебаниями одинаковой частоты Советский патент 1988 года по МПК G01R25/00 

СО

со

00

Изобретение относится к области измерительной техники. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей способа путем устранения необходимости в информации о частоте колебаний. Помимо измерения смещения и скоростей изменения смещений в опорном и измеряемом колебаниях дополнительно измеряют ускорения изменения смещений, а сдвиг фаз между этими колебаниями определяют по формуле, приведенной в тексте описания. Это позволяет использовать способ, например, для измерения сдвига фаз между двумя частотно-модулированными колебаниями. 3 ил.

к

Изобретение относится к измерительной технике и является усовершенствованиемы:

способа по авт. св. № 1219979.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей способа.

На фиг. 1 ноказаны измеряемое и опорное колебания; на фиг. 2 - устройство, реали- зуюш,ее способ; на фиг. 3 - структурная схема вычислителя, входяшего в устройство.

Сущность способа состоит в следующем.

Пусть 1 и 2 - соответственно измеряе- ю мое и опорное колебания (фиг. 1); xi и хг, -.

xi и К 2, xi и Х2 - соответственно смещения,

скорости и ускорения изменений этих смешений в произвольный момент времени измерения «; А и В - моменты перехода через ноль измеряемого и опорного колебаний. Сдвиг фаз между колебаниями 1 и 2 определяется фазовым интервалом АВ. Если на оси времени момент t обозначить буквой О, то колебание 1 будет отставать по фазе на угол f, определяемый фазовым интервалом Q АО, а колебание 2 будет опережать по фазе на угол ф2, определяемый фазовым интервалом ОВ.

Так как АВ АО+ ОВ, то

ф1.(1)

Если смещения xi и хд записать в виде25

xi Aisin(ti)it+ фо|); Х2 A2Sin(a)2t)+фо2),(2)

где AI и А2, 0)1 и (02,

Фо1 и фо2 - соответственно ам плиту- ды, частоты и начальные

Ш2 Л/

(8)

Подставляя соответствующие значения 5 из (8) в (7) и используя выражение для разности арктангенсов, окончательно получаем выражение:

Uij +

Ui I

2 Х2

111 X2l

15

XiX2 -д/15 и1Г(9)

Х|Х2 IXil I X2l

В котором отсутствует параметр w.

В частном случае, когда колебания 1 и 2 имеют одинаковые частоты (oi a)2, выражение (9) упрощается:

(ii + l: )-Vlti

1

X|X2 1X2

Устройство содержит в каждом измерительном канале последовательно соединенные преобразователь 3.1 (или 3.2), смещений Х| (или Хг) в пропорциональную силу тока, резистор 4.1 (или 4.2), первую диффазы колебаний 1 и 2, 30 ференцирующую катушку 5.1 (или 5.2) взаимоиндуктивности, согласующий каскад 6.1

то скорости изменения этих смещений равны xi toiAicos(a)it+ фоО;

Х2 CL)2A2COS(a)2t4- ф02),(3)

а ускорение изменения смещений xi oa,Aisin(a)it+ фоО;

Х2 CO A25in(c.)2t+ фо2).(4)

Для момента времени измерения t,, фазы смещений 1 и 2 колебаний принимают определенные значения

ф| tOit. фоь

ф2 Wztn-h ф02.(5)

Для этого момента времени получают: Х| А151пф.1; Х2 А25тф2; xi а)1А|СО5ф1;(6)

Х2 6 2А2СО5ф2;

xi А|а)51пф|;

Х2 А2(Ог51Пф2.

Разделив xi на xi и Х2 на Х2, получают:

(или 6.2) и вторую дифференцирующую ка- тущку 7.1 (или 7.2) взаимоиндуктивности, два измерителя 8.1 (или 8.2) и 9.1 (или 9.2) отношений, выходы которых соединены с

35 четырьмя входами вычислителя 10, входы делимого первых измерителей 8.1 (или 8.2) соединены с выходами резисторов 4.1 (или 4.2), а входы делителей - с выходом первых дифференциальных катушек 5.1 (или 5.2),

дл входы делимого вторых измерителей 9.1 (или 9.2) соединены с выходами вторых дифференцирующих катушек 7.1 (или 7.2), а входы делителей - с выходами резисторов 4.1 (или 4.2).

Вычислитель 10 содержит (фиг. 3) блока

45 11.1 и 11.2 выделения модуля сигнала, блоки 12.1 и 12.2 извлечения квадратного корня, перемножители 13.1, 13.2, 14, 15 и 16, измеритель 17 отношений, сумматор 18, источник 19 опорного напряжения, блок 20 вычитания и индикатор 21. При этом

COiXi.

Xi

(7)

в свою очередь, разделив xi на xi и х 2 на Х2, находят:

X:.

ш

Х2

откуда значения частот 1 можно записать в виде

и 2 колебаний

Ш2 Л/

(8)

Подставляя соответствующие значения 5 из (8) в (7) и используя выражение для разности арктангенсов, окончательно получаем выражение:

Uij +

Ui I

2 Х2

XiX2 -д/15 и1Г(9)

Х|Х2 IXil I X2l

В котором отсутствует параметр w.

В частном случае, когда колебания 1 и 2 имеют одинаковые частоты (oi a)2, выражение (9) упрощается:

(ii + l: )-Vlti

X|X2 1X2

(или 6.2) и вторую дифференцирующую ка- тущку 7.1 (или 7.2) взаимоиндуктивности, два измерителя 8.1 (или 8.2) и 9.1 (или 9.2) отношений, выходы которых соединены с

5 четырьмя входами вычислителя 10, входы делимого первых измерителей 8.1 (или 8.2) соединены с выходами резисторов 4.1 (или 4.2), а входы делителей - с выходом первых дифференциальных катушек 5.1 (или 5.2),

л входы делимого вторых измерителей 9.1 (или 9.2) соединены с выходами вторых дифференцирующих катушек 7.1 (или 7.2), а входы делителей - с выходами резисторов 4.1 (или 4.2).

Вычислитель 10 содержит (фиг. 3) блока

5 11.1 и 11.2 выделения модуля сигнала, блоки 12.1 и 12.2 извлечения квадратного корня, перемножители 13.1, 13.2, 14, 15 и 16, измеритель 17 отношений, сумматор 18, источник 19 опорного напряжения, блок 20 вычитания и индикатор 21. При этом

0 первый вход вычислителя соединен с первыми входами перемножителей 13.1 и 14, второй вход вычислителя 10 соединен через последовательно соединенные первые блок 11.1 выделения модуля и блок 12.1 вь1чис- ления квадратного корня с вторым входом перемножителя 13.1 и первым входом перемножителя 15, третий вход вычислителя 10 соединен с вторым входом перемножителя 14 и первым входом перемножителя 13.2,

5

второй вход которого, соединенный с вторым входом перемножителя 15, соединен через последовательно соединённые вторые блоки 11.2 и 12.2 выделения корня и извлечения квадратного корня с четвертым входом вы- числителя 10, выходы перемножителей 14 и 15 соединены с входами перемножителя 16. выход которого соединен с вычитающим входом блока 20 вычитания, к суммирующему входу которого подсоединен выход источника 19 опорного напряжения, выход которого соединен с входом делителя измерителя 17 отнощений, вход делимого которого соединен с выходом сумматора 18, входы которого соединены с выходами перемножителей 13.1 и 13.2, выход измерителя 17 отнощений соединен с индикатором 21.

Устройство работает следующим образом.

В преобразователях 3.1 и 3.2 смещения колебаний Xi и Х2 преобразуются в пропорциональную им силу тока. Этот ток протекает через цепь, состоящую из омического резистора 4.1 (или 4.2) и первичной обмотки катущки 5.1 (или 5.2) взаимоиндукции. Напряжение на омическом резисторе пропорционально силе тока, т.е. xi (или Х2), а напряжение на зажимах вторичной обмотки ка- тущки взаимоиндукции - производной силе тока по времени, т.е. xi (или Х2). Оба эти напряжения поступают на входы измерителя 8.1 (или 8.2) отнощений, на выходе которого образуется сигнал (или Х2/Х2). Сигналы Х|/Х| и Х2/Х2 поступают соответ- ственно на первый и третий входы вычислителя 10. Сигнал с зажимов вторичной обмотки катущки 5.1 (или 5.2) взаимондук- ции через согласующие каскады 6.1 (или 6.2) поступает также на первичную обмотку катущки 7.1 (или 7.2) взаимоиндукции, на вто- ричной обмотке которой образуется сигнал, пропорциональный второй производной силы тока по времени, т.е. xi (или хг). Этот сигнал поступает на первый вход делимого измерителя 9.1 (или 9.2) отношений, на второй вход делителя которого подается сигнал с резистора 4.1 (или 4.2). На выходе измерителя 9.1 (или 9.2) отнощений образуется сигнал, равный отнощению XL/XI (или Х2/Х2), который затем поступает на второй (четвёртый) вход вычислителя 10.

В вычислителе 10 производится вычисление разности фаз 1 и 2 колебаний в соответствии с выражением, приведенным в формуле изобретения. Для этого сигнал с второго (или четвертого) входа вычислителя 10 поступает на последовательно соединенные блок 11.1 выделения модуля и блок 12.1 извлечения квадратного корня (или блок 11.2 выделения модуля и блок 12.2 извлечения квадратного корня), на выходе которого образуется сигнал, пропорциональный v I-I

I Х( 1

(или У) который поступает на один

из входов перемножителя 13.1 (или 13.2). На его второй вход поступает сигнал с первого (третьего) входов вычислителя 10. Выходные сигналы перемножителей 13.1 и

суммируют 3-2.-i;Vffi-| и-t-Vlifl

я в сумматоре 18, выходной сигнал которого, пропорциональный числителю выражения (9), поступает на первый вход измерителя 17 отнощений. В то же время сигналы с первого и третьего входов вычислиеля 10 поступают на входы перемножителя 14, на выходе которого образуется сигнал, пропорциональный -Д-. На выходе пеXl Х2

ремножителя 15, входы которого подключены к соответствующим выходам блоков 12.1 и 12.2 извлечения квадратного корня, образуется сигнал, пропорциональный

Viiii 1

I х

Оба этих сигнала подают на

входы перемножителя 16, на выходе которого получают сигнал, пропорциональный произведению указанных сомножителей. В свою очередь, этот сигнал поступает на один из входов блока 20 вычитания, на второй вход которого подано напряжение от источника опорного напряжения, численно равное единице напряжения смещения. С выхода блока 20 вычитания сигнал, пропорциональный знаменателю выражения (9), поступает на второй вход измерителя 17 отнощений, выходной сигнал которого является сигналом, пропорциональным разности фаз колебаний 1 и 2. Для его регистрации используется индикатор 21.

Предлагаемый способ по сравнению с известным имеет преимущества благодаря возможности измерения сдвига фаз между колебаниями, собственные частоты которых неизвестны или изменяются в процессе измерений. Это расщиряет функциональные возможности способа. В частности, появляется возможность измерения сдвига фаз между частотно-модулированными колебаниями.

Кроме того, предлагаемый способ допускает возможность использования опорного и измеряемого колебаний, различных по частоте, что также увеличивает потенциальные возможности способа, например, при определении мгновенных значений фазы и частоты в случае «биений двух колебаний.

Формула изобретения

Способ определения сдвига фаз между двумя гармоническими колебаниями одинаковой частоты по авт. св. № 1219979, отличающийся тем, что, с целью расщире- ния функциональных возможностей, дополнительно измеряют ускорения изменения смещений измеряемого и опорного колебаНИИ, а сдвиг фаз между ними определяют по формуле

Х21

Ч

| -л/1- I 4JCl VI Х|1 С2

М)

ГХ2|

1X2 I Х|А2 IXil 1X21

tXВх1

соответственно смещения, скорости изменения смещений и ускорения изменения смещений в опорном и измеряемом колебаниях.

(Риг. 2

.-,