УСТРОЙСТВО для ИЗМЕРЕНИЯ СДВИГА ФАЗ МЕЖДУ ДВУМЯ НАПРЯЖЕНИЯМИ ИСКАЖЕННОЙ ФОРМЫ Советский патент 1965 года по МПК G01R25/02 

Известные цифровые фазометры для измерения сдвига фаз двумя напряжеииями искаженной формы не позволяют полностью реализовать преимущества цифрового отсчета, так как имеют зпачнтельную погрешность от клпрфактора сравниваемых по фазе напряжений.

Предлагаемое устройство для измерения сдвига фаз между двумя напряжениями искаженной формы, нредставляющее собой модуляционный фазометр с цифровым отсчетом, работающий по принципу трансформации измеряемого сдвига фаз в интервал времепн с последующим преобразованием его в код, отличается от известных устройств аналогичного назначения тем, что, с целью устранения влияния неидентичностп частотно-фазовых характеристик фильтров иа результат измерения, в опорный канал фазометра включен фазосдвигающпй четырехполюсник, создающий в диапазоне частот фазовые сдвиги, нриблизительио равные четверти, половине и три четверти полупериода сравннваемых напряжений.

Отличие предлагаемого устройства состоит также в том, что, с целью получення непосредственного отсчета измеряемого сдвига фаз, на выходе электронного переключателя блока преобразования включен реверсивный

счетчик импульсов, управляемый выходным напряжением первой схемы совпадения через вторую схему совпадения, открывающуюся па время, равное длительностн нернода переключення электронного переключателя, соответственно по полупериодам переключення.

Па чертеже показана блок-схема нредлагаемого фазометра.

Оба напряжения Ui и Lj, разность фаз между которыми необходимо измерить, подаются ноочередио при помощи электронного переключателя / в один н тот же канал, который назовем нзмерительным каналом. Электронный переключатель /, работающнй с частотой гораздо ннже частоты сравниваемых напряжений, управляется от триггера 2, который запускается от генератора постояпной кварцованной частоты 3 через делитель частоты 4.

Кроме измерительного канала имеется второй канал, назовем его опорным каналом, на вход которого подано одно из сравннваемых напряженнй - напряжение Ь-у.

Па входах обоих каналов поставлены перестраиваемые фильтры 5 и 6 д.чя выделения нервой гармоннки из входиых иапряженпй. К фильтрам не предъявляются какне-лнбо особые требования, это могут быть просто однночные LC-контуры. Ниже будет показа по, что погрешность от иеточностк настройки, немдентичпостн фильтров отсутствует. Индикатор настройки 7 дает возможность произвести настройку фильтров по первой гармонике сравииваемых напряжений. Напряжеиия синусоидальной формы - первые гармоппки сравниваемых напряжений - с выходов фильтров 5 н 6 поступают в схемы формирования 8 и 9; их назначение - сформировать прямоугольные ианряжения одинаковой амплитуды из соответствующих синусоидальных напряжений. Фаза выходного напряжения фильтра 6 изменяется на величииу, близкую 90°, при помощи фазовращателя (фазосдвигающего четырехполюсника) 10. Выходные напряжекня схем формирования 8 9 поступают на входы суммирующей схемы //, которая представляет собой два усилительных каскада с общей нагрузкой. Выходное напряжение сумматора подается на детектор 12. Выходное напряжение этого детектора представляет собой прямоугольное напряжение, промодулнрованное по длительности. Рассмотрим, как зависит глубина модуляции по длительиости выходного напряжения детектора от измеряемого угла сдвига фаз. Еслп сравниваемые нанряжения соответственно равны t/i иin.sm со t и f/2 (оз t + ф), где ф - измеряемый угол сдвига фаз, то выходиое напряжение переключателя 1 может быть записано как . пер. к , Sin (О t f i (t + + ty,,,,sin ()-(0.-.,(1) где /с - коэффициент передачи переключателя 1; Fi(t), fait}-нрерывнстые функции, удовлетворяющие условиям F,(t)F,{t}-- l нри ,„ f,(t)-F,( где Т„-период напряжения управления переключателя. В первый нолупериод работы переключателя, когда Fi(t)l, а Р-2(()-0, иа выходе переключателядействуетнапряжение/CL/,,,,sincoi. При этом на выходе детектора длительность нмпульсов равна где Т - период сравниваемых напряжений, Во второй полупериод работы переключателя, когда .Fi()--0, а 2(/) 1, на выходе переключателядействуетиапряженне Если коэффициент модуляции по длительости выходиого напряжения детектора обоначить через Р, то JL (JL - 2 4 14 + .. 4 V 4 1т. Таким образом, коэффициент модуляции по длительиости выходиого напряжения детектора является функцией измеряемого угла сдвига фаз. Выходное напряжение детектора /2 поступает на один из входов схемы совпадения 13, па второй вход которой подаются импульсы образцовой частоты от кварцевого генератора 3. В результате, на выходе схемы совпадения выдаются «пачки импульсов, причем длительность «пачек соответствует длительностям прямоугольных импульсов выходного напряжения детектора. Импульсы высокой частоты, действующие на выходе схемы совпадения 13, подаются на вторую схему совпадения М, которая пропускает «пачки импульсов в течение промежутка времени, равного периоду переключающего напряжения Т, получаемого на выходе триггерной схемы 15, запускаемой выходным напряжением унравляющего триггера 2. Выходное напряжение схемы совпадения 14 поступает на вход переключателя 16, работающего синхронно с переключателем /, управляемым выходным напряжением триггера 2. Задача переключателя 16 - разделить «пачки, соответствующие первому и второму полунериоду работы переключателя /, и подать их соответственно на каналы прямого и обратного счета реверсивного счетчика импульсов высокой частоты 17. В первый полупериод работы переключателя /, когда на выходе детектора действуют импульсы длительностью TI, число импульсов высокой частоты /о генератора 5, постунипщих на реверсивный счетчик по каналу прямого счета, равно где TQ - нериод повторення импульсов высокой частоты. Во второй нолунериод работы переключателя /, когда и а выходе детектора действуют импульсы длительностью Г2, число имнульсоБ высокой частоты, постунивщих на реверсивный счетчик по каналу обратного счета, равно Реверсивный счетчик покажет разницу числа импульсов, пришедших на него в первый и второй полупериод работы переключателя / yV yV:-yV, -(.i-T,) . j:.,Jx.. г Гп 2п Таким образом, независимо от частоты сравниваемых напряжений, показания счетчика прямо пропорциональны величине измеряемого угла сдвига фаз. Но при этом показания счетчика получаются двузначными, так как длительность импульса на выходе детектора 12 во второй полупериод коммутации-t2, получается одинаковой при двух различных измеряемых углах ±а и 180°+а, которые находятся в различных квадрантах. Для определения квадранта измеряемого угла, т. е. точного определения истинного его значения, применена специальная схема, содержащая два канала, на входы которых поданы выходное напряжение опорного канала измерения и выходное напряжение детектора. Дифференцирующие цепи 18 и 19 преобразуют фронты поданных на них прямоугольных напряжений в остроконечные импульсы разной полярности. Вентили 20 и 21 пропускают на схему совпадения 22 только отрицательные импульсы, которые получаются в результате дифференцирования задних фронтов прямоугольных импульсов с выхода опорного канала и детектора. Вентиль 21, управляемый выходным напряжением триггера 2, пропускает импульсы только во второй полупериод коммутации, когда на схему суммирования 11 поступают преобразованные по форме напряжения L/i и Uz. Поступающие на вход схемы совпадения импульсы будут совпадать только тогда, когда измеряемый угол лежит в пределах 0° 90°-180°. Если измеряемый угол лежит в пределах 180°-270°-360°, то импульсы, поступающие на вход схемы совпадения 22, не совпадают. Выходные импульсы схемы совпадения 22 поступают на индикатор 23, который представляет собой кипп-реле с неоновой лампой в качестве нагрузки. Таким образом, по показанию счетчика 17 и индикатора 23 измеряемый угол сдвига фаз определяется однозначно. Поскольку описываемая фазометрическая схема предназначена для измерения сдвига фаз между двумя искаженными сигналами по их первым гармоникам с выделением этих гармоник при помощи фильтров, рассмотрим, как влияет на качество измерений наличие таких фильтров. носительно опорного канала. При этом длительности импульсов на выходе детектора с учетом этого сдвига будут равны -, Т Т . . ..±-i:.,, 4 2- 2де V - рассматриваемый паразитный сдвиг. Подставим tl, та в выражение (3) и опреелим показания реверсивного счетчика + о 4 т I - - 9 Ai . Таким образом, наличие паразитного сдвига в одном из каналов погрешности не вносит. Аналогично доказывается, что неточность 90° сдвига фазовращателя 10 в широких пределах не вносит погрешности в измерение. Погрешность от наличия паразитного сдвига или неточности 90° сдвига фазовращателя 10 возможна только при измерении углов сдвига фаз близких к 90° или 270°. Для возможности точного измерения углов, близких к 90° и 270°, предусмотрена возмол ность изменения сдвига фазы напряжения в опорном канале фазовращателем 10 до величин, близких к 45° и 135°. Показания выходного прибора соответствуют точному значению измеряемого угла при таком положении переключателя фазовращателя 10, при котором показания прибоpa изменяются незначительно на величину возможной погрешности. При другом положении переключателя показание прибора изменится приблизительно на 90°. Таким образом производится точное измерение углов сдвига фаз вблизи 90° и 270°. Схема совпадения 14 должна открываться только на время, равное длительности одного периода переключающего напряжения Г,,. Это может быть достигнуто применением схемы пуска /С. Триггер 15 управляется однополярнымп импульсами, сформированными из фронтов выходного напряжения триггера 2. При нажатии кнопки К. прерывается цепь подачи запускающих импульсов и одповременно снимается постоянное напряжение, запирающее одну из половин триггера и таким образом удерживающее его в исходном состоянии; конденсатор С при этом разряжается. При отпускании кнопки К на вход триггера подаются запускающие импульсы от триггера 2, разрывается цепь разряда конденсатора и подключается через сопротивление R источник, запирающий одну половину тригтакой, чтобы триггер 15 смог совершить не более чем одио колебание.

Предмет изобретения

1. Устройство для измерения сдвига фаз между двумя наиряжеииями искаженной формы, выполненное в виде модуляционного фазометра с цифровым отсчетом, работающего по принципу трансформации измеряемого сдвига фаз в интервал времени с последующим преобразованием его в код, содержащего электронный переключатель, полосовые фильтры в измерительном и опорном каналах, индикатор настройки, блок преобразования измеряемого сдвига фаз в интерзал времени, делитель частоты, триггеры, дифференцирующие цепи, вентили, схему совпадения и кипп-реле, отличающееся тем, что, с

целью устранения влияния неидентичности частотно-фазовых характеристик фильтров на результат измерения, в опорный канал включен фазосдвигающий четырехполюсник,

создающий в диапазоне частот фазовые сдвиги, приблизительно равные четверти, половине и три четверти полупериода сравниваемых напряжений.

2. Устройство по п. I, отличающееся тем,

что, с целью получения непосредственного отсчета измеряемого сдвига фаз, на выходе электронного нереключателя блока преобразования включен реверсивный счетчик импульсов, управляемый выходным напряжением первой схемы совпадения через вторую схему совпадения, открывающуюся на время, равное длительности периода переключения электронного переключателя, соответственно по полупериодам переключения.

(37в