Способ измерения фазового сдвига и устройство для его осуществления Советский патент 1979 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к электроизмерительной технике, может быть использовано для измерения фазовых сдвигов переменных напряжений. Известен способ измерения угла фазового сдвига, который заключается в фиксации моментов перехода напряжений через нуль и по этим моментам определении начала и конца временных интерв& лов периода и фазового сдвига, формировании прямоугольных импульсов длительностью, равной периоду и фазовому сдвигу исследуемых напряжений, кодировании интервалов периода и фазового сдвига путем заполнения их квантующими импул сами и вьшолнении операции определения фазового сдвига . Недостатком этого способа является значительная погрешность определения временного интервала, по длительности равного фазовому сдвигу, полученному при фиксации моментов перехода исследуемых напряжений через нулевые значения. Эта погрешность в значительной степени связана с нестабильностью, обусловленной дрейфом нуля усилителыной и формирующей аппаратуры (особенно в области инфразвукового диапазона частот). Известно устройство цифрового измерения угла фазового сдвига, принятое в качестве прототипа, которое на входах содержит компараторы для формирования коротких импульсов в моменты перехода исследуемых напряжений через нуль . Недостатком этого устройства являет ся значительная погрешность определения угла фазового сдвига вследствие погрешности фиксирующих узлов перехода исследуемых напряжений через нуль при наличии дрейфа нуля. Цель изобретения - повьпиение точности измерения угла фазового сдвнга между переменными напряжениями. Эта цель достигается за счет того, что при фиксации начала и конца временных интервалов периода в моменты пер. хода исследуемых переменных напряжвНИИ через нуль, формировании прямоугозТ5 ных импульсов длительностью, равной периоду и углу фазового сдвига, фиксируют начало и конец временного интервала фазового сдвига в моменты, соответствующие середине полупериода каждого из исследуемых напряжений.

Эта цель достигается также тем, что устройство, содержащее-ёпорныА каяал, выполненный из последовательно соединенных первого входного узла и формирователя, вьцсод которого соединен с одним из входов переключателя режимов, управляющий триггер, блок определения фазового сдвига, состоящий из последовательно соединенных генератора опорных импульсов, элемента ровпадения и регистрирующего счетчика, управляющий вход которого подсоединен к одному из входов управляющего триггера, второй вход которого и выход соединены соответственно с первым и вторым управляющими входами элемента совпадения блока определения фазового сдвига и второй входной узел, снабжено генератором импульсов, управляющим триггером и двухканальным блоком формирования фазовых импульсов, причем генератор импульсов соединен с первым входом двухканального блока формирования фазовых импульсов, второй , третий и четвертый входы которого соединены соответственно с выходами первого входного узла, второго входного узла и управляющего триггера, а выходы его соединены соответственно с первым и вторым входами управляемого триггера. Выход триггера соединен со вторым входом переключателя режимов, выход которого подсоединен ко второму входу управляющего триггера. При этом дву канальный блок формирования фазовых Импульсов в каждом из каналов снабжен узлом управления, триггером, первым и вторым счетчиками импульсов и элементом совпадений, причем первый выход узла управления через посредовательно соединенные триггер и первый счетчик импульсов соединен с одним из входов элемента совпадений, а второй через второй счетчик импульсов - со вторым входом элемента совпадений, выходы которых в каждом из каналов соединены с выходами двухканального блока формирования фазовых импульсов. Первые и вторые входы узлов управления каждого из каналов соотвественно соединены и образуют первый и четвертый.

а третьи - соответственно второй и третий входы двухканального блока формирования фазовых импульсов.

По данному способу короткие импуль сы независимо от длительности полупериода формируются в точках, равноудаленных от точек перехода напряжения через нуль. Смещение нулевого уровня под действием дестабилизирующих факторов не влияет на величину угла фазо вого сдвига исследуемых напряжений. Способ заключается в том, что сначала фиксируют моменты перехода исследуемых напряжений через нулевые значения. В эти моменты формируют короткие импульсы, с помощью которых формируют прямоугольные импульсы длительностью, равной периоду исследуемых напряжений. Эти импульсы кодируют и заносят в память или регистрируют с помощью индикаторов. Затем временные интервалы, равные первым полупериодам исследуемых напряжений, заполняют квантующими импульсами высокой частоты. Информация о числе импульсов, запол11Яю щих эти интервалы, заносится в память и сохраняется на время вторых периодов исследуемых напряжений. Временные интервалы, равные первым полупериодам вторых по счету периодов напряжений, заполняют квантующими импульсами удвоенной частоты. В момент, когда количество импульсов, занесенных в память, становится равным количеству импульсов, поступающих во время вторых периодов, вырабатываются короткие импульсы, временное положение которых соот ветствует середине первых полупериодов исследуемых напряжений. С помощью этих коротких импульсов формируют прямоугольный импульс, длительность которого равна углу фазового сдвига напряжений. Полученный импульс кодируют и заносят в память или регистрируют с помощью индикаторов. Затем определяют угол фазового сдвига в градусах.

На чертеже приведена структурная схема устройства для измерения фазового сдвига между переменными напряже- киями предлагаемым способом.

Устройство со входами исследуемых напряжений i -« входом Запуск содержит опорный канал, состоящий из последовательно соединенных входного узла 1 и формирователя 2, выход которого соединен с одним из входов переключателя режимов 3, управляющий триггер 4, блок определения фазового сдви- га 5, состоящий из последовательно сое диненных генератора опорных импульсов 6, элемента совпадэнля 7 и регистрирую щего счетчика 8, управляющий вход которого подсоединен к одному из входов управляющего триггера, второй вход и выход которого соединены соответственно с первым и вторым управляющими вхо дами элемента совпадения блока определения фазового сдвига; Ьторой входной узел 9. Устройство также снабжено генератором импульсов 10, управляемым триггером Ни двухканальным блоком формирования фазовых импульсов 12. Генерато импульсов 1О соединен с первым входом двухканального блока формировашш импульсов, второй, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с выходами входного узла 1, входного узла 9 и управляющего триггера 4, а выходы блока формирования фазовых импульсов соединены соответстве№ но с первым и вторым входами управляемого триггера, выход которого соединен со вторым входом переключателя режимов. Выход последнего подсоединен ко второму входу управляющего триггера 4. Двухканальный блок формирования фазовых импульсов 12 в каждом из каналов снабжен узлом управления 13, триггером 14, счетчиками импульсов 15, 16 и элементом совпадения 17. Первый выход узла управления через последователь но соединенные триггер и первый счетчи импульсов соединен с одним из входов элемента совпадения, а второй - через второй счетчик импульсов со вторым входом элемента совпадения, выходы которых в каждом из каналов соединены с выходами двухканального блока формирования фазовых импульсов; первые и вторые входы узлов управления каждого из каналов соответственно соединены и образуют первый и четвертый, а третьи соответственно второй и третий входы двухканального блока формирования фазовых импульсов. Устройство работает следующим образом. Входные сигналы 11 ) 2 ид® сдвинутых по фазе переменных напряжений подаются на входные узлы 1 и 9, где они преобразуются в короткие импульсы в моменты перехода переменных напряжений через нулевые значеьшя.Со сходного узла 1 эти импульсы поступают на формирователь 2, где вырабатываются . прямоугольные импульсы длительностью. 686 равной периоду напряжения 1, , н далее - через переклдочатель 3, находящнйся в режиме измерения периода Т, - на один вход элемента совпадения 7, открывая его по первому входу передним фронтом импульса, и на один вход управляющего триггера 4. По входу Залуск запускается регистрирующий счетчик 8 и вклкэтает- ся управляющий триггер 4, который, в свою очередь, открывает элемент совпадения 7 по второму входу. Управлякндий триггер отключается аащшм фронтом импульса, поступившего с форкгарователя 2 черев переключатель режимов 3, закрывая элемент совпадения 7. Таким образом регистрирующий счетчик 8 заполняется через элемент совпадешш 7 квантующими импульсами генератора 6, чис ло которых пропорционально периоду напряжения Uj . Затем информация из счетчика 8 заносится в память или регистрируется с помощью ивдикаторов, и переключатель 3 переводится в режим измерения угла фазового сдвига переменных напряжений IT По входу Запуск включается управляющий триггер 4, сигнал с него разрез щает прохождение импульсов со входного узла 1 и открывает элемент совпад&ния 7 по второму входу. Со входного узла 1 короткие импульсы, сформированные в момент перехода напряжения U j через нуль, поступают на узел управления 13. Этот узел работает таким образом, что в течение первого периода на счетчик 15 через счетный триггер 14 с генератора импульсов 1О поступает последовательность импульсов, число которых пропорпионально полупе- риоду напряжения 1J, .В течение второго периода напряжешш Ц на счетчик 16 поступает с генератора импуль сов последовательность импульсов, чао« тота которых в два раза больще частоты следования икшульсов,. поступавших в счетчик 15. Когда количество импульсов, поступивших в счетчики 15 и 16 становится одинаковым, с элемента совпадения 17 на управляемый триггер 11 поступает импульс, который включает Этот триппер, и его выходной сигнал через переключатель 3, находящийся в режиме измерения угла фазового сдвига 11 , поступает на первый вход элемента совпадения 7, открывая его по этому входу. Элемент совпадения 7 уже был подготовлен по второкту входу сигналом управляющего триггера 4, поэтому на

регистрирующий счетчик 8 начинает поступать последовательность импульсов с генератора 6«

Одновременно с первым каналом и аналогично ему работает второй канал блока формирования фазового импульса, который формирует конец фазового импульса. Этот импульс поступает на вто рой вход управляемого триггера 11 и переключает его. Сигнал с этого триггера .через переключатель режимов 3 .закрывает элемент совпадения 7 по первому входу, прекращая поступление импульсов ,рт генератора 6 на регистрирующий счетчик 8, и переключает управляющий триггер 4, сигнал с которого закрывает элемент совпадения 7 по второму входу и отключает узел управления 13, прекращая подачу импульсов с генератора 1О;На счетчики 15 и 16. Таким образом регистрирующий счетчик 8 заполняется квантующими импульсами с генератора 6, число которых пропорционально углу фазового сдвига переменных напряжений TJ , 1J2

Затем определяется угол фазового сдвига в градусах, например по алгоритму

ф М /Н -360°,

где ф - угол фазового сдвига;

N .N,p- число импульсов, аарегистрированиых с помощью счетчика 8 за время, равное фазовому сдвигу и периоду.

Далее устройство приводится в исходное состояние.

В диапазоне частот О,1-10О гц пог рещность измерения фазового сдвига не превышает О,2 .

Формула изобретения

1. Способ измерения фазового сдвига путем фиксации начала и конца временных интервалов периода в моменты перехода исследуемых переменньж напряжений че« рез нуль, формирования прямоугольных импульсов длительностью, равной периоду и углу фазового сдвига исследуемых напряжений, кодирования интервала периода и угла фазового сдвига заполнением квантующими импульсами и определении угла сдвига фаз, отличающийся тем, что, с цепью повышения точности измерения, фиксацию начала и конца временного интервала производят в моменты, соответствующие середине

полупернода каждого из исследуемых напряжений.

2.Устройство для осуществления способа по п, 1, содержащее опорный

канал, выполненный из последовательно соединенных первого входного узла и формирователя, выход которого соединен с од1щм из входов переключателя реяси- мов, управляющий триггер, блок определения фазового сдвига, состоящий из последовательно соединенных генератора опорных импульсов, элемента совпадения и регистрирующего счетчика, управляющий вход которого подсоединен к одному из

входов управляющего триггера, второй вход которого и выход соединены соответственно с первым и вторым управляющими входами элемента совпадения блока определения фазового сдвига; и второй

входной узел, отличающееся тем, что, с целью повьш1е11ия точности, оно снабжено генератором импульсов, управляемым триггером и двухканальным блоком формирования фазовых импульсов,

причем генератор импульсов соединен с первым входом двухканального блока формирования фазовых импульсов, второй, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с выходами пер-

вого входного узла, второго входного узла и управляющего триггера, а выходы его соединены соответственно с первым и вторым входами управляемого триггера, выход которого соединен со вторым входом переключателя режимов, выход которого подсоединен ко второму входу управляющего триггера.

3.Устройство по п. 2, о т л и ч &ю щ е е с я тем, что двухканальный

блок формирования фазовых импульсов в каждом из каналов снабжен узлом управления, триггером, первым и вторым счетчиками импульсов и элементом совпадений, причем первый выход узла управления через последовательно соединенные триггер и первый счетчик импульсов соединен с одним из входов элемента совпадений, а второй - через второй счетчик импульсов со вторым входом элеменрга совпадений, выходы которых в каждом из каналов соединены с выходами двухканального блока формирования фазовых импульсов, первые и вторые входы узлов управления каждого из каналов соответственно соединены и образуют первый и че-гаертый, а третьи - соответственно второй и третий входы двухканального блока формирования фазовых импульсов. 9 Источники информации, принятые во виимание при экспертизе 1. Вишенчук И. М., Котюк Ф. А., Миаюк Л. Я. Электромеханические и 65126810 электронные фазометры. MW1., Госэнергоиздат, 1962, с. 164-174. 2. Смирнов П. Т. Цифровые фазометры. Л., Энергия, 1974, с.15-17.