Устройство для измерения сдвига фазМЕжду НАпРяжЕНиЕМ и TOKOM Советский патент 1981 года по МПК G01R25/00 

1

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения фазы тока фиксированной частоты в диапазоне +60°, преимущественно для измерения фазы тока многофазных электрических машин, например синхронных гистерезисных двигателей.

Известны устройства для определения сдвига фазы между напряжением и током активно-резисторной нагрузки, содержащие логические датчики, которые отличаются механической сложностью, инерционностью и погрешностью измерения в зависимости от изменения частоты 1.

Известно устройство для измерения сдвига фазы между напряжением и током, являющееся прототипом данного изобретения 2.

Данное устройство является простейшим двухканальным преобразователем сдвига фазы каналов в среднее значение выходного напряжения. Сигнальный канал состоит из стабилитрона, транзисторного ключа и нагрузки. Стабилитрон подключен через резистор к измеряемому напряжению и через переход эмиттер-коллектор ключа - к нагрузке канала; при этом отрицательный вывод стабилитрона соединен с эмиттером. Опорный канал состоит из диодов в цепи измеряемого тока и того же транзисторного

ключа. Диоды включены встречно и параллельно друг другу и соединены с промежутком база-эмиттер ключа. Измеритель среднего значения выходного напряжения устройства подключен к нагрузке сигнального канала.

Основным недостатком этого устройства является наличие значительной ошибки измерения сдвига фазы (5-10%). Ошибка обусловлена наличием импульса обратной полярности от прямого падения напряжения на стабилитроне, что уменьшает измеряемую величину, а также нарушением пропорциональности измеряемого напряжения сдвигу фазы в зоне фронтов сигнального и опорного напряжений. Другими недостатками устройства являются нечувствительность к знаку сдвига фазы и неудобство отсчета.

Целью изобретения является повышение точности измерения, учет знака фазы в диапазоне ±60° и расширение функциональных возмол ностей устройства.

Эта цель достигается тем, что в устройство для измерения сдвига фазы между напряжением и током, содержащее индикатор среднего значения выходного напряжения, транзисторный ключ, два полупроводниковых диода, соединенных встречно-параллельно, последовательно соединенные резистор и стабилитрон, введены второй однотипный стабилитрон, повышающий траисформатор, два доиолнительных резистора и диода, переключатель фазы напряжеиия, а траизисторный ключ замеиеи двойным, причем стабилитроны соединены носледовательно-встречно, транзисторный ключ соединен с полупроводниковыми диодами через повышающий трансформатор, один вывод вторичной обмотки которого соединен с коллекторами транзисторов ключа и с катодами дополнительных диодов, соединенных своими анодами с нервыми выводами доиолнительных резисторов, вторые выводы которых соединены со вторым выводом вторичной обмотки трансформатора, а последовательно соединенные резистор и два стабилитрона через переключатель фазы напряжения соединены с источником переменного напряжения.

На фиг. 1 представлена электрическая схема устройства; на фиг. 2 - графики для пояснения принципа работы устройства.

Источник 1 нанряжений сигнального канала предлагаемого устройства соединен через переключатель 2 и резистор 3 с полол ительными выводами стабилитронов 4 и 5. Отрицательные выводы стабилитронов соединены друг с другом. Стабилитроны соединены через переход эмиттер-эм«ттер двойного транзисторного ключа 6 с резистором 7 и измерителем 8 среднего значения напрял ения. Источник опорного напряжения- диоды 9 и 10 в цепи измеряемого тока- соединен через трансформатор 11 и резисторы 12, 13с переходами база-коллектор транзисторного ключа 6. Отрицательные выводы диодов 14 и 15 соединены друг с другом и с коллекторами транзисторов ключа 6, положительные - с базами транзисторов ключа 6.

Устройство работает следующим образом. Измеряемое напряжение преобразуется в сигнальный меандр f/c (фиг. 2а) резистором 3 и стабилитронами 4 и 5, а измеряемый ток - в опорный меандр Uon (фиг. 26) диодами 9 и 10 и трансформатором 11. Трансформатор увеличивает прямое напряжение на диодах 9 и 10 в два-три раза и создает запас по напряжению срабатывания транзисторного ключа 6. Резисторы 12 и 13 ограничивают величину тока базы транзисторов ключа, а диоды 14 и 15 - величину обратного надряжения база-коллектор. Преобразование напряжения и тока в меандры не отрал ается на сдвиге фазы, поэтому меандры f/c и t/on сохраняют сдвиг фазы между напряжением и током.

В исходном состоянии меандры t/c и Uon имеют начальный сдвиг фазы . Через транзисторный ключ проходят половины положительных и отрицательных импульсов. Среднее значение Ucp выходного напряжения /н(фо) (фиг. 2в) равно нулю. При наличии дополнительного (измеряемого) сдвига фазы, например, при смещении

t/c(cpi) на cpi -|-60° (пунктир на фиг. 2г) положительные импульсы увеличены, а отрицательные зменьщены на величипу ерь что равносильно наличию на нагрузке положительного импульса с длительностью 2ф1 и амплитудой, равной напряжению стабилизации (Уст стабилитронов. Среднее значение UCP (фиг. 2г) выходного напряжения, определяемое площадью и знаком импульса, пропорционально измеряемому сдвигу Фь

Использование для измерения сдвига фазы симметричного нанряжения f/c(9i), состоящего из одинаковых положительных и отрицательных импульсов, вместо однополярного нанряжения у известного устройства, устраняет основную погрешность измерения, вызванную остаточными импульсами другой полярности, и увеличивает в два раза чувствительность устройства. Введение начального смещения каналов устройства фо 90±30° устраняет другие недостатки известного устройства: смешает зону непропорциональности за пределы диапазона измерения, позволяет определять знак сдвига фазы-и устраняет неудобства отсчета (нуль измеряемого сдвига ф1 совпадает с нулем выходного нанряжения). Введение переключателя фазы нанряжения расширяет функциональные возмол ности.

Изобретение сохраняет преимущества прототипа: простоту и отсутствие источников питания и добавляет к ним основное преимущество других, более и дорогих измерителей фазы - высокую точность измерения. Поэтому применение устройства, например, для измерения фазы тока многофазных электрических машин прежде всего дает экономический эффект, так как удешевляет аппаратуру, и, кроме того, дает простой способ определения фазовой характеристики машины.

Формула изобретения

Устройство для измерения сдвига фазы напряжением и током, содержащее индикатор среднего значения выходного напрял ения, транзисторный ключ, два полупроводниковых диода, соединенных встречно-параллельно, последовательно соединенные резистор и стабилитрон, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, учета знака фазы в диапазоне ±60 и расширения функциональных возможностей, в него введены второй однотипный стабилитрон, повышающий трансформатор, два дополнительных резистора и диода, переключатель фазы напряжения и транзисторный ключ заменен двойным, причем стабилитроны соединены последовательновстречно, транзисторный ключ соединен с