Устройство для измерения сдвига фаз между двумя напряжениями искаженной формы

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

Зависимое от авт. свидетельства М

Заявлено 27Х1!.1962 (№ 789362/26-10) с присоединением заявки ¹

Приоритет

Опубликовано 02.XI.1965. Б!Оллетень № 22

Кл. 21е, 36оз

Государственный комитет по делам изобретений и открытий СССР

ЧПК 6 Olr

УД((621.317.373(088.8) Дата опубликоваш!я описания 22.(.196б

Авторы изобретения

П, П. Орнатский, Ю. A. Скрипник и C. М. Маевский

Заявитель

УС1РОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СДВИГА ФАЗ МЕЖДУ ДВУМЯ

НАПРЯЖЕНИЯМИ ИС1(АЖЕН НОЙ ФОРМЪ|

Псдггисная гругггга Л" 9,?

Известные цифровые фазометры для измерения сдгнга фаз ме?кду двумя напря?кеннямн иска?кенной формы не позволяют полностью реализовать преимушества цифрового отсчета, так как имеют значительную погрешность от клирфактора сравниваемых по фазе напряжений.

Предлагаемое устройство для измерения сдвига фаз ме?кду двумя напряжениями искаженной формы, представляющее собой модуляциош!ый фазометр с цифровым отсчетом, работающий по принципу трансформации измеряе.,!ого сдвига фаз в интервал времени с последующим преобразованием его в код, отличается от извест!1ых устройств аналогичного назначешгя тем, что, с целью устранения влияния неидентичностн частотно-фазовых характеристик фильтров на результат измере1ня, в опорный канал фазометра включен фазосдвигающни:етырехполюсник. создаюшнй в диапазоне частот фазовь1е сдвиги, приблизительно равные четверти, половине и три четверти полупернода сравниваемых напряжений.

Отличие предлагаемого устройства состоит так?ке в том, что, с целью получения непосредственного отсчета измеряемого сдвига раз, ня выходе электронного переключателя блока преобразования включен реверснгшый счетчик импульсов, управляемый выходным напряженнем первой схемы совпадения через вторую схему сОвп3дення, открывающуюся н3 время, равное длительности периода переключения электронного переключателя, соответственно по полупернодям переключения.

На чертеже показана блок-схема предлагаемого фазометра.

Оба напряжения Ь г и .1, разность фаз между которыми !1еобходнмо измерить, подаются поочередно прн помощи электронного переключателя 1 ь Один н тот же канал, кОтОизмерительны Кана 1031, Электронный переключатель 1, работающий с частотон гораздо ниже частоты сравниваемых напряже! ий, управляется от триггера 2, который запускается от генератора постоянной кварцованной частоты 3 через делитель частоты 4.

Kp0iie измерительного канала имеется втоРой КяпяЛ, II330i3041 ЕГО ОПО(ЗНЫХ! Ii3113ЛОМ, li3 вход которого подано одно нз сравниваемых

11апряжeн!1Й вЂ” «a ïðÿ ?кеннe с >.

Ня входах обои. . каналов поставлены перестрянваемые фильтры 5 11 6 для выделения первой Г l p л1011и кн !13 входи!э! х 113 и р1! ?кеннгй!. ((ф и л ь т р 3. ì н е и р c, I b 51 11,1 я 10 т с я к 11 к н с - л н О О особые требова1шя, это могут быть просто одиночные LС.-контуры.

176328

10 (2) 0,5 Т„

11 1

Т т„

l j

Я т т

4 2-.

0,5. Т„

Т Т, 65

Ниже будет показано, что погрешность от петочности настройки, пенде.ггичности фильтров отсутствует.

Индикатор настройки 7 дает возможность произвести настройку фильтров по первой гармонике сравниваемых напряжений.

Напряжения синусоидальиой формы — первые гармоники сравниваемых напряжений— с выходов фильтров б н 6 поступают B схемы формирования 8 и 9; их назначение — сформировать прямоугольные напряжения одинаковой амплитуды из соответствующих синусоидальных напряжений. Фаза выходного напряжения фильтра 6 изменяется на величину, близкую 90, при помощи фазовращателя (фазосдьигающего четырехполюсннка) 10.

Выходные напряжения схем формирования

8 и 9 поступают на входы суммирующей схемы 11, которая представляет собой два усилительных каскада с обшей нагрузкой.

Выходное напряжение сумматора подается на детектор 12. Выходное напряжение этого детектора представляет собой прямоугольное напряжение, промодулированное по длительности.

Рассмотрим, сак зависит глубина модуляции по длительности выходного напряжения детектора от измеряемого угла сдвига фаз.

Если сравниваемые напряжения соответственно равны

U> — — U„,, sin o t u U = U„. 1п (со t + cp), где ср — измеряемый угол сдвига фаз, то выходное напряжение переключателя 1 может быть записано как

Uabiz. пер. = К (Um„sill 6) t 1" 1 (t) +

+U„,,sin (св1+с ) F(t))..., (1) где К вЂ” коэффициент передачи переключателя 1;

FI (г); F (t) — прерывистые функции, удовлетворяющие условиям ()+,- () при 0

В первый по.тупериод работы переключателя, когда F (t) =-1, a F,-,(i) =Î, на выходе переключателя действует напряжение

Кс/ „ьз1пс)с . При этом на выходе детектора длительность импульсов равна где Т вЂ” период срав .иваемых напряжений.

Во второй полупериод работы переключателя, когда F (t) ==-О, à F (i) =1, на выходе переключателя действует напряжение

КУ „,, я1п (ссЛ.+ср) и длительность импульсов на выходе детектора равна

Если коэффициент модуляции по длительвь ходиого напряжения детектора 000значить через Р, то т т т

" )

Р> --с — -" 4 1с 4 2

Таким образом, коэффициент модуляции по

15 длительности выходного напряжения детектора является функцией измеряемого угла сдвига фаз. Выходное напряжение детектора

12 поступает на один из входов схемы совпадения 13, на второй вход которой подаются

20 импульсы образцовой частоты от кварцевого генератора 3. В результате, на выходе схемы совпадения выдаются «пачки импульсов», причем длительность «пачек» соответствует длительностям прямоугольных импульсов вы25 ходного напряжения детектора. Импульсы высокой частоты, действующие на выходе схемы совпадения 13, подаются на вторую схему совпадения 14, которая пропускает

«пачки» импульсов в течение промежутка

30 времени, равного периоду переключающего напряжения T„, получаемого на выходе триггерной схемы 16, запускаемой выходным напряжением управляющего триггера 2.

Выходное напряжение схемы совпадения

35 14 поступает на вход переключателя 16, работаюитего синхронно с переключателем 1, управляемым выходным напряжением триггера 2.

Задача переключателя 16 — разделить

40 «пачки», соответствующие первому и второму полупериоду работы переключателя 1, и подать их соответственно на каналы прямого и обратного счета реверсивного счетчика импульсов высокой частоты 17.

45 В первый полупериод работы переключателя 1, когда на выходе детектора действуют импульсы длительностью тс, число импульсов высокой частоты f, ãåíåðàòîðà 3, поступивших на реверсивный счетчик по ка50 налу прямого счета, равно

55 где Т, — период повторения импульсов высокой частоты.

Во второй полупериод работы переключателя 1, когда на выходе детектора действуют импульсы длительностью т2, число им60 пульсов высокой частоты, поступивших на реверсивный счетчик по каналу обратного счета, равно

176328 носительно опорного канала. При этом длительности импульсов на выходе детектора с учетом этого сдвига будут равны т т

5 С1 — — —, 4 2.—.

0,5 Т„

"(,— )= т т, N =Ni-N = т т, т 2 =

4 2-.. 2-,.

0,5 T Т т т, г-,. (3) 10

Таким образом, независимо от частоты сравниваемых напряжений, показания счетчика прямо пропорциональны величине измеряемого угла сдвига фаз. Но при этомпоказания счетчика получаются двузначными, 15 так как длительность импульса на выходе детектора 12 во второй полупериод коммутации — т2 получается одинаковой при двух различных измеряемых углах +.а и 180 +а, которые находятся в различных квадрантах. 20

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 25 измерения и выходное напряжение детектора. Дифференцирующие цепи 18 и 19 преобразуют фронты поданных на них прямоугольных напряжений в остроконечные импульсы разной полярности. 30

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 де- 35 тектора. Вентиль 21, управляемый выходным напряжением триггера 2, пропускает импульсы только во второй полупериод коммутации, когда на схему суммирования 11 поступают преобразованные по форме напряжения U< 40 2.

Поступающие на вход схемы совпадения импульсы будут совпадать только тогда, когда измеряемый угол лежит в пределах

0 — 90 — 180 . 45

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 28 измеряемый угол сдвига фаз определяется однозначно. 55

Поскольку описываемая фазометрическая схема предназначена для измерения сдвига фаз между двумя искаженными сигналами по их первым гармоникам с выделением этих

-.армоник при помощи фильтров, рассмотрим, как влияет на качество измерений наличие таких фильтров.

Вследствие неидентичности фильтров или неточности их настройки в измерительный канал может вноситься паразитный сдвиг от- 65

Реверсивиый счетчик покажет разницу числа импульсов, пришедших на него в первый и второй полупериод работы переключателя 1 где у — рассматриваемый паразитный сдвиг.

Подставим т f c 9 в выражение (3) и определим показания реверсивного счетчика

0,5 . Т„

N = N(— Ng — " (-. — -,g) = т. тО

0,5 . Т„ (Т + Т Т

Т То (4 гп 4

Т Т 05 Тп

2-. г;. ) т,.г-..

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 возможность 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 прибора 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 Т„, Это может быть достигнуто применением схемы пуска К. Триггер 15 управляется однополярными импульсами, сформированными из фронтов выходного напряжения триггера 2. При нажатии кнопки К прерывается цепь подачи запускающих импульсов и одновременно 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 триггера. Постоянная времени цепи RC выбрана

176328

Предмет изобретения

И7

Составитель Г. Н. Кучеренко

Редактор Н. П. Белявская Текред Т. П. Курилко Корректоры: М. П. Ромашова и С. Н. Соколова

Заказ 3721/11 Тираж 1525 Формат бум. 60 90 /з Объем 0,44 изд. л. Цена 5 коп, ЦНИИПИ Государственного комитета по делам изобретений и открытий СССР

Москва, Центр, пр. Серова, д. 4

Типография, пр. Сапунова, 2 такой, чтобы триггер 15 смог совершить не более чем одно колебание.

1. Устройство для измерения сдвига фаз между двумя напряжениями 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 интервал 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. 1, отличающееся тем, что, с целью получения 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 на время, равное длительности периода переключения электронного переключателя, соответственно по полупериодам переключения.