Методы и средства измерений и контроля

Центр дистанционного обучения Методы и средства измерений и контроля ФИО преподавателя: Иванов Владимир Константинович e-mail: ivanov_v@mirea.ru v.k.ivanov@inbox.ru Online-edu.mirea.ru online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Измерение фазового сдвига Общие сведения о фазовом сдвиге Под фазовым сдвигом понимают разность начальных фаз двух гармонических сигналов одинаковой частоты. Для негармонических сигналов термин «фазовый сдвиг» заменяют понятием сдвига во времени (временная задержка). Для гармонических сигналов с одинаковой частотой ω фазовый сдвиг Δϕ равен: где Δt – временная задержка сигналов, Т – период сигналов. Фазовый сдвиг между колебаниями принято выражать в градусах. Если он равен нулю, то такие колебания называют синфазными, если 180O– противофазными. Если фазовый сдвиг между колебаниями равен 90 O – говорят, что сигналы находятся в квадратуре. Измерение фазового сдвига – это пример косвенных измерений. Результат выражается в виде безразмерного отношения временного сдвига к периоду сигнала. Для фазовых измерений не требуется специального эталона. Для оценки фазового сдвига на низких частотах применяют осциллографические методы – метод линейной развертки, метод эллипса и др. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Для измерения фазового сдвига используют фазометры, работа которых основана обычно на методе преобразования фазового сдвига во временной интервал. Гармонические сигналы преобразуют в импульсы и измеряют временной сдвиг между ними. При измерениях разности фаз на ВЧ применяют гетеродинное преобразование частоты сигналов вниз. В ряде случаев измерение фазового сдвига проводят компенсационным методом с использованием меры фазового сдвига – калиброванного фазовращателя. Для измерения временного сдвига используют цифровые методы, основанные на преобразовании аналогового сигнала в цифровой. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Осциллографические методы измерения Метод линейной развертки online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Метод круговой развертки (метод эллипса) Если большая ось эллипса располагается в первом и третьем квадрантах, то фазовый сдвиг 0O< φ < 90 O или 270 O < φ < 360 O; если во втором и четвёртом, то 90 O < φ < 180 O или 180 O < φ < 270 O. Для устранения неоднозначности нужно ввести в один из каналов дополнительный сдвиг фазы (например, с помощью RC-цепочки) и по изменению вида осциллограммы определить действительный фазовый сдвиг. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Измерение разности фаз фазовыми детекторами С помощью трансформаторов получают сумму U+(t) и разность U-(t) исследуемых сигналов и подают их на вход амплитудных детекторов VD1, R1, C1 и VD2,R2, C2. Напряжения U+(t) и U-(t) вычитаются и на выходе фазового детектора образуется напряжение, зависящее от измеряемой разности фаз. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Зависимость напряжений детектора от фазового сдвига Uвых (φ) для диапазона измерения 0…180О 1 - напряжение на выходе амплитудного детектора VD1, R1, C1; 2 - напряжение на выходе амплитудного детектора VD2, R2, C2; 3 – выходное напряжение Uвых = Uдет1 - Uдет2 Крутизна графика Uвых (φ) зависит от уровня входных сигналов, а наибольшая линейность достигается при векторном сложении и вычитании одинаковых по амплитуде напряжений. Фазовые детекторы рассмотренного вида реализуют в широком диапазоне частот. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Фазовый детектор на основе логического элемента «Исключающее ИЛИ» Вх. 1 1 1 Вх. 2 1 1 Вых. 1 1 Таблица истинности элемента «Исключающее ИЛИ» Временные диаграммы сигналов Входные сигналы сдвинуты во времени друг относительно друга, на выходе логического элемента появляются импульсы uвых с длительностью, пропорциональной сдвигу фаз. Постоянная составляющая на выходе RC цепи пропорциональна разности фаз входных сигналов. Данный метод применяется на относительно низких частотах. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Компенсационный метод измерения фазового сдвига а - нулевой метод; б- дифференциальный метод С помощью предварительно отградуированного фазовращателя добиваются нулевых (нулевой метод) или заранее заданных (дифференциальный метод) показаний на индикаторе (устройстве сравнения). В случае нулевого метода измеряемый фазовый сдвиг будет равен фазовому сдвигу фазовращателя, а в случае дифференциального метода: online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Преобразование фазового сдвига в напряжение Временные диаграммы напряжений преобразователя фаза-время online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Постоянная составляющая сигнала uT пропорциональна измеряемому фазовому сдвигу: При измерении выходного напряжения вольтметром постоянного тока и при амплитуде импульсов равной максимальному значению шкалы, то его показания будут численно совпадать с искомым фазовым сдвигом. При несимметричном ограничении исследуемых сигналов во входных преобразователях возникает постоянная составляющая и изменяются длительность выходного импульса и амплитуда выходного напряжения. Появляется систематическую погрешность измерения. Погрешность преобразователя фаза-напряжение. Подобной погрешности лишены двухтактные схемы преобразователя фаза-время online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Двухтактное преобразование фаза-время На выходе триггера T1 формируются импульсы uT1 длительностью τ1 = Δt + Δ τФУ , где Δ τФУ – погрешность преобразования ФУ. На выходе триггера T2 формируются импульсы uT2, длительность которых τ2 = Δt - Δ τФУ В результате суммирования и усреднения сигналов uT1 и uT2 погрешность компенсируется: online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Преобразование фазового сдвига во временной интервал Основные элементы: преобразователь фаза-время, умножитель частоты входного сигнала в n раз, временной селектор, счётчик и цифровой индикатор. Измеряемый временной интервал заполняется N счетными импульсами, следующими с периодом T/n. Удобно выбрать коэффициент умножения частоты входного сигнала в виде n=36 ·10m, где m = 1, 2, 3, …. Тогда количество сосчитанных импульсов будет кратно фазовому сдвигу, выраженному в градусах: online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Измерение среднего фазового сдвига методом дискретного счета Для уменьшения влияния случайных помех используют цифровые фазометры среднего значения (интегрирующие фазометры) Исследуемые сигналы u1 и u2 Преобразованный сиггнал u3 Сигнал высокостабильного генератора u4 Пачки импульсов первого селектора u5 (N импульсов в каждой пачке) Эти пачки подают на второй временной селектор, управляемый прямоугольным строб-импульсом u6 с формирователя. Длительность строб-импульса Tсч задается делением частоты опорного генератора в K=10m раз. На выходе селектора будет M пачек импульсов, содержащих N·M. Эти импульсы подсчитываются счётчиком и число их отображается на индикаторе online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Количество пачек M, идущих с периодом входного сигнала T, определяется длительностью временных ворот Tсч: Тогда общее количество сосчитанных импульсов будет кратно измеряемому фазовому сдвигу: Интегрирующий фазометр измеряет средний за M периодов фазовый сдвиг. Это позволяет уменьшить погрешность дискретности. Также уменьшается случайная погрешность за счет внутренних шумов преобразователя фаза–время и внешних помех. Однако, интегрирующие фазометры требуют значительного времени измерения, особенно на низких частотах. Частотный диапазон метода сверху ограничен быстродействием схемы – формирующих устройств, триггера, счетчика, умножителя частоты. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Аналоговый измеритель фазового сдвига Д586 Переносной прибор для предназначен измерения cos φ в одно-и трёхфазных цепях переменного тока промышленной частоты. Класс точности 1,5 Рабочая частота 48,5 -51,5 Гц online.mirea.ru Центр дистанционного обучения СВЧ измеритель разности фаз ФК2-18 online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Цифровой измеритель разности фаз ФК2-29 (0,1 …1000 МГц) Цифровой измеритель разности фаз ФК2-34 Предел основной погрешности измерения фазовых сдвигов: ±(0,1 – 0,6)О (100 кГц – 5 МГц) online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Спасибо за внимание! To be continued online.mirea.ru