ЭЛЕКТРОРАДИОИЗМЕРЕНИЯ. Измерение фазы сигналов

ЭЛЕКТРОРАДИОИЗМЕРЕНИЯ

27.03.2021

Измерение фазы сигналов

Фаза характеризует состояние гармонического сигнала в определенный момент времени t. Фазовый угол в начальный момент времени (начало отсчета времени), т.е. при t = 0, называют нулевым (начальным) фазовым сдвигом. Разность фаз Дер измеряют обычно между током и напряжением либо между двумя напряжениями. В первом случае чаще интересуются не самим углом сдвига фаз, а величиной coscp или коэффициентом мощности. Costp — это косинус того угла, на который опережает или отстает ток нагрузки от напряжения, приложенного к этой нагрузке. Фазовым сдвигом Д<р двух гармонических сигналов одинаковой частоты называют модуль разности их начальных фаз Д<р = |(pj - ф₂|.Фазовый сдвиг Д(р не зависит от времени, если остаются неизменными начальные фазы (pj и ф₂. Разность фаз выражается в радианах или градусах.

Методы измерения угла сдвига фаз зависят от диапазона частот, уровня и формы сигнала, от требуемой точности и наличия СИ.

Прямое измерение угла сдвига фаз осуществляют с помощью электродинамических, ферродинамических, электромагнитных, электронных и цифровых фазометров.

Наиболее часто из электромеханических фазометров используют электродинамические и электромагнитные логометрические фазометры. Шкала у этих приборов линейная. Используются на диапазоне частот от 50 Гц до 6—8 кГц. Классы точности: 0,2; 0,5. Для них характерна большая потребляемая мощность (5—10 Вт).

В трехфазной симметричной цепи измерение угла сдвига фаз ф или cos ф осуществляется однофазным или трехфазным фазометрами.

Цифровые фазометры используются в маломощных цепях в диапазоне частот от единиц Гц до 150 МГц, классы точности: 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,5; 1,0. В электронно-счетных цифровых фазометрах сдвиг по фазе между двумя напряжениями преобразуется во временной интервал, заполняемый импульсами стабильной частоты с определенным периодом, которые подсчитываются электронным счетчиком импульсов. Составляющие погрешности этих приборов: погрешность дискретности, погрешность генератора стабильной частоты, погрешность, зависящая от точности формирования и передачи временного интервала.

Косвенное измерение угла сдвига фаз между напряжением U и током / в нагрузке в однофазных цепях осуществляют с помощью трех приборов — вольтметра, амперметра и ваттметра (рис. 4.5). Угол ф определяется расчетным путем из найденного значения cos9 как 9 = arccos [Р/67].

Рис. 4.5. Измерение угла сдвига фаз методом трех приборов

Метод используется обычно на промышленной частоте и обеспечивает невысокую точность из-за методической погрешности, вызванной собственным потреблением приборов, достаточно прост, надежен, экономичен.

В трехфазной симметричной цепи величина COS9 может быть определена следующими способами: измерением мощности, тока и напряжения одной фазы; измерением активной мощности методом двух ваттметров; измерением реактивной мощности методом двух ваттметров с искусственной нейтральной точкой.

Среди осциллографических методов измерения фазы наибольшее распространение получили методы линейной развертки и эллипса. Осциллографический метод, позволяющий наблюдать и фиксировать исследуемый сигнал в любой момент времени, используется в широком диапазоне частот в маломощных цепях при грубых измерениях (5—10%). Метод линейной развертки предполагает применение двухлучевого осциллографа, на горизонтальные пластины которого подают линейное развертывающее напряжение, а на вертикальные пластины — напряжение, между которыми измеряется фазовый сдвиг. Для синусоидальных кривых на экране получаем изображение двух напряжений (рис. 3.6, а), и по измеренным отрезкам АБ и АС вычисляется угол сдвига между ними

где ЛВ — отрезок между соответствующими точками кривых при переходе их через ноль по оси Х АС — отрезок, соответствующий периоду

Погрешность измерения ф_х зависит от погрешности отсчета и фазовой погрешности осциллографа.

Если вместо линейной развертки использовать синусоидальное развертывающее напряжение, то получаемые на экране фигуры Лис- сажу, при равных частотах исследуемых напряжений, дают на экране осциллографа изображение эллипса (рис. 4.6, б).

Рис. 4.6. Кривые, получаемые на экране двухлучевого осциллографа: а — при линейной; б — при синусоидальной развертке

Угол сдвига <p_{x определяется из выражения</p}

_{Этот метод позволяет измерять cp}_x в пределах 0—90° без определения знака фазового угла.

Погрешность измерения ф* также определяется погрешностью отсчета и расхождениями в фазовых сдвигах каналов Хи Yосциллографа.

Применение компенсатора переменного тока с калиброванным фазовращателем и электронным осциллографом в качестве индикатора равенства фаз позволяет произвести достаточно точное измерение угла сдвига фаз. Погрешность измерения в этом случае определяется в основном погрешностью используемого фазовращателя.