Вимірювання фазового зсуву

Методи вимірювання зсуву фаз між напругою і струмом навантаження й принципи побудови приладів залежать від діапазону частот сигналу і його форми, потужності джерел сигналів, необхідної точності вимірювання.

Електромеханічні фазометри. Електро- та феродинамічні логометри можна використовувати для побудови фазометрів, призначених для вимірювання фазового зсуву між напругою і струмом у навантаженні й коефіцієнта потужності.

Е лектрична схема електродинамічного фазометра Рухома частина механізму, яка являє собою дві жорстко скріплені під кутом 60° рамки, кріпиться на осях і опорах. Механічного протидіючого моменту у механізмі немає. Взаємодія струму , що проходить по нерухомій котушці приладу 1, із струмом І₂, який проходить по обмотці рамки 2, кут між площиною якої і площиною нерухомої котушки дорівнює 150° при , створює обертальний момент М₁.

Взаємодія струму І₁ із струмом І₃ створює обертальний момент М₂, який діє назустріч моменту М₁. З векторної діаграми випливає, що . Якщо виконується умова , то остання рівність виконуватиметься при . Отже, кут повороту рухомої частини дорівнює фазовому зсуву між напругою і струмом у навантаженні. Недоліками таких фазометрів є порівняно велика споживана потужність від джерела сигналу і залежність показів від частоти.

Шкала розглянутого фазометра може бути проградуйована також у значеннях коефіцієнта потужності, тобто в значеннях .

Е лектронний фазометр. Фазовий зсув між двома періодичними напругами (однієї частоти) в діапазоні частот до 1 МГц вимірюють за допомогою електронних фазометрів. Структурну схему електронного фазометра. Напруги и₁ і и₂ (одна з них є опорною, наприклад и₁) два входи приладу (рис. а і б). В обох каналах напруги підсилюються і, якщо їхні амплітуди досить великі, обмежуються підсилювачами-обмежувачами ПО1 і ПО2; потім за допомогою формуючих пристроїв ФП1 і ФП2 ці напруги перетворюють у напруги прямокутної форми з крутими фронтами (рис. в і г). Фазовий зсув напруг на виходах ФП1 і ФП2 дорівнює фазовому зсуву вхідних напруг.

Д иференціюючими колами ДК1 і ДК2 формуються короткі імпульси, які надходять через діодні кола VD1 і VD2 на входи тригера D, що має два стійких стани (рис. д і е). Вихідну напругу тригера D показано на рис. є. До виходу тригера D ввімкнено магнітоелектричний мікроамперметр. Тривалість імпульсу на виході тригера D пов’язана з фазовим зсувом таким співвідношенням: , де f_с — частота сигналів. Тоді середнє значення струму, який проходить через прилад, дорівнює , де - амплітуда імпульсу струму; - період вхідних напруг. Неважко бачити, що .

О тже, шкала приладу лінійна і не залежить від частоти. Електронні фазометри працюють у широкому діапазоні частот, мають великий вхідний опір (малу споживану потужність від джерел сигналів).

Осцилографічні методи вимірювання фази. Серед осцилографічних методів найбільшого поширення набули методи лінійної розгортки та еліпса.

Метод лінійної розгортки допускає застосування двопроменевого осцилографа або однопроменевого осцилографа з електронним комутатором. У цьому разі на екрані осцилографа створюється зображення двох напруг, фазовий зсув між якими необхідно виміряти. За виміряними відрізками аb і ас обчислюють .

Причиною похибки вимірювання при цьому є насамперед неточність вимірювання відрізків аb і ас.

М етод еліпса використовується для вимірювання фазового зсуву між синусоїдними напругами. Напруги и₁ і и₂ подаються на входи каналів Y і X (канал X працює в режимі підсилення сигналу и₂). На екрані осцилографа утворюється зображення еліпса. Якщо і , то в момент пляма знаходитиметься в точці а або b, тобто . Відрізок , який відповідає максимальному відхиленню променя на осі X, пропорційний , тобто . Отже, і .

Метод еліпса дає змогу вимірювати у межах 0 - 90° без визначення знака фазового кута. Причинами похибки вимірювання є неточність вимірювання відрізків і неоднаковий фазовий зсув у каналах X і Y.