3.11.2 Нулевой метод

Типовая структурная схема фазометра, реализующего нулевой метод измерения фазовых сдвигов, приведена на рисунке 3.7.3.

Входные сигналы U₁ и U₂ с помощью входных устройств выравниваются по амплитуде и поступают на измерительный (ИФВ) к установочный (УФВ) фазовращатели. В качестве индикаторного устройства (ИУ) могут использоваться индикаторы равенства фаз напряжений U₁' и U₂', их противофазности или квадратурности.

Перед началом измерений фазометр калибруется с целью устранения собственного фазового сдвига, вносимого элементами схемы. Для этого указатель шкалы ИФВ устанавливают на нулевую отметку, на оба входа фазометра подают один из исследуемых сигналов.

Рисунок 3.7.3

Изменением фазового сдвига, вносимого УФВ, добиваются нулевых показаний индикаторного устройства (ИУ), компенсируя тем самым собственный фазовый сдвиг фазометра. В режиме измерения начальная фаза напряжения U₁ с помощью ИФВ изменяется на величину φ₀ (образцовый фазовый сдвиг) и с помощью индикаторного устройства фиксируется величина Δφ = φ₀ + φ_х. При Δφ=0° φ_х = - φ₀ т. е. измеренное значение фазового сдвига отсчитывается непосредственно но шкале ИФВ. При Δφ = 180° измеряемый фазовый сдвиг определяется по формуле φ_х =180°  φ°.

В качестве индикатора значений Δφ= 0° и Δφ = 180° чаще всего используется электронно-лучевой осциллограф. При подаче напряжений U₁' и U₂' на входы X и Y электронно-лучевого осциллографа наблюдаемая на экране электронно-лучевой трубки интерференционная фигура будет иметь вид эллипса, параметры которого определяются значением измеряемого фазового сдвига φ_х. При синфазности напряжений, поступающих на входы X и Y осциллографа, эллипс "стягивается" в линию, которая наклонена вправо под углом 45° (при U_j' – U₂'). Если же Δφ=180°, линия будет наклонена влево также под углом 45°. Момент "стягивания" эллипса в линию может быть зафиксирован достаточно точно. Погрешность измерения фазового сдвига фазометром, реализующим нулевой метод, определяется, в основном, погрешностью градуировки шкалы ИФВ.

3.11.3 Метод преобразования фазового сдвига во временной интервал

Измерение фазового сдвига методом преобразования во временной интервал основано на алгоритме, описываемом выражением

,

где Т_х – период сигнала;

Δt_x – интервал времени, пропорциональный измеряемому фазовому сдвигу.

Структурная схема фазометра, реализующего метод преобразования фазового сдвига во временной интервал, приведена на рисунке 4, временные диаграммы, поясняющие принцип его работы, представлены на рисунке 3.7.4.

Рисунок 3.7.4 – Структурная схема цифрового фазометра.

Гармонические сигналы U₁ и U₂ преобразуются с помощью формирующих устройств в последовательность коротких импульсов U₃ и U₄ (рисунок 3.7.5), временное положение которых соответствует нуль-переходам входных сигналов из отрицательной области в положительную. Интервал времени Δt_x между ближайшими импульсами первой U₃ и второй U₄ последовательностей будет пропорционален измеряемому фазовому сдвигу φ_х.

Рисунок 3.7.5 – Временные диаграммы, иллюстрирующие метод преобразования фазового сдвига во временной интервал

Однако, как видно им выражения, для измерения фазового сдвига φ_х рассматриваемым методом необходимо определить отношение Δt_x/T_x. Это отношение наиболее просто определяется как постоянная составляющая периодической последовательности прямоугольных импульсов U (рисунок 3.7.5) в соответствии с выражением

.

Следовательно,

.

Зафиксировав с помощью стабилизатора уровня амплитуду прямоугольных импульсов U_m на уровне, например, 360 мВ и выделив с помощью фильтра низкой частоты постоянную составляющую периодической последовательности импульсов, получим, что измеренное средне значение напряжения U (например, в мВ) будет равно измеряемому фазовому сдвигу в градусах.

Рассмотренный цифровой фазометр; реализующий метод преобразования фазового сдвига во временной интервал, работает по алгоритму преобразования: фазовый сдвиг – интервал времени – напряжение – цифровой код. Однако в настоящее время широко применяются цифровые фазометры, реализующие алгоритм преобразования: фазовый сдвиг – интервал времени – цифровой код. Целесообразность применения такого алгоритма преобразования очевидна: упрощается алгоритм работы фазометра и, как следствие, появляется потенциальная возможность повышения точности измерения фазовых сдвигов.