Основные типы фазометров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

трехфазный ток электромеханический фазометр

Введение

1. Анализ существующих схем устройства

1.1 Аналоговые электронные фазометры

1.2 Цифровые фазометры

1.3 Электромеханический фазометр

1.4 Трехфазный фазометр

1.5 Электродинамический фазометр с логометрическим измерительным механизмом

2. Технические требования к фазометру на ОУ

3. Разработка структурной схемы фазометра на ОУ

4. Разработка принципиальной схемы

Список использованных источников

Введение

Фазометр - электроизмерительный прибор, предназначенный для измерения углов сдвига фаз между двумя изменяющимися периодически электрическими колебаниями. Фазой гармонического напряжения

U(t)=Umsin(щt+ц0)

называется аргумент функции U(t), описывающей колебательный процесс. Фаза гармонического напряжения является линейной функцией времени. Угол сдвига фаз представляет собой модуль разности фаз двух гармонических сигналов U1(t) b U2(t) одинаковой частоты. Таким образом, если

U1(t)=U1msin(щt+ц1), a U2(t)=U2msin(щt+ц2),

то по определению угол сдвига фаз Дц равен

Дц=|ц1 - ц2|.

Если ц1 и ц2 постоянные, то Дц+ от времени не зависит. При Дц = 0 гармонические напряжения называются синфазными, при Дц = ±р - противофазными. Выбор метода измерения угла сдвига фаз зависит от диапазона частот, амплитуды сигнала и от требуемой точности измерения. Измерение угла сдвига фаз может выполняться как методом непосредственной оценки, так и методом сравнения. Результат измерения выражается либо в градусах, либо в радианах. Измерительные приборы, специально предназначенные для измерения угла сдвига фаз, называются фазометрами.

В основе работы цифровых фазометров всех систем лежит принцип преобразования измеряемого угла сдвига фаз во временной интервал, длительность которого пропорциональна значению измеряемой величины. Длительность временного интервала определяется при этом методом дискретного счета непосредственно, или с промежуточным преобразованием длительности временного интервала в пропорциональное ему значение величины напряжения постоянного тока.

Фазометры с непосредственным преобразованием значения длительности временного интервала в код в свою очередь подразделяются на две группы: с измерением за один период входных напряжений и с измерением за несколько периодов входных напряжений. Фазометры первой группы называются фазометрами мгновенного значения, а второй группы - фазометрами среднего значения. Фазометры среднего значения, называемые также фазометрами с постоянным временем измерения, благодаря хорошим характеристикам получили наибольшее распространение.

Цель проекта - получение навыков разработки и построения принципиальной и структурной схемы, ознакомление с элементной базой электронных средств информационно-измерительной техники.

1. Анализ существующих схем устройства

Виды фазометров: аналоговые электронные фазометры, цифровые фазометры, электромеханический фазометр, трехфазный фазометр, электродинамический фазометр с логометрическим измерительным механизмом, фазометра на ОУ и тд.

1.1 Аналоговые электронные фазометры

В основу работы двухканальной схемы, аналогового электронного фазометра положено преобразование угла сдвига, между сигналами, в интервалы времени между импульсами Т, с последующим преобразованием в разность токов Icp, среднее значение которой пропорционально этому углу.

Формула, выражающая зависимость угла сдвига от выходного тока схемы, записывается в следующем виде:

Ш=(180*Icp)/Iм;

где Ш - угол сдвига фаз; Icp - среднее значение разности токов на выходе схемы; Iм - амплитуда выходных импульсов.

Гармонические сигналы U1 и U2 подаются соответственно на опорный и сигнальный входные элементы схемы. Входной элемент представляет собой усилитель-ограничитель входного сигнала и служит для преобразования сигналов синусоидальной формы в серию импульсов с постоянной крутизной фронта. Синхронизированные мультивибраторы под воздействием входного сигнала вырабатывают импульсы прямоугольной формы. Выходные сигналы мультивибраторов имеют постоянную длительность Т/2 и сдвинуты друг относительно друга на время ДТ, пропорциональное углу ш. Выходной сигнал с опорной и сигнальной части схемы подаются на специальный дифференцирующий элемент, на выходе которого вырабатываются остроконечные сигналы. Положительные импульсы преобразуются в фронты, отрицательные - в срезы.

На выходные мультивибраторы поступают следующие сигналы. Выходной МВ опорного канала: положительный импульс опорного канала и отрицательный импульс измерительного канала. Выходной МВ измерительного канала: положительный импульс измерительного канала и отрицательный импульс опорного канала. При этом на выходе опорного МВ получается сигнал длительностью (Т/2+ДТ), а на выходе измерительного МВ-(Т/2-ДТ). Измерительный микроамперметр, включенный на разность импульсов выходных МВ, показывает среднее значение разности токов:

Icp=(2ДТ/Т)Iм;

Если в данное выражение подставить формулы получим:

ш=360єДТ/Т=(180єIcp)/Iм;

Шкала амперметра градуируется в единицах измерения угла сдвига фаз. Погрешность при использовании данного метода зависит от класса точности прибора.

1.2 Цифровые фазометры

Принцип работы этих цифровых приборов основан на зависимости

ш=360єДТ/Т,

но вместо множителя ДТ/Т в формуле участвует значение количества образцовых импульсов N. Работа цифрового фазометра пояснена рисунком 2.

Время открытого состояния временного селектора зависит от измеряемого периода Т. За этот промежуток времени, через временной селектор проходит сигнал образцовой частоты fo и образцовой продолжительности То, выдаваемый генератором меток времени. Число импульсов N за период Т составит:

N=Т/То;

Входные сигналы U1 и U2 посредствам формирователя строб-импульсов преобразуются в серию импульсов, сдвинутых во времени на ДТ, пропорциональное сдвигу фаз сигналов. Время открытого состояния временного селектора равно ДТ, а число пропущенных импульсов образцовой частоты равно:

n=ДТ/То;

Тогда зависимость ш от частоты и количества импульсов образцовой частоты запишется так:

ш=360єn/N или ш=360є(fo/f)n;

Такие частотомеры применяют при условии, что образцовая частота более чем в 1000 раз превосходит частоту сигнала. Для измерения среднего значения сдвига фаз, в схему цифрового фазометра добавляют еще один временной селектор, управляемый делителем напряжения. В данном случае через два последовательно включенных временных селектора пройдет несколько групп импульсов, пропорциональных по величине углу сдвига.

1.3 Электромеханический фазометр

Электромеханический фазометр, отличающийся тем, что выполнен в виде электромеханической системы автоматического управления - САУ (следящей системы), работающей по методу сравнения фаз электрических колебаний, содержащей два фазовращателя (датчик и приемник) и исполнительный двигатель - нуль-орган.

1.4 Трехфазный фазометр

Трехфазные фазометры устроены почти аналогично, однако при наличии трех линейных напряжений необходимость применения конденсаторов и дросселей отпадает. Необходимые по величине и фазе токи в рамках получаются при включении добавочных сопротивлений, что можно видеть из схемы трехфазного фазометра .

Рисунок 3. Принципиальная схема трехфазного фазометра

Трехфазные фазометры значительно меньше подвержены влиянию частоты, чем однофазные, однако на их показания весьма значительное влияние оказывает асимметрия напряжений. Если эти условия не соблюдены, то показания фазометра могут значительно отличаться от коэффициента мощности, определенного, например, по показаниям ваттметра и варметра.

Трехфазные фазометры должны проверяться при симметричном напряжении и равномерной нагрузке фаз, причем трехфазная система напряжений ( токов) считается практически симметричной, если при разложении ее на системы векторов прямой и обратной последовательности оказывается, что составляющая обратной последовательности не превышает 5 % составляющей прямой последовательности.

1.5 Электродинамический фазометр с логометрическим измерительным механизмом

Рисунок 4. Принципиальная схема электродинамического фазометра

Простейшая измерительная цепь электродинамического фазометра. Схема включения электродинамического фазометра с логометрическим измерительным механизмом представлена на рис. Подвижная часть механизма, представляющая две жестко скрепленные между собой под углом 60° рамки, крепится на осях в опорах. Механический противодействующий момент отсутствует. При определенных условиях (угле крепления между собой рамок, задания фазового сдвига в цепях рамок) угол поворота подвижной части прибора равен измеряемому углу сдвига фаз. Прибор имеет линейную шкалу. Его показания практически не зависят от нестабильности напряжения на нагрузке.

По неподвижной и подвижным катушкам протекают токи I, I1 и I2 соответственно. От взаимодействия магнитных потоков, создаваемых токами, протекающими по неподвижной катушке и подвижным катушкам, создаются два вращающих момента М1 и М2. Моменты М1 и М2 зависят от угла поворота подвижной части и направлены в противоположные стороны. Выражения для средних значений моментов имеют вид

где ш1, ш2 -- углы сдвига фаз между токами в неподвижной катушке и токами I1, I2 соответственно в подвижных катушках; с1 и с2 -- коэффициенты, определяемые конструктивными параметрами и выбором системы единиц. Под действием этих моментов подвижная часть поворачивается до тех пор, пока не будет достигнуто равенство моментов.

,

Недостатком таких фазометров является сравнительно большая потребляемая мощность от источника сигнала и зависимость показаний от частоты. Шкала такого фазометра может быть отградуирована в значениях коэффициента мощности.

Объектом исследования в курсовом проекте является фазометр на операционном усилителе, его принцип работы и построение принципиальной и структурной схемы.

1.6 Основные технические характеристики фазометров

Основные технические характеристики приборов для измерения угла сдвига фаз, пределы измерения угла сдвига фаз, диапазон рабочих частот, напряжение входных сигналов, погрешность измерения, входное сопротивление.

Фаза электромагнитного колебания относится к числу основных параметров, определяющих состояние колебательного процесса в заданный момент времени. Для гармонического колебания

(рисунок 5) фаза определяется аргументом синусоидальной функции , где - начальная фаза колебания.

Рисунок 5.

Для двух синусоидальных колебаний U₁ и U₂ одинаковой частоты (рис.1) разность начальных фаз называют углом сдвига фаз этих колебаний. Угол сдвига фаз обычно находят при условии, что один из сигналов является опорным, а его начальная фаза равна нулю. Тогда второй сигнал имеет начальную фазу, совпадающую с углом сдвига фаз.

Пределы измерения угла сдвига фаз определяют область значений угла сдвига фаз, измеряемых прибором с нормированной погрешностью. Современные фазометры обеспечивают измерение угла сдвига фаз в пределах 0...360° или от -180° до +180° в широком диапазоне частот входных сигналов от 20 Гц до 20 ГГц.

Напряжение входных сигналов, подводимых к фазометру, должны лежать в определенных пределах, указанных в технических характеристиках приборов. Если напряжения входных сигналов выходят за эти пределы, то измерение угла сдвига фаз с нормированной погрешностью не гарантируется. Современные фазометры работают при изменении напряжений, входных: сигналов от 1 мВ до 100 В.

Основной метрологической характеристикой фазометра является его погрешность. Погрешность характеризует отклонение результата измерения угла сдвига фаз от его действительного значения. Основу метрологического обеспечения средств измерения фазы составляют специальные эталоны и образцовые средства измерения. Государственный эталон угла сдвига фаз представляет собой резистивно-емкостной фазовращатель, который на частоте 1000 Гц воспроизводит угол сдвига фаз в пределах 0...360° со среднеквадратическим отклонением 0,3·10^-3. Погрешность образцовых средств измерения не превышает 0,1°.

Входное сопротивление фазометра (или его входная емкость) характеризует степень влияния прибора на объект измерения. Подключение фазометра к электрической схеме может вызвать изменение угла сдвига фазы в ней, что приведет к дополнительной погрешности измерений.

2. Технических требований к фазометру на ОУ

Основные технические характеристики фазометра на ОУ

Напряжение U_вх1 (U_вх2), прикладывается к входу канала, В 0,03…100

Ток I_вх1 (I_вх2) в цепи входа канала, А 0,01…5

Частотная полоса измеряемых сигналов, кГц 0,01…100

Погрешность измерения, не хуже. % ±8

Потребляемая мощность, Вт 1

3. Разработка структурной и принципиальной схемы

Структурная схема приведена на рисунке 6.

Рисунок 6. Структурная схема фазометра на ОУ

Фазометр выполнен по двухканальной схеме; опорный канал (ОК) и измерительный канал (ИК) идентичны (рисунок 6). Для устранения погрешности из-за несимметричного ограничения в фазометре используются два триггера. Усилители ограничители выполнены по двухтактной схеме, поэтому их выходные напряжения u3, u4 и u5, u6 противофазны (рисунок 7).

Роль дифференцирующих цепочек выполняют дискриминаторы уровня. Дискриминаторы ОК срабатывают при прохождении через 0 напряжений u3, u4 в сторону увеличения, а дискриминаторы ИК срабатывают при прохождении через 0 напряжений u5, u6 в сторону уменьшения. Триггер Т2 переключается положительным импульсом u7 и отрицательным импульсом u9. Триггер Т2 переключается соответственно импульсами u8 и u10, которые сдвинуты на полпериода относительно u7 и u9. Прямоугольные импульсы u11 и u12 амплитудой 6 В с Т1 и Т2 складываются в сумматоре, образуя u13. Туда же по- дается напряжение смещения - 12 В. Усилитель постоянного тока (УПТ) выделяет постоянную составляющую и изменяет ее полярность, после чего напряжение измеряется цифровым вольтметром. Если в первом канале, например, ограничение несимметричное, то импульсы u7 и u8 сдвинуты, как показано стрелками на рисунок 7. Импульс u11 станет короче, а импульс u12 - длиннее, поэтому результирующая постоянная составляющая останется без изменения.

Рисунок 7. Временные диаграммы, поясняющие работу фазометра

В фазометре Ф2-16 предусмотрен режим измерения сдвига фаз ±180°. В этом режиме с помощью переключателя напряжения u7 и u8 меняются местами, на сумматор подается напряжение смещения не -12, а -6 В. Графики напряжений для этого режима показаны на рисунке 7 справа.

4. Разработка принципиальной схемы

Электронный фазометр отличается простотой схемного решения, высокой чувствительностью, точностью работы в широком диапазоне частот. Однако он имеет весьма существенный недостаток, заключающийся в том, что его входы гальванически связаны. Эта способность ограничивает область практического применения прибора. Предлагаемый фазометр свободен от указанного недостатка. Этого удалось достигнуть заменой логического элемента сравнения оптроном. В приборе также обеспечена размера измерительных каналов и по питанию. Все это расширяет функциональные возможности фазометра, приближая его к аналогичным приборам электродинамической системы. Он позволяет измерять угол сдвига фаз не только между напряжением и током, но и между двумя напряжениями или двумя токами. Принципиальная схема устройства показана на рисунке 7.

Прибор состоит из двух измерительных каналов, близких по структуре. Входной сигнал в каждом из них ограничивает по амплитуде диоды (VD1-VD4), а компараторы на ОУ (DA1, DA2) преобразует его в прямоугольные импульсы, противофазные входному напряжению, амплитуды которых постоянна и близка к напряжению питания.

Рисунок 8. Угол сдвига фазы входных сигналов

Предположим, что угол сдвига фазы входных сигналов равен нулю (рисунок 8, а). тогда в отрицательный полупериод выходного напряжения компаратора DA1 открывается транзистор VT1 и в цепи светодиода оптрона U1 протекает ток. Отрицательные выходное напряжение компаратора DA2 приложено к диоду VD5 в обратном направлении, поэтому ток в цепи микроамперметра PA1 не протекает.

При положительном напряжении на выходе компаратора транзистор VT1 закрыт, светодиод выключен, оптрон U1 закрыт и в ток в цепи микроамперметра PA1 также отсутствует. Таким образом, среднее значение, протекающего через микроамперметр за период входного напряжения, равно нулю.

Если же входные сигналы сдвинуты один относительно другого на некоторый угол (точки изменения знака выходного напряжения компараторов смещены по времени, рисунок 8, б), то в течении промежутка времени от t₁ до t₂ , пропорционально измеренному углу сдвига фаз.

Измерительные каналы устройства питаются от отдельных выпрямителей, гальванически не связанных между собой. В цепь первичной обмотки сетевого трансформатора T1 введены два стабилитрона (VD14, VD15), включенных встречно-последовательно. Поэтому амплитуда напряжения на первичной обмотке стабилизированы. Поэтому амплитуда напряжения гасит балластный конденсатор С9, а резистор R6 разряжает его после выключения прибора.

С вывода каждой из вторичных обмоток трансформатора снимают напряжение почти прямоугольной формы, которое выпрямляет диодный мост и сглаживает емкостной фильтр. Такое схемное решение блока питания обеспечивает очень низкий уровень пульсаций, а среднее значение (постоянная составляющая) у него намного выше, чем у выпрямителей синусоидального напряжения. Это, в свою очередь, снижает требования к сглаживающим фильтрам и увеличивает жестокость внешней характеристики всего выпрямителя. В устройстве применены резисторы МЛТ и СП3-1Б (R5). Вместо ОУ К14ОУД1А подойдут стандартные компараторы напряжения, например, К521СА3. Транзистор КТ203Б можно заменить любым кремниевым структуры р-n-p с доступным током коллектора 10…20 мА. Диоды VD1-VD4 выбирают в соответствии с предельным значением измеряемого тока, но они должны иметь возможно меньшее прямое падение напряжения. Стабилитроны VD14, VD15 можно заменить другими с напряжением стабилизации 30…100 В и током стабилизации 30…10 мА соответственно, однако в этом случае необходимо изменить и число витков первичной обмотки трансформатора Т1 (при большем напряжении число витков увеличивает).

Трансформатор Т1 выполнен на магнитопроводе Ш10Ч20. Сетевая обмотка содержит 600 витков провода ПЭВ-1 0,21, а каждая вторичная -2Ч180 витков провода ПЭВ-1 0,13. Микроамперметр РА1 - магнитоэлектрической системы с током полного отклонения стрелка 50…100 мкА.

Электронный фазометр имеет равномерную шкалу, и его налаживание заключается в установке резистором R5 максимального угла отклонения стрелки микроконтроллера. При этом вход фазометра подключают к источнику противофазного синусоидального напряжения, параметры которого соответствует входному напряжению и частоте прибора.

При эксплуатации фазометра следует помнить, что максимальное напряжение, которое можно прикладывать между каким-либо входом одного измерительного канала и соответствующим входом второго, не должно превышать допустимого для оптрона (около 100 В)

Список использованной литературы

1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. М.: Высшая школа, 1991.

2. Быстров Ю.А., Мироненко И.Г. Электронные цепи и устройства. М.: Высшая школа, 1989.

3. Вишенчук И.М., Котюк А.Ф., Мизюк Л.Я Электромеханические и электронные фазометры, Госэнергоиздат, 1962.

4. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергия, 1980.

5. Разработка и оформление конструкторской документации РЭА: Справ. пособие/ Э.Т. Романычева, А.К. Иванов и др. М.: Радио и связь. 1984.

6. Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Электронные средства ИИТ»

7. Гончаренко А. Фзометр на микросхемах.-- Радио, 1984, № 12, с. 29.

8. Шиянов Н. Фазометр и его применение. Сб. *В помощь радиолюбителю», вып. 105, с. 54--64.-- М.: ДОСААФ СССР, 1989.

Размещено на Allbest.ru