Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Выберите тип работыЧасть дипломаДипломная работаКурсовая работаКонтрольная работаРешение задачРефератНаучно - исследовательская работаОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерская работаНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация статьи в ВАКПубликация статьи в ScopusДипломная работа MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

При помощи осциллографа частоту можно измерить следующими методами:
- По калиброванному генератору развертки.

- По фигурам Лиссажу.

- Методом круговой развертки.

Данный способ пригоден для любых частот в пределах полосы пропускания электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Измерение можно проводить при линейной, синусоидальной и круговой развертках.

Метод линейной развертки. При линейной развертке сигнал измеряемой частоты f_x сравнивается частотой меток калибратора длительности f_M. Измерение выполняется следующим образом. Напряжение с частотой f_x подается на вход Y, а напряжение с выхода калибратора длительности – в канал Z (на модулятор трубки). Генератор развертки включен. Устанавливают на экране несколько периодов измеряемой частоты и регулируют частоту меток так, чтобы их изображение попадало в одну и ту же точку каждого периода. В этом случае измеряемая частота

,

где n – число меток, находящихся в пределах одного периода исследуемого напряжения.

Метод синусоидальной развертки. Синусоидальная развертка имеет место в том случае, если внутренний генератор развертки выключить и подать напряжение образцовой частоты в канал X, а неизвестной – в канал Y (рис. 3.5). Изменяя образцовую частоту, добиваются получения осциллограммы в виде неподвижной или медленно перемещающейся фигуры Лиссажу. При равенстве или кратности частот фигура будет неподвижной, а если она вращается, то скорость вращения или период повторения ее формы характеризует неравенство частот:

,

где n – число вращений за интервал времени наблюдения .

Рис.3.5. Схема подачи напряжений на пластины ЭЛТ

Неподвижные фигуры на экране наблюдаются при выполнении следующего соотношения:

, (3.4)

где m и n – целые числа.

Отношение частот колебаний определяется из выражения:

, (3.5)

где и − число пересечений интерференционной фигуры с горизонтальной и вертикальной линиями, не проходящими через точки пересечения самой фигуры (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Определение частоты по фигурам Лиссажу

Метод синусоидальной развертки применим при кратности частот до 10. При большей кратности фигуры получаются сложными и трудно подсчитать число их пересечений с прямыми линиями. Метод применим в диапазоне частот от 10 Гц до 20 МГц. Диапазон частот в основном определяется частотными свойствами осциллографа или электронно-лучевой трубки при прямой подаче напряжений на пластины ЭЛТ.

Метод круговой развертки. Круговая развертка имеет место тогда, когда напряжение образцовой частоты f_обр в виде двух напряжений с фазовым сдвигом 90⁰ подают на оба входа осциллографа. Линия развертки в виде окружности или эллипса вращается со скоростью 1 оборот за период сигнала образцовой частоты. Напряжение измеряемой частоты f_x подают в канал Z осциллографа для модуляции электронного луча по яркости.

При равенстве частот f_x и f_обр половина окружности не видна (темная), другая половина высвечивается (рис. 3.7,а). Если f_x>f_обр, на окружности появятся темные и светлые участки – штрихи (рис. 3.7,б). Число темных и светлых штрихов n равно кратности частот, откуда f_x=n·f_обр.

Измерение фазового сдвига осциллографическим методом можно реализовать способами линейной, синусоидальной и круговой разверток. Ограничимся рассмотрением первых двух способов, как наиболее распространенных.

Способ линейной развертки. В каналы вертикального отклонения двухлучевого или двухканального осциллографа подают напряжения  и ; генератор развертки осцил­лографа включен. Уравнивают амплитуды обоих напряжений. Осциллограмма будет иметь вид. Фазовый сдвиг вычисляют по формуле (1), подставляя измерен­ные длины отрезков l и ∆l, соответ­ствующие Т и ∆T.

 

Способ синусоидальной развертки осуществляется с помощью однолучевого осциллографа. В канал верти­кального отклонения подается на­пряжение , а в канал горизонтально­го ; генератор развертки выключен. На экране осциллографа появляется осциллограмма в виде эллипса, уравнение которого имеет вид

где В и А — максимальные отклонения по вертикали и горизонтали соответственно.

Положив х = 0, получим вертикальный отрезок у₀=В sin; положив у=0, получим горизонтальный отре­зок х₀ = A sin φ. Отсюда: sin φ = ± у₀/В = ± х₀/А. Пе­ред измерением удобно уравнять максимальные отклонения по вертикали и по горизонтали (А = В); тогда у₀ = х₀. Для вычисления фазового сдвига измеряют по осцилло­грамме отсекаемые на координатных осях отрезки 2х₀ или 2у₀ и сторону прямоугольника 2А или 2В, в который вписан эллипс:

(4)

Способ синусоидальной развертки не позволяет опре­делить фазовый сдвиг однозначно. Когда оси эллипса совпа­дают с осями координат, фазовый сдвиг φ равен 90^о или 270°. Если большая ось эллипса располагается в первом и третьем квадрантах, то фазовый сдвиг 0 < φ < 90° или 270° < φ < 360°; если во втором и четвертом, то 90°<φ<180° или 180°< φ < 270°. Для устранения неоднознач­ности нужно ввести дополнительный сдвиг 90°, и по изме­нению вида осциллограммы лег­ко определить действительный фазовый сдвиг. Например, полу­чили φ, равный 30^о или 330°. Ввели дополнительно +90°. Ес­ли осциллограмма осталась в прежних квадрантах, то φ = 330°; если переместилась во второй и четвертый, то φ=30°. Осциллографический метод не требует никаких дополните­льных приборов и прост по идее. Однако он является косвенным, требует линейных измерений и вычислений, что приводит к зна­чительным погрешностям. Общая погрешность складывает­ся из случайных погрешностей — измерения длин отрез­ков, совмещения следа луча с линиями масштабной сет­ки и конечного значения диаметра светового пятна на эк­ране осциллографа, и систематических—инструменталь­ной и методической. Инструментальная погрешность воз­никает за счет наличия собственных фазовых сдвигов в каналах осциллографа. Методическая погрешность связана с наличием гармоник в исследуемых напряжениях.

Погрешность измерения отрезков l можно уменьшить тщательной фокусировкой луча при малой яркости и при­менением осциллографа с электронно-лучевой трубкой, в которой масштабная сетка нанесена на внутреннюю поверхность экрана. Фазовый сдвиг в каналах осциллографа легко обнаружить, подав одно и то же напряжение на оба входа осциллографа. При отсутствии фазового сдвига на экране появится прямая линия. Если появляется эллипс, то нужно измерить значение фазового сдвига по формуле (4) и внести в результат измерения соответствующую по­правку. Если поправку точно определить не удается, то погрешность можно исключить методом компенсации. Для этого нужно выполнить два измерения: первое — как обычно, а второе — подав исследуемые напряжения на противоположные входы осциллографа. В результате пер­вого измерения получим φ₁ = φ +∆φ, где ∆φ — неизвест­ный фазовый сдвиг в каналах осциллографа. В результате второго получим φ₂ = (360° — φ) + ∆φ. Из разности φ₂- φ₁ = 360°- 2φ находим искомый фазовый сдвиг φ = 180° — [(φ₂ — φ₁)/2].

 

Частотомеры .

    Цифровые (электронно-счетные) частотомеры применяются для точных измерений частоты гармонических и импульсных сигналов в частотном диапазоне до 50 ГГц. Принцип действия большинства цифровых частотомеров основан на подсчете числа импульсов N, соответствующих числу периодов измеряемого сигнала с неизвестной частотой fx за нормируемый интервал времени Т_и (Т_и - время измерения). В этом случае неизвестная частота определяется как:
.
Типовая структурная схема электронно-счетного частотомера приведена на рисунке.

На следующем рисунке показана диаграмма, поясняющая работу частотомера.

    Входное устройство предназначено для согласования схемы частотомера с источником входного сигнала. Входное устройство состоит из широкополосного усилителя и аттенюатора.
Формирователь предназначен для преобразования исследуемого напряжения в последовательность импульсов fx с большой крутизной фронтов. Временной селектор представляет собой электронный ключ, который открывается строб- импульсом Т_и, вырабатываемым устройством управления. Делитель предназначен для деления частоты генератора (обычно 1 мГц) декадными ступенями до 0.01Гц.Т.е. 100, 10, 1 Кгц, 100, 10, 1, 0.1 и 0.01 Гц. Счетчик подсчитывает число импульсов fx2 за период времени Т_и. Таким образом, если период времени Т_и известен с высокой точностью, то число импульсов, которое уложилось в этот период будет пропорционально частоте измеряемого сигнала. При этом погрешность может составлять ±1 импульс (±1 период). Из этого следует, что погрешность частотомера зависит от выбранного времени измерения Ти и определяется как:

.
      Величина - называется погрешностью дискредитации. - погрешность нестабильности частоты кварцевого генератора (на практике пренебрежимо малая величина). Погрешность дискредитации обусловлена, в основном, несоответствием моментов появления счетных импульсов N относительно фронтов строб- импульса Т_и. Рассмотрим пример определения погрешности частотомера.
      Пусть выбран интервал измерения Т_и=1 сек. Определить погрешность измерения частоты при измерении сигнала с ориентировочной частотой: 1 – 10 МГц и 2 – 10 Гц. Расчет проводится по формуле:

. В первом случае погрешность равна =2*10^-5 %, во втором случае =10%.
На практике применяют и другие методы и способы измерения частоты, не относящиеся к разделу цифровой техники. Рассмотрим это методы.

Гетеродинный и генераторный способы измерения частоты .

Гетеродинный способ применяется для измерения низких и высоких частот путем сравнения частоты исследуемого сигнала с частотой маломощного генератора перестраиваемой частоты (гетеродина).

Структурная схема такого прибора и диаграмма, поясняющая принцип его действия показаны на рисунке.

При измерениях сигнал частотой f_х генератора измеряемой частоты и сигнал частотой f_о генератора образцовой частоты подводятся на смеситель, на выходе которого образуется сложный по форме сигнал, содержащий большое число комбинационных частот, в том числе наименьшую разностную частоту F=f_x-f_o. Сигнал разностной частоты F выделяется, усиливается усилителем НЧ и подается на индикатор. Индикатором может быть головной телефон, магнитоэлектрический микроамперметр, осциллограф, электронно-оптический прибор. Регулируя частоту сигнала f_o гетеродина, сводят разность частот F либо к нулю, либо к некоторому фиксированному значению. По известной частоте f_o гетеродина и разности частот F определяют неизвестную частоту f_x. Для однозначности результатов измерения оба генератора должны вырабатывать напряжения чисто синусоидальной формы. При использовании в качестве индикатора телефона возникают погрешности, так как ухо человека не реагирует на частоты ниже 16-30Гц.

Резонансный способ измерения частоты .

Данные частотомеры представляют собой колебательную систему, настраиваемую в резонанс с источником измеряемой частоты. Состояние резонанса фиксируют по наибольшим показаниям индикатора резонанса, пропорциональным току (напряжению) в колебательной системе. Частоту определяют по калиброванной шкале прибора. Входное устройство осуществляет согласование частотомера с источником сигнала. Структурная схема резонансного частотомера приведена на рисунке.

В качестве колебательной системы на частотах до сотен МГц используют колебательные контуры, на частотах до 1 ГГц – контуры с распределенными параметрами (отрезки коаксиальной линии), на частотах >1ГГц – объемные резонаторы. Резонансные частотомеры имеют сравнительно простое устройство и достаточны удобны в эксплуатации. Они обычно обеспечивают измерения с погрешностью 10^-3-10^-4.

   Упрощенная схема резонансного частотомера представлена на рисунке.

      Если поднести измерительную катушку к источнику электромагнитного поля с измеряемой частотой, например к колебательному контуру радиоэлектронной аппаратуры, и емкостью С настроить колебательный контур в резонанс с измеряемой частотой, то стрелочный индикатор отклонится на максимум. По калиброванной шкале переменного конденсатора определяется частота источника. Точность таких систем невысока, однако у них имеется преимущество, – они могут измерять частоту бесконтактным способом.

Цифровые частотомеры

Цифровые (электронно-счетные) частотомеры имеют весьма высокую точность и при этом компактны, надежны, технологичны и проста в управлении. Благодаря тому, что при измерении различных частотно-временных параметров этими приборами требуются однотипные электронные блоки, приборы универсальны и обычно позволяют измерять несколько величин. Цифровые частотомеры, как правило, весьма широкополосные. Их частотный диапазон «вверх» ограничен лишь быстродействием элементной базы.

П ринцип действия цифрового частотомера основан на определении частоты, приведенном ранее. Структурная схема, реализующая этот принцип, приведена на рисунке 1, а временные диаграммы поясняющие ее работу, на рисунке 2.

Рисунок 2

    Сигнал U(t), частота которого измеряется, подается через входное устройство (ВхУ) на формирующее устройство (ФУ), где преобразуется в импульсы (эпюра 1, рис.2) с той же частотой. Амплитуда этих импульсов не зависит от амплитуды и формы входного сигнала.

В блоке опорных частот (БОЧ) формируется сигнал с периодом равным единице времени и соответствующим времени измерения Т_и (эпюра 2). В связи с тем, что Т_и является мерой времени, от его точности и стабильности будёт зависеть точность измерений. Поэтому БОЧ состоит из высокостабильного кварцевого генератора (КвГ) и системы делителей частота (ДЧ).

Устройство управления (УУ) формирует из сигнала БОЧ импульс длительностью Ти (эпюра 3), которым открывается временной селектор (ВС). ВС представляет собой электронный ключ, при открывании кото­рого на счетчик импульсов (СчИ) поступают импульсы от ФУ (эпюра 4). Так как перед измерением СчИ устанавливается в "нуль", то по окончании интервала Т_и на него поступит N импульсов, где

(1)
    Следовательно, N_f прямо пропорционально fx. Например, при Ти=1с, N_f =1 будет соответствовать частоте в 1 Гц. Состояние СчИ индицируется в десятичной форме отсчетным устройством (ОУ). Емкость счетчика ограничивает максимально измеряемое значение частоты, т.е. определяет предел измерения. Изменить его можно установкой Т_и = 10^m сек, где m=2, 1, 0, –1, –2,... При этом правильный отсчет обеспечится путем переноса десятичной точки на табло ОУ, что эквивалентно умножению или делению на 10. Схемно это реализуется изменением коэффициента деления ДЧ в БОЧ.

Источниками погрешности являются нестабильность частоты КвГ и погрешность дискретности. Погрешность дискретности обусловливается тем, что счетчик считает лишь целое число импульсов, и поэтому равенство (1) справедливо с точностью до целого. Максимальная абсолютная погрешность при этом не превышает одного импульса. Относительная 1/N.

 

 

ФАЗОМЕТРЫ

Метод преобразования фазового сдвига во временной интервал.

Сущность метода, основанного на преобразовании фазового сдвига во временной интервал, состоит в преобразовании исследуемых синусоидальных напряжений U₁ и U₂, фазовый сдвиг которых требуется измерить, в периодические последовательности коротких импульсов, формируемых в моменты перехода этих напряжений через нуль с производными одинакового знака. Интервалы времени ∆Т между ближайшими импульсами пропорциональны измеряемой разности фаз.

Фазометр (рис.14.1) содержит входные цепи и формирующие устройства. Исследуемые напряжения преобразуются в серию коротких импульсов с крутыми фронтами. Из соседних пар импульсов с помощью триггера формируются прямоугольные импульсы, длительность которых равна интервалу времени ∆Т. Период повторения этих импульсов равен периоду исследуемых напряжений. Магнитоэлектрический измерительный прибор, включенный на выходе триггера, показывает среднее за период значение напряжения: U _ср = U_m ∆Т / Т, =360 U _ср / U_m .

Из уравнения видно, что зависимость между величинами  и U линейная. Шкалу индикаторного прибора можно проградуировать непосредственно в градусах (для данного прибора U_m=const).

Рис. 14.1. Фазометр с преобразованием фазового сдвига во временной интервал

Сущность метода суммы и разности напряжений заключается в переносе информации об измеряемом фазовом сдвиге в амплитуду результирующего (суммарного или разностного) напряжения с последующим измерением этого напряжения аналоговым или цифровым вольтметром. Если два гармонических сигнала, описываемых выражениями

U₁(t) = U_m1 sin (ωt + φ₁) (1)

U₂(t) = U_m2 sin (ωt + φ₂) (2)

подать на схему сложения (сумматор), то амплитуда их векторной суммы при U_m1= U_m2 = U_m будет равна
(3)
Аналогично, с помощью схемы вычитания можно образовать разностное напряжение, амплитуда которого равна

(4)
     В принципе, для намерения фазового сдвига φ_х =(φ₁ - φ₂) достаточно использовать только суммарную U_mc или разностную U_mp составляющие напряжения. Однако такой фазометр будет иметь пределы измерения от 0° до +90°, неравномерную шкалу и резко выраженную зависимость погрешности измерения фазовых сдвигов от значения φ_х. Кроме того, измеренное значение φ_х будет зависеть от значения измеряемого напряжения U_m. Поэтому в практических схемах фазометров, реализующих метод суммы и разности напряжений, используется как суммарное, так и разностное напряжения.
Структурная схема одного из возможных вариантов такого фазометра приведена на рисунке 1.

Рисунок1

Входные сигналы U₁ и U₂, амплитуды которых уравниваются с помощью входных устройств, подаются на схемы сложения и вычитания. На выходах этих схем после детектирования образуются суммарное (3) и разностное (4) постоянные напряжения, которые поступают на вторую схему вычитания. На ее выходе будет выделяться разностное напряжение, которое измеряется аналоговым или цифровым вольтметром.

Зависимость от φ_х (рисунок 2) оказывается практически равномерной, что позволяет при предварительной калибровке фазометра для устранения зависимости φx от U_m расширить пределы измерения до ± 180°. Следует однако отметить, что при измерении фазовых сдвигов фазометром, реализующим данный метод, на6людается неоднозначность отсчета (кроме точек +1 и -1) значений измеренного фазового сдвига. Действительно, одному и тому же значению разностного напряжения соответствуют два значения измеряемого фазового сдвига φ_х и φ_x' (см. рисунок 2), Действительное значение фазового сдвига можно определить путем дополнительного измерения, при котором Напряжение U₂ сдвигается но фазе с помощью дополнительного фазо-вращателя на небольшой фиксированный угол φ₀.

Рисунок 2

     Как видно из рисунка 2, если показанию вольтметра U_v при первом измерении φ_х соответствуют два значения фазового сдвига φ и φ', го после дополнительного сдвига фаз на угол φ₀ показания вольтметра для углов φ₁= φ + φ₀ и φ₂ = =φ' + φ₀ будут различны. Дополнительно измерив значение U_B' и пользуясь графиком (рис. 2), легко определить действительное значение фазового сдвига φ_х. При U_B > U_B' действительное значение фазового сдвига будет находиться в пределах 0 < φ_х < π при U_B < U_B' – в пределах π < φ_х < 2π.

Метод суммы и разности напряжений используется для разработки фазометров, работающих в широком диапазоне частот (до сотен ГГц), и обеспечивает измерения фазовых сдвигов с основной погрешностью, не превышающей ±(2–3)⁰ . Данный метод используется также в приборах, предназначенных для контроля за постоянством фазового сдвига. При этом погрешность измерения уменьшается до десятых долги градуса. Более подробно данный метод рассмотрен в (1) – (4).

Нулевой метод

Типовая структурная схема фазометра, реализующего нулевой метод измерения фазовых сдвигов, приведена на рисунке 3. Входные сигналы U₁ (1) и U₂ (2) 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

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 φ°.-=180°
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. Более подробно нулевой метод измерения φ_х изложен в (1) – (4).

Метод преобразования фазового сдвига во временной интервал

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

(5)
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 5.

Гармонические сигналы U₁ и U₂ преобразуются с помощью формирующих устройств в последовательность коротких импульсов U₃ и U₄ (см. рисунок 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 4

Рисунок 5

Однако, как видно им выражения (6), 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 (см. рисунок 5) в соответствии с выражением

(6)
Определив из выражения (7) отношение Δt_x/T_x и подставив его в выражение (6), получим
(7)
     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.

Данный метод положен в основу работы фазометра Ф2–34, который используется при выполнении данной лабораторной работы. Описание принципа его действия подробно изложено в прил. 1 данных методических указаний.

Более подробно рассмотренные и другие методы измерения фазовых сдвигов описываются в (1) – (4).

Компенсационные фазометры

Принцип работы: одно из двух синусоидальных напряжений, в данном случае U₂, поступает на фазовращатель ФВ, управляемый кодом с УУ. Фазовый сдвиг напряжения U₃ относительно U₂ изменяется до тех пор, пока U₁ и U₃ не будут синфазны. В процессе уравновешивания в знак фазового сдвига между U₁ и U₃ определяется с помощью фазочувствительного детектора ФЧД, выходной сигнал которого поступает на устройство управления УУ. Алгоритм уравновешивания соответствует кодоимпульсному методу. По окончанию уравновешивания код на входе ФВ выражает фазовый сдвиг между U₁ и U₃ и, соответственно, U₁ и U₂.

Компенсационный метод обладает высокой точностью, но реализуется в ручном режиме.
Применяются для измерения фазового сдвига.

Методы измерения фазы классифицируются:

Измерение фазы за один период

Принцип работы: входные синусоидальные напряжения преобразуются с помощью формирователей F₁ и F₂ в прямоугольные импульсы. После элемента И₁ образуются прямоугольные импульсы длительностью Δt=φ/ω=φ/(2π*f). Импульсы опорной частоты f₀ от генератора G проходят через элемент И₂ на счетчик СТ в течение интервала времени Δt, тогда количество импульсов N= Δt/T= Δt*f₀. Код числа N поступает на ЦОУ. Сброс счетчика происходит через период. Из полученных выше формул получим:

в радианах N= f0* φ/(2π*f) (1);

в угловых градусах N= f₀* φ/(360⁰*f) (2).

Выражение (1) и (2) выявляют существенный недостаток фазометра по приведенной выше схеме. Недостатком является связь между N и φ, зависящая от частоты измерения. Это означает, что либо такой фазометр можно применять при фиксированной частоте f, либо измерение φ должно сопровождается измерением частоты или периода.

Пусть например будет измеряться период Т. При измерении Δt (временной интервал) получим число N_Δt= Δt*f₀= φ*f₀/(360*f).

При измерении Т получим число импульсов N_Т=Т*f₀=T/T₀; φ=360* N_Δt /N_T. Как видим в данном случае результат измерения не зависит от f и f₀.

Измерение фазы за много периодов

По сравнению с первой схемой здесь введен делитель частоты и логический элемент И₃. Теперь на счетчик поступают пачки импульсов, причем количество импульсов в каждой пачке определяется выражением

N=φ*f₀/(2π*f)=φ*f₀*f/360⁰.

Пачки проходят в течении интервала времени Δt_у, который задается генератором G и делителем частоты: FR, т.е. Δt_у=k*T₀/2=k/(2*f₀), где k – коэффициент деления частоты. В таком случае количество пачек импульсов будет равно:

m= Δt_у/T= Δt_у*f=k*f/(2*f₀).

Если m>>1, то можно пренебречь тем, что на границах Δt_у могут оказаться неполные пачки и считать, что общее количество импульсов, прошедших на счетчик, будет равно N_у=m*N. Так как m= k*f/(2*f₀), то N=f₀*φ/(360⁰*f), тогда N_у=k*φ/720⁰ – это выражение определяет результат измерения фазового сдвига.

Выбор значений k из условия k=720⁰*10^а обеспечивает соотношение N_у=10^а*φ, т.е. φ=N_у*10^-а=g*N_у, где а может принимать значения 0; 1; 2 и т.д.

 

 

МАГНИТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

 

Обычно измеряют всего несколько основных магнитных величин: магнитный поток Ф, магнитная индукция В, напряженность магнитного поля Н, намагниченность М, магнитный момент и др. Причем во многих способах измерения магнитных величин фактически измеряется не магнитная, а электрическая величина, в которую магнитная величина преобразуется в процессе измерения. Измеряемая величина определяется расчетным путем на основании известных зависимостей между магнитными и электрическими величинами.

В настоящее время известно много разнообразных приборов и способов для измерения магнитной индукции, магнитного потока и напряженности магнитного поля. Как правило, прибор для измерения магнитных величин состоит из 2 частей - измерительного преобразователя, назначение которого является преобразование магнитной величины в величину иного рода (электрическую, механическую, оптическую), более удобную для измерения выходной величины измерительного преобразователя.

При исследовании магнитных характеристик веществ применяются баллистический (или импульсно-индукционный), магнитометрический, электродинамический, индукционный, вибрационный, пондеромоторный, мостовой, ваттметрический, калориметрический, резонансный и нейтронографический методы.

Баллистический метод до недавнего времени был одним из наиболее распространенных методов определения магнитных характеристик ферромагнитных материалов. Он основан на измерении количества электричества, протекающего через витки катушки, охватывающей образец, при быстром изменении магнитного по-
тока, сцепляющегося с этой катушкой. Изменение магнитного потока может быть осуществлено несколькими способами: удалением катушки из поля, изменением ее положения в пределах поля и изменением направления поля. Данный метод позволяет определить основную кривую магнитной индукции или намагниченности, петлю магнитного гистерезиса, различные виды проницаемости и размагничивающий фактор ферромагнитных образцов. Основным недостатком баллистического метода является то, что он требует значительных временных затрат и плохо поддается автоматизации.

Магнитометрический метод основан на воздействии исследуемого образца на магнитную стрелку, расположенную на некотором расстоянии от него. По углу отклонения этой стрелки от начального положения определяют магнитный момент образца, по которому вычисляют его намагниченность или магнитную индукцию а также напряженность намагничивающего поля. Примером реализации магнитометрического метода является астатический магнитометр. Магнитометрический метод позволяет определить основную кривую по намагниченности и по индукции, петлю магнитного гистерезиса и магнитную восприимчивость. Вследствие высокой чувствительности магнитометрический метод применяется для измерений геомагнитного поля и для решения ряда метрологических задач, однако он непригоден для автоматизации измерений.

Электродинамический метод состоит в измерении угла поворота рамки с током, находящейся в магнитном поле намагниченного образца. Данным методом можно определить основную кривую и петлю магнитного гистерезиса, причем шкала прибора может быть проградуирована непосредственно в единицах измеряемой величины (индукции или напряженности поля).

Индукционный метод заключается в измерении электродвижущей силы (э.д.с.) индукции, которая возбуждается во вторичной обмотке, намотанной на исследуемый образец, намагничиваемый полем, создаваемым пропусканием переменного тока через первичную обмотку. Индукционный метод позволяет определять основную кривую по намагниченности и по индукции, петлю магнитного гистерезиса и различные виды магнитной проницаемости. Данный метод может использоваться и для измерения намагниченности в сильных импульсных магнитных полях, а также магнитной восприимчивости диа- и парамагнетиков в радиочастотном диапазоне .

Вибрационный метод является разновидностью индукционного. Он применяется для испытания ферромагнитных образцов малых размеров. При данном методе находящийся в однородном магнитном поле испытуемый образец или измерительную катушку подвергают вибрационным колебаниям. В результате этих колебаний в последней возникает электродвижущая сила индукции, пропорциональная магнитной индукции образца. Метод обладает хорошей чувствительностью и удовлетворительной точностью, но требует высокой однородности и стабильности намагничивающего поля, стабильности амплитуды и частоты вибрационных колебаний, постоянства размеров испытуемых образцов и их расположения относительно измерительной катушки, характеризуется малой производительностью и требует длительного процесса градуировки измерительной цепи по образцам с известными магнитными свойствами.

Пондеромоторный метод основан на измерении механической силы, действующей на исследуемый образец в магнитном поле. Он позволяет измерять намагниченность и магнитную восприимчивость. Наиболее широко применяется при определении магнитных свойств слабомагнитных веществ (в маятниковых, крутильных и рычажных магнитных весах).

Мостовой метод заключается в измерении на переменном токе индуктивности и активного сопротивления катушки с сердечником, в качестве которого используется исследуемый ферромагнитный образец, путем уравновешивания измерительного моста с помощью переменных активного сопротивления и индуктивности или активного сопротивления и емкости. Этот метод позволяет определить зависимость магнитной индукции и намагниченности от величины намагничивающего поля, начальную, среднюю и комплексную магнитные проницаемости, комплексное магнитное сопротивление, коэффициент потерь и полных потерь. Недостатком метода является зависимость результатов измерений от взаимного влияния индуктивных и емкостных элементов моста друг на друга, индуктивности неиндуктивных элементов и наличие паразитных проводимостей. Погрешность измерений может быть доведена до 3-5 %.

Потенциометрический метод основывается на измерении намагничивающего тока в первичной обмотке испытуемого образца и электродвижущей силы, индуцируемой в его вторичной обмотке, по напряжению на образцовом резисторе с помощью потенциометра переменного тока. Данным методом определяют зависимость магнитной индукции и намагниченности от величины намагничивающего поля, начальную, среднюю и комплексную магнитные проницаемости, комплексное магнитное сопротивление, коэффициент потерь и полных потерь. Недостатком метода является то, что магнитные характеристики определяются по первым гармоникам магнитной индукции и напряженности магнитного поля. Погрешности их определения при синусоидальной форме измеряемых сигналов обычно составляют около 3 %. При появлении высших гармоник в измеряемых сигналах погрешность определения магнитных характеристик существенно возрастает.

Ваттметрический метод является наиболее распространенным методом для измерения потерь на гистерезис при синусоидальном изменении во времени магнитной индукции. Он состоит в определении ваттметром мощности, поглощаемой в цепи катушки, используемой для перемагничивания испытуемого образца. Метод стандартизован для испытания электротехнических сталей.

Калориметрический метод является абсолютным методом измерения потерь в ферромагнитных материалах в широком частотном диапазоне при любых законах изменения напряженности магнитного поля и магнитной индукции. В данном методе мерой потерь на перемагничивание является температура испытуемого образца, определяемая с помощью калориметров.

Резонансный метод основан на сравнении индуктивности с исследуемым образцом и известной индуктивности посредством настройки измерительной схемы в резонанс или на определении индуктивности с образцом с помощью измерителя добротности (куметра).

Нейтронографический метод применяется для исследования магнитной структуры ферромагнитных и антиферромагнитных веществ. Он основан на явлении магнитного рассеяния нейтронов в результате взаимодействия магнитного момента нейтронов с магнитными моментами частиц вещества.