Устройство для измерения фазы колебаний

Техническое решение относится к электрорадиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения фазового сдвига между гармоническими колебаниями в области низких частот.
Известны фазометры прямого преобразования мгновенного значения фазового сдвига и периодического сравнения для измерения среднего значения сдвига фаз [Патент РФ №2024028, G01R 25/00, 1994 г. ]. Устройство содержит формирователи, RS-триггер, источник опорного напряжения, цифровые аналоговые преобразователи, операционные усилители, времязадающие резисторы, конденсатор интегратора, электронные ключи, оперативные запоминающие устройства, генератор счетных импульсов, временные селекторы, счетчики импульсов, блок управления, в состав которого входят JK-триггер, С-триггер, RS-триггеры, элемент И - НЕ, элемент И, дифференцирующие цепочки.
Недостатком фазометров мгновенного значения фазового сдвига является необходимость измерения частоты сигналов, а фазометров среднего значения фазового сдвига при измерении на очень низких частотах - недопустимо большое время измерения.
Известен цифровой измеритель фазового сдвига, содержащий формирующий узел, первую и вторую логические элементы, первый и второй реверсивный счетчик, генератор образцового напряжения, узел управления, генератор импульсов и микропроцессорный вычислительный блок, причем вход формирующего узла подключен ко входу измеряемого сигнала, а выход к первым входам первого и второго логических элементов, выходы генератора образцового напряжения подключены ко вторым входам логических элементов и к первому входу узла управления, выход которого подключен к управляющему входу микропроцессорного вычислительного блока, выходы логических элементов подключены к управляющим входам реверсивных счетчиков, выходы которых подключены к информационным входам микропроцессорного вычислительного блока, выходы генератора импульсов подключены к счетным входам реверсивных счетчиков к узлу управления [Цифровая фазометрия. М., Радио и связь, 1993, с. 130.].
Недостатком этого цифрового измерителя фазового сдвига является низкая точность.
Как показано в книге [Цифровая фазометрия. М., Радио и связь, 1993, с. 116] в цифровых измерителях фазового сдвига систематическая погрешность может достигать 4,07°. Другим недостатком этого измерителя фазового сдвига является сложность выполнения схемных решений, связанной с применением многоразрядных реверсивных счетчиков, что ограничивает возможности данного цифрового измерителя фазового сдвига.
Известен также цифровой измеритель фазового сдвига [Патент РФ №2089920, G01R 25/04, 1997].
Указанный цифровой измеритель имеет большое количество реверсивных счетчиков.
Известен также цифровой измеритель фазового сдвига [Цифровая фазометрия. М., Радио и связь, 1993, с. 143]. Этот цифровой измеритель фазового сдвига более прост в реализации, имеет высокую точность и помехоустойчивость, но ему присущ существенный недостаток - ограниченный сверх частотный диапазон измеряемого сигнала, что связано с невысоким быстродействием аналого-цифровых преобразователей. Так при быстродействии аналого-цифровых преобразователей порядка 1 мкс и числе точек дискретизации за период сигнала, равном десяти, верхняя рабочая частота этого цифрового измерителя фазового сдвига составит 100 кГц. Это существенно ограничивает возможности этого цифрового измерителя фазового сдвига, так как имеется необходимость увеличения частотного диапазона до десятков МГц.
1
2
0
Наиболее близким техническим решением к заявленному по большему количеству сходных технических признаков является устройство выборки-хранения [Патент РФ №2103698, 1998 г.], информационный вход которого соединен с первым входом устройства, блок деления, тригонометрический преобразователь, формирователь управляющих импульсов, пиковый детектор, блок определения соотношения фаз для определения знака разности фаз двух гармонических сигналов, блок определения синфазности, усилитель с регулируемым коэффициентом передачи и управляемый сумматор с соответствующими связями. В устройстве измеряют два мгновенных значения одного из сигналов в определенные моменты времени - в момент t, когда первый сигнал достигает своего экстремума и в момент t, когда второй сигнал достигает своего экстремума, а значение сдвига фаз ϕ определяют с использованием фазовых соотношений исследуемых сигналов.
1
2
Измерения мгновенных значений сигналов в различные моменты времени t и t ограничивают быстродействие устройства и снижается точность определения фазового сдвига.
Недостатком этого цифрового измерителя фазового сдвига является сложность выполнения цифрового формирователя сигнала, необходимость опорного сигнала и микропроцессорный вычислительный блок на входе которого подключены накапливающие сумматоры, сложность математической модели и алгоритма для формирования фазового сдвига.
В основу технического решения поставлена задача создания высокоточного и помехоустойчивого измерителя фазового сдвига в расширенном диапазоне частот путем аналого-цифрового преобразователя и перемножителей узлов, имеющих ограниченное быстродействие.
Целью технического решения является повышение точности измерения.
Подключение генерирующих энергосистем к общей энергосистеме должно обеспечиваться выполнением ряда нормативных условий для обеспечения требуемых согласно ГОСТа значений подключаемых энергоустановок. Эти требования предъявляются и к энергосистемам возобновляемой энергетики при работе на общую сеть. Согласно предъявленным требованиям по качеству электроэнергии должны выполняться условия по напряжению, частоте и фазе. Невыполнение этих энергетических параметров может привести к возникновению несинусоидальности напряжений и токов, возникновению амплитудно-частотных и фазо-частотных модулированных колебаний в электрической сети, к биениям.
С целью контроля фазы генерируемых напряжений энергоустановками, работающими на общую электрическую сеть разработано устройство для определения фазы колебаний с представлением измеряемой величины в цифровой форме и отображением на экране индикатора.
Поставленная задача решается тем, что устройство для измерения фазы колебаний, включающее формирователь управляющих импульсов, содержит два канала, каждый из которых включает последовательно соединенные двухсторонний ограничитель напряжений канала, усилитель и компаратор, формирователь импульсов, делитель, обостритель фронта, соединенный с формирователем первого канала и сумматором, соединенным с генератором счетных импульсов, соединенным с пересчетной схемой первого канала и вторым генератором счетных импульсов, соединенным последовательно с шифратором, дешифратором и жидкокристаллическим индикатором, а делитель второго канала соединен через генератор счетных импульсов с пересчетной схемой второго канала и вторым генератором счетных импульсов, и кварцевым генератором, соединенным с пересчетной схемой второго канала.
На фиг. 1. представлена функциональная блок-схема устройства.
1
2
На фиг. 2 представлены принципиальная схема устройства сравнения по фазе напряжения U и U.
На фиг. 3, 4, 5 представлена периодическая последовательность коротких импульсов.
На фиг. 6 показаны сигналы управления пересчетной схемой прибора.
На фиг. 7, 8 представлены импульсы схемы выделения временного интервала.
На фиг. 7 показан т интервал времени.
На фиг. 9 показаны импульсы с контактов элементов схемы регистрации значения и угла фазы.
1
2
Устройство содержит 1, 2 - двухсторонние ограничители напряжений первого и второго каналов U U; 3, 4 - усилители и компаратора I и II каналов; 5, 6 - формирователи импульсов I и II каналов; 7, 8 - делители; 9 - обостритель фронта; 10 - сумматор; 11 - генератор счетных импульсов; 12 - кварцевый генератор; 13, 14 - пересчетные схемы; 15 - генератор счетных импульсов; 16 - шифратор; 17 - дешифратор; 18 - жидкокристаллический индикатор.
1
0
2
0
Переменное синусоидальное напряжение U подается на вход устройства. Принимаем за начало отсчета фазы ϕ=0. Переменное синусоидальное напряжение U, которое подается на второй вход, сравнивается по фазе с фазой ϕ. Знак и значение в результате сравнения отображается на жидкокристаллическом индикаторе типа ИЖКЦ2-6/17. Частота синусоидального напряжения выбрана ƒ=50 Гц. Конкретная частота для замера разности фаз необходима для расчета частоты счетных импульсов пересчетной схемой.
1
Т
При частоте 50 Гц период равен 20 мс. Для того, чтобы результат был в градусах и минутах рассчитаем частоту следования счетных импульсов. 360° составляет 20 мс, или 21600' (360°⋅60') - 20 мс, следовательно период счетных импульсов равен 20000 мс:21600=0,925925 мс, откуда ƒ=/ или 1000000:0,925925=1,08 МГц.
Устройство для измерения фазы колебаний и отображения значения на индикаторе состоит в целом из двух параллельных каналов преобразования и обработки сигналов, измеряемого и действительного значений напряжения. При фазовых сдвигах напряжения измеряемой величины обработка осуществляется с помощью следующих преобразователей и блоков:
- двухсторонние ограничители напряжений 1,2;
- усилители с компараторами 3,4;
- формирователи импульсов 5,6;
- делителей на четыре периода для выделения одного периода 7,8;
- генераторов счетных импульсов 11, 15;
- шифраторов и дешифраторов 16, 17;
- пересчетных схем 13, 14;
- индикатора для цифрового отображения сигнала 18.
Принцип действия устройства.
x
х
1
2
х
Для измерения сдвига фаз ϕ между синусоидальными напряжениями одинаковой частоты произведем методом преобразования величины ϕ во временной интервал. Сравниваемые по фазе напряжения U и U (фиг. 2) преобразовываем в периодическую последовательность коротких импульсов (фиг. 3 , 4, 5), интервал времени τ (фиг. 6) между импульсами связан с ϕ отношением
где Т - период изменения напряжений.
Устройство работает следующим образом.
1
2
1
2
1
m
1
2
2
m
2
2
x
1
2
1
1
2
18
2
9
3
21
4
Напряжения U и U [фиг. 2] поступают на два канала формирователя импульсов 5, 6, формирующих короткие импульсы в момент перехода напряжений U и U через нуль из отрицательных значений в положительные. Напряжение U[U=U sin(ωt+ϕ)] примем за исходную с опорной частотой, то есть за точку отсчета, относительно которой измеряется сдвиг по фазе. Напряжение U[U=U sin(ωt+ϕ)] со сдвигом фазы ϕ. Сдвиг по фазе между напряжениями ϕ=ϕ-ϕ. Если примем за опорное напряжение U, то ϕ=0. Таким образом определяем сдвиг фазы ϕ с отображением информации в цифровой форме на жидкокристаллическом индикаторе 18. Эти напряжения поступают каждый по своему каналу на двухсторонние ограничители 1, 2. Затем через усилитель и компаратор напряжения 3, 4, преобразованные в импульсы подаются на формирователи импульсов 5, 6 (DD2-1). Сигнал с неинвертирующего выхода (к. 1 DD21) через DD4-1 поступает на обостритель фронта 9 (DD5-1, DD5-2, R, С, DD1-2, DD1-3, R, С). Сигнал с инверного выхода DD2-1 подается на делители 7, 8 на 4 периода для выделения одного периода (DD3-4, DD4-1). Далее сигналы поступают на сумматор 10 (DD54-4, DD11-1, DD7-4, DD6-3). По второму каналу на элементах DD6-1, DD6-2, R, С и триггере DD9-1 выполнен генератор счетных импульсов 11 (ГСИ). На элементах DD10-1, DD10-2 выделяют временной интервал, пропорциональный разности фаз.
Знак фазы формируется на DD9-2. С неинверного выхода DD9-1 сигнал поступает на микросхему DD6-3, в котором временной интервал заполняется счетными импульсами. Далее сигналы поступают на пересчетные схемы DD12-DD14.
5
6
24
25
На элементах DD18-DD22 выходы подключены к контактам жидкокристаллического индикатора (ЖКИ). Обеспечение работы ЖКИ с частотой ƒ=от 50 до 100 Гц осуществляется элементами DD8-3, DD8-4, С, С, R, R.
21
4
4
21
4
1
1
1
2
0
Генератор счетных импульсов 15 (фиг. 1) собран на DD8-1; DD8-2; (фиг. 2) DD9-1 кварцевый резонатор 12 частотой 2,16 МГц, R, С. Кварцевый резонатор 12 включен по схеме последовательного резонанса в цепи обратной связи. Конденсатор С служит для подстройки частоты в небольших пределах. Для формирования из импульсов генератора 15 (DD8-1, DD8-2, R, С, 2,16 МГц) меандра служит D триггер, включенный в режиме деления напряжения, поступающего на вход U, ограниченного двухсторонним ограничителем до уровня 0,7 В, резистором R и диодами VD, VD, что ограничивает любое входное напряжение до уровня 0,7 В и защищает вход микросхемы DA1-1 от перегрузки по напряжению. На этой микросхеме (DA1-1) собран усилитель 3 входного сигнала напряжения U1 с фазой ϕ. Коэффициент усиления усилителя на DA1-1 равен 51. На микросхеме DA1-2 собран компаратор 4.
7
8
3
Так как DA1-1 и DA1-2 включены в инвертирующем режиме, фаза входного сигнала на выходе DA1-2 совпадает. Для того, чтобы устранить влияние переходного процесса, присутствующее при переключении компаратора 4, служит формирователь импульсов DD1-1; DD2-1; R; R; VD. Данный формирователь осуществляет также согласование выхода микросхемы DA1-2 амплитудой 20 В со входом логики 10 В.
Положительный фронт на входе 6 микросхемы DD2-1 устанавливает «единицу» на выходе 1 DD2-1. DD1-1 выполняет роль инвертора и если на входе DD1-1 отрицательный фронт, то на выходе 3 положительный, который устанавливает по входу 4 DD2-1 на выходе 1 нулевое значение, повторяя сигнал выхода DA1-2, но по уровню логики и отсутствие переходных процессов. Импульсы на выходе перечисленных микросхем показаны на фиг. 3.
На микросхеме DD3 собран делитель на 4. Это необходимо для выделения одного из четырех периодов. Этот один из четырех периодов выделяется на микросхеме DD4-1. Диаграмма импульсов этой операции показана на фиг. 4.
18
2
9
1
На микросхемах DD5-1; DD5-2; R; С осуществляется выделение положительного фронта, то есть точка отсчета (180°), которая будет исходной точкой отсчета. Инвертор DD5-3 обеспечивает работу DD10-1; DD10-2, которые выделяют временной интервал, пропорциональный углу разности фаз. Схема DD1-2; DD1-3; R; Cвыделяет отрицательный фронт (фиг. 5).
Схема DD6-1, DD6-2 формирует сигналы «запись» контакт 9 (к 9) DD6-1 и установка «0» счетчика (фиг. 6). Эти сигналы управляют пересчетной схемой прибора.
2
1
1
22
3
Входное устройство по каналу напряжения U собрано на микросхеме DA2 - усилитель и компаратор, аналогично каналу U. Обработка сигнала также аналогична каналу U. Один период выделяется на контакте 6 микросхемы DD4-2. На элементах DD7-1; DD7-2; R; С выделяется передний фронт второй фазы. Этот сигнал инвертируется на DD7-3 и поступает на DD10. На микросхеме DD10 происходит выделение точки формирования временного интервала. Разница лишь в том, что один период инвертируется на микросхеме DD17 и контакт 11. На фигурах 7 и 8 показана работа схемы выделения временного интервала.
2
1
2
1
На фиг. 7 показаны импульсы, когда фаза напряжения U опережает фазу напряжения U. На фиг. 8 показаны импульсы, когда фазе напряжения U отстает от фазы напряжения U.
+
-
+
-
Элементы DD10 включены в режиме RS-триггера. На элементе DD7-4 происходит суммирование значений положительной ϕи отрицательной ϕ значений фазы. На элементе DD6-3 схемы временной интервал ϕили ϕ заполняется счетными импульсами и поступает на вход пересчетной схемы.
-
+
-
+
Схема определения знака фазы ϕ или ϕсобрана на элементах DD11-1 (ϕ) и DD11-2 (ϕ) DD9-2. Индикация знака угла ϕ собрана на DD11-4. Работа схемы определения знака угла и значения поясняется на фиг. 9, на которой показаны импульсы с контактов элементов схемы регистрации значения и угла фазы.
-
Микросхема DD9-2 включена в режиме RS-триггера. Если знак фазы отрицательный (ϕ) на входе «S» DD9-2 положительный фронт, который переводит DD9-2 в «единичное» состояние, то есть на выходе - контакт 13 DD9-2 «1», и, наоборот, то есть, положительный фронт на контакте 9 DD9-2 устанавливается в «0» состояние.
Вспомогательный генератор на DD8-3 и DD8-4 обеспечивает работу индикатора на жидкокристаллических элементах, выбранного типа ИЖКЦ 2 - 6/17. Частота генератора, равное 50 Гц, выбирается подбором конденсаторов попарно.
Пересчетные схемы на элементах DD12; DD15 обеспечивают деление на 60; DD13; DD14; DD16; DD17 обеспечивают деление на 360, что обеспечивает точность единицы младшего разряда.
Микросхемы DD18÷DD22 с внутренней буферной памятью обеспечивают работу индикатора ИЖКЦ 2-6/17.
Устройство обеспечивает определения фазы колебаний двух напряжений.