Все методы измерения фазы

Осциллографические методы измерения фазы.

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

гармонического колебания U1= Um1sin(at+ ) (рис. 1) фаза определяется аргументом синусоидальной функции Ф=at+ , где — начальная фаза колебания.

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. 3600 или от -180° до +180° в широком диапазоне частот входных сигналов от 20 Гц до 20 ГГц.

Методы и средства измерения угла сдвига фаз.

Методы измерения угла сдвига фаз делят на осциллографические, компенсационные, сумарно-разностные и с преобразованием фазового сдвига во временной интервал.

Осциллографические методы измерения разового угла относятся к простейшим, обеспечивающим погрешность измерения в пределах 2. 5°. Фазовый сдвиг определяют по характеру и форме осциллограмм. К числу осциллографических методов относят метод линейной развертки, метод эллипса, метод круговой развертки и метод яркостных меток.

При методе линейной развертки на экране двухлучевого или двухканального осциллографа, наблюдают оба напряжения U1 и U2, как показано на рис.1. Измеряя отрезки ab и ad на осциллограмме, определяют фазовый сдвиг по формуле

При использовании метода эллипса на входы X и У электронного осциллографа подают исследуемые напряжения U1-U1sinat и Uy=U2sin(at+ )на экране осциллографа появляется изображение эллипса (рис.2), уравнение которого имеет вид

где А и В размеры эллипса по осям X и Y.

Из этих уравнений находим значение угла сдвига фаз

Приняв X = 0, получим Yо.= Bsin Аналогично при Y=0, получим Хo=Asin

Из этих уравнений находим значение угла сдвига фаз

Если перед началом измерений уравнять максимальные отклонения луча по осям X и Y , т.е. сделать А = В, то угол сдвига фаз можно определить по формуле

Угол сдвига фаз можно вычислить по длинам большой и малой осей эллипса

Угол сдвига фаз можно вычислить по длинам большой и малой осей эллипса

Другой способ измерения угла сдвига фаз сводится к вычислению площади эллипса. При обозначениях принятых на рис. 2, площадь эллипса Sэ= ab, а угол сдвига фаз

рассчитывают по формуле

где So=4AB — площадь прямоугольника, в который вписан эллипс.

К недостаткам метода эллипса относится сложность установления знака угла сдвига фаз. Установить знак фазового угла можно, если учесть, что при положительных углах луч, описывающий эллипс, вращается в одну сторону, а при отрицательных в другую.

Измерение угла сдвига фаз методом линейной развертки выполняют по схеме, изображенной на рис. 3. с помощью электронного, осциллографа С1-93.

Измеряется угол сдвига фаз, вносимый исследуемым четырехполюсником. Для этого напряжение, подводимое ко входу четырехполюсника, поступает на вход У2 электронного осциллографа С1-93, а напряжение с выхода четырехполюсника — на вход У1. В результате на экране осциллографа получают изображения двух напряжений, сдвинутых на некоторый угол, как показано на рис.1. Расчет угла сдвига фаз выполняют по формуле (1).

Для определения действительного значения угла сдвига фаз используют цифровой фазометр Ф2-16, входы А1 и Б1 подключают параллельно входам У1 и У2 электронного осциллографа С1-93.

При измерениях напряжение на выходе генератора, по результатам измерений угла сдвига фаз образцовым фазометром обр. и электронным осциллографом рассчитывают абсолютного погрешность измерений

Дата добавления: 2018-08-06 ; просмотров: 255 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

4.2 Измерение фазы

Существует много способов измерения разности фаз двух периодических сигналов. В силовой электронике для измерения разности фаз между пере­менными током и напряжением часто используется электродинамический прибор, состоящий из двух перпендикулярно расположенных подвижных катушек.

Для грубого определения разности фаз двух сигналов можно воспользо­ваться осциллографом. Если один сигнал подан на вертикальный вход (вход у), а другой -на горизонтальный вход (вход х), то на экране появляется фигура Лиссажу, имеющая форму эллипса, по которой можно определить разность фаз. Различие сдвигов по фазе во входных усилителях осциллографа приводит здесь к ошибке измерения. Однако это различие легко определить, подавая один и тот же сигнал на оба входа и вычитая затем эту величину из измеренной разности фаз.

С помощью осциллографа можно также определить разность фаз двух сигналов, выполнив измерение двух интервалов времени. Двухлучевой ос­циллограф позволяет нам измерять временной интервал t между момента ми пересечения нуля двумя сигналами. Если период сигнала Т известен, то мы можем определить разность фаз как ф = 2 t /T радиан.

Однако фазовые измерения с помощью осциллографа не очень точны. Для более точных из­мерений существуют другие методы.

На рис. 4.6 показан метод компенсации фазы. Блок А представляет собой фазовращатель, дающий точно известный сдвиг фазы. Сначала один и тот же сигнал (V1 или V2) подается на оба входа для того, чтобы с помощью регулировки в блоке В установить нуль на выходе системы. Затем на входы подаются два сигнала V1 и V2 между которыми мы хотим измерить разность фаз. Снова нуль-детектор устанавливается на нуль, но на этот раз с помо­щью подстройки только в фазовращателе А. Отсчет по шкале в блоке А дает разность фаз двух сигналов. Точность этого метода почти целиком зависит от точности, с которой известен сдвиг фазы в фазовращателе А. Этот метод обычно применяется в случае высокочастотных сигналов.

Значительно популярнее метод измерения разности фаз, основанный на преобразовании интервала времени в напряжение. В фазометре такого типа оба входных сигнала V1 и V2 с помощью компараторов преобразуются в прямоугольные колебания. На рис. 4.7 эти прямоугольные сигналы обозначе­ны как V’1 и V’2 . Временной интервал t между двумя положительными фрон­тами этих сигналов измеряется с помощью фазового детектора, в котором формируются импульсы с известной амплитудой Vp и той же самой дли­тельностью t. На выходе фильтра нижних частот получаем среднее значение этих импульсов Vavg . Если Т— период входных сигналов, то напряжение на выходе фильтра равно Vavg = Vp t /T .Поэтому фазовый угол ф = 2 t /T составляет:

Частотный диапазон этого метода измерения разности фаз со стороны низких частот ограничен фильтром нижних частот. Ограничение со стороны высоких частот зависит от быстродействия логических схем. Точность изме рения определяется точностью задания напряжения Vp, разностью задержек во входных блоках фазового детектора и погрешностью, с которой компара­торы реагируют на пересечение входными сигналами нуля.

Эта погрешность является результатом различия напряжений смещения у компараторов. При наличии смещения момент срабатывания компаратора зависит от скорости изменения входного сигнала.

В рассмотренном методе фактически измеряется время между моментами пересечения входными сигналами нуля. Следовательно, форма входного сиг­нала не будет оказывать влияния на результат измерения, если момент пе­ресечения нуля остается в одном и том же месте.

Часто мы хотим измерить разность фаз двух синусоидальных сигналов или, когда входные сигналы искажены, разность фаз двух первых гармоник. В общем случае из-за искажений возникают ошибки измерения, поскольку присутствие более высоких гармоник может изменить момент пересечения сигналом нулевого уровня или даже привести к появлению дополнительных пересечений нуля. Коэффициент гармонических искажений dn, вызванных n-ой гармоникой с амплитудой ап, определяется как:

(n=1,2,3……)

где a1 амплитуда первой гармоники. Если dn 1/n , то дополнительных пересечений нуля не появится. Это можно проверить графически. В практи­ческой ситуации следует полагать, что допустимый уровень искажений не настолько велик, чтобы возникали дополнительные пересечения нуля. В про­тивном случае ошибки измерения были бы чрезмерно велики.

Если искажения меньше указанных, то это, как правило, вызовет сдвиг момента пересечения нуля по отношению к моменту пересечения нуля пер­вой гармоникой. Только в том случае, когда гармоника находится в фазе или

в противофазе с первой гармоникой, этого не произойдет. Если гармоники имеют различные фазы, то необходимо отдельно рассмотреть влияние чет­ных и нечетных гармоник. Четные гармоники вызовут сдвиги моментов пе­ресечения нуля на нарастающем и на спадающем отрезках сигнала в проти­воположных направлениях, в то время как нечетные гармоники будут вызы­вать сдвиги в одном и том же направлении. Следовательно, можно компен­сировать сдвиг, вызванный искажениями из-за четных гармоник, но этого нельзя сделать при искажениях, связанных с наличием нечетных гармоник. В случае искажения четными гармониками разность фаз двух сигналов опре­деляется сначала по моментам пересечения ими нуля снизу вверх, а затем по моментам пересечения ими нуля сверху вниз. Компенсация достигается путем вычисления среднего значения по результатам этих двух измерений. Это легко осуществить, переключая фазовый детектор, изображенный на рис. 4.7(а), на срабатывание от обоих положительных или отрицательных фронтов прямоугольных колебаний V’1 и V’2 , при этом во втором случае формируются импульсы, изображенные пунктиром на рис. 4.7(b).

Можно показать, что максимальная ошибка  при измерении разности фаз ф, вызванная смещением момента прохождения через нуль из-за иска­жения нечетной гармоникой, равна:

Это выражение применимо также для определения максимальной ошиб­ки измерения при искажении четной гармоникой, если не применяется упомянутая выше компенсация.

Если сигнал искажен третьей гармоникой и коэффициент искажения равен 1%, то максимальная ошибка при измерении фазы составит 10 — 2 радиан или 0,57 градуса.

Частотный диапазон электронных фазометров такого типа простирается приблизительно от 10 Гц до 5 МГц с погрешностью ± 0,05 градуса на частоте 50 кГц и  3 градуса во всем частотном диапазоне.

Если входные сигналы искажены шумом, то определение разности фаз по моментам прохождения через нуль затруднено и результат измерения также будет содержать случайные ошибки. Предполагая, что в среднем шум сдви­гает момент пересечения нуля как вперед, так и назад, влияние шума на результат измерения можно уменьшить, беря среднее значение по большо­му числу измерений. Влияние шума тем меньше, чем больше скорость пере­сечения сигналом нулевого уровня. Следовательно, сигналы прямоугольной формы являются идеальными для измерения разности фаз.

Источник

6.3 Цифровые методы измерения фазы

Наибольшее распространение получили цифровые фазометры.Это объясняется как общим прогрессом цифровой техники, так и тем, что цифровые приборы проще включать в различные автоматические измерительные системы.

Цифровые фазометры измеряют либо мгновенную, либо среднюю фазу. Мгновенную фазу измеряют за один период, среднюю — за время измерения большее чем период.

6.3.1. Структура фазометра для измерения мгновенной фазы.

Основные эпюры, поясняющие работу показаны на рис.6.10.

На рисунке 6.9 и 6.10. обозначено:

Fсч – генератор импульсов (счетных) частота которыхFсч;

Вх 1 и Вх2– входные устройства, на вход которых подаются синусоидальные сигналы, сдвиг фаз между которыми нужно измерить;

Ф1иФ2– формирователи, которые формируют короткие импульсы в момент перехода через нулевой уровень синусоидального сигнала;

Тр1иТр2– времязадающие триггеры. На выходе Тр1 формируется строб, длительности Δt, а на Тр2 длительностью Т.

ВС– временной селектор, на выход которого будут проходить счетные импульсы, пока на его втором входе присутствует строб;

Сч1иСч2– двоичные счетчики, подсчитывающие (в двоичном коде) поступившие на вход счетные импульсы. Счетчик Сч2 подсчитывает импульсы только за время разрешающего строба с Тр2, длительность которого равна периоду измеряемого напряжения.

Дел– делитель, на выходе которого образуется частное от деления числа, полученного на первом счетчике (n), на число второго счетчика (N). Здесь же осуществляется умножение частного от деления на 360 (или 2π);

ПК– преобразователь двоичного кода в десятичный, который отображается на цифровом индикаторе (ЦИ).

На выходе первого счетчика будет число ; на выходе второго. На входе преобразователя кода будет число:. (6.1)

6.3.2. Структура фазометра для измерения средней фазы

Основные эпюры, поясняющие работу, показаны на рисунке 6.12.

Обозначения и функции блоков аналогичны предыдущей схеме (рис.6.9), за исключением делителя, который уменьшает частоту счетных импульсов в Qраз.

На выходе счетчика будет число N=nk, где— число периодов сигнала за время измерения Ти;как и в предыдущем случае, т.е.

(6.2)

Если установить (а это возможно, т.к. и Ти и Тсчне измеряются, а устанавливаются оператором), то результат будет прямым отсчетом измеряемой фазы:

(6.3)

Рассмотрим важнейшую метрологическую характеристику цифрового фазометра – разрешающую способность, т.е. возможность измерить минимальный сдвиг фазы .

Так как360, тобудет определяться, которое может «заметить» счетчик. Вспомнив как измеряется период в цифровом частотомере, ясно что=, а значит

=360. (6.4)

Таким образом, увеличивая частоту счетных импульсов, можно повысить разрешающую способность цифрового фазометра. Но из выражения (7.9) видно, что разрешающая способность зависит и от частоты сигнала, на которой измеряется фазовый сдвиг.

Поясним это рисунком 6.13.

Из рис. 6.13 видно, что при большем периоде Т1(т.е. при более низкой частоте), фазе в 360 градусов соответствует больший интервал времени, т.о. в больший интервал «поместится» больше счетных импульсов, а значит цена одного импульса будет меньше. Чем меньше цена одного импульса, а фазометр измеряет с точностью до одного импульса, тем, следовательно, выше будет разрешающая способность.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Источник

Как измерить сопротивление петли фаза-ноль?

Надежность работы электрических сетей TN с классом напряжения до 1 кВ во многом зависит от параметров срабатывания защитного оборудования, отключающего аварийный участок при образовании сверхтоков. Существует несколько методик, позволяющих проверить надежность срабатывания автоматов защиты, сегодня мы подробно рассмотрим одну из них — измерение сопротивления петли «фаза-ноль». Для лучшего понимания процесса начнем с краткого описания терминологии, после чего перейдем к методике электрических испытаний при помощи специального устройства MZC-300.

Что подразумевается под цепью «фаза-ноль»?

В системах с глухозаземленной нейтралью (подробно о них можно прочитать в статье https://www.asutpp.ru/programmy-dlja-cherchenija-jelektricheskih-shem.html) при контакте одной из фаз с рабочим нулем или защитным проводником РЕ, образуется петля фаза-ноль, характерная для однофазного КЗ.

Как и любая электроцепь, она имеет внутреннее сопротивление, расчет которого позволяет определить остальные значащие параметры, в частности, ток КЗ. К сожалению, самостоятельный расчет сопротивления такой цепи связан с определенными трудностями, вызванными необходимостью учета многих составляющих, например:

  • Суммарная величина всех переходных сопротивлений петли, возникающих в АВ, предохранителях, коммутационном оборудовании и т.д.
  • Движение электротока при нештатном режиме. Петля может образоваться как с рабочим нулем, так и заземленными конструкциями здания.

Учесть в расчетах все перечисленные составляющие на практике не реально, именно поэтому возникает необходимость в электрических измерениях. Спецоборудование позволяет получить необходимые параметры автоматически.

Необходимость в измерениях

Замер сопротивления петли проводится в следующих случаях:

  • При вводе в эксплуатацию, после ремонта, модернизации или переоборудовании установок.
  • Требование со стороны служб различных служб контроля, например Облэнерго, Ростехнадзор и т.д.
  • По заявлению потребителя.

В ходе электрических замеров устанавливаются определенные параметры петли Ф-Н, а именно:

  • Общее сопротивление цепи, которое включает в себя:

электросопротивление трансформатора на подстанции;

аналогичный параметр линейного проводника и рабочего нуля;

образующиеся в коммутационном оборудовании многочисленные переходные сопротивления, например в защитных устройствах (АВ, УЗО, диффавтоматах), пускателях, ручных коммутаторах и т.д. Также влияние оказывает сечение проводников, изоляция кабелей, заземление нейтрали трансформатора, параметры УЗО или другой защиты электроустановок.

    Ток КЗ (IКЗ). В принципе, его можно рассчитать, используя формулу: IКЗ = UН /ZП , где UН – номинальный уровень напряжения в электросети, а ZП – общее сопротивление петли. Учитывая, что защитные устройства при КЗ должны автоматически отключать питание согласно установленным временным нормам, то необходимо выполнение следующего условия: ZП*IABРасположение основных элементов прибора MZC-300

Обозначения:

  1. Информационный дисплей. Полное описание его полей можно найти в руководстве по эксплуатации.
  2. Кнопка «Старт». Запускает следующие процессы измерений:
  • ZП, напомним, это общее сопротивление цепи Ф-Н.
  • IКЗ – ожидаемый ток КЗ.
  • Активного сопротивления, необходимо для калибровки прибора.

Старт каждого измерения сопровождается характерным звуковым сигналом.

  1. Кнопка «SEL». Служит для последовательного вывода на информационный дисплей всех характеристик петли, полученных в результате последнего замера. В частности отображается следующая информация:
  • Параметры ZП.
  • Ожидаемый IКЗ.
  • Уровень активного и реактивного сопротивления (R и Х).
  • Фазный угол ϕ.
  1. Кнопка «Z/I». По окончании испытаний переключает на дисплее отображение характеристик между ожидаемым IКЗ и ZП.
  2. Кнопка отключения/включения измерительного устройства. Если при запуске прибора одновременно с данной кнопкой нажать «SEL», то измеритель перейдет в режим автокалибровки. Его подробное описание можно найти в руководстве пользования.
  3. Разъем для подключения щупа, контактирующего с рабочим нулем, проводником РЕ или, PEN. Соответствующее обозначение нанесено на корпус прибора.
  4. Разъем щупа, подключаемого к одному из фазных проводов. Как правило, помечен литерой «L».
  5. Как и разъем i, в отличии от гнезд для измерительных проводов, используется только в режиме автоматической калибровки. На корпусе прибора обозначаются как «К1» и «К2».

Подготовительный этап

Практически все методы измерений цепи «фаза-ноль» не позволяют получить точную информацию о таких характеристиках, как ZП и IКЗ. Это связано с тем, что векторная природа напряжения не принимается во внимание. Проще говоря, учитываются упрощенные условия при коротком замыкании. В процессе испытания электроустановок такая приближенность допускается только в тех случаях, когда уровень реактивного сопротивления не имеет существенного влияния.

Перед тем, как приступить к измерению характеристик петли «Ф-Н», предварительно следует провести ряд предварительных испытаний. В частности, проверить непрерывность и уровень сопротивления защитных линий. После этого измерить сопротивление между контуром заземления и основными металлическими элементами конструкции здания.

Методика измерений с использованием MZC-300

Прежде, чем переходить непосредственно к испытаниям, кратко расскажем о принятом порядке, он включает в себя:

  • Соблюдение определенных условий, обеспечивающих необходимую точность.
  • Выбор способа подключения устройства.
  • Получение информации о напряжении сети.
  • Измерение основных характеристик петли «Ф-Н».
  • Считывание полученной информации.

Рассмотрим каждый из перечисленных выше этапов.

Соблюдение определенных условий

Следует принять во внимания некоторые особенности работы измерителя:

  • Устройство не допустит проведение испытаний, если номинальное напряжение сети превысит максимальное значение (250В). Превышение диапазона измерения (250,0 В) приведет к тому, что на экране прибора отобразится предупреждение «OFL» сопровождаемое продолжительным звучанием зуммера. В этом случае прибор следует выключить и отключить от измеряемой петли.
  • При обрыве нулевых или защитных проводников на экране устройства будет высвечиваться ошибка в виде символа «—», сопровождаемая длительным сигналом зуммера.
  • Уровень напряжения в измеряемой петле недостаточное для испытаний, как правило, если ниже 180,0 вольт. В таком случае экран выдаст ошибку с символом «U», сопровождаемую двумя сигналами зуммера.
  • Срабатывание термической блокировки прибора. При этом на экране высвечивается символ «Т», а зуммер выдает два продолжительных сигнала.

Выбор способа подключения устройства

Рассмотрим несколько вариантов электрических схем подключения прибора для проведения испытаний:

  1. Снятие характеристик с петли «Ф-Н», в примере, приведенном на рисунке измеряются параметры в цепи С-N. Испытание петли С-N
  2. Измерение в петле между одной из фаз и проводником РЕ. Испытание петли С-РЕ
  3. Измерения в цепях ТТ.

Подключение прибора в цепях с защитным заземлением

  1. Для проверки надежности заземления электрооборудования применяется способ подключения, приведенный ниже.

Испытание надежности заземления корпусов электрооборудования

Важно! Вне зависимости способа подключения прибора необходимо убедиться в надежности соединения проводов.

Получение информации о напряжении сети

Рассматриваемый нами прибор позволяет измерить UH в пределах диапазона от 0 до 250,0 вольт. Фазное напряжение отображается на дисплее прибора сразу после нажатия кнопки включения или по истечении пяти секунд, после проведения испытаний (если не было произведено нажатие управляющих кнопок, отвечающих за отображение результатов на экране).

Измерение основных характеристик петли «Ф-Н»

Методика измерения ZП в петле, применяемая в модельном ряде MZC основана на создании искусственного КЗ с использованием ограничивающего сопротивления (10,0 Ом), понижающего величину IКЗ. После испытаний микропроцессор прибора производит расчет ZП, выделяя реактивные и активные составляющие. Процедура измерения не превышает 30,0 мс.

Характерно, что прибор автоматически выбирает нужный диапазон для измерения ZП. При нажатии кнопки «Z/I» на дисплей поочередно выводятся такие основные характеристики петли, как ожидаемый ток КЗ (IКЗ) и общее сопротивление (ZП).

Следует учитывать, что при вычислениях микропроцессор устанавливает величину UH на уровне 220,0 вольт, в то время, как текущее номинальное напряжение может отличаться от расчетного. Поэтому для увеличения точности замеров электрической цепи следует вносить поправку. Например, при действительном UH, равном 240,0 В, поправка для снижения погрешности прибора будет равна 1,09 (то есть необходимо 240 разделить 220).

Процесс измерения характеристик петли запускается кнопкой «Старт».

Важно! Испытания, проводимые при помощи приборов модельного ряда MZC, практически гарантированно приводят к срабатыванию УЗО. Чтобы избежать этого, необходимо предварительно зашунтировать устройства защитного отключения. После проведения измерений не забудьте снять шунт с УЗО.

Считывание полученной информации

Как уже упоминалось выше, испытания начинаются после нажатия кнопки «Старт». После завершения измерений, на экране отображаются характеристики петли «Ф-Н», в зависимости от установленных настроек. Перебор отображаемой на дисплее информации осуществляется при помощи кнопок «SEL» и «Z/I».

Следует учитывать, что прибор MZC-300 отображает только результаты последнего измерения. Если необходимо хранение в электронной памяти результатов всех испытаний потребуется устройство с расширенными возможностями, например прибор MZC-303E.

Устройство MZC-303E для измерения характеристик петли «Ф-Н»

Такое устройство позволяет не только хранить информацию обо всех измерениях в электронной памяти, но и при необходимости переносить ее на компьютер, при помощи интерфейса USB.

Меры безопасности при измерении петли «Ф-Н»

Согласно требованиям ПУЭ и норм ПТБ испытания должны проводиться подготовленными сотрудниками электролабораторий. Для проведения данных работ необходимо распоряжение или наряд-допуск, выданный работником, обладающим данным правом.

Испытания могут проводить лица, чей возраст не менее 18 лет, прошедшие соответствующее обучение и проверку знаний ПТБ. Бригада электролаборатории должна быть обеспечена соответствующим инструментом, а также всеми необходимыми средствами индивидуальной защиты.

Бригада должна включать в себя, как минимум, двух работников с третьей группой электробезопасности.

Испытания запрещается проводить в помещениях повышенной опасности, а также, если имеет место высокая влажность.

По завершению процесса испытаний результаты вносятся в специальные протоколы испытаний (проверки).

Источник

Поделиться с друзьями
Моя стройка
Adblock
detector