Измерение фазового сдвига

Фазовращатели

Фазовращателем называется устройство, с помощью которого вводится в электрическую цепь известный и регулируемый фазовый сдвиг. Конструкция фазовращателя зависит от диапазона рабочих частот, для которого он предназначен.

Низкочастотный RC-фазовращатель представляет собой неуравновешенный четырехплечий мост (рис. 11.7 a рис. 11.7). На плечи R₁ и R₂ равных сопротивлений подают входное напряжение U_вх.

Рис. 11.7. Низкочастотный RC-фазовращатель

Плечи R и С являются фазосдвигающими: напряжения U_R и U_C сдвинуты относительно друг друга на 90^o Сумма этих напряжений всегда равна входному напряжению. Сопротивление резистора R можно изменять от 0 до ; емкость конденсатора C постоянна. При изменении сопротивления R значения U_R и U_C меняются. На векторной диаграмме (рис. 11.7 б) рис. 11.7 показано взаимное расположение векторов напряжений в этой схеме. Выходное напряжение снимается с диагонали моста и его вектор при изменении сопротивления резистора R описывает полуокружность. Из рассмотрения векторной диаграммы следует, что , а . Таким образом, при изменении сопротивления резистора R от 0 до фазовый сдвиг меняется от 0^o до 180^o в режиме холостого хода фазовращателя, т. е. при .

Практически между нагрузкой и выходными зажимами фазовращателя включают эмиттерный или истоковый повторитель с конечным входным сопротивлением, и потому пределы изменения фазового сдвига составляют приблизительно .

Фазовращатель предназначен для работы на одной частоте; при переходе на другую частоту необходимо подключать соответствующий конденсатор С. Шкала неравномерная. Погрешность установки фазового сдвига максимальна при .

Индуктивный фазовращатель гониометрического типа состоит из двух одинаковых катушек индуктивности L₁, L₂ (статора), расположенных в пространстве перпендикулярно друг другу, и подвижной катушки L_n (ротора), расположенной внутри статора. Входное напряжение расщепляется на два, сдвинутых на 90^o, и по катушкам статора протекают синусоидальные токи с тем же фазовым сдвигом: и (рис. 11.8 рис. 11.8).

Рис. 11.8. Индуктивный фазовращатель

Внутри статора существует вращающееся магнитное поле, индуцирующее в роторе ЭДС

( 11.8)

где М – взаимные индуктивности катушек статора и ротора; –угол поворота ротора.

Конструкция гониометра выполняется строго симметричной, и потому и выходное напряжение

( 11.9)

Отсюда следует, что выходное напряжение постоянно и равно MI, а фазовый сдвиг между входным и выходным напряжениями совпадает с механическим углом поворота ротора относительно неподвижного статора в пределах . Практически, благодаря неполной симметрии, некоторой несинусоидальности входного напряжения, неточному расщеплению его со сдвигом на 90^o, выходное напряжение меняется в пределах 0,3–2 %, а фазовый сдвиг не совпадает с углом поворота ротора на 10–60'.

Индуктивные фазовращатели разделяются на низкочастотные, работающие в диапазоне 500–200 кГц, и высокочастотные, предназначенные для диапазона частот 100 кГц – 2,5 МГц.

Емкостный фазовращатель состоит из конденсатора переменной емкости особой конструкции и устройства для расщепления напряжения (рис. 11.9 рис. 11.9).

Рис. 11.9. Емкостный фазовращатель

Верхняя пластина 1 конденсатора разрезана на четыре сегмента, а нижняя 2 – сплошная круглая. Между ними помещен ротор 3 в форме диска, выполненного из диэлектрика с большой диэлектрической постоянной. Для того чтобы емкость в каждом секторе конденсатора изменялась по синусоидальному закону, ротор должен иметь форму кардиоиды, но для простоты изготовления ему придают форму диска и устанавливают эксцентрично: ось вращения смещена относительно центра конденсатора на 0,53 радиуса диска. Входное напряжение расщепляется на четыре напряжения с одинаковыми амплитудами и последовательно увеличивающимися на 90^o фазовыми сдвигами:

( 11.10)

Для такого расщепления напряжения на низких частотах применяют трансформаторы, а на высоких – электронные схемы. Эти напряжения подаются на сегменты; выходное напряжение снимается с нижней пластины. При повороте ротора изменяется емкость между нижней пластиной и соответствующим сегментом и в выходном напряжении появляется фазовый сдвиг, угол которого совпадает с углом поворота ротора в пределах . Амплитуда выходного напряжения постоянна при условии, что четыре напряжения равны по амплитудам и сдвинуты точно на 90^o; что их форма чисто синусоидальна; что сопротивление нагрузки стремится к бесконечности.

Диэлектрический фазовращатель состоит из отрезка прямоугольного волновода, внутри которого параллельно вектору Е электромагнитного поля помещена тонкая пластина из высококачественного диэлектрика. При ее перемещении от узкой стенки к центру волновода происходит концентрация поля в месте расположения пластины, что эквивалентно увеличению фазового сдвига. Микрометрический механизм перемещения градуируют в градусах фазового сдвига.

Поляризационный фазовращатель состоит из трех секций круглого волновода: две крайние секции неподвижны, и в них в одной плоскости помещены диэлектрические пластины длиною ; центральная секция с пластиной длиною может поворачиваться вокруг продольной оси на угол 180^o. На вход фазовращателя через переход от прямоугольного волновода к круглому поступает линейно-поляризованная волна. Проходя через первую секцию, она преобразуется в волну с круговой поляризацией. При прохождении волны вдоль полуволновой пластины направление вращения плоскости поляризации меняется на обратное. В выходной секции волна вновь преобразуется в линейно-поляризованную. Поворот полуволновой пластины на угол вызывает изменение фазового сдвига выходной волны на . Фазовращатель является взаимным устройством, поэтому если его закоротить, то волна, отраженная от короткозамыкателя, будет иметь удвоенный фазовый сдвиг по сравнению с волной, прошедшей через фазовращатель только в прямом направлении.

Шкала фазовращателя линейна. При точном микрометрическом механизме обеспечивается плавная установка фазового сдвига в пределах с погрешностью .

Ступенчатые фазовращатели для частот больше 1 МГц выполняются из отрезков коаксиального кабеля; для частот ниже 1 МГц – из звеньев искусственной линии задержки. Фазовращатели должны работать в режиме бегущей волны, т. е. на согласованную нагрузку. Фазовый сдвиг выходного напряжения определяется по формуле

( 11.11)

где L и С – индуктивность и емкость одного звена искусственной линии или параметры кабеля на метр его длины; n – число звеньев или длина кабеля в метрах; , f – частота сигнала, распространяющегося вдоль линии или кабеля.

Градуировка действительна для одной частоты, но ею можно пользоваться и на других частотах, так как фазовый сдвиг и частота пропорциональны друг другу. В фазовращателе, выполненном на искусственной линии, возможны погрешности фазового сдвига за счет собственной емкости катушек индуктивности и выходного напряжения за счет потерь. Большим достоинством таких фазовращателей является возможность плавного изменения фазового сдвига путем изменения тока подмагничивания катушек с ферромагнитными сердечниками.

Контрольные вопросы

1. Расскажите, как выполняется измерение фазового сдвига осциллографическим методом, способом линейной развертки.
2. В чем заключается преимущество компенсационного метода?
3. Расскажите, как работает фазометр с преобразованием фазового сдвига в импульсы тока.