Способ измерения модуля и фазового угла векторных величин

 

ч

О П И С А Н И Е >525027

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Реслублик (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 02.12.74 (21) 2081147, 21 (51) М.Кл. - 6 01 R 17/00

Ci 01 R 25/00 с присоединением заявки—

Государственный комитет

Совета Министров СССР ло делам изобретений и открытий (23) Приоритет— (43) Опубликовано 15.08.76. Бюллетень X 30 (45) Дата опубликования описания 15.09.76 (53) УДК 621.317.77 (088.8) (72) Авторы изобретения

В. Н. Карандеев и А. И. Новик

Институт электродинамики АН Украинской ССР (71) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МОДУЛЯ И ФАЗОВОГО

УГЛА ВЕКТОРНЫХ ВЕЛИЧИН

Изобретение относится к области электроизмерительной техники. Оно предназначено для использования в автоматических экстремальных мостах и компенсаторах перемечного тока в тех случаях, когда необходимо измерять модуль и фазовый угол пассивной или акт,)вной векторной величины.

Известен способ измерения модуля и фазового угла векторных величин, соде ржащий ура вновешивалие по модулю и фазе эксгремалыной системой, регулирующие воздействия в которой создаются путем параметрической модуляции.

Основным недостатком известного способа является узкий диапазон измеряемых величин, ограниченный одним квадрантом, так как если векторы компенсирующего и измеряемого напряжений находятся в разных квадрантах, то начальная регулировка по амплитуде дает минимум разностного напряжения при нулевом значении вектора компенсирующего напряжения и процесс уравновешивания в некоторых случаях может оказаться несходящимся.

Целью настоящего изобретения является расши рение рабочего диапазона измеряемых величин и повышение быстродействия, так как при неравенстве фазовых углов невозможно добиться, равенства за одну регулировку.

Цель изобретения достигается тем, что при уравновешива:-ив по модулю производят синхронную противофазную амплитудную модуляцию сравниваемых векторных величин с одинаковыми коэффициентами модуляции и регулируют амплитуду одной из величин до тех пор, пока амплитуда огибающей снг:iaëa неравновесия, представляющего собой разность сравниваемых векторных величин, не сталет равной нулю.

На фиг. 1 дана векторная диаграмма; на фиг. 2 показан пример реализации изобретепля.

Рассмотрим способ измерения модуля ll фазового угла векторных величин (фиг. 1).

Обозначим измеряемый вектор А,, компенсирующий вектор А„, а угол между ними р.

Амплитудный индикатор нера вловесия фиксирует модуль вектора геометрической разцостн

2п сравни ваемых векторов А,. и А „, величина которого paia»a длине вектора, соединяющего

Ф ко шы вектороз А „. и А„.

В соответствии с настоящим способом необходимо величину каждого из двух сравниваемых векторов модулировать таким образом, чтобы длина вектора (модуль) в течение одного полупериода модуляции была больше на некоторую величину А-„а в течение второго полупериода модуляции — меньше на эту

ЗО же величину. Модуляционные прирашения векторов А, и А,,производятся синхронно, о противофазно, т. е. когда один нз векторов увеличивается по модулю, то другой уменьшается, и наоборот. При модуляции фазовые углы,векторов А,. и А <, не изменяются, изменяются только их модули.

При такой модуляции равенство !гулю огибающей сигнала .неравновесия может быть лишь при paaeIIcTIIIe модулей вектороз А,. и 1О

А„(т. е. при А,. =А,). Считаем, что величи<на А„на которую удлиняются или укорачиваются векторы при модуляции, постоянна.

Как следует из фиг. 1, в первый полупериод модуляции, .когда вектор А,. (отрезок OB) удлинен на отрезок Bf Л: а вектор А0 (от,резок Оа) укорочен на отрезок ас=Л,, сигг<ал неравно)весия изображается отрезком cf.

ВО второй полупериад, когда конец вектора

Л расположен,в точке е, а конец вектора

˄— в точке d, сигналу неравновесия соответсг)вует отрезок dc. Нулевая амплитуда огпбаюгцей будет в том случае, когда в первый и во второй полупериоды амплитуда сигнала 25

<неравновесия одна и та же, т. е. когда cf =dc.

Воспользовавшись геометрической формулой, зап,пшем

1 — ),."(А Л )г (А — Л ) - — 2(Л -- Л-)Х 30 р (А„— Л,)сов р

de = ф (Л . — Л .-,,) -- + (А „+ Л;,)" — 2(Л вЂ” Л >) rã

Х (А, — А:) cos р (2)

)Приравняем эти два )выражения друг другу. После сложного преобразования получим

А,. (А,.— А,) (1+ cos <1)) = О. (3)

Как видно из выражения (3) при A„=,- О амплитуда огибающей аигнала неравновесия обращается в нуль при равенстве модулей 45 векторов А,- и А0. При этом срав<нивать модули векторов можно для всех случаев, кроме одного — когда ср=180 . При таком угле ср, как видно из (3), равенство Ооращается в тождество, и сравнение модулей невозможно.

Кроме того, по мере приближения к значению

<<, = 180 чувствительность падает.

Для исключения этого недостатка необходимо величины модуляционных приращений векторов А,- и А0 выорать не постоянными, а

55 пропорциональными Йодулям самих векторов, т. е. производить модуляцию с постояйным (и одинаковым для обеих величин) коэффициентом модуляции. Обозначив этот коэф60 фициент модуляции а, перепишем равенства (1) и (2) в следующем виде:

cf = $ А- „(1, а) + А п(1 — a) — 2Л.-Л, i(;л (1+а)(1 — а) cos <р, (4) 65

de = )/ А - (1 — а) - + Л - „(1+ ) - — 2А„.А„);

, (1 - . а)(1 — а) со«р, после чего, приравняв их друг другу, получ<им условие нулевой огибающей сигнала неравновесия а (А,.— A I!) = О. (б) В отличие от выражения (3), это равенство не зависит от угла <р, поэтому при любых значениях этого угла возможно сравнен<ие модулей вект ор Ов.

После уравновешивания двух векторов по модулю производим уравновешивание векторов по фазе обычным способом. Таким образом независимо от фазового угла измеряемого вектора измерительную цепь можно уравновесить за две регулировки.

На фиг. 2 приведен пример реализации настоящего способа.

Рассмотрим его работу. Генератор синусоидального напряжения 1 питает первичную

Обмотку 2 с т, виткам и трансформатора 8 с тесной индуктивной связью. С вторичных обмото 4 (т; витков) и 5 (пг2 витков) этого трансформатора подаются !напряжения соответственно на измеряемое сопро—.;..",гге,:гне б (Z,.) через регулируемый фазовращатеггь 7 и тра<нсформатор 8 с обмотками 9 (пгэ витков) и 10 (т!)витков) и на образцовое сопротивление 11. Токи, протекающие через сопротивление б и 11, подаются на обмотки 12 (п, витков) и 18 (п в)итков) .компаратора токов 14 с тесной индуктивной связью. В качестве образцовой меры выбрано активное сопротивление Р0, имеющее нулевой фазовый угол. К указательной обмотгке 15 (п„витко<в) этого <к<о)м)паратора подключен индикатор равновесия 1б, состоящий из избирательного усилителя 17, с близким к нулю входным сопротивлением, и экстремального детектора равновесия 18.

Для амплитудной модуляции токов при уравновешивании по модулю служит <модулятор, состоящий из двух одинаковых обмоток

19 с т 0 витками и 20 с т"0 вглтками и дву.ключей 21 и 22, которые при работе устройства отпираются и запираются поочередно.

В Один из полупериодов модуляции, когда открыт ключ 21, оомотка m соединена соглас<но с Обмоткой /77 <) I! Встречно — с Об)гот! ОЙ

m,. В результате напряжение на сопротивление 11 подается с (пг,+гп,) витков, а на сопроти<вление 12 с (m,— m „) витков.

В следующий полупериод отпирается клгоч

22 (21 запирается) и напряжение на сопротнвл иие 11 подается с (m.— т"О) в гтков, а со)протпзленне б с (777!+.ò"0) витков.

Обмотки 4 и 5 выполнены одинаковыми (< .: = пг) ) число BIITIKOB мод1<ляционггых 00,10ток выбирается в соответствии с принятым коэффициентом модуляции а (а=m „lm!).

Таким образом, в результате работы мо525О27 и, т4П, т >tl, к ггг, 1 о (7) 25

Откуда (8) IZxI R0

ЗО пли, учитывая, что ггг,=т, R ггг4гг! к О щгг (9) Как видно из уравнения (9), регулируемое число витков т4 прямо пропорционально измеряемому модулю Z,. Коммутацией числа витков гг, обмотки 12 при необходимости можно изменять пределы измерения.

После уравновешивания цепи по модулю 40 начинают уравновешивание по фазавому углу. Для этого производят пробное воздействие модулятором фазы 28, а затем при полу.чении отрицательного приращения на выходе экстремального детектора равновесия про- 45 изводят изменение состояния регулируемого фазовращателя 7. Уравновешивание произво,дят до тех пор, пока амплитуда огибающей сигнала неравновесия не стачет равной нулю.

Тонн через пзмеряемое сопротивление Z, и

50 меру. Rz соответственно равны дулятора напряжения, подаваемые на сопротивления Z,. и Ro, промодулированы по амплитуде по прямоугольному закону, причем фазы модуляции противоположны друг другу.

Сигнал неравновесия, подаваемый на экстремальный детектор равновесия 18 через усилитель 17,,представляет собой амплитудномодулированное напряжение. Детектор 18 выделяет огибающую этого сигнала и анализирует ее. Уравновешивание измерительго ной цепи по модулю свадится к регулированию числа витков т, вторичной обмотки 10, трансформатора 8 до тех пор, пока детектор

18 не зафиксирует отсутствие огибающей в ,сигнале неравновесия, что свидетельствует о

l5 выполнении равенства модулей ампервитков токов через обмотки 12 и 18. Как видно из фиг. 2, это равенство наступает при выполнении следующего соотношения (коэффици20 ент передачи по амплитуде регулируемого фазовращателя 7 принят равным единице):

Угт,т,и,Ег

m„m Z,I.el " и О г г A

Из приведенных выражений видно, что угол поворота фазы ср регулируемого фазозращателя 7 прямо пропорционален фазовому углу (p,. измеряемого сопротивления.

Измерение модуля и фазы комплексного сопротивления или напряжения по описанному способу может производиться B специально разработанных для этой цели устройствах. Кром„-того, описанный способ можно использовать в цифровых у ниверсальных автоматических мостах переменного тока как один из режимов работы универсального мо,ста, так и для вспомогательной операции (например, для;выбора пределов измерения, т для выравнивания модулей токов через измеряемое и образцовое сопротивление перед выбором рада работы).

Реализация предложенного способа наиболее целесообразна в модуляционных экстремальных приборах, так как такие устройства уже содержат практически все необходимые для этого элементы, такие как модулятор, усилитель сигнала неравновесия, экстремальный детектор равновесия и др.

Формула изобретения

Способ измерения модуля и фазового угла векторных величин, содержащий уравновешнвание по модулю и фазе экстремальной системой, регулирующие .воздействия в которой создаются путем параметрической модуляции, отличающийся тем, что, с целью расшгирегния рабочего диапазона измеряемых величин и повышения быстродействия, при уравчовешивании по модулю производят синхронную противофазную амплитудную модуляцию сравниваемых векторных величин с одинакозымп коэффициентами модуляции н регулируют амплитуду одной пз величин до тех пор, пока амплитуда огибающей сигнала неравновесия, представляющего собой разность сравниваемых векторных величин, не стачет равной нулю.

525027

<Риг 1

Редактор Н. Корсун

Заказ 927/1217 Изд. № 1677 Тираж 1029 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Тип. Харьк. фил. пред. «Патент»

Ф/

Составитель М. Барашков

Техред М. Семенов Корректор И. Симкина