книги / Электрорадиоизмерения

5.Объясните принцип действия ваттметра электродинамической системы.

6.В чем заключаются достоинства и недостатки методов измерения поглощаемой и проходящей мощности?

7.В результате измерений оказалось, что мощность, отдаваемая передатчиком в антенну, равна 2 Вт, а ток, потребляемый им от источ­ ника питания напряжением 12 В, равен 2 А.

Определите к. п. д. передатчика. Ответ. г |^ 8 % .

8.Почему паразитная емкость и индуктивность электронного вольт­ метра и термоамперметра ограничивают частотный диапазон измерения мощности передатчика методом эквивалента антенны?

9.В чем заключается метод калориметра при измерении мощности рассеяния на аноде лампы генератора?

10.Объясните принцип работы измерителя проходящей мощности

высокой частоты в фидере при помощи ваттметра с рефлектометрами.

Г Л А В А В О С Ь М А Я

ИЗМЕРЕНИЕ СДВИГА ФАЗ

8-1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Измерение сдвига фаз широко применяется как на про­ мышленной частоте, так и в широком диапазоне частот от звуковых до сверхвысоких включительно.

В силовых цепях переменного тока фазометры исполь­ зуются для измерения угла сдвига фаз между током и на­ пряжением, определяющем коэффициент мощности (cos <р), а следовательно, и мощность в исследуемой цепи. Для этой цели применяются фазометры электродинамической, ферродинамической и электромагнитной системы.

В диапазоне звуковых и более высоких частот фазометры необходимы для определения фазовых искажений в том

или ином устройстве (усилителях, трансформаторах, филь­ трах и пр.), т. е. для снятия их фазовых характеристик, представляющих собой зависимость угла сдвига фаз между входным и выходным напряжениями от частоты.

Кроме того, широкое применение фазовой модуляции в аппаратуре связи и других областях техники вызывает необходимость использования фазометров при ее наладке и эксплуатации.

В зависимости от требуемой точности измерения и ча­ стоты используются различные методы и способы.

8-2. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ФАЗОМЕТРЫ

Для измерения коэффициента мощности cos ф приме­ няют приборы непосредственной оценки на основе логометров электродинамической, ферродинамической и электро­ магнитной систем. Рассмотрим работу электродинами­ ческого фазометра.

Рис. 8-1. Схема электродинамического фазометра (а) и векторная диаграмма (б).

Устройство электродинамического логометра было пока­ зано на рис. 2-12, принцип действия рассмотрен в § 2-6, Неподвижная катушка А А , состоящая из двух секций, включается в цепь последовательно с сопротивлением ZH (рис. 8-1, а), две подвижные катушки Б х и Б2 образуют параллельную цепь фазометра.

В цепь катушки Б г включено активное сопротивление/?, а в цепь катушки Б2 — индуктивность L.

Векторная диаграмма электродинамического фазометра изображена на рис. 8-1,6. Напряжение U и ток нагрузки /,

протекающий по неподвижной катушке, сдвинуты на угол ср.

Таким образом, шкала электродинамического фазометра может быть проградуирована в значениях ф или cos ф.

Начало отсчета (ф = 0 или cos ф = 1) чаще всего на­ ходится в центре шкалы. Стрелка фазометра будет откло­ няться в ту или другую сторону в зависимости от индуктив­ ного или емкостного характера нагрузки.

Недостатком электродинамических фазометров является зависимость их показаний от частоты, так как в цепи одной подвижной катушки включено индуктивное сопротивление coL, а другой — активное сопротивление R. При изменении частоты ток / 2 меняется, а 1Хостается постоянным, что дает большую погрешность в показании прибора. Для устране­ ния этого недостатка применяют специальные схемы с ком­ пенсацией частотной погрешности.

Электродинамические фазометры применяются для изме­ рения cos ф на определенных частотах, чаще всего про­ мышленных. Они обычно имеют основную погрешность порядка ±1,5% . Существуют и более точные фазометры классов 0,5 и даже 0,2.

8-3. ФАЗОВРАЩАТЕЛИ

Основным элементом многих измерительных схем фазо­ вого сдвига является фазовращатель, дающий возможность изменить на определенную величину угол сдвига фаз между своим входным и выходным напряжением.

Существует много способов поворота фазы фазовраща­ телем, а именно: при помощи фазосдвигающих цепочек /?С, мостовых схем, гониометра, искусственной линии и т. д.

Основным требованием, предъявляехмым к фазовращате­ лям, является неизменность величины выходного напря­ жения фазовращателя во всем диапазоне изменения фазо­ вого сдвига. Кроме того, фазовращатель должен изменять фазу в пределах как можно более широких.

Обычно фазовращатели выполняются на фиксированную частоту или же на узкий диапазон частот, так как очень трудно сконструировать фазовращатель, у которого сдвиг фаз не зависит от частоты в широком частотном диапазоне.

Рис. 8-2. Простейшие схемы фазовращателей и их векторные диа­ граммы

Вкачестве фазовращателя можно использовать цепочку RC (рис. 8-2, а и б).

Взависимости от того, с какого элемента снимается выходное напряжение и аых, т. е. с резистора R или конден­ сатора С, поворот фазы можно осуществить соответственно

от 0 до +90° (рис. 8-2, а) или же от 0 до —90° (рис. 8-2, б). Как видно из векторных диаграмм, с изменением сопротив­ ления R или емкости С будет изменяться не только фазовый сдвиг между Uux и (/1ШХ, но и величина выходного напря­ жения.

На рис. 8-3, а изображена одна из схем фазовращателя мостового типа и на рис. 8-3, б векторная диаграмма, пояс­ няющая работу схемы.

Неизмененное по величине входное напряжение подво­ дится к одной из диагоналей моста, выходное же напряже­ ние снимается с другой диагонали. Так как сопротивления резисторов двух соседних плеч и R2 одинаковы, входное напряжение, вектор которого соответствует диаметру круго­ вой диаграммы, будет распределяться поровну между этими сопротивлениями. Входное напряжение фазовращателя подведено одновременно и к двум другим плечам, т. е. к це­ почке RC, которой соответствует треугольник напряжения

Рис. 8-3. Схема фазовращателя мостового типа.

агб. Так как выходное напряжение снимается с точек в, г схемы фазовращателя, то на векторной диаграмме оно соот­ ветствует вектору Uвых, соединяющему эти точки. Как видно из векторной диаграммы, выходное напряжение фазовращателя постоянно, т. е. не зависит от угла сдвига фаз, который можно изменять от 0 до 180°

Такое объяснение работы фазовращателя справедливо практически для случая, когда сопротивление нагрузки фазовращателя значительно больше сопротивлений плеч моста.

В качестве фазовращателя может быть использована искусственная линия, схема которой изображена на рис. 8-4.

Принцип изменения фазового сдвига при помощи такого фазовращателя основан на использовании явлений, которые имеют место в линии с распределенными постоянными, на­ груженной на сопротивление R , равное ее волновому сопротивлению р.

В теории доказывается, что в линии, нагруженной на волновое сопротивление, получается режим бегущей волны вследствие полного потребления энергии нагрузкой. При этом в любой точке линии, питаемой синусоидальным на­ пряжением и = UMsin со/, напряжение изменяется также синусоидально и отстает по фазе от входного напряжения на некоторый угол, что обусловливается определенным вре­ менем распространения энергии от генератора до данной точки.

Если пренебречь затуханием линии, то мгновенное зна­ чение напряжения в любой ее точке определяется по фор­ муле

ux = UMsin (со/ — Р*),

где х — расстояние от начала линии до рассматриваемой точки;

Р— фазовая постоянная, показывающая отставание напряжения (или тока) на единицу длины линии,

Р = ^ = соУ Т А ;

Lx и Сх — единичные параметры линии, т. е. индуктив­ ность и емкость единицы длины линии;

Р* — фазовый сдвиг между напряжением в рас­ сматриваемой точке х и входным напря­ жением.

Следовательно, изменяя длину линии, нагруженную на волновое сопротивление, можно изменять сдвиг фаз между входным и выходным напряжением, т. е. такую линию можно использовать в качестве фазовращателя.

Вдиапазоне радиочастот вместо распределенной линии

вкачестве фазовращателя используют так называемую

искусственную линию, схема которой аналогична эквива­ лентной схеме линии с распределенными постоянными.

Как видно из схемы рис. 8-4, искусственная линия должна быть нагружена на своем входе и выходе на волно­ вое сопротивление, зависящее от величины параметров звена линии, т. е. L' и С'

При этом

Изменяя число звеньев искусственной линии, с которых снимается напряжение, можно ступенями регулировать фазовый сдвиг, осуществляемый линией. При этом фазовый сдвиг одного звена равен:

где п — число звеньев линии.

Таким образом, при заданной величине ступенчатого ф' и общего изменения фазы ф искусственной линии можно определить число звеньев такого фазовращателя, т. е.

Если известна частота исследуемых напряжений, то при расчете искусственной линии удобно пользоваться соот­ ношением

В диапазоне СВЧ для изменения фазовых сдвигов элек­ тромагнитных колебаний используют волноводные или коаксиальные линии. Конструкция фазовращателей СВЧ в силу их особенностей будет рассмотрена в гл. 12.

8-4. ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

Метод осциллограммы. Этот метод заключается в том, что при помощи двухлучевого или же обыкновенного одно­ лучевого осциллографа с применением электронного комму­ татора получают на экране трубки осциллографа осцил­

лограммы исследуемых напряжений их и и2у желательно с одинаковой амплитудой (рис. 8-5). Очевидно, что, измерив по оси времени осциллограммы (рис. 8-5, б) расстояния ab и ас, можно определить сдвиг фаз между исследуемыми напряжениями по формуле

Блок-схема измерения угла сдвига фаз при использова­ нии однолучевого осциллографа с электронным коммута­ тором показана на рис. 8-5, а.

Рис 8-5. Измерение фазы методом осциллограммы.

а — блок-схема измерения; б —

осциллограммы исследуемых на­ пряжении.

Следует иметь в виду, что во избежание погрешности измерения за счет фазовых искажений усилителей комму­ татора или двухлучевого осциллографа необходимо перед измерением угла сдвига фаз произвести установку нуля, т. е. выравнивание фазовых сдвигов в усилителях того и другого канала коммутатора или двухлучевого осцилло­ графа. Для этого на оба входа электронного коммутатора или же двухлучевого осциллографа подается одно и то же переменное напряжение, например и1ч и при помощи вспо­ могательного фазовращателя, включенного в один из кана­ лов, добиваются слияния двух осциллограмм на экране трубки. Затем в соответствии с приведенной на рис. 8-5, а блок-схемой производят измерение угла сдвига фаз.

Недостаток этого метода состоит в невысокой точности измерения ср и в необходимости использования электрон­ ного коммутатора или двухлучевого осциллографа.

Метод эллипса. Измерение угла сдвига фаз методом эллипса заключается в том, что одно из исследуемых напря­ жений подается на вход X , а другое — на вход Y осцил­ лографа. В результате на экране получается эллипс, форма которого зависит от сдвига фаз этих напряжений и вели­ чины их амплитуд (рис. 8-6). При этом фазовый сдвиг ср определяется по одной из формул:

2и.

от фазового сдвига, получающегося в усилителях вертикаль­ ного и горизонтального отклонения осциллографа. Источ­ никами погрешностей измерения ср является также при­ сутствие высших гармоник в исследуемых напряжениях и конечная толщина (не менее 1 мм) светящейся линии

метода эллипса следует отнести также двузначность ре­ зультата измерения, так как он не определяет знак угла.

Для удобства измерения фазы методом эллипса поль­ зуются специальным приспособлением, накладываемым на экран трубки. Это приспособление представляет собой тонкую пластину из прозрачного материала с нанесенной на нее градуированной сеткой.

Метод круговой развертки. Более удобным методом измерения фазового угла является осциллографический метод, использующий круговую развертку и дающий воз­ можность определить его знак и имеющий одинаковую

Блок-схема измерения угла сдвига фаз между двумя синусоидальными напряжениями осциллографическим ме­ тодом с применением круговой развертки приведена на рис. 8-7, а.

Одним из исследуемых напряжений, например и1У при помощи фазовращающей цепочки RC осуществляют круго­ вую развертку. Другое исследуемое напряжение, в дан­ ном случае н2, при помощи формирующего устройства преобразуют в прямоугольное и подают на управляющий электрод трубки. В результате на экране осциллографа получается половина окружности (рис. 8-7, б), так как в положительный полупериод этого напряжения трубка отпирается, а в отрицательный запирается. При этом отмечают угол а 2, образующийся между горизонталью и диаметром получившейся окружности.

Рис. 8-7. Измерение угла сдвига фаз осциллограмм с использованием круговой развертки.

а — блок-схем а; б — отсчет у г л а .

Затем вместо и2 на формирующее устройство подают напряжение ии которое после преобразования, т. е. форми­ рования, поступает на модулятор трубки. Круговая раз­ вертка при этом осуществляется прежним синусоидаль­ ным напряжением их. В результате при наличии угла сдвига фаз ср между исследуемыми напряжениями иг и и2 дуга круга повернется по окружности на угол ф, который мо­ жет быть определен по формуле

гдеах — угол между горизонталью и диаметром полуокруж­ ности, полученной во втором случае.

Следует иметь в виду, что при таком измерении угла q на его величину не влияет фазовый сдвиг, вносимый форми­ рующим устройством и усилителями осциллографа.