7.3 Еталон одиниці кута фазового зсуву між двома напругами

Одним із параметрів електричних кіл і трактів є вносимий ними фазовий зсув електричного сигналу. Фазові вимірювання – один із розповсюджених видів електричних вимірювань, для проведення яких використовується великий парк відповідних засобів вимірювальної техніки – фазометрів. Для забезпечення єдності і необхідної точності фазових вимірювань багато країн, у тому числі Росія і Україна, створили первинні еталони фазового зсуву.

Методи і засоби відтворення одиниці фазового зсуву пройшли значну еволюцію. Перші еталони базувалися на використанні фазообертачів і рівняння, що зв’язує фазовий зсув з параметрами фазообертача і частотою коливань . Для резистивно-ємнісних фазообертачів з параметрамице рівняння має вигляд

. (7.6)

Резистивно-ємнісний фазообертач дозволяє точно відтворювати невеликі значення кута фазового зсуву (близько 10°), а для розширення діапазону до 360° використовується лінія затримки (ЛЗ), складена із узгоджених між собою проградуйованих реактивних ланок. Кут зсуву, відтворений ЛЗ, атестується при значеннях 180° і 360° незалежними методами (наприклад, за допомогою трансформатора в режимі холостого ходу і протифазно включеними обмотками, або з використанням властивостей багатократних фігур Ліссажу).

В еталонах різних країн останніх поколінь для точного вимірювання фази в основному використовують перетворювачі типу «фазовий зсув − інтервал часу − цифровий код», тобто використовують техніку частотно-часових вимірювань. Цей підхід ілюструється на рис. 7.14, де відображені два сигнали, що мають однакову частоту, але зсунуті за фазою.

Рис. 7.14. Приклад вимірювання різниці фаз

Вимірюючи інтервал часу між точками А і В, можна розрахувати зсув фаз між ними:

, (7.7)

де .

Для одержання результату у градусах необхідно, щоб частота опорного генератора, що використовується для заповнення вимірюваного інтервалу часу , відрізнялася від частоти вимірюваного сигналу в 360·10^k разів, де − ціле число. Тоді показ частотомірабуде пов'язаний з вимірюваним фазовим зсувом рівнянням

.

Якщо , то. Наприклад, при=1 кГц і=3600 кГц, тобто кожна одиниця відліку буде відповідати 0,1°. Похибка вимірювань фазового зсуву визначається за формулою

.

Спрощену типову структурну схему первинного еталона одиниці фазового зсуву наведено на рис. 7.15.

Рис. 7.15. Спрощена структурна схема еталона кута фазового зсуву

Як еталонні міри частоти використовуються опорні високостабільні генератори і синтезатори частоти. У системах відтворення фазового зсуву, як вже було сказано, використовуються еталонні джерела часових інтервалів (в еталоні Росії цю роль виконує прилад И1-8), а також перетворювачі «інтервал часу − фазовий зсув – цифровий код» різних схем і конструкцій. У системах атестації використовуються різні варіанти техніки частотно-часових вимірювань, цифрової обчислювальної техніки, які дозволяють досягти найвищої точності і роздільної здатності. Розмір одиниці кута фазового зсуву передається робочим еталонам (калібраторам фази) за допомогою компаратора (високо стабільного фазометра), а робочим еталонам і ЗВТ пасивного типу (фазометрам різних класів точності) − методом прямих вимірювань.

Первинний еталон Росії [44] відтворює одиницю кута зсуву фаз у діапазоні частот від 1·10^-2 до 2·10⁷ Гц і має метрологічні характеристики, наведені у табл. 7.1.

Таблиця 7.1

Метрологічні характеристики первинного еталона одиниці фазового кута

f, Гц	Похибки відтворення і передачі (в градусах)
	НСП відтворення θ	СКВ відтворення S	СКВ передачі SεΣ
10-2	0,003	0,003	0,005
10-3	0,001 (до 90°) 0,002 (до 360°)	0,0003 (до 0,5°) 0,001 (до 360°)	0,001 −
10-5 − 10-7	0,002	0,002	0,002 − 0,003
2·10-7	0,002	0,008	0,01