GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 11: ĐO GÓC PHA
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 1
C
CH
HƯ
ƯƠ
ƠN
NG
G
1
11
1.
.
Đ
ĐO
O
G
GÓ
ÓC
C
P
PH
HA
A
(
(2
2
L
LT
T)
)
11.1. Cơ sở chung.
Góc pha cùng với tần số và biên độ là một thông số cơ bản của quá trình dao
động:
x(t) = Xm.cos(ωt + ϕ)
trong đó: Xm là biên độ của dao động
ω là tần số góc của dao động
(ωt + ϕ) là pha của dao động, trong đó ϕ - góc lệch pha ban đầu là
đại lượng không đổi, còn ωt là đại lượng thay đổi theo thời gian.
Thông thường người ta đo góc lệch pha giữa hai dao động x1 và x2 có tần số
như nhau:
x1 = X1mcos(ωt +ϕ1)
x2 = X2mcos(ωt +ϕ2)
Trong trường hợp này góc lệch pha sẽ bằng hiệu giữa hai thành phần pha ban đầu
không đổi của hai tín hiệu:
ϕ = ϕ1 - ϕ2
nó không phụ thuộc vào mốc tính thời gian.
Nếu như hai tần số ω1 và ω2 là bội số của nhau thì góc lệch pha sẽ được tính
từ một trong hai công thức sau đây:
2
2
1
1.
ϕ
ω
ω
ϕϕ
−= hoặc 1
1
2
2.
ϕ
ω
ω
ϕϕ
+−=
Đối với các tín hiệu đa hài thì thì góc lệch pha ϕ được coi như góc lệch giữa
các sóng hài bậc một. Đối với các tín hiệu phức tạp hơn, ví dụ tín hiệu xung
chẳng hạn thì người ta không nói đến góc lệch pha mà đưa ra khái niệm về độ
lệch thời gian: là khoảng thời gian giữa các thời điểm khi mà tín hiệu vượt qua
một mức nhất định nào đó (ví dụ mức không chẳng hạn).
Thông thường góc lệch pha được đo bởi gradian hay độ. Còn độ lệch thời
gian được đo bằng giây (s).
Thường gặp trường hợp cần đo góc lệch pha giữa hai tín hiệu có cùng tần số
trong khoảng từ 0 ÷ 3600.
Có nhiều phương pháp đo góc lệch pha:
Dựa vào cách biến đổi: có thể chia thành phương pháp biến đổi thẳng và
phương pháp biến đổi bù.
Dựa vào cách lấy thông tin đo: có thể chia thành phương pháp sử dụng
thông tin khi tín hiệu vượt qua một mức nhất định và phương pháp dùng
toàn bộ thông tin nhận được.
Nhóm thứ nhất được sử dụng khi ít nhiễu hay đúng hơn là tỉ số giữa tín hiệu trên
nhiễu lớn. Nhóm thứ hai được sử dụng khi tín hiệu có nhiễu lớn hay tỉ số giữa tín
hiệu trên nhiễu nhỏ.
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 11: ĐO GÓC PHA
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 2
11.2. Đo góc pha bằng phương pháp biến đổi trực tiếp.
Sau đây xét một số phép đo góc pha và hệ số cos ϕ bằng phương pháp biến đổi
thẳng.
11.2.1. Fazômét điện động:
Dụng cụ để đo góc pha và hệ số cosϕ là fazômét. Thông thường nhất là dụng
cụ sử dụng cơ cấu chỉ thị lôgômét điện động như hình 11.1a:
Hình 11.1. Fazômét sử dụng cơ cấu chỉ thị lôgômét điện động
Nguyên lý hoạt động: Điện áp U và dòng I qua phụ tải lệch pha với nhau một
góc ϕ cần phải đo.
Ở mạch song song cuộn động 1 được mắc nối tiếp một điện cảm L1 có dòng
đi qua cuộn này là I1 (H.11.1b), cuộn động 2 được mắc nối tiếp một điện trở R2
(thuần trở) nên dòng I2 trùng pha với điện áp U. Theo công thức của cơ cấu chỉ
thị lôgômét điện động ta có:
=)cos(
)cos(
)(
22
11
III
III
FF
α
theo hình 11.1b ta có:
−
=
−
=
α
αγ
ϕ
ϕβ
α
cos
)cos(
cos
)cos(
)(
2
1
2
1
I
I
F
I
I
FF (11.1)
Nếu như ở mạch song song ta làm sao cho I1 = I2; β = γ thì từ (11.1) suy ra:
α = ϕ
Như vậy độ lệch góc α của cơ cấu chỉ thị được xác định bởi góc ϕ. Bảng khắc
độ được khắc theo đơn vị của góc ϕ hay hệ số cos ϕ.
Nhược điểm của loại fazômét này: là chỉ được tính cho một cấp điện áp. Nếu
thay đổi điện áp thì phải thay đổi điện trở R1 và điện cảm L2 do đó dẫn đến thay
đổi góc β. Ngoài ra sai số còn phụ thuộc vào tần số vì trong mạch có cuộn cảm.
Để khắc phục sai số do tần số gây ra ta chia một cuộn thành hai cuộn nối song
song với nhau. Một cuộn nối với điện dung C còn cuộn kia nối với điện cảm L
như hình 11.2.
Ta có:
C
L.
1
.
ω
ω
=
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 11: ĐO GÓC PHA
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 3
Khi tần số tăng, ở nhánh 1 điện kháng XL tăng lên còn điện kháng XC ở nhánh 1'
sẽ giảm kết quả điện kháng trên toàn mạch coi như không đổi.
Hình 11.2. Fazômét sử dụng cơ cấu chỉ thị lôgômét điện động có thể
khắc phục sai số do tần số gây ra
Để sử dụng với nhiều cấp điện áp thì cần dùng thêm biến áp tự ngẫu với các
đầu vào là 110V, 127V, 220V đầu ra có thể biến thiên từ 0 - 250V (H. 11.2).
Để mở rộng thang đo về dòng có thể phân cuộn tĩnh ra làm nhiều phần khác
nhau mắc nối tiếp hoặc song song ta sẽ được các cấp khác nhau.
Ví dụ : trong công nghiệp loại Fazômét Д5000 (của Nga) cấp chính xác 0,2
tần số 50-60Hz có thang đo
ϕ
= 0
÷
3600, cos
ϕ
= 0
÷
1.
11.2.2. Fazômét điện tử:
Nguyên lý hoạt động: dựa trên việc phân biến đổi góc lệch pha trực tiếp
thành dòng hay áp.
Để đo góc lệch pha giữa hai điện áp hình sin ta thực hiện theo sơ đồ hình 11.3a:
Hình 11.3. Fazô mét điện tử:
a) Sơ đồ khối nguyên lý b) Biểu đồ thời gian
Tín hiệu hình sin x1 và x2 qua các bộ tạo xung TX1 và TX2. Khi tín hiệu đi
qua mức "0" tạo ra các xung U'1 và U'2 (H.11.3b), các xung này được đưa đến
đầu vào của Trigơ (S-R).
Như vậy các tín hiệu hình sin ở đầu vào nhờ các bộ tạo xung đã biến độ lệch pha
thành khoảng thời gian giữa các xung. Khi có sự tác động của các xung này lên
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 11: ĐO GÓC PHA
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 4
đầu vào của trigơ xuất hiện tín hiệu ITr ở đầu ra, qua cơ cấu chỉ thị từ điện ta sẽ
có một dòng trung bình:
0
360
..
ϕ
mmtb I
T
t
II =
∆
=
với Im : biên độ dòng điện ở đầu ra trigơ
T : chu kỳ của tín hiệu
Từ đó có:
0
360.
m
tb
I
I
=
ϕ
Nếu Im = const, thì đại lượng góc pha cần đo tỉ lệ với Itb, đo dòng trung bình Itb
thì suy ra góc pha.
Đặc điểm: sai số của phép đo này cỡ ±(1÷2%) chủ yếu là do sự biến động của
Im và sai số của phép đo dòng trung bình Itb.
Loại fazômét này thường được sử dụng để để đo góc pha 0 ± 1800 (3600), dải tần
số 20Hz ÷ 200kHz.
11.2.3. Fazômét chỉ thị số:
Nguyên lý hoạt động: dựa trên nguyên tắc biến đổi góc lệch pha thành mã:
đầu tiên góc lệch pha cần đo giữa hai tín hiệu được biến thành khoảng thời gian.
Sau đó lắp đầy khoảng thời gian đó bằng các xung với các tần số đã biết trước.
Các fazômét xây dựng theo nguyên tắc này bao gồm bộ biến đổi góc pha thành
khoảng thời gian, bộ biến đổi thời gian - xung, bộ đếm và chỉ thị số.
Xét fazômét đơn giản nhất như hình 11.4:
Hình 11.4. Fazô mét chỉ thị số:
a) Sơ đồ khối nguyên lý b) Biểu đồ thời gian
Các tín hiệu x1, x2 có dạng hình sin được đưa vào các bộ tạo xung, các xung
xuất hiện khi tín hiệu đi qua mức "0". Các xung này sẽ được đưa đến các đầu vào
của Trigơ và tạo ra ở đầu ra Trigơ một xung mà độ dài của nó tỉ lệ với góc lệch
pha cần đo ϕx. Khoá K được mở trong khoảng thời gian tx.
Từ máy phát chuẩn f0 (có ổn định tần số bằng thạch anh) tín hiệu xung có tần số
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 11: ĐO GÓC PHA
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 5
ổn định f0 (hay chu kỳ 00 /1 fT
=
) được đưa vào bộ đếm và đến chỉ thị số.
Số xung N đếm được ở bộ đếm là:
X
X
X
X
X
X
f
f
f
T
ft
T
t
N
ϕϕ
.
.360
..
360
.0
0
0
0
0
0
====
Như vậy số xung đếm được tỉ lệ thuận với góc pha ϕX cần đo với điều kiện f0 và
fX là những đại lượng không đổi.
Đặc điểm: sai số của phép đo này chủ yếu phụ thuộc vào độ không ổn định
của f0 và fX. Ngoài ra còn sai số của việc hình thành và truyền đi khoảng tX và sai
số do lượng tử hóa khoảng thời gian tX.
Nhược điểm: là kết quả đo phụ thuộc vào tần số fX của tín hiệu cần đo. Tần số
này rất khó giữ ổn định vì vậy fazômét loại này ít được sử dụng mà người ta sử
dụng sơ đồ như hình 11.5:
Hình 11.5. Fazômét chỉ thị số có sai số không phụ thuộc vào các tần số f0 và fX :
a) Sơ đồ khối nguyên lý b) Biểu đồ thời gian
Trong sơ đồ này ta thực hiện tính số xung không phải trong một khoảng tX mà
trong một số khoảng nằm trong một khoảng thời gian đo khác là tU = kT0.
Khoảng thời gian tX được tạo ra bằng một bộ chia tần số, tín hiệu vào bộ chia
được lấy từ bộ phát chuẩn f0. Tín hiệu xung tu được đưa đến mở khoá thứ hai K2.
Các bộ TX1, TX2, Trigơ, khoá K1 và bộ phát tần số chuẩn f0 giống như trên sơ đồ
hình 11.4. Ở hình 11.5b chỉ rõ biểu đồ thời gian của quá trình làm việc của
fazômét. Khoảng thời gian tu sẽ mở khoá K2 và xung từ các khoảng tx nằm gọn