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Neues Kalibrierverfahren für den Phasenwinkel mittels Kurvenanpassung

30.11.2021

Die PTB hat ein neuartiges Verfahren entwickelt, welches durch Abtastung und anschließende Kurvenanpassung den Phasenwinkel zwischen zwei Sinussignalen präzise bestimmen kann. Im Gegensatz zu bisher üblichen Verfahren, die auf der Erkennung von Nulldurchgängen beruhen, werden störende Einflüsse stark reduziert und so die Messunsicherheit verringert.

 

 

Für die Kalibrierung von Verstärkern und Abschwächern für das industrielle Messwesen wird neben dem Amplitudenverhältnis zunehmend auch die Phasenverschiebung zwischen Ein- und Ausgangssignal benötigt. Üblicherweise wird der Kalibriergegenstand dazu mit einer sinusförmigen Wechselspannung beaufschlagt, und es werden die Nulldurchgänge der angelegten und der ausgegebenen Wellenform bestimmt. Aus deren zeitlichem Abstand kann dann unter Berücksichtigung der Signalfrequenz die vom Prüfling bewirkte Phasenverschiebung errechnet werden. Durch unterschiedliche Spannungsamplituden und Störungen durch Rauschen ist die Bestimmung des Nulldurchganges allerdings mit einer erheblichen Unsicherheit (Triggerunsicherheit) behaftet.


Das neu entwickelte Verfahren verwendet einen Abtaster, mit dem nacheinander das Eingangs- und das Ausgangssignal am Kalibriergegenstand einige Perioden lang digitalisiert wird. Zur Auswertung wird an die beiden Abtastsequenzen mittels einer Methode der kleinsten Quadrate (Non-Linear Least Squares, NLLS) je eine Sinusfunktion angepasst. Dazu werden die vier Freiheitsgrade Amplitude, Frequenz, Gleichspannungsanteil (Offset) und Phasenwinkel von dem Algorithmus so lange variiert, bis die Abtastwerte bestmöglich approximiert werden. Die gesuchte Phasenverschiebung kann dann unmittelbar als Differenz der beiden so ermittelten Phasenwinkel-Parameter errechnet werden. Wegen der Berücksichtigung von mehreren hundert Abtastwerten und einer impliziten Mittelwertbildung wird der Einfluss von einzelnen Störungen und Rauschen stark verringert.


Die PTB hat eine solche Phasenmesseinrichtung aufgebaut, bei welcher der Eingang eines Abtastvoltmeters zwischen zwei Signalspannungen umgeschaltet und diese Signale somit sequenziell digitalisiert werden. Im Gegensatz zu bisherigen Konzepten ist es nicht notwendig, die Signalfrequenz mit dem Abtast-Takt zu synchronisieren, da der freilaufende Abtasttakt vielmehr für eine definierte zeitliche Zuordnung der Abtastwerte von beiden Signalen sorgt.
Die begrenzte Abtastfrequenz erlaubt zurzeit eine Phasenmessung bis zu Frequenzen von wenigen Tausend Hertz. Mit einem Heterodynverfahren soll demnächst der Frequenzbereich auf bis zu 100 MHz erweitert werden.

 

 

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