1. ЧАСТОТОМІРИ З ЛОГОМЕТРИЧНИМИ ВИМІРЮВАЛЬНИМИ МЕХАНІЗМАМИ
Частотоміри з електродинамічними, феродинамічними, електромагнітнимий магнітоелектричними вимірювальними механізмами, вібраційні частотоміри,застосовуються для виміру низьких частот. Особливо широке поширення одержалиелектродинамічні й феродинамічні частотоміри. частотомірелектромагнітний вібраційний
/>
Рис. 1. Схема електродинамічного частотоміра
Електродинамічний частотомір. Кут повороту будь-якогологометра залежить від відношення струмів. Якщо ці струми або один з нихзробити частотно-частотно-залежними, то логометр може служити частотоміром.
Одна з можливих схем електродинамічного частотоміра представленана рис. 1. До приладу підводить напруга вимірюваної частоти. Котушки логометравключаються в частотно-частотно-залежні ланцюги: котушки А и Б1 —послідовно з коливальним контуром, що складається з L і С1, ідодатковим резистором Rд; котушка Б2 включена послідовноз конденсатором С2. На резонансній частоті значення струму I1максимально. Зі зміною частоти струм зменшується, змінюється також і кутзрушення між струмами I1 й I2. Таким чином, кут поворотурухливої частини, обумовлений для електродинамічного логометра рівнянням,залежить від частоти. Шкала приладу градуюється безпосередньо в герцах.
Електродинамічні частотоміри випускаються різних класів точності,аж до 0,5. Межі їхнього виміру звичайно становлять ±10% деякого середньогозначення, що звичайно лежить у діапазоні від 50 до 1500 Гц.
Випрямний частотомір. Випрямний частотомір,схема якого представлена на мал. 2, складається з магнітоелектричного логометрай двох випрямлячів, що харчують його обмотки.
/>
Рис. 2. Схема випрямного частотоміра
У ланцюг першої обмотки логометра включена індуктивність L й ємністьС, у ланцюг другої обмотки — активний опір R. Опір першої галузі, що включаєреактивні опори, індуктивності і ємності, залежить від частоти, опір другоїгалузі від частоти не залежить. Струми, як відомо, обернено пропорційні опорамтих ланцюгів, по яких вони протікають. Отже, у рівнянні рухливої частинимагнітоелектричного логометра відношення струмів можна замінити відношеннямопорів:
/>
де Z1 — повний опір першої галузі.
Оскільки величина Z1 залежить від частоти, кут поворотурухливої частини логометра також залежить від частоти й прилад може використатисядля її виміру.
Найчастіше випрямні частотоміри випускаються у вигляді самописнихприладів з межами вимірів порядку 45-55 Гц і звичайно мають клас точності 2,5.
2. ВИМІРЮВАЛЬНІ МЕХАНІЗМИ ВІБРАЦІЙНОЇ СИСТЕМИ
Вібраційні вимірювальні механізми (язичкові) є різновидом електромагнітноїсистеми. Вони застосовуються в частотомірах, призначених для виміру низькоїчастоти, головним чином промислової.
/>
Рис. 3. Пристрій вібраційного частотоміра
Схема пристрою вібраційного частотоміра показана на рис. 3, а. Обмоткаелектромагніта 1 живиться змінним струмом, частоту якого потрібно виміряти.Тонкі сталеві пластини 2, називані язичками (на рисунку видний тільки одинязичок), укріплені на загальній планці 4. Ця планка жорстко скріплена з якорем3, розташованим поблизу сердечника електромагніта. Язички мають різні частотивласних коливань. Для зручності спостереження їхні загнуті наконечникипофарбовані світлою фарбою.
Під дією змінного магнітного поля якір двічі за періодпритягається до сердечника й відходить від нього. Разом з якорем вібруютьязички. Найбільшої буде амплітуда коливань того язичка, у якого частота власнихколивань збігається із частотою змушених. На шкалі приладу поруч із кожним, язичкомзазначена частота, з якої він резонує. Для спостерігача коливний язичок маєвигляд білої смужки, по якій і відраховують показання. На рис. 3, б показанийвид шкали, коли вимірювана частота дорівнює 49 Гц. Вібраційні частотоміри, якправило, мають невеликі межі виміру, наприклад від 45 до 55 Гц. Точність їхвизначається в основному точністю настроювання язичків. Вібраційні частотоміризвичайно мають погрішність порядку ±1%. Ці прилади можуть використатися тількив стаціонарних умовах, тому що частота зовнішніх вібрацій може збігатися ізвласною частотою окремих язичків, що викликає резонанс й, отже, неправдивісвідчення.
3. ГЕТЕРОДИННИЙ ЧАСТОТОМІР
Недоліком найпростішого гетеродинного частотоміра, що складає ізградуйованого гетеродина й детектора, є його порівняно низька точність виміручастоти, складова трохи сотих відсотка. Це порозумівається відсутністю в схеміможливості періодичної перевірки градуйовки гетеродина за допомогою більшестабільного генератора.
Більше зроблений гетеродинний частотомір додатково містить кварцовийгенератор і підсилювач низької частоти (рис. 4). Кварцовий генератор служитьдля перевірки градуйовки гетеродина частотоміра на фіксованих частотах, щовідповідають гармонікам кварцового генератора. Підсилювач низької частотипризначений для підвищення чутливості виявлення звукових і нульових биттів.
Для зменшення температурних погрішностей у контури гетеродина йкварцового генератора звичайно включають температурні компенсатори у виглядідодаткових конденсаторів з негативним температурним коефіцієнтом.
Подібну схему має гетеродинний частотомір промислового типу Ч4-1,що одержав широке поширення.
Спрощена принципова схема цього частотоміра зображена на рис. 5, айого лицьова панель керування — на рис. 6.
Плавний гетеродин частотоміра, зібраний на лампі Л1 маєдва діапазони основної частоти — перший 125-250 кГц і другий 2-4 МГц. Перехідвід одного діапазону до іншого здійснюється перемикачем П1 перемикаючоїкотушки індуктивності L1 й L2.
/>
Рис. 4. Блок-схема приладу Ч4-1
Настроювання контуру гетеродина здійснюється змінним конденсаторомС1. Точність установки частоти підвищується завдяки великійкількості розподілів шкали конденсатора (5000 розподілів). Конденсатор C10компенсує зміни частоти генератора при зміні температури.
Використання вищих гармонік гетеродина дозволяє перекрити загальнийдіапазон частотоміра від 125 кГц до 20 МГц, при цьому в першому діапазонівикористається 1, 2, 4 й 8-а гармоніки, а в другому — 1, 2, 4 і частково 5-агармоніки. Наприклад, якщо основна частота гетеродина, тобто його 1-а гармоніка,дорівнює 125 кГц, те його 2-а гармоніка дорівнює 250 кГц, 4-а — 500 кГц й 8-а — 1000 кГц.
При плавній зміні основної частоти до 126 кГц її вищі гармоніки відповіднобудуть рівні 252, 504 й 1008 кГц. Отже, якщо 1-а гармоніка перекриє діапазончастот від 125 до 250 кГц, то 2-а перекриє від 250 до 500 кГц, 4-а — від 500 до1000 кГц й 8-а від 1000 до 2000 кГц. Подібним же чином перекривається другийдіапазон гетеродина від 2 до 20 МГц при включенні іншої котушки індуктивності.
/>
Рис. 5. Спрощена схема частотоміра Ч4-1
/>
Рис. 6. Лицьова панель керування приладом Ч4-1
Кварцовий генератор частотоміра виконаний на правій половині подвійноготріода Л2. Коливальний контур генератора утворять індуктивністькотушки L3, еквівалентна індуктивності Lэ кварцу, іміжелектродна ємність анод — сітка. За допомогою підстроєчного конденсатора С7виробляється точне настроювання генератора на частоту 1 МГц при йогокалібруванні по стандарті частоти.
Конденсатор С11 компенсує відхилення частоти контуру зізміною температури.
Кварцовий генератор із глибоким позитивним зворотним зв'язком,крім основної частоти 1 МГц, дає велика кількість гармонік, використовуваних якзразкові частоти при перевірці градуйовки частотоміра.
Перевірка градуйровки гетеродина частотоміра виробляється методомнульових биттів по гармоніках кварцового генератора. Наприклад, на основнійчастоті плавного гетеродина 200 кГц нульові биття виходять між його 5-югармонікою й 1-ю гармонікою кварцового генератора.
Змішувач, зібраний на лівій половині подвійного тріода Л2,зв'язаний за допомогою конденсаторів С4, С5 і С6з кожним із трьох джерел порушення: досліджуваним джерелом коливань, плавнимгетеродином і кварцовим генератором.
Коливання досліджуваного генератора або радіопередавача подаютьсяна керуючу сітку змішувача від спеціального гнізда А частотоміра. На це жгніздо надходять коливання плавного гетеродина й кварцового генератора увипадку використання частотоміра для перевірки градуйовки радіоприймача.
Регулювання рівня досліджуваного сигналу на вході змішувачаздійснюються за допомогою резистора R3 (Вхід ВЧ). Залежно відположення перемикача У72 на вхід змішувача одночасно можуть бути подані тількидві які-небудь частоти.
При лівому положенні перемикача П2Гетеродин(рис. 5) на вхід змішувача подається частота плавного гетеродина й джерелаколивань вимірюваної частоти.
При середнім положенні перемикача Перевірка дозмішувача разом із частотою плавного гетеродина підводить для перевірки йогоградуйовки частота кварцового генератора. Підстроювання плавного гетеродиназдійснюється за допомогою конденсатора С2Корекція.
При правому положенні перемикача Кварц приладвикористається як кварцовий калібратор при перевірці градуйовки досліджуваногоджерела коливань високої частоти або радіоприймача на частотах, що збігаються згармоніками кварцового генератора. У першому випадку на змішувач подаєтьсянапруга від джерела, що перевіряє, і гармоніки кварцового генератора, а вдругому — приймач настроюється на гармоніки кварцового генератора.
Підсилювач низької частоти частотоміра, призначений для посиленняколивань різницевої частоти, виділюваних змішувачем, виконаний на пентоді Л3,що працює в тріодному режимі. Ручне регулювання гучності здійснюється задопомогою потенціометра R7Посилення.
Живлення частотоміра виробляється напругою мережі 110-127-220 В,частотою 50 Гц через випрямляч або ж від джерела постійного струму напругою 120й 6 В.
Основні технічні характеристики частотоміра Ч4-1 наступні:
1. Діапазон вимірюваних частот 125 кГц — 20 МГц (I — від 125 кГц до 2МГц й II — від 2 до 20 МГц.).
2. Погрішність виміру частоти при нормальних умовах експлуатаціїприладу не перевищує на першому діапазоні 50 Гц і на другому 400 Гц.
3. Нестабільність кварцового генератора при нормальних умовахексплуатації 10-6.
4. Нестабільність частоти плавного гетеродина після попередньогопрогріву не перевищує за 5-7 хв. на максимальній частоті першого діапазону 8∙10-5і найбільшій частоті другого діапазону 5∙10-6.
Відлік частоти при вимірах виробляється по градуйовочної книзі, щоє невід'ємною частиною приладу.
У додатку 4 приводиться зразок однієї зі сторінок градуйовочної книгигетеродинного частотоміра Ч4-1.
Колонки основних частот гетеродина і їхніх використовуваних гармоніку градуйовочних книгах друкуються заздалегідь. Значення відліку по лімбіконденсатора настроювання плавного гетеродина вносяться в книгу кожногоекземпляра приладу в процесі його заводський градуйовки.
У лівому нижньому куті сторінки зазначені найближча кварцова перевірочнакрапка, використовувана для перевірки плавного гетеродина.
У правому нижньому куті сторінки наведені дані для знаходження виправлень,тобто для їхнього перекладу зі значень відліку в герци й навпаки.
4. ЦИФРОВІ ЧАСТОТОМІРИ
У цей час цифрові вимірники частоти й інтервалів часу становлятьнайбільш численну групу серед ЦИП. Вони зручні в експлуатації й відрізняютьсявисокою точністю (погрішність близько 10-6 і менш). Сучасні цифровічастотоміри виконуються на напівпровідникових приладах й інтегральних схемах,що підвищило їхню надійність у порівнянні з першими ламповими зразками,зменшило габарити й споживану потужність.
Цифрові частотоміри (часто називають також електронно-рахунковимичастотомірами) використовують час-імпульсне перетворення, що є різновидомчисло-імпульсного методу.
/>
Рис. 7. Структурна схема цифрового частотоміра
Звичайно цифрові частотоміри виконуються як універсальні прилади йдозволяють крім частоти вимірювати період, часовий інтервал, тривалістьімпульсу, відношення частот, робити рахунок послідовності імпульсів ісамоконтроль, реєструвати результати виміру на стрічці цифропечатаючої машини йробити дистанційні виміри.
Структурна схема цифрового частотоміра. Принцип діїелектронно-рахункових частотомірів заснований на підрахунку числа періодіввимірюваної частоти за певний проміжок часу.
Спрощена структурна схема такого частотоміра наведена на рис. 7.
Напруга вимірюваної частоти fx подається на формуючийпристрій, на виході якого виходять однополярні імпульси такої ж частоти.
Ці імпульси надходять на електронний лічильник тільки в строгопевні інтервали часу, коли відкритий часовий селектор. Роботою селектора, тобтойого відмиканням і запиранням, управляє прямокутний імпульс, сформованийкеруючим пристроєм. Тривалість цього імпульсу, а виходить, і зразковоготимчасового інтервалу стабілізована кварцовим генератором. На виході кварцовогогенератора ставляться дільники частоти, що дозволяють одержати інтервали часу,кратні десяти.
Крім зразкових тимчасових інтервалів керуючий пристрій забезпечуєпевну тривалість часу відліку результату виміру з наступним скиданням показаньлічильника. Для збільшення часу відліку керуючий пристрій має спеціальну схему,за допомогою якої керуючі імпульси не допускаються на селектор і вінзалишається закритим на час, протягом якого на цифровому табло приладузберігається отриманий результат.
Оскільки вимірювана частота fx являє собою числоколивань, а в цьому випадку — число імпульсів на виході селектора, в одиницючасу, те
/>
де n — показання лічильника, тобто число імпульсів закалібрований інтервал часу Δt.
Час рахунку імпульсів вимірюваної частоти Δt, звичайно рівне0,001; 0,01; 0,1; 1 або 10 с, задається шляхом підключення до керуючогопристрою відповідного дільника частоти. Наприклад, якщо вимірювана частота fx=100000Гц, а селектор відкритий протягом часу Δt=1 с, те лічильник покаже 100000,якщо Δt=0,1 с, те n =fxΔt=10000, а при Δt=10 свідповідно n=1000000.
Таким чином, чим більше час рахунку Δt при незмінній частоті,тим більше показання лічильника, а виходить, і точність виміру.
Погрішність виміру частоти електронно-рахунковим частотоміромзалежить від моментів надходження на лічильник першого й останнього імпульсу зачас рахунку, що пояснюється рис. 8. Ця погрішність дискретності може бути порядку ±1рахунку, і її доводиться враховувати при вимірі порівняно низьких частот. Крімтого, на погрішність частотоміра впливає нестабільність кварцового генератора йнестійкість фази в дільнику частоти.
При вимірі низьких частот розглянутий метод не може забезпечитидосить високої точності, тому що кількість імпульсів, підрахована навіть замаксимальний для приладу інтервал часу (звичайно 1 або 10 с), невелике. Тому нанизьких частотах вимірюють не частоту, а період коливань.
Електронний лічильник. Найважливішим елементомцифрового частотоміра є електронний лічильник.
Найбільше поширення одержав декадний, тобто десятковий, лічильник.
/>
Рис. 8. Залежність показань лічильника від моменту подачіімпульсів на його вхід
Такий лічильник складається з певного числа рахункових декад,кожна з яких характеризується десятьма стійкими станами. Побудова рахунковоїдекади можливо різними способами залежно від елементів, що застосовуються вній. У цей час найбільше поширення знаходять декади, виконані на статичнихтригерних осередках (тригерах).
Тригер — це електронне безконтактне реле, що складаєтьсяіз двох ідентичних каскадів імпульсного підсилювача напруги, вихід кожного зяких гальванично з'єднаний із входом іншого.
Тригер має два стани стійкої рівноваги, кожне з якиххарактеризується певним рівнем вихідного сигналу. Зміна одного стану на іншевідбувається в результаті впливу вхідного пускового імпульсу. У лічильникахвикористається тригер з рахунковим: входом, коли два його входи об'єднані водин. У режимі рахункового запуску кожне із двох стійких станів; тригераповторюється через один вхідний імпульс. Один стійкий стан осередку умовно прийнятоза Нуль (у тригері записаний 0), інше — за одиницю (у тригері записана 1).
На рис. 9, а зображена принципова електрична схема тригера на транзисторахз колекторно-базовими зв'язками, а на рис. 9, б — його функціональна схема.
/>
Рис. 9. Схема статичного тригера
У стійкому стані схеми один транзистор відкритий, 1 іншоїзакритий. Стан, коли струм тече через обоє транзисторів, є нестійким.Припустимо, що відкрито обоє транзистора. Однак, через того що ідеальнасиметрія схеми неможлива, струми першого й другого транзистора відрізняютьсядруг від друга. Досить незначної різниці між струмами, щоб схема з нестійкого перейшлав один із двох стійких станів.
Наприклад, якщо колекторний струм другого транзистора Iк2трохи збільшився, то потенціал його колектора стане менш негативним, тому щозбільшиться спадання напруги на R2. У результаті негативний потенціал на базі транзистора Т1 зменшиться й він будепідзакриватися. Це викличе зменшення Iк1, зниження потенціалу наколекторі Т1 а виходить, і на базі Т2, внаслідок чого Iк2зростає ще більше. Цей процес протікає лавинообразно, тому що запирання одноготранзистора викликає відмикання іншого й навпаки, доти, поки колекторний струмпершого транзистора не досягне максимуму. У результаті схема перекинеться вперший стійкий стан.
Якщо ж по випадкових обставинах струм Iк2 незбільшиться, а зменшиться, то в результаті лавинообразного процесу транзистор Т2буде закритий, а Т1 відкритий. Це буде визначати другий стійкий стансхеми.
У тригера два виходи: нульовий (Вих. «0») і одиничний (Вих. «1»).Одиничним називають вихід, на якому з'являється робочий сигнал при переходітригера зі стану «1» у стан «0». Другий вихід називається нульовим. Умовимосявважати, що в тригері записаний 0, якщо транзистор Т1 закритий, а Т2відкритий. Зворотний стан приймемо за 1. Для того щоб тригер після підключенняджерел живлення до нього виявився в певному стійкому (звичайно нульовому)стані, на його подається імпульс скидання, під дією якого тригер штучнопереводиться в цей стан. Надалі перехід схеми з одного стану в іншевідбувається при подачі на вхід позитивних імпульсів.
Нехай до моменту запуску тригер перебуває в нульовому положенні.При цьому негативна напруга на колекторі й базі транзистора Т2близько до нуля, на колекторі Т1 приблизно дорівнює Ек, набазі Т1 позитивна напруга близько до нуля. Позитивний імпульс абоперепад напруг, поданий на рахунковий вхід, коротшає за допомогою ланцюга, що диференціює,R7C3 і надходить на бази обох транзисторів. На відкритийтранзистор цей імпульс робить замикаючу дію. Це приведе до виникненнялавинообразного процесу, у результаті якого тригер перейде в протилежнийстійкий стан, коли Т1 відкритий, а Т2 закритий.
С приходом другого імпульсу тригер повернеться в нульовий стан, ана його одиничному виході з'явиться позитивний перепад напруг (Т2 відкривається),що є робочим сигналом для наступного тригера лічильника. Завдяки діодам Д1і Д2 тригер перекидається тільки від позитивних імпульсів.
Список використаної літератури
1. />Жарковский Б.И. Приборы автоматическогоконтроля и регулирования (устройство и ремонт): Учеб. для ПТУ. — 3-е изд., перераб. и доп.— М.: Высш. шк., 1989.
2. КрыскинА.М., Наумов И.З. Слесарь механосборочных работ. — М.: Высшая школа, 1974.
3. АтабековВ.Б. Ремонт электрооборудования промышленных предприятий: Учеб. для сред. ПТУ —5-е изд., испр. М.: Высш. шк., 1985.
4. БерковичМ.А. и др. Основы техники релейной защиты /М.А. Беркович, В.В. Молчанов, В.А.Семенов. — 6-е изд., перераб. и доп.—М.: Энергоатомиздат, 1984.
5. БокманГ.А., Пузевский И.С. Конструкция и технология производства электрических машин.— М.: Высшая школа, 1977.
6. ВернерВ.В., Вартанов Г.Л. Электромонтер-ремонтник. — М.: Высшая школа, 1982.
7. КоротковГ.С., Членов М.Я. Ремонт оборудования и аппаратуры pacпределительныхустройств. — М.: Высшая школа, 1984.
8. НикулинН.В. Справочник молодого электрика по электротехническим материалам и изделиям.— М.: Высшая школа, 1982.
9. ПерельмутерН.М. Электромонтер-обмотчик и изолировщик по ремонту электрических машин. — М.:Высшая школа, 1980.