припадала на середину вимірюваного діапазону частот.
Рис.5
У разі відхилення вимірюваної частоти від середини діапазону змінюються опори реактивних елементів ХС1=l/2πfxC1, ХС2= l/2πfxC2, XL2=l/2πfxL2 і співвідношення між струмами в котушках, унаслідок чого стрілка відхиляється на кут, пропорційний вимірюваній частоті fx. Аналогічно працює й електромагнітний частотомір.
1.6 Вимірювальний перетворювач частоти в струм
В аналогових електронних частотомірах застосовується попереднє перетворення частоти в напругу. Принцип дії вимірювального перетворювача частоти в напругу ґрунтується на формуванні імпульсів, частота яких дорівнює вимірюваній частоті, а електричний заряд імпульсів є постійним. Середнє значення струму таких імпульсів пропорційне вимірюваній частоті.
Вимірювальний перетворювач частоти в напругу становить основу так званого конденсаторного частотоміра, спрощену схему якого наведено на рисунку 6. Періодичний сигнал із частотою fx надходить на вхід формувача прямокутних імпульсів, частота яких дорівнює вимірюваній частоті. Прямокутні імпульси діють на перемикач, який з'єднує конденсатор із джерелом стабільної напруги. Упродовж часу тривалості імпульсу Ті конденсатор заряджається до напруги U0. Заряд, який накопичився за цей час на обкладках конденсатора, становитиме: Q=U0C.
Рис.6
Після закінчення дії імпульсу перемикач повертається у початковий стан і з'єднує конденсатор із резистором R. Конденсатор розряджається, і через резистор проходить струм розряду, середнє значення якого прямо пропорційне вимірюваній частоті:
Напруга на резисторі R прямо пропорційна струму, тому середнє значення напруги на резисторі Ux=RQ0fx виділяється фільтром низької частоти і вимірюється вольтметром магнітоелектричної системи.
1.7 Гетеродинний вимірювальний перетворювач частоти
Перетворення частоти сигналу широко застосовується в різних радіотехнічних пристроях. Суть частотного перетворення сигналу полягає у тому, що синусоїдний сигнал ux (t) =Uх√2sin (2πfxt+Ψx) з вимірюваною частотою fx перемножується із зразковим сигналом u0 (t) = U0√2sin (2πf0t+Ψ0) з відомою частотою f0:
(1)
Як відомо з тригонометрії, добуток двох синусоїдних функцій виражається через різницю синусоїдних функцій:
(2)
Застосовуючи тригонометричну тотожність (2) до добутку (1), отримаємо
Отже, на виході перемножувача буде сума двох коливань: одне з коливань має частоту fx-f0, а друге - частоту fx+f0. Пристрій, за допомогою якого здійснюється перемножування двох синусоїдних сигналів, називається "амплітудним модулятором", "змішувачем", "перемножувачем". За допомогою електронних фільтрів можна виділити із суми двох коливань одне. Здебільшого на практиці виділяють коливання з різницевою частотою fx-f0. Якщо плавно змінювати частоту f0 зразкового генератора, то частота fx-f0 наближатиметься до нуля. Це можна зафіксувати за допомогою осцилографа або на слух за допомогою головних телефонів за висотою тону.
1.8 Частотомір із перетворенням похибки квантування в інтервал часу
Основною похибкою, яка обмежує точність частотомірів, є похибка квантування. Перетворенням похибки квантування Δt в електричний заряд q, а заряду в інтервал часу ΔT (у десятки разів більший за Δt) і наступним вимірюванням інтервалу ΔT можна в десятки разів підвищити точність вимірювання частоти. Цей спосіб застосовується у цифровому універсальному частотомірі 43-64, генератор квантувальних імпульсів якого має частоту 100 МГц. На першому етапі вимірювання вимірюваний інтервал часу Тх квантується імпульсами з періодом Т0=1·10-8 с. При цьому виникають похибки Δt1 і Δt2. Сумарна похибка перетворюється в заряд конденсатора. Впродовж інтервалу Δt1 відбувається заряджання, а протягом інтервалу Δt2 - розряджання конденсатора струмом 1·10-6 А. Далі конденсатор розряджається струмом 1·10-7 А. Тривалість розряджання дорівнює ΔТ=10·Δt=10· (Δt1-Δt2). Потім ΔT квантується імпульсами з періодом Т0=1·10-8 с. Таким чином, похибка зменшується з 1·10-8 с до 1·10-9 с.
ІІ. Механічна частина
2.1 Вимірювання частоти електричної напруги
На підприємствах енергетичного профілю частоту найчастіше вимірюють за допомогою частотомірів, використання яких не викликає ніяких труднощів. Більшість частотомірів приєднують безпосередньо до мережі, частоту котрої необхідно виміряти, або до окремого джерела живлення змінного струму, частоту напруги якого слід контролювати. Необхідно лише впевнитись, що номінальна величина напруги мережі чи окремого джерела збігається з номінальною величиною напруги частотоміра, а також у тому, чи довіряти показанням частотоміра зразу ж після вмикання під напругу, чи лише після певного часу його роботи. Цей час може бути необхідний, щоб частини частотоміра, що містяться всередині його корпуса, нагрілися власним теплом, яке виникає в обмотках та осердях частотоміра, до належної температури.
Крім того, ще до встановлення і приєднання частотоміра необхідно впевнитись у відповідності умов у помешканні, де намічено встановити частотомір, тим умовам, які передбачені технічним описом приладу.
Більшість частотомірів, що застосовуються на електричних станціях та в енергосистемах, мають обмежену точність (клас їхньої точності 1,5; 1,0; 0,5; 0,2).
Разом з тим ці частотоміри потребують періодичної повірки, перш за все відомчої, яку з дозволу Державних метрологічних органів проводять метрологічні підрозділи підприємств і організацій, де експлуатують прилади. Повірка необхідна також після ремонту приладів.
При таких повірках необхідно забезпечити клас точності зразкового засобу вимірювання у 4.5 разів вищий за клас приладу, що повіряється. Якщо зразкових приладів необхідного класу точності немає, то використовують метод порівняння частот зразкового високоточного вимірювального генератора і джерела напруги змінної частоти, від якого живиться частотомір, що проходить повірку. Використовують ще і метод вимірювання частоти за допомогою частотомірного мосту.
Безпосереднє вмикання частотоміра на генератор зразкових частот часто буває неможливим через малу потужність таких генераторів.
Досить надійним методом порівняння двох частот є метод биття, реалізація якого можлива згідно зі схемою рис.7.
На цьому рисунку позначено:
ЗГ - генератор зразкової частоти; ГЧ - генератор змінної частоти живлення приладу; ЧМ - частотомір, що повіряється; П1, П2, П3 - підсилювачі; І - індикатор наявності коливань напруги; П - потенціометр.
Для чіткої роботи схеми необхідно, щоб підсилювачі П1 і П2 були однотипними, а величини напруг на їхніх виходах - однаковими (щоб досягти цього, у схемі є потенціометр П, за допомогою якого на вході до підсилювача П2 можна встановити яку завгодно величину напруги).
Індикаторний прилад І - це прилад для вимірювань постійного струму з нульовою позначкою посередині шкали. Він має бути здатним витримувати величину напруги змінного струму, яка виникає на виході підсилювача П3 при появі на його вході складених напруг, створених підсилювачами П1 і П2.
Рис.7 Точне вимірювання частоти методом биття
Порядок повірки частотоміра на подібній вимірювальній схемі може бути таким. Генератором зразкової частоти ЗГ встановлюють значення однієї з частот, вимірюваних частотоміром ЧМ. Генератором ГЧ встановлюють приблизно таку саму частоту (за показаннями частотоміра ЧМ), після чого звертають увагу на показання індикатора І. Якщо величини обох частот мало відрізняються між собою, то між напругами, що є на виходах підсилювачів П1 і П2, виникає биття - тобто почергове складання і віднімання миттєвих значень цих напруг.
Змінюючи величину частоти генератора ГЧ, досягають такого стану, при якому частота биття напруги стане зовсім малою (десь одне коливання за 5.10 с). У цьому разі можна вважати, що частоти напруг генераторів ЗГ і ГЧ зрівнюються.
Якщо в цей час показання покажчика частотоміра, що проходить повірку, відрізняється від частоти, генерованої генератором ЗГ, то, віднявши від показу частотоміра ЧМ (у герцах) дійсну частоту, з якою працює генератор ЗГ, можна визначити величину похибки частотоміра.
Метод биття можна застосовувати у виробничих лабораторіях при повірках частотомірів завдяки нескладності потрібного обладнання та достатньо високої точності вимірювань.
Застосовуючи зразковий кварцовий генератор з багатоступінчастим подільником частоти, можна отримати зразкову частоту з похибкою близько 0,000001 %.
Використовуючи термостатовані камертонні генератори, можна досягти точності, на порядок чи два меншої. Їх можна використовувати й без подільників частоти.
Іноді для визначення рівності вимірюваної і зразкової частот як нуль-індикатор використовують телефонну трубку. Це зовсім простий метод, який не вимагає додаткової апаратури, треба лише, щоб величини напруг зразкової і контрольованої частот були достатніми (і безпечними) для телефонної трубки. Але користуватись цим методом доцільно тільки при порівнянні підвищених і високих частот, бо людське вухо нездатне сприймати звуки з частотою, нижчою за 12.15 Гц. Наявність такої "мертвої" зони при порівнянні частот порядку 1000.5000 Гц і вище майже не впливає на точність вимірювань, але при порівнянні частот порядку 40.60 Гц вона зовсім недоречна, бо суттєво зменшує точність порівняння.
2.2 Відношення двох частот
В універсальних цифрових частотомірах передбачена можливість вимірювання відношення двох частот: fx і fy. Сигнали вимірюваних частот подаються на формувачі імпульсів (рис.8), які формують імпульси з крутими фронтами для зменшення похибки від дрейфу рівнів спрацювання.
Якщо одна з частот набагато більша за іншу (fx>>fy), то імпульс тривалістю Ту з виходу формувача (рис.8, а) відкриває ключ і імпульси тривалістю Тх надходять на вхід лічильника імпульсів упродовж часу Ту. Числовий відлік лічильника імпульсів дорівнюватиме:
Якщо ж частоти fx і fy близькі за значенням, то імпульси з частотою fy після формувача (рис.8, б) подаються на подільник частоти з коефіцієнтом ділення n. Числовий відлік лічильника імпульсів у такому разі дорівнюватиме:
Рис.8
Відсотковий частотомір. Сигнал частотою fx надходить на формувач імпульсів (рис.9), який формує імпульси нормованої амплітуди з крутими фронтами. Сформовані імпульси подаються на подільник частоти з коефіцієнтом ділення n1. З вихідного сигналу подільника частоти формується імпульс тривалістю T1=n1Tx=n1/fx, Генератор стабільної частоти f0 і другий подільник частоти з коефіцієнтом ділення n2 формують другий імпульс тривалістю Т2=n2Т0=n2/f0. Обидва імпульси подаються на ключ, який влаштований так, що він відкритий упродовж часу ΔТ=Т2-Т1. За час ΔТ на вхід лічильника імпульсів через ключ проходять імпульси з періодом Т0. Покази лічильника в кінці вимірювання становлять:
