Рис.3 Будова вібраційних частотомірів

1.4 Аналогові частотоміри

Аналогові частотоміри можуть бути:

· електродинамічними;

· феродинамічними;

· електромагнітними;

· випрямними;

· електронними.

Електродинамічні частотоміри - це прилади зі стрілковим покажчиком, виконані на основі електродинамічного логометра. Вони вирізняються відносно високим класом точності, зручністю в користуванні, бо дають можливість робити відлік за положенням стрілки на шкалі, градуйованій безпосередньо у герцах.

Схему одного з переносних частотомірів, що виробляються в Україні, зображено на рис.4. На схемі позначено: Р₁ і Р₂ - обмотки рухомих рамок приладу, жорстко закріплених на осі рухомої системи під прямим кутом одна до одної; НК₁ і НК₂ - обмотки нерухомих котушок; L - котушка індуктивності з феромагнітним осердям, що має невеликий повітряний проміжок; С₁ - конденсатор, який створює резонансний контур з котушкою L; r₁ - додатковий опір, rш - підгінний опір; С₂ - конденсатор, реактивний опір якого обмежує величину струму, що проходить через обмотку рамки Р₂ ; AT - автотрансформатор, що дає можливість при величинах номінальних напруг контрольованої частотоміром мережі 36, 100, 127 або 220 В подавати на вимірювальний механізм певну величину напруги, на якій проводилось градуювання приладу. Зауважимо, що відхилення величини напруги мережі у межах ±10 % від її номінальної величини викликає лише невелику додаткову похибку у показаннях, яка не виходить за межі, допустимі для класу приладу. Частотоміри за наведеною схемою виробляють у декількох модифікаціях. Всі пі прилади здатні вимірювати частоти від 45 до 1650 Гц. Діапазон вимірювань частоти кожним з цих приладів відповідає ±10 % від значення середньої частоти, вимірюваної даним приладом, тобто від 45.55 до 1350.1650 Гц.

Клас точності цих приладів - 0,2, тобто їхня основна похибка не перевищує ±0,2 % від середньої частоти, вимірюваної приладом.

У цих приладах зі зміною величини частоти змінюються також величина і фаза струму у нерухомих котушках HK₁ і НК₂ і у рухомій котушці-рамці Р₁ . Так, якщо за частоти, що відповідає показанню посередині шкали приладу, величина реактивного індуктивного опору вітки, за якою проходить струм І₁ , дорівнюватиме величині ємнісного реактивного опору конденсатора С₁ тоді через наявність резонансу напруг струм І₁ буде найбільшим і перебуватиме у фазі з напругою U_f .

електровимірювальний прилад частота напруга

Рис.4 Схема електродинамічного частотоміра

Рамка Р₁ під дією обертового моменту, створеного взаємодією струму в рамці з магнітним потоком нерухомих котушок НК₁ і НК₂ , перебуватиме у положенні, де площини цієї рамки і нерухомих котушок збігатимуться. Дією рамки Р₂ можна знехтувати, бо через неї проходить струм І₂ , зсунутий відносно напруги U_f майже на 90°. Якщо ж величина частоти напруги U_f буде відмінна від частоти резонансу f_р , то фаза струму І₁ відносно напруги U_f вже не збігатиметься з напругою, і кут зсуву по фазі струму І₁ , відносно струму І₂ буде відмінним від 90°. Тоді магнітний потік нерухомих котушок, взаємодіючи зі струмом І₂ , створить обертовий момент, що буде врівноважений моментом, створюваним рамкою Р₁ при повороті рухомої частини приладу на кут, відповідний вимірюваній частоті напруги U_f . Зі схеми видно, що величина напруги U_f невпливає на кут відхилення рухомої частини, бо зміна величини напруги однаково вплине як на величину струму І₁ , так і на величину струму І₂ . Це призведе до однакової зміни величин обертових моментів, створюваних рамками Р₁ і Р₂ , котрі протидіють один одному, тобто не змінить рівноваги між ними за даного положення рухомої частини приладу.

У цьому приладі, як і у всякому логометрі, відсутні спіральні пружини, а струм підводиться до рамок за допомогою трьох тонких "безмоментних" струмопідводів.

Феродинамічні частотоміри, побудовані на основі феродинамічних логометрів, можуть бути виконані на основі електричних схем, аналогічних схемам електродинамічних частотомірів.

Різниця між ними лише в тому, що споживана потужність у феродинамічного приладу може бути суттєво меншою, ніж у електродинамічного. Часто феродинамічні частотоміри виконують на основі найпростіших однорамочних логометрів, у котрих як діючий, так і протидіючий моменти створюються однією рамкою, через яку водночас проходять два струми: один (що створює момент протидії) викликаний ЕРС взаємоіндукції від дії струму, що є у обмотці нерухомої котушки, другий (той, що створює діючий момент) викликаний напругою мережі, частота якої вимірюється. Ця напруга прикладена до ємнісно-індуктивного кола приладу.

Як і у частотоміра електродинамічної системи, так і у феродинамічного для підводу струму до рамки використано "безмоментні" струмопідводи, але їх всього два. Електромагнітний частотомір виконано на основі двокотушкового електромагнітного логометра, котрий має на своїй рухомій частині два феромагнітних осердя, кожне з яких взаємодіє з одною із нерухомих котушок. Обертові моменти електромагнітних систем, до яких входять згадані котушки і осердя, спрямовані зустрічно. Кожну з обмоток котушок ввімкнено послідовно з дроселем і конденсатором, які налаштовано в резонанс на відмінні величини частот. Одна - нижче за найменшу вимірювану частоту, друга - вища за найбільшу вимірювану частоту. Завдяки цьому рівність обертових моментів, що діють протилежно, в згаданих раніше системах буде одержано при різних величинах вимірюваної частоти у певних положеннях покажчика приладу на шкалі. Рухома частина цього приладу не має ні моментних пружин, ні безмоментних струмопідводів.

Випрямні частотоміри, створені на основі магнітоелектричних логометрів, діють аналогічно тому, як діє електромагнітний частотомір. Тобто вони мають два резонансні контури: резонансна частота одного нижча за найменшу вимірювану, а іншого - вища за найбільшу вимірювану. Але змінні струми, що протікають у вказаних контурах, випрямлюються двопівперіодними випрямлячами і надсилаються до рамок рухомої частини магнітоелектричного логометра, кут повороту якої залежить від відношення цих струмів. Згідно з цим, положення стрілки на шкалі логометра визначатиме величину частоти напруги. У електронного частотоміра приладом, що показує частоту, є магнітоелектричний міліамперметр, увімкнутий у коло вихідного каскаду електронного підсилювача. Вхідне коло підсилювача приєднане до частотно залежного ланцюга, струм якого мало залежить від величини напруги, частота котрої вимірюється. Завдяки наявності електронного підсилювача, потужність, споживана з вимірювального кола, у електронного частотоміра значно менша, ніж у всіх розглянутих вище частотомірів.

1.5 Електромеханічні частотоміри

Для вимірювання частоти у вузькому діапазоні (45.55Гц) з невисокою точністю (одиниці процентів) застосовуються електродинамічні й електромагнітні частотоміри. В електродинамічних частотомірах застосовують логометричний вимірювальний механізм, який складається з двох рухомих котушок, закріплених на одній осі під деяким кутом одна до одної, яка може вільно обертатися у магнітному полі нерухомої котушки (рис.5). Параметри рухомої котушки та елементів R2, L2, С2 добирають так, щоб резонансна частота

припадала на середину вимірюваного діапазону частот.

Рис.5

У разі відхилення вимірюваної частоти від середини діапазону змінюються опори реактивних елементів Х_С1 =l/2πf_x C₁ , Х_С2 = l/2πf_x C₂ , X_{L 2} =l/2πf_x L₂ і співвідношення між струмами в котушках, унаслідок чого стрілка відхиляється на кут, пропорційний вимірюваній частоті f_x . 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 f_x 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=U₀ C.