Изменение частоты переменного тока с помощью частотомеров. Резонансный частотомер - прибор, измеряющий частоту резонансным методом. Принцип действия резонансных частотомеров, основные параметры их классификации. Варианты применения и схемы частотомеров.
Важнейшей характеристикой периодических процессов является частота, которая определяется числом полных циклов (периодов) колебаний за единичный интервал времени. Резонансный метод, основанный на явлении электрического резонанса в контуре с подстраиваемыми элементами в резонанс с измеряемой частотой. Они помогут вам определить наличие и частоту неизвестных электрических колебаний, относительный уровень напряжения основной частоты и ее гармоник, проверить укладку границ диапазонов, стабильность работы гетеродина приемника, высокочастотного генератора или передатчика на любительские диапазоны. Прибор, измеряющий частоту резонансным методом, называют резонансным частотомером. Резонансный метод - основан на использовании явления резонанса в колебательной системе и заключается в сравнении измеряемой частоты с частотой собственных колебаний контура или резонатора, заранее проградуированного.Основные их преимущества следующие: § большой диапазон измеряемых частот Принцип действия резонансных частотомеров основан на сравнении частоты входного сигнала с собственной резонансной частотой перестраиваемого резонатора. Контролируемый сигнал через входные цепи поступает на резонатор, с резонатора сигнал через детектор подается на индикаторное устройство (гальванометр).
План
Оглавление
Введение
Основные определения
Классификация
Варианты применения и схемы
Схемы включения частотомера в тракт
Вывод
Список литературы
Введение
Важнейшей характеристикой периодических процессов является частота, которая определяется числом полных циклов (периодов) колебаний за единичный интервал времени. Необходимость в измерении частоты возникает во многих областях науки и техники и особенно часто - в радиоэлектронике, которая охватывает обширную область электрических колебаний от инфранизких до сверхвысоких частот включительно.
Частоту переменного тока измеряют частотомерами. В электротехнике ХХ века обычно применяли резонансные электромагнитные или ферродинамические приборы, которые в настоящее время устарели, но их еще можно встретить на действующих электротехнических установках.
Непосредственное измерение частоты производят частотомерами, в основу которых положены различные методы измерения в зависимости от диапазона измеряемых частот и требуемой точности измерения. Наиболее распространенными методами измерения частоты являются: Метод перезаряда конденсатора за каждый период измеряемой частоты. Среднее значение тока перезаряда пропорционально частоте и измеряется магнитоэлектрическим амперметром, шкала которого проградуирована в единицах частоты. Выпускают конденсаторные частотомеры с пределом измерения 10 Гц - 1 МГЦ и погрешностью измерения 2%.
Резонансный метод, основанный на явлении электрического резонанса в контуре с подстраиваемыми элементами в резонанс с измеряемой частотой. Измеряемая частота определяется по шкале механизма подстройки. Метод применяется на частотах более 50 КГЦ.
Сверхвысокие частоты (СВЧ) применяются в радиолокации, спутниковой связи, термообработке пищевых продуктов и исследованиях электронных свойств твердых тел.
Следовательно, и приборы, способные измерять частоты, принадлежащие этому диапазону, играют очень важную роль в современной жизни.
Резонансные частотомеры (волномеры) имеют простое устройство и достаточно удобны в эксплуатации.
Они помогут вам определить наличие и частоту неизвестных электрических колебаний, относительный уровень напряжения основной частоты и ее гармоник, проверить укладку границ диапазонов, стабильность работы гетеродина приемника, высокочастотного генератора или передатчика на любительские диапазоны.
Основные определения
Прибор, измеряющий частоту резонансным методом, называют резонансным частотомером.
Резонансный метод - основан на использовании явления резонанса в колебательной системе и заключается в сравнении измеряемой частоты с частотой собственных колебаний контура или резонатора, заранее проградуированного. Этот метод применяется в радиочастотном диапазоне, преимущественно в области сверхвысоких частот (СВЧ).
Так как в области низких частот резонансные явления проявляются менее резко, что не обеспечивает достаточной точности измерений.
Диапазон сверхвысоких частот - частотный диапазон электромагнитного излучения (100-300 000 млн. герц), расположенный в спектре между ультравысокими телевизионными частотами и частотами дальней инфракрасной области. Этот частотный диапазон соответствует длинам волн от 30 см до 1 мм; поэтому его называют также диапазоном дециметровых и сантиметровых волн. В англоязычных странах он называется микроволновым диапазоном; имеется в виду, что длины волн очень малы по сравнению с длинами волн обычного радиовещания, имеющими порядок нескольких сотен метров.
Принцип действия резонансных частотомеров основан на сравнении частоты входного сигнала с собственной резонансной частотой перестраиваемого резонатора. В качестве резонатора может быть использован колебательный контур, отрезок волновода (объемный резонатор) или четвертьволновой отрезок линии. Контролируемый сигнал через входные цепи поступает на резонатор, с резонатора сигнал через детектор подается на индикаторное устройство (гальванометр). Для повышения чувствительности в некоторых частотомерах применяются усилители. Оператор настраивает резонатор по максимальному показанию индикатора и по лимбу настройки отсчитывает частоту.
В диапазоне СВЧ резонансными частотомерами измеряют обычно не частоту, а непосредственно длину волны.
Лимб - (лат. limbus - кайма, пояс, рубеж, край) - цилиндрическое или коническое кольцо или диск, разделенный штрихами на равные доли (градусы, минуты и т.д.), деления на лимбе отсчитываются с помощью верньеров или микроскопов-микрометров. Применяется как наиболее важная часть в различных угломерных инструментах для отсчета углов . Лимбом снабжаются также винты суппортов и столов металлорежущих станков. Лимбы могут быть металлическими и пластиковыми.
Особенностями резонансных частотомеров, применяемых для измерения высоких и сверхвысоких частот, являются простота конструкции, быстрота функционирования и однозначность результатов измерений; погрешность измерений составляет 0,1-3%.
Классификация
Резонансные частотомеры характеризуются следующими основными параметрами: · класс точности
· допускаемые дополнительные погрешности;
· диапазон измеряемых частот;
· запас по краям диапазона и перекрытие между поддиапазонами;
· чувствительность;
· максимальный размер мощности измеряемого сигнала;
· среднее время безотказной работы.
Классификация [править | править исходный текст]
§ По методу измерения
§ приборы непосредственной оценки (напр. аналоговые)
§ для измерения частоты синусоидальных колебаний (аналоговые), § измерения частот гармонических составляющих (гетеродинные, резонансные, вибрационные)
§ измерения частоты дискретных событий (электронно-счетные, конденсаторные).
§ По исполнению (конструкции)
§ щитовые
§ переносные
§ стационарные.
§ По области применения частотомеры включаются в два больших класса средств измерений: § электроизмерительные приборы
§ радиоизмерительные приборы.
Следует заметить, что граница между этими группами приборов весьма прозрачна.
В группу электроизмерительных приборов входят
§ аналоговые
§ стрелочные частотомеры различных систем
§ вибрационные а также отчасти конденсаторные и электронно-счетные частотомеры.
В группу радиоизмерительных приборов входят
§ резонансные
§ гетеродинные
§ конденсаторные
§ электронно-счетные частотомеры
Чувствительностью частотомера называется минимальная поглощаемая им мощность, необходимая для уверенного отсчета момента резонанса.
Точность показаний резонансного частотомера определяется стабильностью его градуировки и точностью настройки в резонанс.
Варианты применения и схемы
Резонансный частотомер представляет собой колебательную систему, настраиваемую в резонанс с измеряемой частотой fx возбуждающих ее колебаний, которые поступают от исследуемого источника через элемент связи. Резонансная частота определяется по показаниям калиброванного органа настройки. Состояние резонанса фиксируется с помощью встроенного или внешнего индикатора.
Частотомеры, измеряющие частоты от 50 КГЦ до 100-200 МГЦ, выполняются в виде колебательного контура из элементов с сосредоточенными постоянными: катушки индуктивности L0 и конденсатора переменной емкости С0. В контуре частотомера наводится Э.Д.С. измеряемой частоты fx, например за счет индуктивной связи с источником колебаний через катушку L0 или небольшую штыревую антенну, присоединяемую к гнезду Ан. При маломощном источнике связь с последним может быть емкостной через конденсатор связи Ссв (емкостью в несколько пикофарад) и проводник связи. Изменением емкости конденсатора С0 контур настраивают в резонанс с частотой fx по максимальным показаниям индикатора резонанса. При этом измеряемая частота fx, равная собственной частоте контура: f0 = 1/ (2?* (L0C0) 0,5), определяется по шкале конденсатора С0.
При фиксированной индуктивности L0 диапазон измеряемых частот ограничивается коэффициентом перекрытия под которым понимают отношение максимальной частоты настройки частотомера fm к наименьшей частоте fн при изменении емкости контура от начального значения Сндо максимального См. Начальная емкость контура Сн слагается из начальной емкости конденсатора С0, емкости монтажа и емкостей постоянных или подстроечных конденсаторов, включаемых в контур с целью получения требуемого коэффициента перекрытия или для других целей. При необходимости расширения диапазона измеряемых частот частотомер снабжается несколькими катушками различной индуктивности, сменными или переключаемыми. В последнем случае неиспользуемые катушки (если они не экранированы) желательно замыкать накоротко во избежание отсасывания ими энергии из контура частотомера при частотах настройки, близких к собственным частотам этих катушек; при этом связь с источником колебаний осуществляют через гнездо связи Ан или посредством выносной катушки связи Lсв из одного или нескольких витков, подключаемой к контуру гибким высокочастотным кабелем.
Индикаторы резонанса позволяют фиксировать состояние резонанса по максимуму тока в контуре или максимуму напряжения на элементах контура. Индикаторы тока должны быть низкоомными, а индикаторы напряжения - высокоомными; тогда потери, вносимые ими в контур, не будут вызывать заметного притупления резонансной характеристики контура.
Рис. 1. Схема резонансного частотомера с индикатором тока и сменными контурными катушками
В качестве индикаторов тока иногда применяют термоэлектрические миллиамперметры с током полного отклонения до 10 МА, включаемые последовательно в контур частотомера (рис. 1); при эксплуатации такого частотомера следует весьма осторожно устанавливать связь с объектом измерений и не допускать перегрузки термоприбора при подходе к резонансу. Простейшим индикатором тока может служить миниатюрная лампочка накаливания Л; погрешность измерений при этом, естественно, возрастает.
В современных частотомерах чаще всего применяют индикаторы напряжения - высокочастотные вольтметры со стрелочными измерителями; они обеспечивают высокую точность индикации при хорошей стойкости к перегрузкам. Простейший такой индикатор (рис. 2, а) состоит из точечного диода Д и чувствительного магнитоэлектрического измерителя И, зашунтированного от высокочастотных составляющих выпрямленного тока конденсатором С2. Частотомер со стрелочным измерителем можно использовать в качестве индикатора напряженности поля при снятии диаграмм направленности передающих антенн.
Рис 2. Схемы резонансных частотомеров с индикаторами напряжения и переключаемыми контурными катушками
Если исследуемые колебания являются модулированными, то индикатором может служить высокоомный телефон Тф (рис. 2, а). При этом резонанс отмечают по наибольшей громкости тона модулирующей частоты. Такой частотомер пригоден для слухового контроля качества работы радиотелефонных передатчиков.
Резонансные частотомеры характеризуются чувствительностью, т.е. минимальным значением подводимой к ним высокочастотной мощности, при котором обеспечивается четкая индикация резонанса; обычно оно находится в пределах 0,1-5 МВТ, а при использовании лампочки накаливания возрастает до 0,1 Вт. С целью повышения чувствительности в индикатор резонанса иногда вводят (после детектора) транзисторный усилитель постоянного тока с большим входным сопротивлением; простейшая схема такого усилителя показана на рис. 2, б.
На сверхвысоких частотах контуры из элементов с сосредоточенными постоянными становятся малоэффективными изза резкого уменьшения их добротности. В диапазоне частот от 100 до 1000 МГЦ достаточно хорошие результаты достигаются в частотомерах с контурами смешанного типа, имеющими сосредоточенную емкость и распределенную индуктивность (рис. 3). В качестве элемента индуктивности L0 используется криволинейный отрезок (виток) посеребренной медной проволоки или трубки диаметром 2-5 мм. Переключатель В определяет поддиапазон измерений. Настройка частотомера производится изменением рабочей длины витка индуктивности L0 посредством поворотного контактного движка. Верхний предел измеряемых частот ограничивается значением емкости монтажа См. Связь с источником исследуемых колебаний осуществляется через виток связи L1.
Рис.3. Схема резонансного частотомера с контуром смешанного типа
Схемы включения частотомера в тракт
При включении резонансного частотомера в СВЧ тракт возможны два вида схем включения: проходная (рис. а) и реактивная (рис. б). резонансный частотомер переменный ток
Рис. 4. Схемы включения резонансного частотомера в СВЧ тракт
При настройке частотомера рекомендуется подходить к положению резонанса плавно с одной стороны, так как при этом уменьшаются погрешности, связанные с люфтом в механизме перемещения поршня резонатора.
С целью повышения точности измерение частоты проводят методом "вилки", который заключается в том, что для определения резонансной частоты берут два отсчета частоты f1 и f2, соответствующие одинаковым показаниям стрелочного индикатора по обе стороны от положения резонанса. За резонансную частоту принимают среднее арифметическое из этих отсчетов.
Вывод
Резонансный частотомер - весьма полезный в радиотехнике прибор.
Основные их преимущества следующие: § большой диапазон измеряемых частот
§ высокая точность измерения
§ возможность отсчета измеряемой величины в цифровой форме
Принцип действия резонансных частотомеров основан на сравнении частоты входного сигнала с собственной резонансной частотой перестраиваемого резонатора. В качестве резонатора может быть использован колебательный контур, отрезок волновода (объемный резонатор) или четвертьволновой отрезок линии. Контролируемый сигнал через входные цепи поступает на резонатор, с резонатора сигнал через детектор подается на индикаторное устройство (гальванометр). Для повышения чувствительности в некоторых частотомерах применяются усилители. Оператор настраивает резонатор по максимальному показанию индикатора и по лимбу настройки отсчитывает частоту.
Он поможет вам определить наличие и частоту неизвестных электрических колебаний, относительный уровень напряжения основной частоты и ее гармоник, проверить укладку границ диапазонов, стабильность работы гетеродина приемника, высокочастотного генератора или передатчика на любительские диапазоны.
Список литературы
1. Измерения в электронике. Справочник под редакцией В.А. Кузнецова. - М. Энергоатомиздат, 1987.
2. Писаревский Э.А. Электрические измерения и приборы. М. Энергия, 1970.
3. ГОСТ 8.567-99 ГСИ. Измерения времени и частоты. Термины и определения.
4. Радиоприборы. Справочная информация [Электронный ресурс]. Режим доступа - , свободный.
5. Библиотека для студента [Электронный ресурс]. Режим доступа , свободный
6. Большая энциклопедия нефти и газа. [Электронный ресурс]. Режим доступа - , свободный
Размещено на .ru
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
