Частотомер - измерение частоты электрических колебаний в электроэнергетике

Способ синусоидальной развёртки применяется при кратности измеряемой и образцовой частот не более 10, так как при большом числе пересечений горизонтальной и вертикальной линий их трудно сосчитать.

 

 

 

 

 

 

Рис.2 Осциллографический метод измерения частоты

 

Рис.2.а. Формы  фигур на экране осциллографа при  различных соотношениях f_обр и f_x.

 

Уравнение преобразования:

,                       (2.4)

 Где -измеряемая частота,

-образцовая частота,

-число пересечений фигуры  с горизонтальной прямой,

-число пересечений фигуры с вертикальной прямой.

Следовательно,                   (2.5)

Если невозможно получить неподвижную  фигуру, то уравнение преобразования имеет следующий вид:

,       (2.6)

Где -разностная частота,

-число повторений изображения,

-время, за которое произошло  q повторений.

 

Метод определения действительного значения частоты при помощи осциллографа с круговой развёрткой.

Принцип действия:

Этот метод заключается  в том, что напряжение меньшей  частоты подается на оба входа(X и Y) осциллографа через фазосдвигающую цепь. Напряжение более высокой частоты подается на модулятор (Z) электронно-лучевой трубки (рисунок 3).

                    

 

 

Рис 3. Измерение  частоты осциллографом методом  круговой развертки.

  Если f_x=f_обр, то на экране осциллографа появится половина светлой окружности(или половина эллипса – в зависимости от угла фаз фазосдвигающей цепочки). При кратности f_x и f_обр на экране осциллографа появится пунктирная окружность. Число темных или светлых штрихов n равно кратности неизвестной и образцовой частот. Если частоты f_x и f_обр не равны, то фигура на экране осциллографа будет вращаться. Скорость вращения прямо пропорциональна разности частот f_обр-f_x.

Уравнение преобразования:

При кратности f_x и f_обр  получим соотношение:

 

,                   (2.7)

где   f_x -измеряемая частота,

f_обр -образцовая частота,

n – это число штрихов на экране осциллографа.

Следовательно, значение измеряемой частоты определяется из формулы:

 

.     (2.8)

Если фигура на экране осциллографа будет вращаться, то для  определения Δf= f_обр -f_x достаточно заметить положение на экране осциллографа  одного штриха пунктирной окружности в момент времени t₁, затем заметить время t₂, когда штрих займет прежнее положение, и вычислить разностную частоту по формуле:

,             (2.9)

где  - разностная частота.

Если частота вращения фигуры на экране осциллографа достаточна низка, то определяют время  t₂, через которое штрих пройдет часть окружности m. Подсчет разностной частоты в этом случае производят  по формуле:

,    (2.10)

где - часть окружности.

 

  Погрешность осциллографического   метода определяется погрешностями определения разности фаз и интервалов времени, а также погрешностью известной частоты.

Преимуществом данного метода является простота в применении.

Недостатки осциллографического способа:

Недостатками осциллографического  способа являются большое время  измерений, обязательное присутствие  оператора и относительно низкая разрешающая способность отсчета  разности фаз. Для уменьшения погрешности за сёт разрешающей способности обычно применяют прозрачный круг с нанесённой на ней сеткой. Круг накладывается на экран осциллографа.

 

 

 

 

3.Выбор метода  измерения частоты.

Исходные  данные:

придел измерения f =1МГц;

диапазон  входного напряжения U_min=10mV, U_max=10V;

погрешность 0,1%

На основе обзора методов  измерения  приходим к выводу, что  наиболее предпочтительными являются метод дискретного счета, как  основной, и метод преобразования частоты в ток, как альтернативный.

Реализуем эти методы на уровне структурных схем.

 Метод преобразования  частоты во время.

Суть  метода измерения состоит в следующем:

Сигнал, частоту которого необходимо измерить, поступает на вход А прибора рис.8. Формирующее устройство преобразует синусоидальное напряжение измеряемой частоты в последовательность однополярных импульсов, частота следования которых равна частоте синусоидального сигнала. Эти импульсы поступают на вход 1 временного селектора. Они проходят в счетчик лишь тогда, когда на входе 2 селектора действует стробирующий импульс строго определенной  длительности. Последний задается кварцевым генератором и окончательно формируется в узле формирования и управления.

Таким образом, счетчик  подсчитывает число импульсов, проходящих на его вход за время действия калиброванного стробирующего импульса.

 Основные узлы частотомера. Формирующее устройство строится по различным схемам. Оно может состоять из усилителя-ограничителя, преобразующего синусоидальный сигнал в прямоугольные импульсы с крутыми фронтами, дифференцирующей цепи и одностороннего ограничителя.

На выходе получаются однополярные короткие импульсы, период следования которых равен периоду  измеряемого сигнала. Часто для  формирования прямоугольных импульсов  из синусоидального напряжения применяют несимметричный триггер (триггер Шмидта).

 

 

   Вход А                                                        1

                                                                              

                                                                   2

 

 

 

 

Рис.8 Структурная  схема электронно-счетного частотомера.

 

Кварцевый генератор  — источник сигнала высокостабильной частоты — служит образцовой мерой, воспроизводящей калиброванный интервал времени. Напряжение кварцевого генератора преобразуется в импульсы, которые подаются в делитель частоты. Часто кварцевый генератор дополняется умножителем частоты.

Делитель частоты представляет собой набор  q декад, каждая из которых  уменьшает частоту следования импульсов в 10 раз. Общий коэффициент деления получается равным 10 в степени q, в зависимости от числа используемых декад с различных выходов делителя могут сниматься импульсы напряжения с различными частотами следования. Так, при fкв=10 МГц эти частоты 1 МГц; 100, 10 и 1 кГц; 100, 10, 1 и 0,1 Гц. Периоды следования импульсов определяют продолжительности интервалов времени счета: 0,0001; 0,001; 0,01; 0,1; 1; 10 с.

 Узел формирования  и управления обеспечивает:

- регулируемое время  индикации 0,3-5с результатов измерения  на цифровом индикаторе;

- сброс счетных декад и других систем в «нулевое» состояние перед каждым измерением;

-режим ручного, автоматического  и внешнего пуска прибора.

А так же вырабатывает из частот, поступающих с делителей, строб-импульс, открывающий селектор на время счета.

Счетчик импульсов, предназначенный для счета поступающих с временного селектора  N импульсов; состоит из нескольких последовательно соединённых счетных декад, каждая из которых соответствует определённому порядку частоты (единицам, десяткам, сотням герц).

Цифровой индикатор  обеспечивает отображение результатов  измерения.

 

Метод преобразования частоты в ток

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.9 Структурная  схема конденсаторного частотомера

 

Суть метода: Сигнал, частоту которого необходимо измерить, подается на вход  прибора. На выходе формирующего устройства получаем прямоугольные импульсы, следующие с частотой измеряемого сигнала. Эти импульсы управляют ключом (КЛ). В открытом состоянии (R_КЛ=0) конденсатор заряжается от источника напряжения. В случае, когда ключ закрыт (R_КЛ=∞) конденсатор разряжается через диод VD2 и резистор R. Напряжение, падающее на резисторе, будет пропорционально частоте заряда и разряда конденсатора, а следовательно и частоте сигнала.

Основные  узлы конденсаторного частотомера: Входное и формирующее устройства, а также делитель частоты в данном приборе аналогичны тем, что описаны в первом приборе.

В качестве ключа используется биполярный транзистор. Источник образцового  напряжения - источник постоянного  напряжения.

Конденсатор должен иметь емкость такую, чтобы выполнялось условие (1)

τ_зар= τ_раз        (1)

Выходная величина –  ток, измеряется при помощи магнитоэлектрического  миллиамперметра.

 

Обоснование выбора основного метода

В качестве основного  выбран частотомер, построенный на основе метода дискретного счета. Это объясняется рядом причин.

- электронно-счетный имеет погрешность измерения значительно меньше, чем конденсаторный частотомер;

- диапазон измеряемых  частот у электронно-счетного  частотомера более подходит для  данного курсового проекта;

- в случае если необходима  цифровая индикация результата  необходимо дополнительное преобразование  тока в удобоквантуемую величину.

Вывод уравнения  преобразования

Поскольку входное устройство, формирующее устройство не влияют на преобразование измеряемой величины, а изменяют только напряжение, в уравнении преобразования они не участвуют.

Уравнение преобразования имеет следующий вид:

Для моего предела Nmax=1000, т.к. коэффициент ДЧ определенный. Таким образом на индикаторе будет высвечиваться 999.

4. Выбор и расчет  элементов принципиальной схемы.

4.1 Расчет резистивного  делителя

Произведем расчет резисторов. Выбираем входное сопротивление R_вх равное 1 МОм, для того чтобы методическая погрешность была мала по сравнению с основной. Рассчитаем резисторы R₁ и R₂:

 

    

           Рис. 1 Схема делителя напряжения.

                               

         

 

    Из справочника  выберем  резисторы серии С2-33И  номиналами 

R₁=1 МОм; R₂=47 Ом. Мощность Р=0,25 Вт; погрешность ±0,5%.

Аналогично  рассчитываем резисторы R₃ и R₄ :

 

Выбираем резисторы  из серии С2-33И номиналами R₃ =1 МОм и R₄=1 кОм.

4.2 Выбор и  расчет усилителя напряжения.

Из справочника выбираем операционный усилитель, который максимально удовлетворяет поставленным условиям, т.е. обладает высоким быстродействием, большим коэффициентом усиления и большим входным сопротивлением, а так же имеет автоматическую коррекцию дрейфа нуля. Этим условиям удовлетворяет ОУ К154УД4. Технические характеристики которого приведены в таблице №1:

Таблица№1. Технические  характеристики ОУ К154УД4

Uп, В	Uсм, мВ	Kу	Rвхдиф,МОм	f1, МГц
±5—±17	0,03	8*105	10	30

 

Произведём расчет резисторов:

где U_вых=10 В, U_вх =10 мВ   

Пусть R₄ =100 кОм серии С2-33И, тогда

                

Рис.2 Схема  включения ОУ

4.3 Расчет ограничителя  и дифференциатора.

Рассчитаем ограничитель:

VD1 стабилитрон 2С147Т9, U_ст=4,7 В,

 

Возьмем R₆ равным 1 кОм.

 

Рис. 3 Схема  ограничителя.

 

Характеристики диода VD2 КД531Д приведены в таблице №2:

Таблица №2. Технические  характеристики диода КД531Д 

Uобр, В	Uпр, В	Rпр, Ом	Rобр, Ом	Iобр, мкА	Iпр, мА
10	1	66,67	2*107	0,5	15

Рассчитаем дифференциатор:

 
                           Расчет ведем исходя из f_{x max}.