Метод заряда и разряда конденсатора

 

Сущность метода заключается в измерении тока разряда конденсатора, попеременно переключаемого с заряда на разряд с частотой, равной измеряемой.

Конденсатор С (рис. 8.9) заряжается до напряжения и разряжается до напряжения . Тогда за одно переключение переключателя на заряд (положение 1) и разряд (положение 2) количество электричества, подводимое к конденсатору и отдаваемое им микроамперметру Q = CU, где

При переключении f раз в секунду количество электричества, протекающее через прибор в 1 с, т. е. ток через микроамперметр

(8.16)

При условии, что частота переключений f равна измеряемой , показания прибора пропорциональны .

Прибор для измерения частоты, основанный на описанном методе, называют конденсаторным частотомером. В этом приборе переключателем служит электронный коммутатор, осуществляющий переключение с частотой при подаче на его вход напряжения измеряемой частоты.

Для обеспечения линейной зависимости показаний прибора от частоты в схеме частотомера предусматривается ограничитель, поддерживаю-

	щий постоянство верхнего и нижнего уровней напряжения на обкладках конденсатора во всем рабочем диапазоне частот. Пределы измеряемых частот (поддиапазоны) регулируются изменением емкости С конденсатора и шунтированием микроамперметра.
Рис. 8.9. Принцип действия конденсаторного частотомера

Методы сравнения с частотой другого источника

Посредством осциллографа

 

Для сравнения необходимо иметь второй источник напряжения – обычно образцовый генератор, точность которого по крайней мере в 5 раз выше точности контролируемого источника, и устройство для сличения частот. Часто таким устройством служит осциллограф, с помощью которого сравнивают частоты от 10 Гц до 10 – 20 МГц.

Метод интерференционных фигур

Напряжение известной частоты образцового источника подается на один вход осциллографа (например, вход X), а напряжение измеряемой частоты – на второй вход (например, вход Y). Частоту образцового генератора перестраивают до получения на экране осциллографа устойчивого изображения простейшей интерференционной фигуры: прямой, окружности или эллипса (рис. 8.10). Появление одной из этих фигур свидетельствует о равенстве частот напряжений, поданных на оба входа осциллографа (отношение : = 1:1). Если точное равенство частот не достигнуто, т. е.
= ± , то вид фигуры непрерывно изменяется, принимая форму эллипсов с переменной длиной осей или прямой. На низких частотах можно определить величину погрешности , сосчитав число периодов р изменения фигуры за определенный интервал времени . Тогда .

В случае, когда частоты не равны друг другу, но кратны, на экране осциллографа наблюдаются более сложные фигуры (рис. 8.11). При строгой кратности эти фигуры неподвижны. Еще сложнее фигуры получаются для дробного отношения частот.

Соотношение частот определяется следующим способом. Через изображение фигуры мысленно проводят две прямые линии: горизонтальную и вертикальную (см. рис. 8.11).

Отношение числа m пересечений горизонтальной прямой с фигурой к числу n пересечений вертикальной прямой с фигурой равно отношению частоты напряжения, поданного на вход канала Y, к частоте напряжения, поданного на вход канала X осциллографа: .

При больших значениях m или n пользование методом интерференционных фигур затруднительно.

Метод круговой развертки с модуляцией яркости

Этот метод применяют в случаях, когда сравниваемые частоты кратны, но отношение их велико.

Если измеряемая частота выше частоты образцового генератора , то напряжение частоты подается одновременно на оба входа осциллографа со сдвигом по фазе на 90°, достигаемым с помощью фазорасщепителя. Усиления обоих каналов регулируют так, чтобы луч вычерчивал на экране окружность. Напряжение измеряемой частоты подают в канал электрода управления яркостью.

Частоту образцового источника перестраивают до получения на экране неподвижного изображения, состоящего из ярких отрезков окружности с одинаковыми темными промежутками между ними (рис. 8.10). Число ярких дуг или темных промежутков между дугами однозначно определяет отношение : (8:1 на рис. 8.10).
Рис. 8.10. Измерение частоты гармонического напряжения развертки с модуляцией яркости

При дробно-рациональных отношениях частот вращающийся луч вычерчивает либо сплошь засвеченную окружность, либо пунктирную окружность, для которой характерны меньшая яркость дуг и меньшие промежутки между ними, чем при кратных частотах.

Если частоты и немного отличаются от кратного отношения, т. е. (частота сравнительно мала), то фигура, состоящая из дуг, вращается, причем направление вращения показывает знак расхождения частот.

 

Рис. 8.11. Интерференционные фигуры (напряжение частоты

опережает по фазе напряжение частоты )

Аналогичным способом можно измерить и частоту следования импульсов. В этом случае напряжением генератора известной частоты осуществляется круговая развертка, а импульсное напряжение измеряемой частоты подается в канал управляющего электрода трубки. Получающаяся на экране картина зависит от полярности измеряемых импульсов.

Меры частоты

В соответствии с общей классификацией средств измерений по их метрологическим функциям меры частоты делят на эталоны, образцовые
и рабочие меры, а согласно принципу действия различают квантовые меры и кварцевые генераторы (иногда в качестве рабочих мер частоты используют измерительные генераторы сигналов без кварцевой стабилизации частоты).

У квантовых мер частоты в качестве опорной частоты используют одну из спектральных линий атомов или молекул вещества и соответственно квантовую меру частоты называют атомной или молекулярной. Если в квантовой мере частоты в качестве опорной используется частота излучения электромагнитных волн одного из переходов атомов или молекул, то такую меру называют активной квантовой мерой. Когда же опорной частотой служит частота поглощения электромагнитных волн одного из переходов атомов или молекул, квантовую меру называют пассивной.

В зависимости от применяемого вещества различают рубидиевые, цезиевые и водородные квантовые меры.

Частота электрических колебаний меры не остается постоянной с течением времени. Изменения частоты могут быть систематическими (монотонными) и случайными. Систематические изменения характеризуют относительной (по отношению к номинальному значению частоты) вариацией частоты, а случайные изменения – относительной нестабильностью частоты. Последняя характеристика определяется как среднеквадратическое относительное отклонение действительного значения частоты, причем усреднение проводится за интервал времени, намного больше интервала выборки (интервал усреднения обязательно указывается). Принято различать долговременную (за 30 дней; сутки; 1 ч; 10 мин) и кратковременную нестабильность (за 10 с; 1 с; 0,1 с; 0,01 с и 0,001 с).

Кварцевые генераторы применяют в современной измерительной технике преимущественно в качестве образцовых мер частоты. Они обладают достаточно высокими характеристиками (например, у кварцевого генератора Ч1-53, служащего источником образцовых частот 0,1; 1 и 5 МГц, относительная суточная вариация частоты , а относительная нестабильность частоты за 10 с и 1 с не превышает ). Основным недостатком кварцевых мер частоты является продолжительное время вхождения в режим, когда величина старения не будет превышать допускаемого значения (оно составляет от 24 часов до 6 месяцев для различных типов приборов).

Квантовые меры частоты лишены указанного недостатка и обладают многими достоинствами: практической независимостью частоты от внешних условий и параметров установки (она определяется атомной постоянной), минимальной шириной спектральной линии, малой погрешностью воспроизведения, простотой, надежностью и устойчивостью при весьма продолжительной работе. Основу квантовой меры частоты составляет кварцевый генератор, синхронизируемый по частоте квантового генератора (водородная мера) или квантового дискриминатора (рубидиевая, цезиевая меры). Долговременная нестабильность частоты квантовой меры определяется главным образом нестабильностью частоты квантового генератора или частоты настройки дискриминатора, а кратковременная нестабильность – характеристиками кварцевого генератора и цепей систем частотной или фазовой автоподстройки.

Ниже приводятся основные характеристики рубидиевой (Ч1-50), цезиевой (Ч1-47) и водородной (Ч1-44) мер частоты. Каждая из них вырабатывает напряжения 1 В (на нагрузке сопротивлением 50 Ом), частоты которых 0,1; 1 и 5 МГц. Остальные характеристики соответственно таковы: погрешность воспроизведения действительного значения частоты , и ; систематические изменения частоты (за 30 сут), (за год); относительная нестабильность частоты за сутки и , а за 1 с , и .

Для сличения частот сигналов двух мер между собой применяют специальные приборы, называемые частотными компараторами. Принцип действия компаратора основан на умножении частот напряжений сличаемых сигналов, смешении напряжений, выделении напряжения разностной частоты, измерении последней и ее изменений во времени электронно-счетным частотомером.

Единство измерений времени и частоты в высшем звене поверочной схемы обеспечивается с помощью государственного и группы вторичных эталонов времени и частоты. Государственный первичный эталон состоит из группы водородных генераторов (водородных атомихронов), воспроизводящей единицы времени и частоты, группового кварцевого хранителя времени (кварцевых часов), контрольно-измерительного комплекса и системы обеспечения. Этот эталон систематически сличается с лучшими национальными эталонами времени и частоты.

Для поверки частоты местных мер по радио передаются сигналы образцовых частот. Сличение с этими сигналами осуществляется с помощью приемников-компараторов. Например, прибор Ч7-29А сравнивает частоты 0,1; 1; 2; 5 и 10 МГц местных мер с образцовыми частотами 66,6; 18,6; 25 и 16 кГц сигналов, передаваемых радиостанциями национальных служб частоты и времени. Он измеряет отклонение частоты поверяемого источника от образцовой, измеряет уходы частоты выходного сигнала источника, корректирует ее по образцовой частоте. Относительные погрешности сличения частоты: за 1 ч и за сутки. Ведутся работы, направленные на повышение точности национальных эталонов и снижение погрешностей их сравнения.

ИЗМЕРЕНИЕ ФАЗОВОГО СДВИГА

Общие сведения

 

Фаза характеризует состояние гармонического колебательного процесса в данный момент времени. Фазой гармонического колебания считают аргумент , где – угловая частота,
t – время, – начальная фаза, характеризующая состояние гармонического колебания в начальный момент, т. е. при t = 0.

Из понятия о фазе вытекает понятие о фазовом сдвиге двух гармонических колебаний одной и той же частоты

В случае негармонических процессов понятие о фазовом сдвиге должно быть заменено понятием о сдвиге во времени между указанными процессами. Измерение фазовых сдвигов между электрическими сигналами (токами и напряжениями) проводится в различных областях измерительной техники. Измерение фазового сдвига между двумя напряжениями производится при определении фазочастотных характеристик радиотехнических устройств (усилителя, фильтра, трансформатора и т. п.). Фазовый сдвиг между током и напряжением характеризует реактивное сопротивление цепи или нагрузки четырехполюсника и определяется величиной – отношением активной и полной мощности электрического тока в цепи.

Методы измерения фазового сдвига весьма разнообразны и зависят от диапазона частот, формы сигнала и требуемой точности измерения. Измерительные приборы, предназначенные для измерения фазового сдвига, называют фазометрами.

Логометрические фазометры. Измерение фазового сдвига и коэффициента мощности между током и напряжением звуковой частоты (до 8 кГц) может производиться логометрическими фазометрами электромагнитной, электродинамической и ферромагнитной системы.

В общем случае логометры являются приборами, измеряющими отношение двух величин (токов или напряжений), путем выбора соответствующих принципиальных схем их можно использовать для измерения фазового сдвига. На рис. 9.1, а изображена схема фазометра, построенного на базе электродинамического логометра. Катушки логометра включены так, чтобы через неподвижную протекал весь ток нагрузки, а через подвижные и , находящиеся в равномерном поле катушки , подключенные к напряжению, выделяемому на нагрузке, – ток, проходящий через резистор R и индуктивность L. Наличие равномерного магнитного нуля в пространстве, окружающем катушки и , приводит к тому, что действующие на них вращающие моменты подчиняются синусоидальному закону.

Вращающие моменты катушек равны

, ,

где , ,. – действующие значения токов в катушках; , – конструктивные постоянные прибора; , – функции зависимости вращающих моментов от угла поворота катушек.

На векторной диаграмме (рис. 9.1, б) показаны углы между токами , ,. . Ток имеет фазовый сдвиг 90° относительно напряжения U вследствие чисто индуктивной нагрузки в цепи . В установившемся положении стрелки вращающие моменты и уравновешиваются, т.е.
= , или .

 

 

Рис. 9.1. Логометрический фазометр

Катушки и имеют одинаковую конструкцию, параметры R и L выбираются так, чтобы = , тогда

,

т. е. угол отклонения α стрелки, связанной с подвижными катушками, прямо пропорционален величине фазового сдвига между током и напряжением и не зависит ни от величины тока, ни от напряжения. Если шкала градуируется в , то она получается неравномерной.

Различными способами (изменением угла между катушками и , подбором R и L) можно менять характер шкалы, делая ее более равномерной на участках, где требуется большая точность отсчета. Фазометры данного вида, бывшие в течение длительного времени «классическими», получили большое распространение. К ним относятся приборы типов Д303, Д392, Д578 и др. Однако они обладают существенным недостатком: показания таких фазометров в значительной степени зависят от частоты, так как изменяется значение индуктивного сопротивления цепи катушки , а следовательно, и ток . Для уменьшения частотной погрешности подвижные катушки разделяют на секции, включают дополнительные реактивные элементы индуктивного и емкостного типа, применяют трансформаторы. Но, как правило, применение их ограничено областью промышленных частот 50 – 400 Гц. Погрешность метода составляет 1 – 2 %.

⇐ Предыдущая10111213141516171819Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: