Измерване на AC честота и фазов ъгъл. Проектиране и функциониране на честотни и фазови измервателни уреди
Съответствие на стил, норма и функция на езика
Крайна функция
Въведение. Основни понятия и определения. Измерване, резултат от измерването, грешки в измерването и тяхната класификация, точност на измерването.
Измервания на магнитните величини.
Важна електрическа величина без еквивалент в DC схеми е честотата . Измерването на честотите е много важно при много приложения на променлив ток, особено при променливотокови системи, проектирани да работят ефективно само с една честота и една честота. Ако AC се генерира от електромеханичен алтернатор, честотата ще бъде директно пропорционална на скоростта на вала на машината и честотата може да бъде измерена просто чрез измерване на скоростта на вала. Ако честотата трябва да бъде измерена на известно разстояние от алтернатора, все пак ще са необходими други средства за измерване.
Един прост, но суров метод за измерване на честотата в силовите системи използва принципа на механичен резонанс. Всеки физически обект, притежаващ свойството на еластичност (издържливост), има присъща честота, с която предпочита да вибрира. Вилката за тунинг е чудесен пример за това: удряйте я веднъж и тя ще продължи да вибрира с тон, специфичен по дължината й. По-дългите тунинг вилки имат по-ниски резонансни честоти: тоновете им ще бъдат по-ниски в музикалната скала, отколкото по-късите вилици.
Представете си редица прогресивно разположени тунинг вилици, разположени една до друга. Всички те са монтирани на обща основа и тази база се вибрира с честота на измереното променливо напрежение (или ток) посредством електромагнит. Която и да е тунинг-вилка е най-близка в резонансната честота, докато честотата на тази вибрация е склонна да се разклаща най-много (или най-силната). Ако зъбите на вилиците бяха достатъчно крехки, можехме да видим относителното движение на всеки от дължината на размазването, което ще видим, докато проверявахме всеки от гледна точка на крайния изглед. Е, направете колекция от "тунинг вилици" от лента от ламарина, изрязана в модел, подобен на рейката, и имате вибриращ тръбен честотен метър: (Фигура по-долу)
Диаграма на вибриращия честот на тръстиката.
Потребителят на този измервателен уред гледа краищата на всички тези неравномерни тръстикови дължини, тъй като те колективно се разклащат на честотата на приложеното променливо напрежение към серпентината. Най-близкият в резонансната честота към приложения AC ще вибрира най-много, изглеждайки нещо като фигурата по-долу.
Вибриращ тръбен чейнджър на предния панел.
Вибриращите тръстикови мери, очевидно, не са прецизни инструменти, но те са много прости и следователно лесни за производство, за да бъдат здрави. Те често се намират на малки генератори, задвижвани от двигателя, с цел да се настрои скоростта на двигателя, така че честотата да е малко близка до 60 (50 в Европа) Hertz.
Докато тръбопроводите са неточни, техният оперативен принцип не е такъв. Вместо механичен резонанс, можем да заместим електрическия резонанс и да проектираме честотен измервател с помощта на индуктор и кондензатор под формата на резервоар (паралелен индуктор и кондензатор). Вижте фигурата по-долу. Един или и двата компонента са направени регулируеми и един измервателен уред е поставен във веригата, за да покаже максимална амплитуда на напрежението между двата компонента. Бутоните за регулиране са калибрирани, за да показват резонансна честота за всяка зададена настройка, а честотата се чете от тях, след като устройството е настроено за максимална индикация на измервателния уред. По същество това е настройваема филтърна схема, която се регулира и след това се чете по начин, подобен на мостовата схема (която трябва да бъде балансирана за "нулево" състояние и след това да бъде прочетена).
Резонансният честот "пикове" като LC резонансна честота е настроен на тестовата честота.
Тази техника е популярна за аматьорските радио оператори (или поне беше преди появата на евтини цифрови честотни инструменти, наречени броячи ), особено защото не изисква директна връзка с веригата. Докато индукторът и / или кондензаторът могат да прехват достатъчно свободно поле (магнитно или електрическо, съответно) от веригата, за да предизвика индикатора, той ще работи.
При честота, както при другите видове измервания на електричество, най-точните средства за измерване обикновено са тези, при които неизвестното количество се сравнява с познат стандарт , като основният инструмент не прави нищо повече от посочване кога двете величини са равни една на друга. Това е основният принцип зад веригата DC (Wheatstone) и е солиден метрологичен принцип, прилаган в науките. Ако имаме достъп до точен честотен стандарт (източник на променливо напрежение, поддържащ много точно една честота), тогава измерването на всяка неизвестна честота чрез сравняване трябва да бъде относително лесно.
За този честотен стандарт ние насочваме вниманието си обратно към тунинг вилицата, или поне по-модерен вариант на това, наречен кварцов кристал . Кварцът е естествено срещащ се минерал, притежаващ много интересна собственост, наречена пиезоелектричество . Пиезоелектричните материали произвеждат напрежение в тяхната дължина, когато са физически натоварени, и физически ще се деформират, когато се прилага външно напрежение през техните дължини. Тази деформация е много, много лека в повечето случаи, но тя съществува.
Кварцова скала е еластична (еластична) в рамките на този малък диапазон на огъване, който би създал външно напрежение, което означава, че тя ще има собствена механична резонансна честота, способна да се прояви като електрически сигнал за напрежение. С други думи, ако се удари чип кварц, той ще се "звъни" със собствената си уникална честота, определена от дължината на чипа, и че резонансното трептене ще доведе до еквивалентно напрежение в множество точки на кварцовия чип, които могат да бъдат подслушвани с помощта на жици, фиксирани към повърхността на чипа. В реципрочен начин, кварцовият чип ще има най-голяма вибрация, когато е "развълнуван" от приложено променливо напрежение точно на правилната честота, точно като тръстиката на вибриращ тръбен честот.
Чиповете от кварцова скала могат да бъдат прерязани точно за желаните резонансни честоти и чипа, монтиран сигурно вътре в защитна обвивка с жици, простиращи се за свързване към външна електрическа верига. Когато се опаковат като такива, полученото устройство просто се нарича кристал (или понякога " xtal "). Схематичният символ е показан на фигурата по-долу.
Кристален елемент (честотен детерминантен елемент).
Електрически този кварцов чип е еквивалентен на серия LC резонансни схеми. (Фигура по-долу) Диелектричните свойства на кварца допринасят допълнителен капацитивен елемент към еквивалентната верига.
Кварцов кристален еквивалент.
Показаните в серия "капацитет" и "индуктивност" са само електрически еквиваленти на механичните резонансни свойства на кварца: те не съществуват като дискретни компоненти в кристала. Капацитетът, показан успоредно, благодарение на кабелните връзки през диелектричното (изолиращо) кварцово тяло, е реален и има ефект върху резонансния отговор на цялата система. Пълна дискусия за динамиката на кристалите не е необходима тук, но това, което трябва да се разбере за кристалите, е тази резонансна верига еквивалентност и как тя може да бъде експлоатирана в осцилаторна верига, за да се постигне изходно напрежение със стабилна, известна честота.
Кристалите, като резонансни елементи, обикновено имат много по-високи стойности на "Q" ( качество ) от циркулационните циркулатори, изградени от индуктори и кондензатори, главно поради относителната липса на странно съпротивление, което прави техните резонансни честоти много ясни и точни. Тъй като резонансната честота зависи единствено от физичните свойства на кварца (много стабилно вещество, механично), вариацията на резонансната честота с времето с кварцов кристал е много, много ниска. По този начин часовниците с кварцово движение получават висока точност: чрез електронен осцилатор, стабилизиран от резонансното действие на кварцов кристал.
За лабораторни приложения може да се желае дори по-голяма честота на стабилност. За да се постигне това, въпросният кристал може да бъде поставен в температурно стабилизирана среда (обикновено пещ), като по този начин се елиминират честотните грешки, дължащи се на топлинното разширение и свиването на кварца.
За най-добрия в честотния стандарт обаче нищо, открито досега, не надминава точността на един резониращ атом. Това е принципът на т.нар. Атомен часовник , който използва атом на живак (или цезий), окачен във вакуум, възбуден от външната енергия, за да резонира по своята уникална честота. Получената честота се открива като радиовълнов сигнал и представлява основата за най-точните часовници, известни на човечеството. Националните лаборатории за стандарти по света поддържат няколко от тези хипер-точни часовници и излъчват честотни сигнали въз основа на вибрациите на тези атоми за учените и техниците, които да се настроят и използват за целите на калибриране на честотите.
Сега стигаме до практическата част: след като имаме източник на точна честота, как може да се сравни това с неизвестна честота, за да се получи измерване? Един от начините е да използвате CRT като устройство за сравняване на честотата. Катодните лъчи обикновено имат средства за отклоняване на електронен лъч в хоризонталната и вертикалната ос. Ако метални пластини се използват за електростатично отклоняване на електроните, ще има двойка плочи отляво и отдясно на лъча, както и чифт плочи над и под лъча, както е показано на фигурата по-долу.
Катодна лъчева тръба (CRT) с вертикални и хоризонтални пластини за отклонение.
Ако позволим един AC сигнал да отклони гредата нагоре и надолу (свържете източника на променливо напрежение към "вертикалните" отклоняващи пластини) и друг AC сигнал, за да отклони лъча наляво и надясно (използвайки другата двойка отклоняващи се пластини) да бъдат произведени на екрана на CRT, което е показателно за съотношението на тези две AC честоти. Тези модели се наричат Lissajous фигури и са често срещано средство за сравнително измерване на честотата в електрониката.
Ако двете честоти са еднакви, ще получим проста фигура на екрана на CRT, като формата на тази цифра зависи от фазовото отместване между двата AC сигнали. Ето и извадка от Lissajous фигури за два синусоидални сигнали с еднаква честота, показани, тъй като те биха се появили на лице на осцилоскоп (AC измерващ инструмент, използващ CRT като "движение"). Първата картина е от Lissajous фигура, образувана от две AC напрежения перфектно във фаза един с друг: (Фигура по-долу)
Lissajous фигура: същата честота, нулево градуси фазово отместване.
Ако двете AC напрежения не са във фаза един с друг, няма да се образува права линия. По-скоро, фигурата на Lissajous ще придобие появата на овал, ставайки перфектно кръгообразна, ако фазовото отместване е точно 90 о между двата сигнала и ако техните амплитуди са равни: (Фигура по-долу)
Lissajous фигура: същата честота, 90 или 270 градуса фазово отместване.
И накрая, ако двата AC сигнали директно се противопоставят една на друга във фаза (180 o shift), ще завършим с линия отново, само този път тя ще бъде ориентирана в обратна посока: (Фигура по-долу)
Lissajous фигура: същата честота, 180 градуса фазово отместване.
Когато сме изправени пред сигнални честоти, които не са еднакви, Lissajous цифри стават доста по-сложни. Обмислете следните примери и техните дадени съотношения на вертикални / хоризонтални честоти: (Фигура по-долу)
Lissajous фигура: Хоризонталната честота е два пъти по-висока от вертикалната.
Колкото по-сложно е съотношението между хоризонталните и вертикалните честоти, толкова по-сложна е фигурата на Lissajous. Обърнете внимание на следната илюстрация на 3: 1 честотно съотношение между хоризонтално и вертикално: (Фигура по-долу)
Lissajous фигура: Хоризонталната честота е три пъти по-голяма от вертикалната.
, , , и 3: 2 честотно съотношение (хоризонтално = 3, вертикално = 2) на фигурата по-долу.
Lissajous фигура: Хоризонталното / вертикалното честотно съотношение е 3: 2.
В случаите, когато честотите на двата AC сигнали не са съвсем просто съотношение един към друг (но близо), фигурата на Lissajous ще изглежда "движеща се", бавно променяща се ориентацията, тъй като ъгълът на фазата между двете вълни се движи между 0 ° и 180 o . Ако двете честоти са заключени в точно число съотношение един към друг, Lissajous фигурата ще бъде стабилна на екрана на CRT.
Физиката на Lissajous фигури ограничава тяхната полезност като техника за сравняване на честотата с случаи, при които честотните съотношения са прости числови стойности (1: 1, 1: 2, 1: 3, 2: 3, 3: 4 и т.н.). Въпреки това ограничение, Lissajous фигури са популярно средство за сравнение на честотата, където съществува достъпен честотен стандарт (генератор на сигнали).
· ПРЕГЛЕД:
Някои измерватели на честотата работят на принципа на механичен резонанс, като посочват честотата чрез относително трептене сред набор от уникално настроени "тръстики", разтърсени при измерената честота.
· Други честотни измервателни уреди използват електрически резонансни схеми (обикновени схеми на LC-цистерни), за да посочат честотата. Единият или двата компонента са регулируеми, с точен калибриран копче за настройка и чувствителен измервател се отчита за максимално напрежение или ток в точката на резонанса.
· Честотата може да бъде измерена по сравнителен начин, какъвто е случаят, когато се използва CRT за генериране на Lissajous цифри . Референтните честотни сигнали могат да се правят с висока степен на точност чрез осцилаторни схеми, използващи кварцови кристали като резонансни устройства. За ултра прецизност могат да се използват стандарти за атомен часовник (въз основа на резонансните честоти на отделните атоми).
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 | 31 | 32 | 33 | 34 |
При использовании материала, поставете ссылку на Студалл.Огг (0.056 сек.)