Показатель частоты переменного тока: измерение с помощью мультиметра и частотометра

Цепи и оборудование могут быть предназначены для работы с постоянной или переменной частотой. Работа при частоте, которая отличается от указанной, может привести к неправильному функционированию.

Например, двигатель переменного тока, рассчитанный на работу при 60 Гц, работает медленнее при частоте ниже 60 Гц или быстрее при частоте выше 60 Гц. Для двигателей переменного тока любое изменение частоты приводит к пропорциональному изменению частоты вращения двигателя. Снижение частоты на пять процентов приводит к снижению частоты вращения двигателя на пять процентов.

На некоторых цифровых мультиметрах предусмотрены дополнительные режимы измерения частоты:

• Режим частотомера: измерение частоты сигналов переменного тока. Этот режим можно использовать для измерения частоты при поиске и устранении неисправностей электрического и электронного оборудования.
• Режим регистрации значений MIN/MAX (МИН./МАКС.): позволяет записывать результаты измерения частоты за определенный период. Аналогичным образом можно записывать результаты измерения напряжения, тока и сопротивления.
• Режим автоматического выбора диапазона: автоматический выбор диапазона измерения частоты. Если частота измеряемого напряжения выходит за пределы диапазона измерения, цифровой мультиметр не сможет отобразить точный результат измерения. Диапазоны измерения частоты см. в руководстве по эксплуатации

Постоянный и переменный ток

Из курса физики известно, что электрический ток представляет собой направленное движение электронов.

У постоянного тока полярность заряженных частиц неизменна. Поэтому все устройства, рассчитанные на работу от него, всегда имеют маркировку полярности для корректного подключения их к сети. В противном случае прибор просто не заработает, также может выйти из строя.

Переменный ток в этом плане более безопасен. Так как его полярность постоянно меняется, она не оказывает губительного влияния на подключенные электроприборы. На вилках приборов и розетках переменного тока нет обозначений полярности, поэтому их можно смело включать в сеть, не задумываясь о верном положении контактов.

Но основным достоинством переменного тока являются большие возможности регулировки напряжения сети при помощи трансформаторов. Именно поэтому переменный ток получил гораздо большее распространение во всем мире, чем постоянный.

Рекомендации по измерениям частоты

В некоторых цепях точное измерение частоты невозможно из-за достаточно сильных искажений. Пример. Частотно-регулируемые приводы (ЧРП) переменного тока могут искажать частоту.

Для получения точных показаний при проверке ЧРП рекомендуется использовать функцию фильтра нижних частот при измерении напряжения переменного тока () ac V (). На измерительных приборах без функции переведите регулятор в положение измерения напряжения постоянного тока, затем снова нажмите кнопку измерения частоты Hz, чтобы измерить частоту в этом режиме. Если прибор позволяет измерять отдельные частоты, при изменении диапазона можно компенсировать шум.

Ссылка: Digital Multimeter Principles by Glen A. Mazur, American Technical Publishers.
Подберите подходящий мультиметр

Почему важна частота переменного тока?

В бытовых и промышленных электрических сетях повсеместно используется переменный ток. Для нормальной работы любых приборов и оборудования крайне важно, чтобы частота тока была постоянной. В случае ее колебаний более чем на 1% заметно снижается эффективность работы любых подключенных к сети машин и механизмов, бытовых приборов.

В промышленном производстве резкое изменение частоты используемого тока может привести к возникновению производственного брака и даже поломке оборудования.

Существует стандарт частоты электрического тока:

• 50 Гц – Россия, страны бывшего СССР, Европы, Прибалтики, КНДР, Австралия;
• 60 Гц – США, Канада, Тайвань, Южная Корея, Куба, Коста-Рика и другие.

А вот, к примеру, в Японии используются обе частоты. В западных регионах страны стандартной является частота 60 Гц, а в восточных – 50 Гц.

Методы измерения частоты и применяемые приборы

Измерение основной физической величины — времени и ее производной — частоты, а также воспроизведение и хранение единиц ; их измерения лежат в основе большинства измерительных задач. Основой частотно-временной аппаратуры является группа стандартов частоты, включающая водородный, рубидиевый, цезиевый и кварцевый стандарты, которые хранят единицу времени — секунду и единицу частоты — герц.

Приборы для измерения частоты, называемые частотомерами, делятся на резонансные 42, электронно-счетные 43, гетеродинные 44, и др. Измерять частоту можно разными приборами и методами. Промышленность выпускает стрелочные частотомеры (43-1, 43-7 и др.), которые позволяют отсчитывать частоту непосредственно по шкале используемого в нем стрелочного прибора в диапазоне от 10 Гц и до 500 кГц. Отклонение стрелки прибора зависит от усредненного значения тока заряда или разряда образцового конденсатора, перезаряжаемого напряжением измеряемой частоты. Поскольку ток в цепи прямолинейно зависит от напряжения, такие частотомеры имеют равномерную шкалу и обладают относительно большим входным сопротивлением.

Рис. 43. Функциональная схема гетеродинного частотомера

Для измерения высоких частот и СВЧ используют методы сравнения измеряемой частоты с известной частотой собственных колебаний в резонансной системе. Рассмотрим эти методы.

Гетеродинный метод основан на сравнении исследуемых колебаний fx с колебаниями градуированного высокоточного генератора (гетеродина) fэт с помощью смесителя. На рис. 43 показана функциональная схема гетеродинного частотомера (волномера), состоящего из гетеродина Г, смесителя С и выходного прибора ВП (индикатора), в котором сравнение частоты колебаний производится методом биений.

Принцип измерения состоит в следующем. На блок смесителя подается колебание высокостабильной частоты fэт от гетеродина и колебание частоты fх. С выхода смесителя колебание разностной частоты биений fзв подается на выходной прибор, отградуированный в соответствующих единицах измерений (частотах или длинах волн). Несмотря на простоту устройства, гетеродинные частотомеры позволяют измерять частоту в пределах 30—’ 3000 МГц с высокой точностью.

В основу резонансного метода измерения частоты положено явление электрического резонанса. Волномеры состоят из высокодобротного контура, механизма настройки и индикатора.

В зависимости от диапазона измеряемых частот колебательный контур частотомера может выполняться из высокодобротного контура LC с сосредоточенными постоянными, либо в виде отрезка коаксиальной линии, либо в виде объемного резонатора.

Функциональная схема резонансного частотомера показана на рис. 44. На измеряемую частоту настраивается в резонанс контур ЬКС«.

Зная индуктивность
LK
и емкость Ск, легко вычислить изме­ряемую частоту. Наличие резонанса в контуре
LKCb
регистрирует­

ся по максимальному показанию индикатора. Обычно резонансный частотомер имеет набор сменных катушек LK,

позволяющих пере­крыть диапазон частот от нескольких сотен килогерц до несколь­ких десятков мегагерц.

Резонансные частотомеры сверхвысоких частот состоят из коаксиальных и объемных резонаторов. Отрезок коаксиальной линии, представляющей собой колебательный контур, связывается с источником колебаний (генератором) и детектором петлями свя­зи (рис. 45). Настройка контура в резонанс осуществляется изменением длины I

внутреннего проводника коаксиальной линии. Если на длине отрезка линии укладывается четверть волны изме­ряемого колебания, возникает резонанс. Момент настройки в резо­нанс отмечают по максимальному отклонению стрелки индикато­ра, включенного в цепь детектора. Измерение исследуемой длины волны состоит в нахождении двух соседних резонансов в линии и определении расстояния между ними; оно равно половине длины волны исследуемого колебания. Резонансные волномеры позволя­ют измерять длины волн от нескольких сантиметров до нескольких дециметров.

Отечественная промышленность выпускает большую номенкла­туру частотомеров для измерения в диапазоне СВЧ: например, резонансные коаксиальные частотомеры на частоты от 40 до 10700 МГц (Ч2-2А и 42-37) и волноводные на частоты от 8 до 16,6 ГГц (42-33 и 42-31). Типы частотомеров и измеряемый ими диапазон частот приведены на рис. 46.

Для осуществления автоматического измерения частоты в диа­пазоне до 10 ГГц предназначен резонансный волноводный пано­рамный частотомер 42-55, который позволяет осуществлять авто­матическое измерение по индикатору прибора одновременно нескольких частот, излучаемых генераторами СВ4. Он широко

применяется при проверке и ремонте генераторов в лабораторных и производственных условиях. Частотомер выполнен полностью на полупроводниковых приборах, погрешность измерений 0,5%, чувствительность 5-10~3 мВт. Габариты прибора 480X255X480 мм, масса 28 кг.

Для лабораторных измерений частоты применяют электронносчетные частотомеры, выдающие результаты измерений в цифровой форме.

Действие этих при­боров основано на преобразо­вании измеряемого синусои­дального напряжения в корот­кие прямоугольные импульсы, соответствующие измеряемой частоте. Эти импульсы регист­рируются счетчиком.

Например, за 1 с счетчик регистрирует 1 • 106 импульсов, значит, измеряемая частота будет равна 1 МГц. Такие ча- тотомеры облегчают процесс измерения в широких преде

лах частот (от нескольких герц до сотен мегагерц), период следо­вания и длительность импульсов. Они также могут быть исполь­зованы в качестве источников кварцованных частот, датчиков ка­либрованных интервалов времени и др.

Электронно — счетные частотомеры (универсальные ЧЗ-47А, 43-49 и упрощенные 43-44, 43-45, 43-46) осуществляют програм­мируемое измерение частоты радиосигналов от долей герца до СВ4-диапазонов с погрешностью ±5-10-9 и интервалов времени от 1 до 104 мкс с погрешностью ±0,1 мкс. Они выдают результаты измерений в коде, обеспечивающем математические вычисления, статистическую обработку и регистрацию их в цифровой и анало­говой формах.

содержание .. 31 32 37 ..

Как измерить частоту мультиметром?

В обычном быту не так часто приходится измерять частоту электротока, поскольку в сети она поддерживается централизованно. Отклонения, если они и есть, составляют менее 1%.

Определить частоту тока, выдаваемого каким-либо прибором можно с помощью специального прибора частотометра. Но в наборе домашнего мастера такие устройства встречаются редко. Их в основном используют профессионалы. А вот цифровой мультиметр в настоящее время есть практически у каждого.

Некоторые (не все) модели мультиметров снабжены функцией измерения частоты переменного тока. Если она есть, то узнать данный параметр будет несложно.

Порядок действий следующий:

1. Щупы подключают в соответствующие гнезда, согласно инструкции.
2. Переключатель режимов устанавливают на измерение частоты переменного тока.
3. Для начала можно померить частоту в сети 220 В. Она поддерживается поставщиком электроэнергии и равна 50 Гц. Производится измерение частоты мультиметром путем присоединения щупов прибора к контактам розетки. Если результат будет несколько отличаться от стандартной частоты, это следует учитывать как погрешность прибора. И при следующих замерах делать на нее поправку.
4. Далее можно измерить параметр частоты того устройства, которое вас интересует.

Таким образом, мультиметр позволяет с достаточной точностью определить частоту тока в сети или на выходе электрических генераторов, преобразователей, фильтрующих устройств.

Теперь вы знаете, как измерить частоту мультиметром. Желаем безопасных и точных измерений!

Цифровые мультиметры с символом частоты на регуляторе

1. Переведите регулятор в положение Hz.
   Этот символ на регуляторе часто совмещен с символом одной или нескольких функций.
2. На некоторых измерительных приборах для измерения частоты используется вспомогательная функция, для включения которой нужно нажать на кнопку и перевести поворотный переключатель в положение ac (переменный ток) или dc (постоянный ток).
3. Сначала вставьте черный измерительный провод в разъем «COM».
4. Затем вставьте красный провод в разъем «V Ω».
   По завершении измерения отсоедините провода в обратном порядке: сначала красный, затем черный.
5. Сначала подсоедините черный измерительный провод, затем — красный измерительный провод.
   По завершении измерения отсоедините провода в обратном порядке: сначала красный, затем черный.
6. Прочитайте результат измерения на экране.
   Справа от показания должна появиться надпись Hz.

Резонансные геркономеры

Резонансные герконы обычно работают на более низких частотах и поэтому редко используются в ВЧ приложениях. Однако их низкие частоты делают их пригодными для настройки двигателей и других устройств, использующих приложенную мощность переменного тока. Из-за своей простой механической работы резонансные язычковые измерители менее точны, чем измерители отклонения, но достаточно прочные, чтобы их можно было использовать для полевых измерений.

Рид-измерители просто состоят из набора металлических язычков, настроенных на разные частоты. Когда на измеритель подается питание переменного тока, язычок, наиболее близкий по частоте к сигналу, будет вибрировать сильнее, чем другие, вызывая звуковой сигнал на этой частоте. Это показано на изображении ниже. Поскольку подаваемое напряжение 120 В переменного тока правильно настроено на 60 Гц, центральный язычок на 60 Гц вибрирует сильнее других.

Выбор микроконтроллера

Компания Microchip предлагает три новых серии микроконтроллеров AVR:

• ATtiny 0-, 1- и 2-;
• ATmega 0;
• AVR DA- и DB-.

С позиции периферии они одинаковы, поэтому я мог выбрать, к примеру, ATtiny414, ATmega4809 или AVR128DA28, все из которых снабжены TCD0 и способны использовать для тайминга внешний кварцевый резонатор 32.768КГц.
Первую версию схемы я протестировал с AVR128DA28, но для конечной все же выбрал ATtiny414, потому что он выполнен в более компактном корпусе, а дополнительные входы/выходы мне не требовались.

В итоге получилось так, что при использовании AVR128DA28 события работали, а после перехода на ATtiny414 перестали. Оказалось, что проблема в отличии терминологии для более ранних процессоров. Здесь я хочу поблагодарить пользователя AVR Freaks под ником kabasan за то, что помог разобраться. Если вы хотите побольше узнать о применении системы событий, то советую начать с серии AVR DA- или DB-, для которых используется более логичная терминология.

Примечание.

Не стоит путать ATtiny 1 серии, ATtiny414, вышедшие в 2022, с более старыми ATtiny441, появившимися в 2014 в качестве расширенной версии еще более старого ATtiny44.

Схема

Вот схема частотомера 100МГц, компоновка которой соответствует схеме макетной платы:

В качестве резонатора служит кристалл 32.768кГц с точностью 20ppm и емкостной нагрузкой 12.5пФ . Для вычисления значений конденсатора я использовал формулу С = 2(СL – CS), где СL представляет емкостную нагрузку 12.5пФ, а CS паразитную емкость, которая на макетной плате достигает, вероятно, 5пФ, давая С = 15пФ. На печатной же плате ее значение, возможно, составит 2.5пФ.

В роли процессора выступил ATtiny414 в 14-контактном корпусе SOIC , который я установил на коммутационную плату – подходящий вариант есть у Adafruit. Проект можно также реализовать на базе ATtiny814 или ATtiny1614 с бОльшим объемом памяти, но не на ATtiny404, поскольку в нем нет поддержки внешнего кристалла RTC.

Точность

Для проверки этого проекта мне нужно было найти способ генерировать точные сигналы с частотой до 100МГц, но такого генератора у меня нет. Точность моего предыдущего проекта, Programmable Signal Generator, составляет всего 1.1%, чего для данного случая будет явно недостаточно, к тому же его верхний предел всего 68МГц.
В связи с этим я купил коммутационную плату генератора тактовых импульсов Si5351A от Adafruit, которую можно через I2C запрограммировать на генерацию сигналов от 8кГц до 160МГц (еще есть вариант аналогичной платы на Banggood). Управление ей я реализовал через прекрасную библиотеку Si5351 Джейсона Миллдрама, работающую на Arduino Uno.

Точность частотомера в первую очередь зависит от точности кристалла, используемого для генерации дискретизированного сигнала 1Гц. Я использовал цилиндрический кристалл с заявленной точностью 20ppm. Звучит неплохо, пока не вычислишь, что при входном сигнале 100МГц это эквивалентно ±2000Гц. На практике же его точность в целом оказалась раз в 5-10 выше заявленной.

Использование таймера/счетчика TCD0

Об использовании TCD0 я задумался просто между делом. Это 12-битное устройство, но, в отличие от большинства своих аналогов, работает оно асинхронно, то есть независимо от тактов процессора.
В первую очередь TCD0 предназначен для генерации сигналов, например при управлении электродвигателем, и я даже не знаком со многими из его возможностей. Однако мне показалось, что с его помощью вполне можно реализовать захват значения счетчика, работающего под управлением часов реального времени.

Опытным путем я выяснил, что TCD0 можно тактировать на частоте более 100МГц, что позволило бы собрать очень простой частотомер с нужным мне диапазоном действия без делителя.

Использование системы событий

Я мог использовать RTC для генерации прерывания каждую секунду, а затем захватывать значение счетчика из TCD0 через программу обработки прерываний. Тем не менее последние процессоры AVR предоставляют систему событий (Event System), позволяющую реализовать это более эффективно.
Можно сгенерировать внутренний сигнал с RTC и с помощью него непосредственно активировать захват. Преимущество здесь в том, что вызов службы прерываний не требует лишней обработки, в результате чего ответ возвращается практически мгновенно.

Измерители отклонения

Существует два основных типа измерителей отклонения: измерители с подвижной катушкой и измерители коэффициента. Измерители с подвижной катушкой представляют собой электрически резонансные цепи, которые состоят из двух катушек, настроенных на разные частоты и соединенных под прямым углом друг к другу. Частоты в середине диапазона уравнивают токи в двух катушках и позволяют стрелке или стрелке указывать среднюю точку шкалы.

Продать частотомеры

Изменения частоты создают дисбаланс между этими токами, заставляя катушки и стрелку или указатель двигаться. Измерители коэффициента используют два частотных входа: известный стандарт и неизвестная величина. Драгметаллы в частотомерах – довольно частое явление т.к. без радиодеталей эта техника работать не может.