Здравствуйте мои читатели! И особенно начинающие электронщики!!!
В этом материале я хочу коротко ( возможно и не коротко, а потребуется несколько материалов ) рассказать о частотомерах. Что это за приборы, когда они появились и где они находят применение.
Какую задачу «решают» частотомеры? Частотомер – это измерительный прибор с определённым набором функций. И одной из этих функций является измерение частоты. А какой частоты или частоты чего, - спросите Вы. Любой частоты!!! Только частоты бывают разные и то, что вырабатывает разные частоты, также бывает разным!
Кто и когда изобрел частотомер? Задаю встречный вопрос: А какой частотомер?
И здесь огромное поле для споров, можно спорить сколь угодно долго и все окажутся правы! И так, что такое частота?
Формулировка частоты очень в короткой формуле: частота – это количество каких-то событий в определённый период времени, заранее оговоренный! И таких событий можно назвать бесконечное множество!
А кто, когда и для каких целей изобрел первые устройства для измерения частоты? На этот вопрос наука до сих пор не нашла ответа и причина здесь самая простая – первые такие устройства изобрела природа, а первыми такими устройствами стали живые организмы. Если быть точнее – это мозг любого живого организма! Именно мозг ( от самого простейшего нервного узелка до сложнейшего мозга высших существ ) производит подсчеты событий, сигналов и любых воздействий в природе на эти организмы. И здесь огромное значение имеют датчики, воспринимающие эти сигналы или события. К сожалению у человека не самые лучшие датчики ( возможно это и к лучшему ).
Всё живое и неживое в природе окружено колебательными процессами, частота которых различна. И источниками этих колебаний могут быть как колебания атомов или молекул вещества, так и движения больших и малых небесных тел!
Следовательно, по своей сути можно выделить несколько основных видов колебаний: механические, электрические, свет и излучения в различных диапазонах и глобальные, которые так же можно отнести к механическим, но очень большим и медленным.
До появления на земле человека природа не задумывалась над созданием частотомера как отдельного устройства, по той причине, что живые организмы были в тесной взаимосвязи с природой и довольствовались тем, что было. А вот человека природные частотомеры на определенном этапе развития перестали удовлетворять и он придумал… Правильно! КАЛЕНДАРЬ!!! И этот частотомер определял количество дней в году. Следующий этап развития… Совершенно верно! ЧАСЫ! Простые, примитивные, но ЧАСЫ!!! Как они «работали» и что измеряло время трудно понять… Возможно вода капала в сосуд, а возможно песок, но человек стал измерять время, а по времени стал ориентироваться в других процессах. И много тысяч лет назад люди определили, что в году не 365 суток, а 365,25 !!! И здесь потрудились первые астрономы ( а возможно и пришельцы подсказали ) и за основу легли наблюдения за созвездием ОРИОН!
Далее последовали расчёты размеров земли, а эти расчёты позволили мореплавателям определять свои координаты в открытом море. И вот здесь надо отметить, что для определения координат по долготе требуется знать точное время в точке замера, но оно «тикать» должно точно по времени порта выхода. Вот тогда и потребовался точный хронометр! А как он выглядел? Совершенно верно – это песочные часы, очень точные по тем временам, но большие – на несколько часов. Их переворачивал специальный вахтенный и после переворота обязательно звонил в колокол столько раз сколько за эти сутки было переворачиваний. В русском флоте это называлось «отбить склянки». И в полдень именно по своим часам производился замер угла на светило и по разнице азимута, определялась долгота корабля, а по углу места определялась широта. Это одно из первых применений частотомеров в режиме измерения интервала времени. Но этот прибор работал в режиме измерения интервала, а как быть с частотой?
Вот здесь уже конкретнее оказал помощь мозг человека, а датчиком стал слух, а точнее человеческое ухо. И такая необходимость появилась при изобретении музыкальных инструментов. Где и когда их изобрели, даже археологи точно сказать не могут, но их изобрели! И вот очень умные и самое главное с очень-очень хорошим слухом поняли, что каждой струне в инструменте или каждому барабану должен соответствовать определённый звук, а точнее НОТА! Кто и где придумал музыкальный ряд опять точно не известно, но он был придуман! А как же настраивать каждую струну? На слух! Вот вам первый частотомер, работающий в режиме измерения частоты! Но чему равна частота, мозг не может «сказать», но он может довольно точно определить разницу частот между нотами и … между звуками! Вот так первые музыканты и настраивали свои музыкальные инструменты, а изготовители барабанов подбирали частоту барабанов натяжением шкуры ( мембраны ) и размерами барабанов.
Появились другие виды музыкальных инструментов и в том числе из металлических пластин, определённого размера и веса. Оказалось, что существует масса певучих сплавов, издающих звук при ударе. Появились первые ксилофоны. И здесь без человеческого мозга плюс ухо не обошлось. Очень хороший музыкант помог настроить первый ксилофон, а дальше по нему подгоняли звук каждой пластины по образцу, точнее эталону. Вот и здесь первый частотомер, работающий по принципу сравнения частот. Сравнили две частоты, если равны, работы выполнена, а чему равна частота и знать не обязательно…
Мозг очень четкий частотомер, если есть образцовая частота для сравнения. Но количество музыкальных инструментов возрастало и потребовалось настраивать их на одни и те же частоты в разных городах, И здесь вспомнили и звонких сплавах и в 1711 году был придуман КАМЕРТОН! Что же это такое камертон? Очень похож на рогатку или вилку с двумя остриями. Сделан из специальной стали и в зависимости от толщины и длины U-образной части, при ударе по ней лёгким деревянным молоточком, камертон издаёт звук определённой частоты. Их можно сделать для частоты любой ноты, а если поставить его на коробочку, у которой открыта одна боковая сторона, звук значительно усилится ( вот Вам и прообраз звуковой колонки ) и настройщику музыкального инструмента будет легче работать, точнее его частотомеру!
Но жизнь на месте не стоит, развивается техника и появились первые электрические машины, А им необходима электрическая энергия! Придумали генераторы: постоянного тока и переменного тока. С постоянным током все понятно – при работе напряжение зависит от оборотов, но это даже в те времена решили быстро! Поставили регулятор напряжения возбуждения и проблема решена. Сложнее обстояло дело в генераторах переменного тока. Здесь от скорости вращения изменялось не только напряжение на выходе, но частота. Напряжение стабилизировали тем же способом, обороты также застабилизировали ( регуляторов оборотов разных типов достаточно ), а чему равна частота на входе? И вот здесь возникла серъёзная проблема. На заводе, где сделали генератор, нашли способ как определить количество оборотов или частоту выходного напряжения, но у потребителя могут возникнуть проблемы с двигателем или гидротурбиной, потребуется какой-то ремонт и как теперь определить точно частоту на выходе ( точность не такая уже и высокая плюс-минус ДВА Герца ) – 50 +/- 2 Гц. И такой измерительный прибор необходим на каждом генераторе, если частота выше допуска на пару Герц беды особой не случится ( асинхронные двигатели закрутятся быстрее ), но если частота будет ниже допуска на два-три Герца, могут перегреться трансформаторы.
И тогда вспомнили о резонансе. Резонанс – это великая сила, разрушающая мосты и здания ( в здании и по мосту строй идёт «не в ногу»!!! ), но при полезном использовании этой силы, помогает улавливать малейшие колебания и в том числе в электронике ( резонанс в избирательных контурах ). Вот и сделали механический частотомер, точнее частотомер резонансного типа!
Принцип работы очень простой. Если взять металлическую пластину определённых размеров ( можно и не металлическую, но она не реагирует на магнитное поле ), закрепить её с одной стороны и не очень далеко от точки крепления поднести к ней электромагнит с переменным магнитным полем ( не очень сильным ), то при совпадении частоты собственных колебаний пластины с колебаниями магнитного поля катушки, пластина нагнёт вибрировать, но так как одна сторона её зажата, то противоположная сторона будет колебаться с удвоенной амплитудой. Вот он РЕЗОНАНС!!! При изменении частоты в катушке в небольших пределах амплитуда колебаний пластины будет уменьшаться, а при сильном изменении частоты колебания станут невидимы ( магнитное поле не очень высокой мощности ).
Вот на этом принципе и построены частотомеры сетевой частоты.
Очень простой получился частотомер. Прекрасно работает. Визуально всё хорошо видно и красиво смотрится!
Прибор В80 работает непосредственно от выхода генератора 220 В, потребляет всего 3,5 Вт. Устанавливался на всех мобильных генераторах, на стационарных генераторах аварийного электроснабжения ответственных объектов.
Частотомеры усовершенствуются и области применения расширяются. В следующем материале продолжим изучать частотомеры и начнём с механического…
Если материал понравился, и Вы нашли в нём полезное для себя не посчитайте за труд и оставьте свой отзыв! Очень буду рад прочитать Ваши комментарии.
Чаще заходите на мой канал, подписывайтесь! Информация учебного и познавательного характера будет регулярно пополняться!
Желаю Всем читателям здоровья и успехов в творчестве!!!
