Frequenzimetri
Descrizione
Il frequenzimetro è uno strumento per la misura della frequenza esistente in circuito elettrico la cui unità di misura è l'Hertz (Hz).
Questi strumenti si distinguono in frequenzimetri portatili e da quadro.
Ne esistono due tipologie che ne riflettono l’evoluzione cronologica: analogici e digitali.
Gli analogici sono:
1) A risonanza meccanica.
2) A indice.
3) Con metodi di confronto e di riduzione a zero.
I digitali sono essenzialmente basati sul confronto fra la frequenza di un segnale di riferimento e quella del segnale da esaminare.
Analogici
I frequenzimetri a risonanza meccanica si basano essenzialmente su lamelle vibranti di acciaio fissate ad un supporto a cui viene trasmesso un moto vibratorio per mezzo di un elettromagnete eccitato con la tensione alternata di cui si vuole misurare la frequenza.
Ogni lamella è costruita in modo tale da avere una sua tipica frequenza di risonanza per la quale assume un moto oscillatorio di visibile ampiezza, mentre tutte le altre restano quasi o del tutto immobili, come si vede nelle figure.
Infatti ogni lamella è munita di una piccola massa di stagno posta ad una certa distanza dall’estremità fissa.
La posizione della piccola massa lungo la lamella ne permette la taratura così da ottenere ad esempio una differenza di mezzo periodo di oscillazione con le due contigue.
Si può dunque ottenere una serie di frequenze crescenti ad esempio da 45 a 55 Hz, come si vede nelle figure.
La loro diffusione derivava dalla semplicità costruttiva e robustezza, ma non erano molto precisi.
I frequenzimetri ad indice sono strumenti di tipo astatico, cioè privi di molle antagoniste, nei quali l’equipaggio mobile a riposo si trova in una posizione di equilibrio indifferente.
Un tipo molto diffuso a lettura diretta deriva dal fasometro monofase.
Questo misura l’angolo di sfasamento fra la tensione e la corrente assorbita da una opportuna impedenza.
Poiché tale angolo dipende dalla frequenza, il quadrante dello strumento può essere graduato in una scala di frequenze.
Le caratteristiche dell’impedenza sono fissate dal campo di frequenze che si vuole misurare.
Vedi le foto di quattro strumenti qui sopra.
Un altro tipo di frequenzimetro ad indice è quello a risonanza elettrica (vedi figura 2-621).
In esso vi è una bobina fissa AA di resistenza R, collegata in serie con una induttanza L e una capacità C, e un equipaggio mobile astatico composto da due bobine B1 e B2 affacciate e fissate all’asse O dello strumento. B1 è collegata alla capacità C1 , B2 è collegata all’induttanza L2.
Il circuito della bobina fissa viene collegato alla tensione V in parallelo con il circuito della bobina B1, il circuito della bobina B2 si chiude su se stesso.
Il tutto è progettato in modo che la frequenza di risonanza coincida con la frequenza nominale media dello strumento cioè con angolo tra tensione e corrente nullo.
In queste condizioni se la frequenza diminuisce il circuito diventa capacitivo è la corrente è in anticipo sulla tensione, se la frequenza diminuisce il circuito diventa induttivo e la corrente è in ritardo.
Per completare l’elenco menzioniamo solo altri due metodi di misura delle frequenze: metodo di confronto e metodo di riduzione allo zero.
Il metodo di confronto richiede di disporre di una tensione alternata a frequenza nota, da assumere come frequenza campione. E questo prelude ai moderni strumenti analogici.
Per ulteriori spiegazioni si consiglia vivamente il testo L. Olivieri E. Ravelli, Elettrotecnica – Misure Elettriche, Vol. III, Cedam, Padova, 1962 dalla pagina 397 alla pagina 411.
Elettronici
Riportiamo qui come esempio un frequenzimetro del 1950.
Per l'epoca questo tipo di frequenzimetro aveva il vantaggio di poter effettuare misure su una gamma molto più estesa dei frequenzimetri elettromeccanici, con un assorbimento di potenza trascurabile. La tensione alternata, di cui si vuole misurare la frequenza, viene trasformata in onda alternata rettangolare di ampiezza costante. Questa comanda un tubo elettronico funzionante da interruttore che produce la scarica di un condensatore, caricato ad una certa tensione. Detta scarica avviene con la stessa frequenza della tensione oggetto della misura. Il valore medio della corrente di scarica del condensatore, misurata dallo strumento in C.C. visibile nelle foto, è proporzionale alla frequenza da misurare; quindi lo
strumento è tarato in Hz. La portata può essere variata cambiando il valore della capacità del condensatore.
Digitali
Lo schema a blocchi di uno strumento per la misura di frequenza ( o periodo) è illustrato in figura 8.7
Esso è costituito da una base dei tempi (Clock), un circuito di condizionamento del segnale di ingresso (Formatore), un interruttore (Gate), un contatore di impulsi (Contatore) e un dispositivo di interfaccia con l’esterno (Output).
Il blocco Formatore ha la funzione di trasformare il segnale di ingresso in un’onda quadra adatta per comandare il Gate e il Contatore.
Lo strumento conta il numero di periodi N del segnale di ingresso A (con periodo TA e frequenza fA) compresi in un periodo del segnale di riferimento B (con periodo TB e frequenza fB).
Il numero N = TB / TA = fA / fB.
Se TB = 1 s, N fornisce direttamente la frequenza del segnale di ingresso.
Per ulteriori spiegazioni consultare P. Malcovati, Misure Elettriche , 2020, Univ. di Padova pagg. 203, 204, 205 rinvenibile all’indirizzo:
http://sms.unipv.it/misure/ME/Misure_Elettriche.pdf