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Verfahren und Einrichtung zur Messung von Frequenzabweichungen
Es ist bekannt, dass zur Messung von Frequenzen in einem elektrischen Schwingungskreis, der mit der zu messenden Frequenz ungefähr auf Resonanz gebracht wird, der kapazitive mit dem induktiven Strom verglichen werden kann und dass die Differenz der Amplituden dieser Ströme ein Mass für die Abweichung der zu messenden Frequenz von der Eigenfrequenz oder Resonanzfrequenz des Schwingungskreises bildet. Dieses Verfahren hat den Vorzug grosser Empfindlichkeit, da schon bei kleinen Frequenzabweichungen die Unterschiede zwischen kapazitivem und induktivem Strom ziemlich gross sind.
Ein Nachteil liegt dagegen darin, dass der Resonanz-Frequenzwert durch die Temperaturabhängigkeit der Induktivität keine sehr grosse Stabilität besitzt und für Frequenzmesser hoher Genauigkeit diese Induktivität in einem Thermostaten untergebracht werden muss. Anderseits ist es selbstverständlich nicht zu vermeiden, dass die Differenz zwischen induktiver und kapazitiver Stromamplitude auch von der gesamten Spannungamplitude, die am Messgerät liegt, abhängt. Es ist weiter bekannt, dass man für Regelzwecke die
Spannung, die an einem Ohmschen Widerstand auftritt, mit der Spannung, die an einer Kapazität als frequenzabhängige Grösse entsteht, bei Serienschaltung des Widerstandes und der Kapazität gleichrichten und miteinander vergleichen kann.
Dieser Vergleich kann in einer Gegeneinander- schaltung zweier Relaiswicklungen bestehen oder direkt im Erregerkreis des den Wechselstrom- generator treibenden Gleichstrommotors erfolgen, wo wieder im Resonanzfall zwei Wicklungen gegeneinander wirken, deren eine vom Ohmschen und deren andere vom kapazitiven Spannungs- abfall über Gleichrichter gespeist wird. In all diesen Fällen ist jedoch ausdrücklich darauf hin- gewiesen, dass die Anordnungen nur für Regel- oder Anzeigezwecke verwendbar sind, jedoch kein
Messverfahren darstellen.
Dies ist auch nicht möglich, da die Spannungsabhängigkeit des
Differenzwertes zwischen Ohmschen und kapa- zitivem Spannungsabfall bei Abweichungen von der Resonanzfrequenz auf der Hand liegt Ausser- dem ist eine direkte Messung der Differenz- spannung infolge der potentiellen Verknüpfung des Widerstandes und der Kapazität durch die
Serienschaltung nur schwer möglich. Schwankt die Spannung des Generators oder die Spannung am Frequenzregler aus irgendwelchen Gründen, so müsste durch eine Konstanthalteeinrichtung dafür gesorgt werden, dass diese Schwankung sich im Differenzwerk der Regeleinrichtung nicht auswirken kann. Dann erst wäre die Anordnung für eine Messung geeignet.
Die Spannungskonstanthaltung bereitet aber ungleich grössere Schwierigkeiten als die Konstanthaltung eines Stromes. Deshalb werden in der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung nicht Spannungen an frequenzabhängigen Widerständen, sondern frequenzabhängige Ströme miteinander verglichen, deren Summe durch einen Eisen-Wasserstoff-Widerstand leicht konstant gehalten werden kann. Dies hat auch noch den darüber hinausgehenden Vorteil, dass sich die Frequenzabhängigkeit des kapazitiven Stromes auf den Strom durch den parallelgeschalteten Ohmschen Widerstand überträgt und so eine Empfindlichkeit höheren Grades erzielt wird, wie im folgenden noch näher gezeigt werden soll.
Die Schaltungsanordnung ist in Fig. 1 dargestalt. Es wird der über den Eisen-WasserstoffWiderstand 1 konstant gehaltene Summenstrom in einen uber die Kapazität 3 und einen über den Widerstand 2 fliessenden Strom geteilt. Die beiden Teilströme bzw. die an den Widerständen 6 auftretenden stromproportionalen Spannungsabfälle werden über die Gleichrichter 9 gleichgerichtet, so dass an den beiden R-C-Kombinationen 4 und 5 Gleichspannungen auftreten, die den jeweiligen Teilströmen proportional sind. Die zwischen 10 und 11 auftretende Gleichspannung ist somit ein absolutes Mass für die Abweichung der Frequenz von einem Resonanzsollwert, für den der Ohmsche und der kapazitive Anteil des
Gesamtstromes gleich gross ist. Eine Messung der Frequenz ist dann mit jedem Drehspul- Millivoltmetei möglich.
Eine Beeinflussung des
Messergebnisses durch die Generator-oder Netz- spannung 8 ist im Regelbereich des Eisen-Wasser- stoff-Widerstandes 1 nicht zu befürchten.
Die Summe aus kapazitivem und rein Ohm- schem Strom durch 2 und 3 lässt sich schreiben in der Form :.
EMI1.1
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Es bilden die Vektoren des kapazitiven und des Ohmschen Stromes in Fig. 2 die Katheten eines rechtwinkeligen Dreieckes, dessen Hypotenuse durch den konstanten Strom do gegeben ist. Für verschiedene Frequenzen f liegen die Endpunkte 12 der Vektoren auf einem Halbkreis 13.
Es verhalten sich
EMI2.1
Bildet man die Differenz JR- Je, so gibt dies
EMI2.2
Setzt man für die Winkelfunktion von ? aus der obigen Beziehung ein, so erhält man
EMI2.3
Wählt man nun Widerstand und Kapazität gerade so, dass das Produkt 2, m. f. R. C für einen mittleren Frequenzwert 10 gerade den Wert 1 annimmt, so ergibt sich für kleine Frequenzabweichungen 61 die einfache Beziehung :
EMI2.4
womit bewiesen ist, dass tatsächlich bei konstantem Strom J 0 die Stromdifferenz zwischen kapazitivem und Ohmschem Strom proportional ist der Frequenzabweichung 6. f.
Es lässt sich leicht einsehen, dass ohne Vorschaltung eines Stromregelrohres die Empfind- lichkeit nur den \/2 ten Teil beträgt, da dann der Ohmsche Strom unverändert bleibt und nur der kapazitive Strom um den Betrag
EMI2.5
schwankt. Setzt man hier für U den Wert t. o. R ein, was der Voraussetzung entspricht, dass die Ohmsche Belastung R im Resonanzfall gleich ist der kapazitiven, so ergibt sich :
EMI2.6
also der V 2 te Teil des obigen Wertes.
Somit ist das Gerät für die Messung von Frequenzen und auch zur Bildung einer Frequenzabweichungsproportionalen Gleichspannung für Regel und Fernmesszwecke besonders geeignet.
In Fig. 3 ist schliesslich das Gerät in Zusammenarbeit mit einem magnetischen Verstärker gezeigt.
Der Strom Je wird über eine Graetzschaltung 14 gleichgerichtet und durch die erste Wicklung 17 des magnetischen Verstärkers 16 geschickt, während der Strom JR über die Graetzschaltung 15 gleichgerichtet wird und in der Wicklung 18 des magnetischen Verstärkers wirksam whd. Der Ausgangswert des Verstärkers 16 ist proportional dar Frequenz der beiden Eingangsströme und kann dann in einem Messinstrument 19 abgelesen werden.
An Stelle des magnetischen Verstärkers kann auch ein Messinstrument der Drehspultype in Spezialausführung mit zwei Messrähmchen verwendet werden. Das eine Mcssrähmchen wird von dem Gleichstrom Je und das andere Messrähmchen vom gleichgerichteten Strom J R durchflossen. Dabei ist die Stromrichtung in den beiden Messrähmchen so zu wählen, dass sich nur die Differenz der beiden Ströme als Drehmoment auswirken kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Messung der Abweichung der Frequenz einer Wechselspannung von einem bestimmten Sollwert sowie zur selbsttätigen Regelung der Frequenz eines Wechselstromgenerators durch Vergleich zweier frequenzabhängiger Ströme, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte zur Messung geführte Strom durch einen Stromregelwiderstand unabhängig von
Spannungsschwankungen konstant gehalten wird und die eigentliche Messung durch Differenzbildung zwischen den Maximalwerten zweier Teil- ströme erfolgt, von denen der eine über eine
Kapazität, und der andere über einen Ohmschen
Widerstand fliesst, deren Summe jedoch unab- hängig von Spannung und Frequenz immer die gleiche Grösse hat, so dass sich die Frequenz- abhängigkeit des kapazitiven Teilstromes auf die
Grösse des Ohmschen Teilstromes überträgt, wodurch die Messwertanzeige empfindlicher wird.