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Gebereinrichtung für das Frequenzvariationsverfahren
Messgrössen können über grössere Entfernungen, insbesondere über galvanisch nicht durchverbundene
Nachrichtenwege, nach dem Frequenzvaria. tionsverfahren ltbertragen werden. Dabei sind als Geberein- richtungen z. B. solche bekannt, die mit einer vormagnetisierbaren Drossel als veränderliche Induktivität im Schwingkreis eines LC-Generators arbeiten. Auch Variometergeber werden in derartigen Schaltungen zur Induktivitätsänderung bzw. Frequenzänderung verwendet.
Bei allen diesen Einrichtungen bereitet es Schwierigkeiten, die Zuordnung der Frequenz zur Messgrösse linear zu gestalten, was in jedem Falle wünschenswert und bei bestimmten Anwendungen Voraussetzung ist. Sollen beispielsweise mehrere dieser übertragenen Messgrössen auf der Empfangsseite addiert oder subtrahiert werden, so ist das nur dann ausreichend fehlerfrei möglich, wenn die Übertragung der Fernmesswerte linear erfolgt.
Lineare Femmesssysteme, d. h. also solche, bei denen eine lineare Zuordnung von senderseitiger zu empfangsseitiger Messgrösse besteht, werden am einfachsten mit linearen Messgrössenumformem aufgebaut.
Ein Umformer für die Empfangsseite des Frequenzvariationsverfahrens mit linearer Transformation ist bereits bekannt. Dieser arbeitet nach dem Kondensator-Umladeverfahren und gibt nach der Gleichung : I= C.U.f (wobei C = Kapazität, U = Ladespannung und f = Frequenz ist) ausgangsseitig einen der Frequenz streng proportional zugeordneten Gleichstrom ab.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die günstigen Eigenschaften von bekannten Messgrössenwandlern, die eine Frequenz in eine proportionale Gleichstromgrösse übersetzen, insbesondere der nach dem Kondensator-Umladeverfahren arbeitenden Wandler, mittels geeigneter Massnahmen auf der Geberseite zum Aufbau eines in umgekehrtem Sinne arbeitenden linearen Messgrössenumformers auszuwerten.
Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung unter Verwendung eines in seiner Frequenz kontinuierlich steuerbaren Wechselstromgenerators in der Weise gelöst, dass diesem Generator ein elektronisch gegengekoppelter Gleichstromverstärker vorgeschaltet wird, dessen Verstärkungsfaktor ohne Gegenkopplung wesentlich grösser als 1 ist, und dass in dem zwischen dem Ausgang des Wechselstromgenerators und dem Eingang diese ! Verstärkers verlaufenden Gegenkopplungsweg ein die Wechselstromfrequenz des Generators in einen proportionaler Gleichstrom verwandelnder, z. B. nach dem bekannten Kondensator-Umladeverfahien arbeitender Frequenzumsetzer angeordnet wird, dessen Ausgangsstrom dem die Messgrösse darstellenden Gleichstrom im Eingang des Gleichstromverstärkers elektronisch gegengekoppelt ist.
Es sind auch bereits selbstkompensierende, elektromechanischeGleichstrommessverstärker bekannt ge- worden, vgl"SiemensTechnische Berichte"Jahrgang 4, Heft 1, [ 1952], S. 1 - 3 und "Siemens Technische Berichte" Jahrgang 5, Heft 1, [ 1953 ], S. 1 - 6. Diese Einrichtungen arbeiten mit einem elektromechanisch kompensierenden, praktisch richtkraftlosen Galvanometer, durch welches die Rückkopplung in einem Schwingröhrenkreis elektromechanisch gesteuert wird. Ein solcher Messverstärker ist infolge seiner
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mechanisch bewegten Teile kompliziert und empfindlich. Überdies weist ein solcher Messverstärker ein integrales Verhalten auf, wogegen die Gebereinrichtung entsprechend der Erfindung eine Proportionalregelung besitzt.
Die erfindungsgemässe Gfbereinrichtuhg für das Frequenzvariationsverfahren Ist im Prinzipschema in der Zeichnung dargestellt.
Die Umformung der am Eingangswiderstand R1 der Gebereinrichtung als Gleichstrom (JMess) vorlie- genden Messgrösse in eine Wechselstromfrequenz erfolgt über einen Gleichspannungsverstärker 1 durch einen an sich bekannten, in seinerFrequenz durch Gleichstrom steuerbarenLC-Generator 2, der beispielsweise einen Schwingkreis mit einem vormagnetisierbaren Übertrager als veränderliche Induktivität enthält. Die Linearisierung in der Zuordnung der Frequenz zum Messwert wird nun erfindungsgemäss mittels einer Gegenkopplung erzwungen, deren Wirkungsweise nachfolgend erläutert wird.
Dem Generator 2 ist in einem Gegenkopplungsweg ein nach dem Kondensator-Umladeverfahren ar- beitenderFrequenzmesser 3 nachgeschalter; dieser gibt an seinen Ausgang einen der Frequenz streng proportional zugeordneten Gleichstrom ab, der seinerseits eine Gegenkopplungsspannung am Eingangswider-
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Gieichspannungsverstärkers l hervorruft. Die Messgrossesteuern, somit gemeinsam über den Verstärker 1 den LC-Generator 2. Wählt man den Verstärkungsfaktor desGleichspannungsverstärkers hinreichend gross, so entsteht praktisch völlige Linearität in der Zuordnung der Frequenz zum Messwert. Die Ausgangsspannung der Gebereinrichtung wirkt bei4 auf eine Fernleitung.
Die genauen Verhältnisse sollen auf mathematischem Wege noch etwas näher erläutert werden.
Für eine Verstärkeranordnung mit Gegenkopplung lässt sich der Verstärkungsfaktor bekanntlich wie folgt angeben :
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Hiebei ist V* = Verstärkungsfaktor mit Gegenkopplung, V = Verstärkungsfaktor ohne Gegenkopplung, K = Gegenkopplungsfaktor.
Weiter lässt sich der Einfluss von Änderungen des Verstärkungsfaktors V auf den Verstärkungsfaktor V aus einer Anordnung mit Gegenkopplung berechnen :
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Gleichung (1) besagt, dass sich der Verstärkungsfaktor V'mit wachsendem V dem konstanten Wert 1 nä- hert ; Gleichung (2) besagt, dass die produzertuale Änderung des Verstärkungsfaktors V'bei einer Anordnung mit Gegenkopplung mit wachsendem Verstärkungsfaktor V gegen Null geht.
Die durch dieGleichung (l) wiedergegebeneEigenschaft eines Verstärkers mit Gegenkopplungwirdbei der dargestellten Anordnung nutzbringend zur Linearisierung der Frequenzcharakteristik verwendet. Man erhält für den Verstärkungsfaktor V' der Anordnung mit Gegenkopplung :
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= Koppelwiderstände,Frequenzmessers = konstant, C = Umladekondensator desselben.
DerwirksameVerstärkungsfaktorV der Anordnung ohne Gegenkopplung kann mit Hilfe des zwischengeschalteten Gleichspannungsverstaikers hinreichend gross bemessen werden, so dass gilt ;
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Damit wird aber :
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oder integri. ert :
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Das heisst : Es besteht mit V s l tatsächlich hinreichend lineare Zuordnung, unabhängig von der Frequenzcharakteristik des Generators, wenn diese nur monoton und stetig verläuft.
Ferner folgt aus Gleichung (2) mit V'= 1, days Veränderungen von V des Gleichspannungsverstärkers sowie Veränderungen der Frequenzcharakteristik des Generators, verursacht durch Alterung, Temperaturschwankungen oder infolge Hysteresis des verwendeten vormagnetisierten Übertragerkerns, in die Messung nicht eingehen. Die Genauigkeit der linearen Messgrössenumformung in eine Frequenz ist im wesentlichen nur gegeben durch die Konstanz der Speisespannung U des Frequenzmessers und dessen Kondensators C.
Unter Ausnutzung dieses Umstandes kann daher erfindungsgemäss derGeneratorZ, der zur Vermeidung vonstörenden Oberwellenbevorzugt alsGegentaktoszillator ausgebildet ist, mit Transistoren bestückt wer- den. Ebenso können als elektronischeSchalterfUrdenAufbaudernachdemKondensator-Umladeverfahren arbeitendenFrequenzmessanordnung drei Transistoren verwendet werden. Schliesslich ist in vorteilhafter Weise als veränderliche Induktivität im Schwingkreis des Generators 2 ein vormagnetisierbarer Übertrager mit nichtlinearer Induktivitätsänderung verwendbar. Trotz der allen diesen einfachen Bauelementen anhaftenden Nichtlinearitäten und bzw. oder Instabilitäten wird durch die erfindungsgemäss angewendete Gegenkopplung eine lineare und genaue Amplituden-Frequenz-Umsetzung erzielt.
Zur Unterdrückung derSchwingneigung bei hoher Verstärkung können in an sich bekannterweise im Zuge des Verstärkers phasendrehende Schaltglieder vorgesehen werden.
PATENTANSPRÜCHE :
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fürMessgrössen, die alsGleichstrom vorliegen, wobei der die Messgrösse darstellende Gleichstrom mittels eines in seiner Frequenz kontinuierlich steuerbaren Generators in eine Wechselstromfrequenz umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem in seiner Frequenz steuerbaren Wechselstromgenerator (2) ein elektronisch gegengekoppelter Gleichstromverstärker (1) vorgeschaltet Ist, dessen Verstärkungsfaktor ohne Gegenkopplung wesentlich grösser als 1 ist, und dass indem zwischen dem Ausgang des Wechselstromgene- rators (2) und dem Eingang dieses Verstärkers (1) verlaufenden Gagenkopplungsweg ein die Wechselstromfrequenz des Generators in einen proportionalen Gleichstrom verwandelnder, z.
B. nach dem bekannten Kondensator-Umladeverfahren arbeitender Frequenzumsetzer (3) angeordnet ist, dessen Ausgangsstrom dem die Messgrösse darstellenden Gleichstrom im Eingang des Gleichstromverstärkers (1) elektronisch gegengekoppelt ist.
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sistoren bestückter Gegentaktoszillator ist.