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Frequenzmessgerät zur direkten Anzeige von niedrigen und sehr niedrigen Schwingungszahlen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Frequenzmessgerät zur direkten Anzeige von niedrigenund sehr niedrigen Schwingungszahlen.
Zur Messung von Schwingungszahlen sind derzeit eine ganze Reihe von Verfahren und Einrichtungen bekannt, wie z. B. das oszillographische Messverfahren, das Resonanzverfahren, Zungenfrequenzmesser
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ben sind. Bei dem in der genannten Patentschrift beschriebenen Gerät wird ein Messkondensator über einen verhältnismässig geringen Widerstand auf das Maximum der Spannung der Quelle aufgeladen. Hiebei muss die Ladedauer gegenüber der Dauer einer Schwingung bedeutend kürzer sein. Die Entladung des Kondensators erfolgt über eine Elektronenröhre, die durch Rechteckimpulse, die aus der Spannung der gemessenen Frequenz abgeleitet werden, gesteuert wird.
Das Mass der Frequenz ist dann der durch den Kondensator fliessende Strom, welcher durch die folgende Gleichung bestimmt ist :
I = E. C. w, worin I den durch das Messinstrument fliessenden Strom, C die Kapazität des Kondensators und w die zu messende Frequenz bedeutet. Überdies werden in der Elektrotechnik, insbesondere in der Starkstromtechnik, auch mit einem Resonanzstromkreis arbeitende Frequenzmesser verwendet.
Eine Schaltung für die Messung der Intervalle zwischen zwei Impulsen in periodischer Reihenfolge ist z. B. aus der Patentschrift der D. D. R. Nr. 14715 bekannt geworden. Die Einrichtung nach dieser Patentschrift benützt einen Kondensator, der auf den Maximalspannungswert der Quelle aufgeladen wird und dem ein Widerstand parallel geschaltet ist, wobei die Parallelschaltung durch den ersten Impuls von der Quelle abgetrennt und durch den zweiten Impuls an den mit dem elektronischen Voltmeter gekuppelten Sammelkondensator angeschaltet wird.
Die oben angeführten Frequenzmessgeräte können Schwingungen über 10 Hz messen. Das Messen lang - samerer Schwingungen ist meist ungenau, wenn nicht unmöglich, weil der Zeiger des Messinstrumentes sodann den einzelnen Schwingungen folgt. Diese Nachteile beseitigt das erfindungsgemässe Frequenzmessgerät. Es ermöglicht Frequenzmessungen im Bereiche von etwa 10-2 bis 104 Hz zu messen. Gemäss der Erfindung wird ein direkt anzeigendes oder registrierendes elektronisches Voltmeter mit hoher Eingangsimpedanz benutzt, welcnes an einen die Maximalwerte der Spannung des Messintegrationsstromkreises feststellenden Sammelkondensator angeschlossen ist, der zur Ladungsübertragung mit dem Messkondensator verbunden ist.
Das Wesen der Erfindung beruht darin, dass der Messkondensator einerseits dauernd über einen Widerstand aufgeladen wird, wobei die Zeitkonstante (C. R) grössenordnungsmässig einer Periode der zu messenden Frequenz entspricht und anderseits periodisch mittels einer Einrichtung entladen wird, wobei die Entladungsdauer gegenüber einer Periode der zu messenden Frequenz sehr kurz ist. Die Entladungseinrichtung besteht entweder aus einem mit einem mechanisch betätigten Schalter gesteuerten Relais oder einem von einem Kippstromkreis gesteuerten Thyratron. Der Messkondensator ist über eine Schaltdiode an den mit dem elektronischen Voltmeter gekoppelten Sammelkondensator angeschlossen.
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Das Wesen der Erfindung wird nachstehend an Hand einiger typischer Ausführungsbeispiele erläutert, die in den Zeichnungen schematisch dargestellt sind.
Fig. 1 zeigt ein Schaltbild des erfindungsgemässen Frequenzmessgerätes, bei dem die Entladung eines Integrationskreises mittels eines ein Relais betätigenden mechanischen Schalters erfolgt. Fig. 2 veranschau- licht in rechtwinkeligen Koordinaten den Spannungsverlauf am Integrationskreis. Fig. 3 zeigt eine alternative Anordnung zur Betätigung des Schaltrelais mit elektrischen Mitteln, welche Anordnung insbesondere zur Messung elektrischer Schwingungen geeignet ist. Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführung des erfindungsgemässen Frequenzmessgerätes, bei welcher der Integrationskreis mittels eines Thyratrons entladen wird.
Aus der Quelle 1 einer Gleichspannung, die durch eine über einen Reduktionswiderstand 2 gespeiste Entladungsröhre 3 stabilisiert wird, wird ein Kondensator 5 über einen Ladewiderstand 4 geladen, welch letzterer zusammen mit dem Kondensator 5 einen Integrationskreis bildet. Der Spannungsverlauf am Kondensator 5 in Abhängigkeit von der Ladezeit t ist in Fig. 2 veranschaulicht, wo auf der Abszisse die Ladezeit t und auf der Ordinate der Spannungswert am Kondensator 5 aufgetragen sind. Der Spannungsverlauf in Abhängigkeit von der Zeit t ist durch eine Exponentialkurve gegeben, die sich dem Wert der Grösse der Spannung E am Stabilisator asymptotisch nähert.
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tels eines von der gemessenen Schwingungszahl abgeleiteten Impulses die Kontakte 6a, 6b geschlossen und der Kondensator 5 entladen.
Der Kondensator 5 beginnt sich von neuem zu laden und wird wiederum nach Ablauf einer Zeit t1. die durch die Periode der weiteren Schwingung gegeben ist, kurzgeschlossen. Die Zeit tl stellt daher den reziproken Wert der gemessenen Frequenz dar.
Der ganze Zyklus wiederholt sich periodisch, solange sich die gemessene Schwingungszahl nicht ändert. Der Höchstwert der am Kondensator 5 erzielten Spannung E1 ist das Mass der verfolgten Frequenz und wird durch eine Schaltdiode 7 (die durch eine Elektronenröhre oder durch einen Halbleiter gebildet wird) auf einen Kondensator 8 übertragen, dessen Wert in der Regel kleiner als der Wert des Kondensators sein wird. Der Kondensator 8 wird nach dem Durchlaufen mehrerer Zyklen auf den Wert der der gemessenen Schwingungszahl entsprechenden Höchstspannung E, aufgeladen. Nach dem Schliessen der Kontakte 6a, 6b behält der Kondensator 8 seine Ladung bei, denn seine Entladung verhindert die Sperrstrecke der Diode 7. Die Spannung am Kondensator 8 wird dann mittels eines elektronischen Voltmessers 9 mit genügend hohem Eingangswiderstand gemessen.
An das elektronische Voltmeter ist als Frequenzanzeiger ein Zeigergerät 10 oder ein Registrier-Millivoltmeter mit einer direkt in Zyklen per Sekunde (Hz) oder fall-
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Skala kann unter Berücksichtigung der Restspannung am Kondensator 5 berechnet werden.
Der Messbereich des erfindungsgemässen Messgerätes richtet sich nach der Grösse der Zeitkonstante des Integrationskreises 4,5, die durch das Produkt C. R = tk gegeben ist. Je niedriger die Schwingungszahl, die gemessen werden soll, ist, desto grösser muss die Zeitkonstante gewählt werden. Das Umschalten der Messbereiche erfolgt meistens durch Veränderung der Werte der Kondensatoren 5 und 8. Der Wert des Kondensator 8 wird so gross gewählt, dass der Zeiger des Apparates auch bei der niedrigsten gemessenen Schwingungszahl in Ruhe bleibt, d. h. die Zeitkonstante C. R muss etwa 10 - 30 mal grösser als die Dauer der Periode der niedrigsten Schwingung sein.
Der Ableitungswiderstand des elektronischen Voltmeters, der mit der Bezugsziffer 24 bezeichnet ist, soll in der Grössenordnung von 100 bis 1000 Megohm liegen.
Die Entladung des Integrations-Kohdensators 5 kann, je nach der Art der Messung, auf verschiedene Weise durchgeführt werden. In Fig. 1 ist ein Verfahren zur Entladung des Kondensators mittels des Relais 6 mit den Kontakten 6a und 6b dargestellt. Das Relais 6 wird durch Impulse aus der Quelle 11 betätigt. Der durch eine Nocke (bei der Messung von Umlaufzahlen) oder durch einen Kontakt (bei der Messung von grösseren Vibrationen) fallweise auch in einer andern Weise betätigte Schalter 12 erregt das Relais 6 in der zu messenden Frequenz. Bei der Messung elektrischer Schwingungen können zur Entladung des Kondensators 5 auch andere Verfahren verwendet werden, z. B. mit einer Vorrichtung genuss Fig. 3 oder mittels eines Thyratrons gemäss Fig. 4.
Fig. 3 veranschaulicht eine Vorrichtung zur Umwandlung des sinusförmigen Verlaufes der Spannung der zu messenden Schwingungszahl in Rechteckimpulse zur Betätigung des Relais 6. Den Eingangsklemmen 13 und 13a wird die Sinusspannung 19 zugeführt, deren Schwingungszahl gemessen werden soll. In dem durch den Kippstromkreis bekannter Schaltung gebildeten Stromkreis 14 ändert sich der beliebig si-
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nusförmige Verlauf in einen rechteckigen Verlauf 20 mit leicht schrägen Seiten. Durch ein Differenzierglied, bestehend aus dem Kondensator 15 und dem Widerstand 16, wird die verzerrte Schwingung in die Form 21 umgeformt und einem monostabilen Multivibrator 17 zugeführt, welcher eine Spannung in Gestalt von rechteckigen Impulsen 22 mit konstanter, von der Schwingungszahl unabhängiger Breite liefert.
Von den Klemmen 18 und 18a werden die Impulse des monostabilen Multivibrators unmittelbar der Wicklung des Entladungsrelais 6 zugeleitet, wif dies in Fig. l angedeutet ist. Selbstverständlich entfallen dann die Quelle 11 und der Schalter 12.
Zur Entladung des Kondensators 5 kan. auch ein Thyratron 23 in einer Schaltung gemäss Fig. 4 verwendet werden. Die Vorrichtung ist derjenigen gemäss Fig. l ähnlich, nur mit dem Unterschied, dass an den Kondensator 5 anstatt der Kontakte 6a, 6b des Relais ein Thyratron 23 angeschlossen ist, das durch die von dem sinusförmigen Spannungsverlauf der zu messenden Schwingungszahl abgeleiteten Impulse zum Ansprechen gebracht wird. Die sinusförmige Spannung 19, deren Frequenz zu messen ist, muss in ähnlicher Weise wie bei der Schaltung gemäss Fig. 3 zuerst in einem Kippstromkreis 14 in eine rechteckige Spannungsform 20 umgewandelt werden, die nach Umformung in dem Differenzierglied 15 und 16 in Impulse 21 umgewandelt wird. Die positive Spitze des Impulses 21 bringt dann das Thyratron zum Ansprechen.
Die negative Spitze braucht nicht beseitigt zu werden, denn sie kann infolge der Kennlinie des Thyratrons nicht zur Wirkung kommen und auch keinen Einfluss auf die Messgenauigkeit ausüben. Das Eingangssignal an den Klemmen 13 und 13a kann in diesem Falle einen beliebigen Verlauf aufweisen.
Zwecks rascher Rückstellung des Ausschlages des Zeigers des Messgerätes 10auf Null kann die Vorrichtung mit einem manuell betätigbaren Schalter 25 versehen sein, über welchen nach durchgeführter Messung die Ladung des Kondensators 8 des elektronischen Voltmeters abgeleitet wird.
Das erfindungsgemässe Frequenzmessgerät für niedrige und sehr niedrige Schwingungszahlen findet bei Messungen in der Elektrotechnik, Elektronik, im Maschinenbau, beim Messen von Umlaufzahlen, Schwingungen, Vibrationen u. dgl. sowie in der Medizin (z. B. bei der Kardiotachometrie) vielfach Verwendung. In Verbindung mit einem bekannten Sperrschwinger und einer geeignet geeichten Skala kann die besagte Vorrichtung zum Messen von hohen Widerständen, wie z. B. von Isolationswiderständen od. dgl., oder in Verbindung mit einem direkt anzeigenden Feuchtigkeitsmesser verwendet werden.
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Frequency meter for direct display of low and very low vibration levels
The invention relates to a frequency meter for the direct display of low and very low numbers of vibrations.
To measure the number of vibrations, a number of methods and devices are currently known, such. B. the oscillographic measuring method, the resonance method, reed frequency meter
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ben are. In the device described in the patent mentioned, a measuring capacitor is charged to the maximum of the voltage of the source via a relatively low resistance. The charging time must be significantly shorter than the duration of an oscillation. The capacitor is discharged via an electron tube that is controlled by square-wave pulses derived from the voltage of the measured frequency.
The measure of the frequency is then the current flowing through the capacitor, which is determined by the following equation:
I = E.C. w, where I is the current flowing through the measuring instrument, C is the capacitance of the capacitor and w is the frequency to be measured. In addition, in electrical engineering, especially in heavy current engineering, frequency meters that work with a resonant circuit are also used.
A circuit for measuring the intervals between two pulses in periodic order is e.g. B. from the patent of D. D. R. No. 14715 become known. The device according to this patent specification uses a capacitor which is charged to the maximum voltage value of the source and to which a resistor is connected in parallel, the parallel circuit being disconnected from the source by the first pulse and connected to the collecting capacitor coupled to the electronic voltmeter by the second pulse becomes.
The frequency meters listed above can measure vibrations above 10 Hz. Measuring slower vibrations is usually imprecise, if not impossible, because the pointer of the measuring instrument then follows the individual vibrations. The frequency measuring device according to the invention eliminates these disadvantages. It enables frequency measurements in the range of about 10-2 to 104 Hz. According to the invention, a directly displaying or registering electronic voltmeter with high input impedance is used, which is connected to a collective capacitor which determines the maximum values of the voltage of the measurement integration circuit and which is connected to the measurement capacitor for charge transfer.
The essence of the invention is based on the fact that the measuring capacitor on the one hand is continuously charged via a resistor, the time constant (C. R) being of the order of magnitude of a period of the frequency to be measured and, on the other hand, being discharged periodically by means of a device, the discharge duration being compared to a period of frequency to be measured is very short. The discharge device consists either of a relay controlled by a mechanically operated switch or a thyratron controlled by a breakover circuit. The measuring capacitor is connected to the collective capacitor coupled to the electronic voltmeter via a switching diode.
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The essence of the invention is explained below with the aid of some typical exemplary embodiments which are shown schematically in the drawings.
1 shows a circuit diagram of the frequency measuring device according to the invention, in which the discharge of an integration circuit takes place by means of a mechanical switch actuating a relay. FIG. 2 illustrates the voltage profile on the integration circuit in right-angled coordinates. Fig. 3 shows an alternative arrangement for actuating the switching relay by electrical means, which arrangement is particularly suitable for measuring electrical vibrations. 4 shows an alternative embodiment of the frequency measuring device according to the invention, in which the integration circuit is discharged by means of a thyratron.
From the source 1 of a direct voltage, which is stabilized by a discharge tube 3 fed via a reduction resistor 2, a capacitor 5 is charged via a charging resistor 4, the latter forming an integration circuit together with the capacitor 5. The voltage profile at the capacitor 5 as a function of the charging time t is illustrated in FIG. 2, where the charging time t is plotted on the abscissa and the voltage value at the capacitor 5 is plotted on the ordinate. The voltage curve as a function of time t is given by an exponential curve which asymptotically approaches the value of the magnitude of the voltage E at the stabilizer.
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by means of a pulse derived from the measured number of oscillations, the contacts 6a, 6b are closed and the capacitor 5 is discharged.
The capacitor 5 begins to charge again and is again after a time t1. which is given by the period of the further oscillation, short-circuited. The time tl therefore represents the reciprocal value of the measured frequency.
The entire cycle is repeated periodically as long as the measured number of vibrations does not change. The maximum value of the voltage E1 achieved on the capacitor 5 is the measure of the tracked frequency and is transmitted through a switching diode 7 (which is formed by an electron tube or a semiconductor) to a capacitor 8, the value of which is usually smaller than the value of the capacitor will be. The capacitor 8 is charged after several cycles to the value of the maximum voltage E corresponding to the measured number of oscillations. After the contacts 6a, 6b are closed, the capacitor 8 retains its charge because its discharge prevents the blocking path of the diode 7. The voltage on the capacitor 8 is then measured by means of an electronic voltmeter 9 with a sufficiently high input resistance.
As a frequency indicator, a pointer device 10 or a recording millivoltmeter with a directly in cycles per second (Hz) or fall-
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Scale can be calculated taking into account the residual voltage on capacitor 5.
The measuring range of the measuring device according to the invention is based on the size of the time constant of the integration circuit 4, 5, which is given by the product C. R = tk. The lower the number of vibrations to be measured, the greater the time constant that must be selected. The switching of the measuring ranges is mostly done by changing the values of the capacitors 5 and 8. The value of the capacitor 8 is chosen so large that the pointer of the apparatus remains at rest even with the lowest measured number of oscillations, i.e. H. the time constant C. R must be about 10 - 30 times greater than the duration of the period of the lowest oscillation.
The leakage resistance of the electronic voltmeter, which is designated by the reference number 24, should be in the order of magnitude of 100 to 1000 megohms.
The discharge of the integration capacitor 5 can be carried out in different ways, depending on the type of measurement. In Fig. 1, a method for discharging the capacitor by means of the relay 6 is shown with the contacts 6a and 6b. The relay 6 is actuated by pulses from the source 11. The switch 12 actuated by a cam (when measuring the number of revolutions) or by a contact (when measuring larger vibrations) occasionally also in a different way excites the relay 6 at the frequency to be measured. When measuring electrical vibrations, other methods can also be used to discharge the capacitor 5, e.g. B. with a device according to FIG. 3 or by means of a thyratron according to FIG. 4.
3 illustrates a device for converting the sinusoidal curve of the voltage of the number of oscillations to be measured into square-wave pulses for actuating the relay 6. The input terminals 13 and 13a are supplied with the sinusoidal voltage 19, the number of oscillations to be measured. In the circuit 14 formed by the breakover circuit known, the arbitrary si-
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nut-shaped course into a rectangular course 20 with slightly sloping sides. The distorted oscillation is converted into shape 21 by a differentiator consisting of capacitor 15 and resistor 16 and fed to a monostable multivibrator 17, which supplies a voltage in the form of rectangular pulses 22 with a constant width that is independent of the number of oscillations.
The pulses of the monostable multivibrator are fed directly to the winding of the discharge relay 6 from the terminals 18 and 18a, as is indicated in FIG. Of course, the source 11 and the switch 12 are then omitted.
A thyratron 23 in a circuit according to FIG. 4 can also be used to discharge the capacitor 5. The device is similar to that according to FIG. 1, with the only difference that a thyratron 23 is connected to the capacitor 5 instead of the contacts 6a, 6b of the relay, which is triggered by the pulses derived from the sinusoidal voltage curve of the number of oscillations to be measured becomes. The sinusoidal voltage 19, the frequency of which is to be measured, must first be converted in a breakover circuit 14 into a rectangular voltage form 20 in a manner similar to the circuit according to FIG. 3, which is converted into pulses 21 after conversion in the differentiating element 15 and 16 . The positive peak of the pulse 21 then makes the thyratron respond.
The negative peak does not need to be eliminated, because it cannot have any effect due to the characteristic of the thyratron and also has no influence on the measurement accuracy. The input signal at terminals 13 and 13a can in this case have any course.
For the purpose of quickly resetting the deflection of the pointer of the measuring device 10 to zero, the device can be provided with a manually operated switch 25, via which the charge of the capacitor 8 of the electronic voltmeter is discharged after the measurement has been carried out.
The frequency measuring device according to the invention for low and very low numbers of vibrations is used in measurements in electrical engineering, electronics, in mechanical engineering, when measuring numbers of revolutions, oscillations, vibrations and the like. Like. As well as in medicine (z. B. in cardiotachometry) widely used. In connection with a known blocking oscillator and a suitably calibrated scale, said device can be used for measuring high resistances, such as e.g. B. of insulation resistors. The like., Or used in conjunction with a directly indicating moisture meter.