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Schaltung für die Frequenzmessung
Zur Frequenzmessung sind unter anderem Anordnungen bekannt, bei denen ein Kondensator durch Stromimpulse, die der zu messenden Frequenz proportional sind, geladen und entladen wird. An einem dem Kondensator nachgeschalteten Gleichrichter und Drehspulmesswerk kann die Frequenz direkt angezeigt werden. Zur Verstärkung der Wechselspannung, deren Frequenz gemessen werden soll, sowie zur Erzeugung der der Frequenz proportionalen Stromimpulse sind Schaltungen mit Röhren oder Transistoren bekannt. Den angeführten Schaltungen sind jedoch wesentliche Nachteile eigen. Die die Frequenz bestimmenden Stromimpulse sind bei manchen Schaltungen von der Kurvenform der zu messenden Frequenz abhängig. Die Unabhängigkeit der Anzeige von der Kurvenform wird durch Einschaltung spannungsbegrenzender Elemente, wie Glimmlampen od. dgl., erzielt.
In vielen Fällen macht sich noch die Temporaturabhängigkeit der Schaltung unangenehm bemerkbar. Temperaturänderungen der Schaltelemente, die durch Änderungen der Umgebungstemperatur auftreten oder durch die Eigenerwärmung der Schaltelemente entstehen, führen oft zu einer verfälschten Frequenzanzeige. Auch Schaltungsanordnungen mit Glimmlampen sind dem Einfluss der Temperatur, vorwiegend der Umgebungstemperatur, ausgesetzt und zeigen ebenfalls die vorher beschriebenen Nachteile.
Die Erfindung betrifft eine Schaltung, die einen der Frequenz einer Wechselspannung (Wechselstrom) proportionalen Strom mittels mindestens eines an der Wechselspannung liegenden Kondensators im Zusammenwirken mit einem spannungsbegrenzenden Element erzeugt, wobei dem Kondensator über Gleichrichter ein Messinstrument nachgeschaltet ist.
Die erfindungsgemässe Schaltung ist sowohl unabhängig von der Kurvenform als auch von Temperaturschwankungen.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Messinstrument vorzugsweise mit einer zusätzlichen Kompensationswicklung an eine durch ein spannungsbegrenzendes Element gleicher Art spannungsstabilisierte Hilfsspannungsquelle angeschlossen ist, die einen Kompensationsstrom liefert, der einer bestimmten, vorgegebenen Frequenz (50 Hz) entspricht.
Die Temperaturabhängigkeit der erfindungsgemässen Schaltung ergibt sich daraus, dass sowohl die Schaltung zur Darstellung des Messwertes als auch die Schaltung zur Erzeugung der Hilfsspannung in gleicher Weise temperaturkompensiert sind, da gleichartige spannungsbegrenzende Elemente verwendet werden. Hiedurch ist es sogar möglich, spannungsbegrenzende Elemente mit einem wesentlich schlechteren Temperaturgang als Glimmlampen zu verwenden.
Vorzugsweise werden dazu zwei in bezug auf ihre Durchlassrichtung entgegengesetzt geschaltete Zenerdioden verwendet.
Die Vorzüge der Halbleiterbauelemente, wie Kleinheit der Bauteile, geringe Betriebsspannung usw., werden somit in der erfindungsgemässen Schaltung wirksam.
Das erfindungsgemässe Grundprinzip zur Frequenzmessung mittels Zenerdioden als spannungsbegrenzendes Element ist in den Fig. 1 und 2 dargestellt :
In Serie zu einem Widerstand Kollegen zwei in bezug auf ihre Durchlassrichtung entgegen geschaltete Zenerdioden. Der differentielle Widerstand der Zenerdioden muss klein sein gegenüber dem Widerstand R. Wird nun an die Klemmen 1 - 2 eine sinusförmige Wechselspannung gelegt, so hat der Spannungsabfall an den Zenerdioden Trapezform (Fig. 2).
Die Spannung Uz, ist die Zenerspannung der Ze-
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nerdiode Zul ; die Spannung Uz ist die Zenerspannung der Zenerdiode Zg. Parallel zu den beiden Zenerdioden liegt ein Kondensator C. dessen kapazitiver Widerstand gross ist gegenüber dem Durchgangswiderstand der Zenerdioden.
Die von dem Kondensator bei seiner Ladung aufgenommene Elektrizitätsmenge Q beträgt.
C. (Uz 1 + Uza) = Q.
Diese Elektrizitätsmenge kann auch aus dem Produkt des arithmetischen Mittelwertes J des Ladestromes über eine Halbperiode und der Dauer einer Halbperiode t dargestellt werden.
Q = J. t.
Daraus ergibt sich
EMI2.1
Im allgemeinen ist
EMI2.2
Der arithmetische Mittelwert J des Messstromes ist also unabhängig von der Grösse und Kurvenform der Spannung UI'Er ist nur abhängig von der Frequenz f. Wenn UZI und Uzvon der Temperatur unab- hängig sind, ist J auch unabhängig von der Temperatur. Diese Bedingung ist zu erfüllen, da es Zenerdioden mit geringem Temperaturkoeffizienten gibt.
Man muss nicht unbedingt, wie in Fig. 1 gezeichnet, zwei Zenerdioden mit entgegengesetzter Polarität hintereinanderschalten. Die Entladung von C ist auch bei Verwendung einer Zenerdiode gesichert, da die Zenerdioden einen im Vergleich zur Zenerspannung niederen Spannungsabfall hervorrufen, wenn sie in Durchlassrichtung betrieben werden. Diese Schaltung hat aber gegenüber der Schaltung mit zwei Zenerdioden den Nachteil. dass nur eine Halbwelle des Wechselstromes für die Erzeugung von J ausgenutzt wird.
Wird der Strom J gleichgerichtet (um den arithmetischen Mittelwert zu erhalten), so kann die Schaltung in Verbindung mit einem Drehspulinstrument zur Frequenzmessung benutzt werden. Statt des Dreh- spulinstrumentes kann auch ein Schreiber oder ein entsprechend empfindliches Relais eingesetzt werden.
Der gleichgerichtete Strom J kann auch auf beliebige Art und Weise mittels eines Gleichstrommessverstärkers verstärkt werden und kann dann für Steuer-, Regel-und Registrierzwecke benutzt werden. Ebenso ist es möglich, den Wechselstrom J durch einen Wechselstrommessverstärker zu verstärken und die Gleichrichtung erst am Ausgang des Verstärkers zu besorgen.
Manchmal wird nicht die Erfassung der Frequenz von Null an gefordert, sondern es soll die Schwankung der Frequenz um einen Mittelwert möglichst genau erfasst werden.
Als Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt Fig. 3 eine Schaltung für einen Frequenzmesser, der z. B. so dimensioniert werden kann, dass sein Messbereich 45 - 55 Hz beträgt ; bei 50 Hz würde also im Anzeigeinstrument der Zeiger in der Mitte der Skala stehen.
Die Schaltung besteht im wesentlichen aus den bereits bekannten Schaltelementen R, Z., Z, und C.
Der Lade- und Entladestrom i des Kondensators C wird in Vollwegschaltung Gl gleichgerichtet und der
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Wicklung W des Rähmchens im Drehspulinstrument D zugeführt. Das Anzeigeinstrument hat seinen mechanischen Nullpunkt in der Mitte seiner Skala. Die Skalenmarke für die Mittelfrequenz stimmt also mit dem mechanischen Nullpunkt überein. Bei der Mittelfrequenz muss daher das im Rähmchen durch den Strom il hervorgerufene Drehmoment durch ein zweites Drehmoment aufgehoben werden, das durch einen Strom i2 in der Wicklung Wj des Rähmchens hervorgerufen wird.
(Bei den in Fig. 3 gewählten Stromrichtungen müssen die Wicklungen Wu und W gegensinnig gewickelt sein.) Der über Ruz und W2 fliessende Strom ia wird aus einer Konstanthalteeinrichtung mit einer Zenerdiode Zg und einem Glättkondensator Cg gewonnen, die ebenfalls wie Rl, Z Z mit R ; ;, Gl an die Klemmen 1 - 2 angeschlossen sind. Bei ausreichender Glättung durch Cg ist durch die Wirkung der Zenerdiode Zg der Strom i : unabhängig von der Grösse und der Kurvenform der an die Klemmen 1 - 2 angelegten Wechselspannung.
Wie bereits erklärt wurde, ist auch der Strom 11 unabhängig von Spannungsschwankungen und Kurvenformänderungen ; d. h. der Ausschlag des Anzeigeinstrumentes D ist ebenfalls unabhängig von den genannten Störeinflüssen. Das Problem der Temperaturabhängigkeit der Zenerdioden ist hier einfach gelöst. Eine Änderung der Zenerspannung von Z und Z2 bewirkt eine Änderung des Stromes il. Der Einfluss dieser Stromänderung wird kompensiert, da sich der Kompensationsstrom 12 in gleichem Masse wie i ändert. sofern die Zenerdiode
Zs die gleiche Temperaturabhängigkeit besitzt wie die Zenerdioden Zl und Zz.
Die Schaltung nach Fig. 4 ermöglicht die Verwendung eines Anzeigeinstrumentes D mit einer Rähmchenwicklung. Es muss dabei eine galvanische Trennung des Kreises des frequenzabhängigen Stromes und des Kompensationsstromkreises erfolgen. In der Schaltung nach Fig. 4 wurde dazu ein Transformator mit zwei Sekundärwicklungen verwendet. Es kann aber auch ein Kreis direkt an die Primärspannung angeschlossen werden und der andere durch einen Isoliertransformator vom ersten galvanisch getrennt werden.
Der Widerstand R3 soll verhindern, dass ein Teil des Stromes i2 über den Gleichrichter G11 abfliesst.
Im übrigen verhält sich die Schaltung nach Fig. 4 wie die Schaltung nach Fig. 3.
Der Kompensationsstrom i2 der Schaltungen 3 und 4 muss nicht unbedingt aus einer Konstanthalteeinrichtung mit Zenerdioden gewonnen werden. Es kann irgend eine andere Gleichstromquelle mit konstanter Spannung verwendet werden. Der Strom ia muss nicht unbedingt konstant sein. Bei Steuer- und Regeleinrichtungen kann es notwendig werden, den Strom i2 von irgend einer Variablen abhängig zu machen.
Die Grundschaltung nach Fig. 1 kann auch bei entsprechender Anordnung zur Frequenzdifferenzmessung verwendet werden.
Die beiden galvanischen getrennten Wechselspannungen (sind sie nicht galvanisch getrennt, so müssen sie durch einen Isoliertransformator getrennt werden) mit den Frequenzen fl bzw. fa werden, wie in Fig. 5 gezeichnet, an die beiden frequenzabhängigen Kreise, die der Grundschaltung entsprechen, angeschlossen. Der Strom i (er ist hier frequenzabhängig) fliesst wie in Fig. 4 in entgegengesetzter Richtung wie i1 durch das Drehspulinstrument D.
Die Schaltung wird so ausgelegt, dass sich die Ströme il und i2 aufheben, wenn die Frequenzen fl und f gleich sind. Haben die Zenerdioden Z, Z , Zg und Z4. gleiche Temperaturkoeffizienten, tritt kein Temperaturfehler auf.
In der Beschreibung der Fig. 3 - 5 wurden Drehspulinstrumente für die Frequenzanzeige erwähnt. Es können natürlich auch andere Instrumententypen oder Schreiber verwendet werden. An Stelle von Anzeigeinstrumenten können auch Relais oder Gleichstrommessverstärker in den Stromkreis geschaltet werden, wodurch die Schaltungen für Steuer\ Regel- und Registrierzwecke geeignet werder.
Für gewisse Spezialzwecke kann es auch zweckmässig sein, die Schaltungen nicht an Spannung, sondern in einen Stromkreis zu schalten (z. B. Sendefrequenzmessung). Man kann bei so einer Anordnung
EMI3.1
entfallen können. Der Transformator in Fig. 4 müsste bei einer derartigen Anwendung durch einen Stromwandler mit drei Wicklungen ersetzt werden. Der Widerstand Rl kann in der Grundschaltung nach Fig. 1 deshalb entfallen, da seine Aufgabe, einen eingeprägten Strom zu erzeugen, durch einen äusseren Belastungswiderstand vorweggenommen wird.
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