<Desc/Clms Page number 1>
Frequenzmessumformer
Viele bekannte Frequenzmessumfbrmer, deren Ausgangsgrösse dem Absolutwert der zu messenden Fre- quenz (oder Drehzahl) proportional ist, beruhen auf dem Prinzip, dass eine von der zu messenden Frequenz abhängige und eine von der zu messenden Frequenz unabhängige elektrische Grösse (Strom) miteinander verglichen werden. Die Differenz der zu vergleichenden Grössen bildet dann ein Mass für den Absolut- wert der Frequenz (oder Drehzahl).
Frequenzmessumformer zur Verwendung in der Regelungstechnik müssen in der Lage sein, ein Aus- gangssignal zu bilden, das der Frequenzabweichung von einem vorgegebenen Sollwert nach Grösse und
Richtung proportional ist.
Viele bekannte Messumformer machen von dem oben erwähnten Prinzip Gebrauch. Die Differenz der zu vergleichenden Grössen bildet ein Mass für die Frequenzabweichung nach Grösse und Richtung. Bei sol- chen Frequenzmessumformern wird zur Bildung der von der Frequenz abhängigen elektrischen Grö- sse (Strom) häufig ein Resonanzkreis verwendet. Dabei ist der Sollfrequenz der Resonanzfrequenz des Re- sonanzkreises zugeordnet. Zur vorzeichenrichtigen Bildung des Ausgangssignals dieser Frequenzmessum- former muss ein zusätzliches Kriterium, beispielsweise die Phasenlage der frequenzabhängigen elektrischen Grösse, zur Messung herangezogen werden.
Diese Frequenzmessumformer haben den Nachteil, dass die Amplitude der frequenzabhängigen Mess- grosse nicht symmetrisch zur Sollfrequenz liegt, d. h. bei gleich grossen positiven und negativen Abweichungen der zu messenden Frequenz gegenüber der Sollfrequenz ergeben sich verschieden grosse Absolutwerte der frequenzabhängigen elektrischen Grösse (Strom). Ferner ändert sich deren Phasenlage mit der Grösse der Frequenzabweichung. Hieraus ergibt sich nur ein geringer linearer Bereich der Ausgangsgrösse über der Frequenz. Ein derartiges Verhalten eines Messumformers eignet sich für Regelungszwecke nur schlecht, da ein nichtlineares Verhalten des Messumformers eine Veränderung der Regel Verstärkung bedeutet. Insbesondere ist ein solches Verhalten störend, wenn z.
B. bei der Drehzahlregelung einer Antriebsmaschine für Generatoren eine bleibende Regelabweichung (entsprechend einer Dauerstatik) gefordert wird, da in diesem Fall die Istfrequenz ständig ausserhalb der Soll-bzw. der Resonanzfrequenz liegen kann. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Anordnung ist darin zu sehen, dass die Ausgangsgrösse in hohem Masse von der Speisespannung abhängig ist.
Der neue Frequenzmessumformer beseitigt weitgehend die vorgenannten Nachteile unter Beibehaltung der prinzipiellen Vorteile, die bei Verwendung von Resonanzkreisen geboten werden (Dämpfung der Oberwellen). Die Lösung besteht darin, dass eine Tiefpassschaltung, deren Resonanzfrequenz unterhalb, und eine Hochpassschaltung, deren Resonanzfrequenz oberhalb einer Sollfrequenz liegt, an eine die zu messenden Frequenzen führende Spannung angeschlossen sind und dass deren Ausgangsklemmen mittelbar oder unmittelbar im Sinne einer Differenzbildung ihrer Ausgangsspannungen verbunden sind, wobei die sich ergebende Differenzspannung ein Mass für die Abweichung der gemessenen Frequenz vom Sollwert ist.
Zur Differenzbildung kann an die Ausgangsklemmen des Tief- und Hochpasses zunächst je eine Gleichrichteranordnung angeschlossen werden, deren Ausgänge ihrerseits über ein Widerstandsnetzwerk zur Differenzbildung miteinander verbunden sind. Zur näheren Erläuterung wird auf die Zeichnung verwiesen, es zeigt Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des neuen Messwertumformers, Fig. 2 ein Diagramm des
<Desc/Clms Page number 2>
Spannungsverlaufes von Hoch- und Tiefpassschaltung und die Differenzspannung aus den beiden genannten Spannungen.
An die Leiter R und S, zwischen denen eine Spannung anliegt, die die zu messende Frequenz führt, sind die Eingangsklemmen 1 und 2 der Hochpassschaltung 3 und die Eingangsklemmen eines Isoliertransformators 4 angeschlossen. Die Sekundärwicklung des Isoliertransformators 4 ist mit den Eingangsklemmen 5,6 einer Tiefpassschaltung 7 verbunden. Die Tiefpassschaltung 7 besteht aus der Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes 8, einer Induktivität 9 und einer Kapazität 10. Die Klemmen der Kapazität 10 sind gleichzeitig die Ausgangsklemmen der Tiefpassschaltung 7. Die Hochpassschaltung 3 besteht aus der Reihenschaltung einer Kapazität 11, eines ohmschen Widerstandes 12 und einer Induktivität 13. Die Ausgangsklemmen derR-L Kombination bilden zugleich die Ausgangsklemmen der Hochpassschaltung.
An die Ausgangsklemmen der Tiefpassschaltung ist eine Gleichrichteranordnung 14, an die der Hochpassschaltung eine Gleichrichteranordnung 15 angeschlossen. Parallel zu den Ausgängen der Gleichrichteranordnungen 14 und 15 ist jeweils ein Ladekondensator 16 und 17 gelegt. Die Ausgangsklemmen der Gleichrichteranordnung sind über einen Widerstand 18, der mit einem Mittelabgriff versehen ist, in Reihenschaltung verbunden. Der Mittelabgriff des Widerstandes 18 ist über einen Widerstand 19, der z. B. auch durch die Steuerwicklung eines Magnetverstärkers gebildet werden kann, mit der gemeinsamen Verbindungsklemme der beiden Gleichrichter 14 und 15 verbunden.
Die Wirkungsweise der Schaltung wird an Hand der Fig. 2 näher erläutert. In Fig. 2 ist auf der senkrechten Achse die Spannung und auf der waagrechten Achse die Frequenz aufgetragen. Die Kurve 20 zeigt den Verlauf der Ausgangsspannung des Tiefpasses 7 und die Kurve 21 den Verlauf der Ausgangsspannung des Hochpasses 3 in Abhängigkeit von der Frequenz.
Die Kurve 22 stellt den Differenzwert aus den Kurven 20 und 21 dar. Mit fK ist der Sollfrequenzwert,
EMI2.1
der Hochpass sind so bemessen, dass sich ihre Ausgangsspannungen bei Sollfrequenz zu Null ergänzen. Bei Abweichungen der zu messenden Frequenz unterhalb der Sollfrequenz fK überwiegt die Ausgangsspannung
EMI2.2
Differenzbildung der Ausgangsspannungen die unterschiedliche Phasenlage derselben nicht störend auswirken kann. Durch die Reihenschaltung der beiden Gleichrichter über den Widerstand 18 ist der im Widerstand 19 fliessende Strom nach Grösse und Richtung ein Mass für die Abweichung der zu messenden Frequenz von der Sollfrequenz fK.
Um weitgehend oberwellenfreie Ausgangsspannungen an den Gleichrichtern 14 und 15 zu erhalten, können je nach der geforderten Oberwellenfreiheit neben den Ladekondensatoren 16 und 17 noch weitere Siebmittel vorgesehen werden.
Die Vorteile des neuen Frequenzmessumformers beruhen darauf, dass der Sollfrequenz fK nicht mehr eine Resonanzfrequenz fi zugeordnet ist. Vielmehr liegt der Arbeitspunkt bei Sollfrequenz auf den Flanken beider Resonanzkurve. Dadurch wird gegenüber bisher bekannten Schaltungen eine erhöhte Lineartät erreicht. Zusätzlich werden geringe Linearitätsabweichungen der Einzelspannungen von der Frequenz durch die Differenzbildung beseitigt, nach dem bekannten Gegentakt-Prinzip. Ferner brauchen zur vorzeichenrichtigen Bildung der Ausgangsgrösse des Frequenzmessumformers keine zusätzlichen Kriterien, wie z. B. die Erfassung der Phasenlage, herangezogen zu werden. Die Vorzeichenumkehr wird allein durch das Überwiegen der Ausgangsspannung des einen oder andern Passes bewirkt.
Die Steilheit der Ausgangsgrösse eines Passes ist von der Resonanzschärfe des betreffenden Passes abhängig. Bei optimaler Zuordnung ist die Steilheit der Ausgangsgrösse des Messumformers doppelt so gross als die Steilheit der Ausgangsgrösse eines Passes. Dadurch können einmal sehr hohe Empfindlichkeiten erzielt werden. anderseits ist es möglich, zur Erzielung vorgeschriebener Empfindlichkeiten weniger hochwertige Bauelemente für die einzelnen Pässe einzusetzen und auf diese Weise eine grössere Wirtschaftlichkeit zu erzielen.
Dadurch, dass der Resonanzkreis, dessen Resonanzfrequenz oberhalb der Sollfrequenz liegt, als Hochpass ausgeführt ist, wird erreicht, dass die Ausgangsgrösse des Frequenzmessumformers auch bei grossen Frequenzabweichungen oberhalb der Sollfrequenz nicht Null wird.
Die Differenzbildung kann in dem schon beschriebenen Widerstandsnetzwerk erfolgen, es können aber auch die Ausgänge derGleichrichteranordnung an je eineSteuerwicklung eines nachgeschalteten Magnet- verstärkers gelegt werden. so dass eine magnetische Differenzbildung stattfindet. Ferner kann die Differenzbildung durch Gegeneinanderschaltung der Ausgangsspannungen erfolgen.
<Desc/Clms Page number 3>
Der Einfluss der Eingangsspannung auf die Ausgangsgrösse ist gering, weil eine Erhöhung der Aus- gangsspannung in gleichem Masse auch eine Erhöhung der Ausgangsspannungen von Hoch-und Tiefpass bewirkt. Durch die Differenzbildung fällt der Einfluss der Spannungssteigerung weitgehend heraus. Der Einfluss einer Spannungssteigerung ist umso geringer, je näher die Resonanzfrequenz des Hoch-und Tiefpasses zusammenliegen. Die in der Eingangsspannung enthaltenen Oberwellen wirken sich auf die Aus- gangsgrbsse nur gering aus, da bereits die dritte Oberwelle stark gedämpft wird. Der Einfluss von Temperaturänderungen auf das Messergebnis kann gering gehalten werden, wenn der in den Resonanzkreisen enthaltene ohmsche Dämpfungswiderstand gross gegenüber dem Kupferwiderstand der Induktivität ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Frequenzmessumformer mit Resonanzkreisschaltungen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Tiefpassschaltung (7), deren Resonanzfrequenz unterhalb, und eine Hochpassschaltung (3), deren Resonanzfrequenz oberhalb einer Sollfrequenz liegt, an eine die zu messenden Frequenzen führende Spannung angeschlossen sind und dass deren Ausgangsklemmen mittelbar oder unmittelbar im Sinne einer Differenzbildung ihrer Ausgangsspannungen verbunden sind, wobei die sich ergebende Differenzspannung ein Mass für die Abweichung der gemessenen Frequenz vom Sollwert ist.