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Trägerfrequenzgerät zur Messung nichtelektrischer Antriebsgrössen
Der Erfindungsgegenstand betrifft eine Verbesserung elektrischer Geräte nach dem Trägerfrequenz- verfahren zur Messung nichtelektrischer Antriebsgrössen auf Grundlage der Methode der halben Resonanz- kurve.
Schon seit Beginn der Entwicklung elektrischer Messverfahren zur Messung nichtelektrischer Antriebs- grössen nahmen Trägerfrequenzverfahren eine wichtige Stellung ein. Die einfachsten Verfahren beruhten darin, dass durch die nichtelektrische Antriebsgrösse die elektrischen Werte eines Kondensators oder einer
Spule, welche in einem Resonanzkreis oder einer Brückenschaltung eingeschaltet sind, verändert wer- den.
In Fig. l ist ein einfaches, aber sehr empfindliches Trägerfrequenzverfahren schematisch dargestellt.
Die Messeinrichtung besteht aus einem Trägerfrequenzgenerator l. einem Resonanzkreis 8, bestehend aus einer Spule 3 und einem Kondensator 4, und einem Indikator 5. Parallel zum Abstimmkondensator 4 des Resonanzkreises 8 wird über ein Kabel 7 mit der Kapazität Ck der Geberkondensator 6 geschaltet, dessen Kapazität Cx eine lineare Funktion der zu messenden nichtelektrischen Antriebsgrösse ist. Der Resonanzkreis 8 wird mittels eines Abstimmkondensators 4 mit einer Kapazität Cl so abgestimmt, dass seine Resonanzfrequenz sich dem Wert der Trägerfrequenz nähert. Der Trägerfrequenzgenerator 1 wird mittels der Spule 2 an den Resonanzkreis 8 angekoppelt. Der Indikator 5, z. B. ein hochohmiges Röhrenvoltmeter, wird dem Resonanzkreis 8 parallelgeschaltet.
Die Spannung u2 am Resonanzkreis 8 ändert sich bei einer Änderung der Gesamtkapazität des Kreises, welche die Summe der Teilkapazitäten Ck. Cx und Cl ist. entsprechend dem Verlauf der Resonanzkurve. Mittels des Abstimmkondensators 4 wird der Resonanzkreis so abgestimmt, dass die an ihm auftretende Spannung u2 einem Wert, welcher sich innerhalb des linearen Teiles der rechten oder linken Flanke der Resonanzkurve befindet, entspricht, wie es aus Fig. 2 zu ersehen ist. In der Fig. 2 bedeutet : C (res) .......... Resonanzwert der Kapazität C C .......... Wert der Kapazität C unterhalb des
Resonanzwertes C,.......... Wert der Kapazität C oberhalb des Resonanzwertes.
Die Kapazitätswerte C (I) und C(2) werden so gewählt, dass die entsprechenden Arbeitspunkte sich innerhalb der linearen Teile der Resonanzkurve befinden. Wird z. B. C = C (l) gewählt. entspricht die Spannung am Resonanzkreis dem Wert u,/j\. Ändert sich die Kapazität C im Bereich A C, ändert sich die Spannung u2 im Bereich A u :.
Die durch Einwirkung der zu messenden nichtelektrischen Antriebsgrösse verursachte Kapazitätsänderung des Geberkondensators (6) drückt sich somit als eine entsprechende Änderung der Spannung uz aus, welche durch ein geeignetes Messgerät (Elektronenröhrenvoltmeter oder Oszillograf) angezeigt wird. Diese eben beschriebene Methode ist in der Messtechnik als sogenanntes Verfahren der halben Resonanzkurve oder Resonanzmethode bekannt.
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Der Resonanzkreis kann ebenfalls durch eine Änderung der Induktivität der Spule 3 verstimmt werden, was durch einen geeigneten induktiven Geber erreicht werden kann.
Ein Nachteil der Resonanzmethode ist der sehr unangenehme Einfluss der Kapazität Ck des Kabels 7, welches den Geber mit der eigentlichen Messapparatur verbindet. Jede Änderung der Kabelkapazität Ck ruft dasselbe Ergebnis hervor, wie eine Änderung der Geberkapazität Cx und kann von dieser nicht unterschieden werden. Eine Änderung der Kabelkapazität Ck kann bei Verwendung eines und desselben Kabels durch Änderung seiner Temperatur oder beim Biegen desselben verursacht werden. Bei Verwendung eines andern Kabels muss der Resonanzkreis neu abgestimmt werden. Ferner übt die Kapazität Ck einen Einfluss auf die Empfindlichkeit des Messgerätes aus.
Bei einer Änderung der Geberkapazität Cx um den Wert AC, ändet sich die Gesamtkapazität des Resonanzkreises um den Wert
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und die relative Änderung der Gesamtkapazität wird
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Die Empfindlichkeit des Messgerätes wird somit um den Wert
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herabgesetzt.
Es wurde viel Mühe aufgewandt, diese Schwäche des kapazitiven Messverfahrens zu überwinden, denn vom mechanischen Standpunkt aus betrachtet, weisen kapazitive Geber eine Reihe wichtiger Vorteile auf.
Ihre Konstruktion ist verhältnismässig einfach, die beweglichen Massen klein und eine Kompensation des
Temperatureinflusses auf die Kapazität desGeberkondensators ebenfalls verhältnismässig einfach realisierbar. Damit ist die Möglichkeit gegeben, Geber zur Aufnahme sehr schnell verlaufender Vorgänge zu kon- struieren. Während einer nahezu fünfzigjährigen Entwicklungszeit entstand eine grosse Anzahl verschiedener Schaltungen und Verfahren, welche zweckmässigerweise in drei Kategorien eingeordnet werden können (s. Tab. 1).
1 Die Kapazität des Verbindungs-Ein Belag des Geber- kabels ist der Kapazität des kondensators ist mit
Geberkondensators zuzuzählen der Masse des Gebers galvanisch verbunden.
2 Jeder Beleg des Geberkondensators Beide Beläge des wird über ein besonderes Kabel an Geberkondensators den Indikator angeschlossen sind gegen die Masse zu isolieren.
3 Der Geberkondensator wird über Ein Belag des Geber- einen Impedanzwandler an den kondensators ist
Indikator angeschlossen mit der Masse des
Gebers galvanisch verbunden.
Tab. 1 Klassifizierung der kapazitiven Messverfahren.
Die Systeme der zweiten Gruppe bedeuteten einen erheblichen Fortschritt und erlaubten die Nachteile der ersten Gruppe beträchtlich zu vermindern. Allerdings ist die Konstruktion der Geber wesentlich unvorteilhafter, da beide Beläge des Geberkondensators gegen den Geberkörper zu isolieren sind, wodurch das eigentliche Messglied schwerer und somit die Eigenfrequenz des Gebers niedriger wird. Das bedeutet gegenüber den Gebern der ersten und dritten Gruppe einen erheblichen Nachteil.
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Die Systeme der dritten Gruppe können auf verschiedene Art und Weise durchgebildet werden. Ein bekannter Druckindikator arbeitet mit Gebern, in denen eine Brückenschaltung nebst Anpassungstransfor- matoren eingebaut ist. Der Geber wird mittels eines vieradrigen Kabels an den Indikator angeschlossen.
In der letzten Zeit traten besonders Geräte mit Frequenzmodulation in den Vordergrund. Der eigentliche
Geberkondensator wiro mittels eines kurzen, gepanzerten Kabels mit einer sogenannten Sonde verbunden, welche eine Elektronenröhrenanordnung enthält. Die Sonde wird dann über ein weiteres, gegen äussere
Einflüsse nicht mehr empfindliches Kabel an den Indikator angeschlossen.
Die vorliegende Erfindung geht im wesentlichen von bekannten Systemen der dritten Gruppe aus, beseitigt jedoch die bei allen Systemen auftretenden Schwierigkeiten durch eine neuartige Resonanz- methode sehr einfacher Konzeption in Hinblick auf die Einfachheit der elektrischen Anordnung und Be- triebssicherheit. Die dem Ertindungsgegenstand entsprechende Verbesserung beruht darin, dass alle den
Resonanzkreis bildende Bauelemente in den Geberkörper eingebaut sind und dieser über eine niederohmige
Kabelleitung als Belastungswiderstand an den Trägerfrequenzgenerator angeschlossen wird. Der Begriff "niederohmige Kabelleitung"soll ausdrücken. dass sowohllmpedanz als auch Isolationswiderstand niedrige
Werte, beispielsweise um 1000 - 10 000 SO aufweisen können.
Somit kann die Kabelleitung eine beträcht- liche Kapazität aufweisen und ferner entfallen jegliche höhere Ansprüche bezüglich ihrer Qualität.
Die Erfindung betrifft demgemäss ein Trägerfrequenzgerät zur Messung nichtelektrischer Antriebsgrössen nach der Methode der halben Resonanzkurve, dessen System zur Umformung der nichtelektrischen Antriebsgrösse in eine entsprechende elektrische, aus einem oder mehreren Spulen besteht, wobei die elektrischen Werte so gewählt sind, dass die genannten Bauelemente für die Trägerfrequenz einen Resonanzkreis bilden, der durch die auf ein oder mehrere der genannten Bauelemente einwirkende nichtelektrische Antriebsgrösse verstimmbar ist.
Erfindungsgemäss wird ein solches Gerät derart ausgebildet, dass der Eingangswiderstand des im Geberkörper eingebauten Vierpoles einen Wert von 10000 Dicht überschreitet und mittels einer Leitung, deren Kapazität bis zu 0, 1 li F betragen und deren Isolationswider- stand einen Wert von 10000 Q unterschreiten kann, an den Trägerfrequenzgenerator angeschlossen ist und somit dessen Arbeitswiderstand bildet, welcher eine lineare Funktion der auf den Geber einwirkenden nichtelektrischen Antriebsgrösse ist, welche entweder auf den Kondensator oder die Spulen des in den Geber eingebauten Resonanzkreises einwirkt.
Der Innenwiderstand des genannten Trägerfrequenzgenerators muss mindestens um eine Grössenordnung höher oder kleiner sein, als die Eingangsimpedanz des Gebers, je nachdem zur Anzeige der nichtelektrischen Antriebsgrösse die Klemmenspannung oder der im Geberkreis fliessende Strom herangezogen wird. Die erfindungsgemässe Schaltung ermöglicht sowohl kapazitive als auch induktive Geberverfahren, wobei jedoch in allen Fällen der Einfluss des Kabels ausgeschaltet werden kann. Als Kabel kann eine einfache, geschirmte Litze, fallweise auch ein ungeschirmtes Zweileiterkabel beträchtlicher Länge (bis zu mehreren hundert Metern) Verwendung finden.
Kapazitätsänderungen während des Betriebes in der Grössenordnung einiger 102 pF haben auf die Messung keinerlei Einfluss.
Die technische Durchbildung des Erfindungsgegenstandes wird an den Beispielen in Fig. 3 - 6 aufgezeigt. Das Prinzip ist aus Fig. 3 ersichtlich. In den Geberkörper 11 sind ein Kondensator 12 und eine Spule 13 eingebaut. Entsprechend der Art des Gebers beeinflusst die zu messende nichtelektrische Antriebsgrösse entweder die Kapazität des Kondensators 12 oder die Induktivität der Spule 13. Das Verbindungskabel 14 wird an eine Anzapfung der Spule 13 angeschlossen, wodurch eine Anpassung des Resonanzkreises an den niederohmigen Eingang des Indikators 15 erreicht wird. Der niederohmige Verbindungskanal zwischen dem eigentlichen Geber und dem Indikator charakterisiert das neue Verfahren, denn eine grosse Kapazität des Verbindungskabels und somit auch eine beträchtliche Länge ist zulässig (bis zu einigen zehntausend pF bzw. einigen hundert Metern).
Ebenso wirken sich schlechte Betriebsbedingungen, welche den Isolationswiderstand des Kabels herabzusetzen vermögen, nicht störend aus. Es muss kein koaxiales Qualitätskabel Verwendung finden, sondern es genügt eine einfache abgeschirmte Litze, fallweise sogar ein nichtgeschirmtes, zweiadriges Kabel. Befindet sich während der Messung das Kabel in Bewegung, üben eventuelle Kapazitätsänderungen bis zu einigen Hundert pF ebenfalls keinen Einfluss auf die Messung aus. Die Eingangsimpedanz Rl des Gebers, welche mindestens um eine Grössenordnung niedriger als die Impedanz des Kabels 14 sein soll, bildet den Belastungswiderstand des Trägerfrequenzgenerators 16.
Es ist grundsätzlich möglich nach zwei verschiedenen Prinzipien zu arbeiten :
1. Der Wert Ri des Innenwiderstandes 17 des Trägerfrequenzgenerators 16 ist grösser als die Eingangs-
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gang des Trägerfrequenzgenerators 16 mittels eines geeigneten Messinstrumentes 18, z. B. einem Röhren- voltmeter, gemessen. Es gilt angenähert
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2. Der Wert, deslnnenwiderstandes 17 des Trägertrequenzgenerators 16 ist kleiner als die Eingangsimpedanz R 1 des Gebers. d. h. Rt < < Rl. In diesem Fall wird zweckmässigerweise der in den Geber fliessen- de Strom i i gemessen, wie in der Fig. 3 durch das Messinstrument 19 angedeutet wird. Es gilt annähernd
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Der Resonanzkreis wird so abgestimmt, dass sich seine Resonanzfrequenz dem Wert der Trägerfre- quenz nähert.
Da die Impedanz Rlebenfalls dem Verlauf der Resonanzkurve bei Verstimmung des Krei- ses folgt, wird bei geeigneter Einstellung der Wert der Spannung ul bzw. des Stromes il einem Wert ent- sprechen, welcher sich innerhalb des linearen Teiles der rechten oder linken Flanke der Resonanzkurve befindet - s. Fig. 2.
(Der entsprechende Wert wird in der Fig. 2 als Arbeitspunkt 10 gekennzeichnet.)
Wird durch Einwirkung der zu messenden nichtelektrischen Antriebsgrösse der Resonanzkreis verstimmt, folgt der Arbeitspunkt der Form der Resonanzkurve, d. h. die Impedanz R1 ändert sich in einem gewissen Bereich als eine lineare Funktion der zu messenden Grösse und verursacht somit eine entsprechende Ände- rung der Spannung ul bzw. des Stromes i1. Die Verstimmung des Resonanzkreises wird entweder durch Beeinflussung des Geberkondensators oder der Spule erreicht, je nachdem ob ein kapazitiver oder induktiver Geber Verwendung findet.
In Fig. 4 ist das Schema eines Messgerätes für eine Trägerfrequenz von 20 kHz, welches mit einem Generator mit hohem Innenwiderstand arbeitet, dargestellt. Der Generator besteht aus einem elektronischen Oszillator üblicher Art 20 und einer Verstärkerstufe. Als Verstärkerröhre findet eine steile Endpentode 22 mit hohem Innenwiderstand Verwendung, in deren Anodenkreis eine Drossel 23 hoher Impedanz geschaltet ist. Die Impedanz der Drossel 23 muss mindestens um eine Grössenordnung höher sein, als die Eingangsimpedanz Rl des Gebers 11, welcher über das Kabel 14 und den Kondensator 24 der Drossel 23 parallelgeschaltet ist und somit den Arbeitswiderstand der Röhre 22 darstellt. Es findet hier ein kapazitiver Geber Verwendung, also die zu messende nichtelektrische Antriebsgrösse wirkt auf die Kapazität des Kondensators 12 ein.
Das Kabel 14 wird an eine Anzapfung der in den Geber eingebauten Spule 13 angeschaltet. Die bei Verstimmung des Resonanzkreises 12, 13 eintretende Änderung der Impedanz Rl äussert sich somit als Änderung des Arbeitswiderstandes der Röhre 22. Unter der Voraussetzung, dass der Resonanzkreis 12,13 zweckentsprechend abgestimmt ist, ist die Spannung U1 im Anodenkreis der Röhre 22 eine lineare Funktion der Kapazität des Kondensators 12 und somit ebenfalls der auf den Geber einwirkenden nichtelektrischen Antriebsgrösse. Die Spannung u1 wird mit einem Röhrenvoltmeter 25 gemessen. Das Signal U1 wird nach Verstärkung über einen Transformator 26 dem Gleichrichter 27 zugeführt.
Die Spannung UI am Kondensator 28 wird durch die, dem Spannungsteiler 29,30, 31 entnommene Spannung Ug kompensiert. Die so gewonnene Steuerspannung ur = u-Us wird durch Steuerung eines Kathodenfolgeverstärkers 34, 35 benutzt. Ferner wird sie über die Filterkette 44, 45, 46, 47 zu den Klemmen 48 geführt, an welche ein Kathodenstrahloszillograf angeschlossen werden kann. Mittels der Spannung Ug wird der Ruhewert der Spannung us kompensiert, so dass die Steuerspannung ur nur die Änderungen der Spannung u ausdrückt. Die Elektronenröhren 34 und 36 bilden zusammen mit den Widerständen 35 und 37 eine Brückenschaltung, in deren Diagonale ein Zeigerinstrument 38 und eine Oszillografenschleife 39 eingeschaltet sind.
Die Schleife 39 kann, um ihre Beschädigung zu verhüten, während des Einregelns des Gerätes durch den Schalter 40 kurzgeschlossen werden. Das Potentiometer 42 im Spannungsteiler 41, 42. 43 dient zur Einstellung des Arbeitspunktes der Röhre 36. Der Arbeitspunkt der Röhre 34 kann mit dem Potentiometer 30 im Spannungsteiler 29, 30, 31 also durch die Kompensationsspannung us eingestellt werden. Mittels des Potentiometers 33 kann die Verstärkung der Röhre 32 eingestellt und somit die Empfindlichkeit der Messanordnung geregelt werden. Die Spannung u 1 kann mit dem Potentiometer 49 im Oszil- lator 20 geregelt werden.
Fig. 5 zeigt eine Ausführung des Messverfahrens, welche sich besonders für niedrige Trägerfrequenzen (bis zirka 500 Hz) eignet und mit einem Trägerfrequenzgenerator mit kleinem Innenwiderstand ar-
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beitet. Hiebei wird die Trägerfrequenz von 100 Hz durchFrequenzverdopplW1g direkt aus der Netzfrequenz gewonnen. An die Niederspannungswicklung des Transformators 50 istübereinenGrätzgleichrichter 51 ein wei- terer Transformator 52 angeschaltet, an dessen Sekundärseite eine Spannung mit einer Frequenz von 100 Hz ab- genommen werden kann. Der Kondensator 53 dient zur Unterdrückung der Harmonischen der frequenzverdop-
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mit eingebauter Spule 13.
Die Leitung 14 wird, genau wie im vorhergehenden Fall, an eine Anzapfung der
Spule 13 angeschaltet. Andert sich nun unter dem Einfluss der zu messenden nichtelektrischen Grosse die
Eingangsimpedanz R des Gebers, tritt ebenfalls eine entsprechende Änderung des Stromes i 1 ein. Die richtige Abstimmung des Resonanzkreises 12,13 kann durch das Instrument 54, ein Wechselsrrommilliamperemeter, kontrolliert werden. Die Änderungen des Stromes il werden mit dem Drehspulinstru- ment 55, welches über einen Grätzgleichrichter 56 in den Stromkreis eingeschaltet wird, gemessen. Der
Kondensator 37 glättet die gleichgerichtete Spannung am Gratzgieichnchter.
Dem Wechsel-Ruhestrom il entspricht der Ruhestrom il1'Dieser wird durch den Strom il2 kompensiert, der mittels des veränderlichen
Widerstandes 63 geregelt werden kann. Das Instrument 55 zeigt dann nur die Änderungen des Stromes il an. Der Kompensationsstrom wird der Spannungsquelle 62 entnommen, welche aus den Bauelementen 58,
59,60, 61 besteht.
In den Beispielen nach Fig. 4 und 5 sowie in dem allgemeinen Schema nach Fig. 3 ist das Verbin- dungskabel zwischen Geber und Indikator an eine Anzapfung der in den Geber eingebauten Spule ange- schlossen. Es handelt sich hiebei um eine ImpedanzwandlW1g mittels Autotransformators. In Fig. 6 ist eine Impedanzwandlung mit einer Reihen- 65 und Parallelinduktivität 64 dargestellt, welche zu den glei- chen Ergebnissen führt.
Die nichtelektrische Grösse kann nun entweder auf den Kondensator 12'die Spule 64 oder auf die
Spule 65 einwirken, welche in den Geberkörper 11'eingebaut sind und es ergibt sich somit entweder eine kapazitive oder eine induktive Gebereinheit.
Die Vorteile der Erfindung sind folgende :
1. Die Verbindungsleitung zwischen Geber und Indikator kann eine beträchtliche Kapazität und so- mit auch Länge aufweisen (bis zu einigen zehntausend pF bzw. einigen hundert Metern) und Kapazitäts- änderungen bis zu einigen hundert pF während des Betriebes haben auf das Messergebnis keinen Einfluss.
Es muss kein hochwertiges, koaxiales Kabel verwendet werden, es genugt eine einfache, abgeschirmte
Litze, fallweise sogar ein unabgeschirmtes, zweiadriges Kabel. Ungünstige Betriebsbedingungen, welche einen schädlichen Einfluss auf die Isolation der Leitung haben, spielen keine Rolle, da der Verbindungs- kanal Geber-Indikator niederohmig ist.
2. Die Kapazität des Geberkondensators kann klein (20 - 100 pF) und ein Belag mit der Masse des
Gebers galvanisch verbunden sein. Es können somit Geber hoher Eigenfrequenz konstruiert werden.
3. Die elektronische Apparatur kann ohne Änderung ebenfalls für entsprechende induktive Geber Ver- wendung finden. Man kann also durch entsprechende Gestaltung der Geber die Apparatur sehr vielseitig verwenden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Trägerfrequenzgerät zur Messung nichtelektrischer Antriebsgrössen nach der Methode der halben
Resonanzkurve, dessen System zur Umformung der nichtelektrischen Antriebsgrösse in eine entsprechende elektrische, aus einem Kondensator und einer oder mehreren Spulen besteht, wobei die elektrischen Wer- te so gewählt sind, dass die genannten Bauelemente für die Trägerfrequenz einen Resonanzkreis bilden, der durch die auf ein oder mehrere der genannten Bauelemente einwirkende nichtelektrische Antriebs- grosse verstimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangswiderstand des im Geberkörper einge- bauten Vierpoles einen Wert von 1000 Q nicht überschreitet und mittels einer Leitung, deren Kapazität
EMI5.2
FTrägerfrequenzgenerator angeschlossen ist und somit dessen Arbeitswiderstand bildet,
welcher eine lineare Funktion der auf den Geber einwirkenden nichtelektrischen Antriebsgrösse ist, welche entweder auf den Kondensator oder die Spulen des in den Geber eingebauten Resonanzkreises einwirkt.