Ekktrischer Zeigerfrequenzmesser
Es sind elektrische Zeigerfrequenzmesser bekannt, bei denen der Quotient zweier Ströme, die von zwei Strompfaden mit verschiedenem Frequenzgang beeinflusst werden, angezeigt wird. Dabei liegt beispielsweise in einem dieser Strompfade eine Drosselspule als frequenzabhängiger Widerstand, während in den anderen Strompfad ein Serienschwingkreis geschaltet ist, dessen Resonanzfrequenz über der höchsten mit dem Gerät messbaren Frequenz liegt.
Derartige Geräte mit einem Quotientenmesswerk als Anzeigeorgan sind verhältnismässig teuer, da zur genauen Anzeige eine bestimmte, nicht unterschreitbare Leistung erforderlich ist, die ihrerseits bedingt, dass die den Messwerkwicklungen vorgeschalteten fre quenzabhänbigen Glieder, wie Induktivitäten, Kapazitäten oder auch ein Eingangswandler entsprechend stark dimensioniert werden müssen. Auch ist die Justierung des Quotientenmesswerks relativ kompliziert, so dass jedes Gerät individuell geeicht werden muss und keine vorgedruckten Skalen verwendet werden können.
Diese Nachteile werden durch den elektrischen Zeigerfrequenzmesser gemäss der Erfindung vermieden. Er ist schaltungsmässig so aufgebaut, dass als Anzeigegrösse die Differenz zweier gleichgerichteter Ströme verwendet wird, die über zwei Strompfade mit entgegengesetztem Frequenzgang an einem Wandler abgenommen werden, dem primärseitig eine Kapazität parallel liegt und eine Induktivität vorgeschaltet ist.
Auf Grund dieser erfindungsgemässen Schaltung lässt sich ein einfaches Drehspulmesswerk als Anzeigeorgan verwenden; die diesem vorgeschalteten Bauelemente können dabei bedeutend schwächer dimensioniert werden als bei einem Quotientenmesswerk, da ein Drehspulmesswerk eine geringere Leistungsauf nabme besitzt.
Da die Messgrösse als eine reine Gleichspannung auftritt, ist die elektrische Justierung und auch die änderung des Messbereiches ausserordentlich einfach und beschränkt sich auf eine reine Widerstandseinstellung, wie weiter unten noch näher erläutert werden wird. Damit ist aber auch die Möglichkeit gegeben, vorgedruckte Skalen verwenden zu können.
Letztendlich ermöglicht dieser neue Zeigerfre- quenzmesser einen sehr weiten Spannungsbereich und eine sehr gute Unterdrückung der Netzoberwellen.
Die Schaltung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemässen Zeitfrequenzmessers ist in Fig. 1 dargestellt.
Die ihrer Frequenz nach zu messende Spannung wird an die Eingangsklemmen 1 und 2 oder 1 und 3 des Wandlers 4 gelegt, dem primärseitig die Kapazität 5 parallel liegt und die Drossel 6 vorgeschaltet ist.
An die Sekundärwicklungen 7 und 8 des Wandlers sind die Stromkreise I und II angeschlossen. Der Stromkreis I besteht aus der Drossel 9, dem Vollweg gleichrichter 10 und dem Widerstand 11, während der Stromkreis II von der Induktivität 12, dem Kondensator 13, dem Vollweggleichrichter 14 und dem justierbaren Widerstand 15 gebildet wird. tber den Widerständen 11 und 15 liegt in Serie mit einem weiteren Justierwiderstand 16 das Drehspulmesswerk 17.
Die Induktivität 12 und der Kondensator 13 im Stromkreis II bilden einen Reihenresonanzkreis, dessen Resonanzfrequenz oberhalb der höchsten mit dem Gerät messbaren Frequenz liegt, beispielsweise bei einem Frequenzhauptwert von 50 Hz bei etwa 65 Hz.
Daraus folgt, dass der Strom im Kreis I, gemäss der Charakteristik der Drossel, mit steigender Frequenz abnimmt, dagegen im Kreis II zunimmt. Die Differenz dieser beiden Ströme erzeugt an den Widerständen 11 und 15 eine Gleichspannung, die von dem Messwerk 17 angezeigt wird. Auf weitere Einzelheiten dieses Anzeigekreises wird später noch eingegangen werden.
Der Wandler 4 dient zusammen mit dem seiner Primärwicklung parallel geschalteten Kondensator 5 und der vorgeschalteten Drossel 6 zur Spannungsstabilisierung über einen weiten Bereich, beispielsweise von 120 bis 300 V bei Anschluss an Klemme 2 der Drossel 6. Die Klemme 3 dient zur Anpassung des Gerätes an einen höheren Spannungsbereich, z. B. von 300 bis 500 V.
Werden drei verschiedene Spannungen, beispielsweise 120, 220 und 300 V, nacheinander an die Eingangsklemmen 1 und 2 gelegt, so ergeben sich folgende Verhältnisse:
An der unteren Spannungsgrenze (120 V) ist der Gesamtwiderstand des von der Primärwicklung und dem Kondensator 5 gebildeten Parallelkreises kapazitiv. Dieser kapazitive Widerstand tritt mit der spannungsabhängigen Induktivität 6 in Serienresonanz und bewirkt eine momentan hohe Stromaufnahme. Letztere erzeugt am Parallelkreis eine hohe Spannung, die ihrerseits wiederum den Wandler 4 zur Sättigung bringt. Mit steigender Spannung geht der Widerstand des Parallelkreises von der kapazitiven Seite zur induktiven über, so dass die Eingangsschaltung an der oberen Spannungsgrenze (300 V) einem induktiven Spannungsteiler entspricht.
Die gezeigte Eingangsschaltung dient gleichzeitig zur Unterdrückung der netzseitigen Oberwellen. Dies erfolgt auf drei verschiedene Arten. Erstens werden die Harmonischen durch die Seriendrossel 6 unterdrückt, die für die Oberwellen einen höheren Widerstand als für die Grundwelle besitzt. Zweitens werden die Oberwellen durch den geringeren Widerstand des Kondensators 5 an der Primärwicklung nahezu kurzgeschlossen und drittens wirkt der Wandler 4 durch seine starke Sättigung selbst als Netzoberwellensperre.
Durch das Zusammenwirken dieser drei Funktionsarten wird die eingangs erwähnte gute Oberwellenunterdrückung erzielt, die insbesondere auch die erste Harmonische wirksam miterfasst.
Bei der beschriebenen Messanordnung ergibt sich am Messausgang eine von der Frequenz abhängige nichtlineare Differenzspannung, die den Vorteil bietet, dass die am Ableseinstrument angebrachte Skala nach den niederen Frequenzen hin etwas zusammengedrängt ist, so dass in der praktischen Ausführung des Instrumentes der Hauptmesswert 50 Hz in der Mitte liegt und die untere Grenze des Messbereiches noch genügend sichtbaren Abstand vom mechanischen Nullpunkt des Gerätes hat. Da die an den Widerständen 11 und 15 entstehende Differenzspannung auch noch vom Verhältnis dieser beiden Widerstände zueinander abhängt, lässt sich der elektrische Nullpunkt durch Veränderung des einstellbaren Widerstandes 15 jeder beliebigen Frequenz innerhalb des Messbereiches des Frequenzmessers zuordnen.
Dieser wird im erläuterten Gerät auf den Bereichsanfang gelegt und fällt mit dem mechanischen Nullpunkt des Anzeigeinstrumentes zusammen. Wird weiterhin der Frequenzhauptwert, beispielsweise 50 Hz, in die Skalenmitte gelegt, so ergibt sich das in Fig. 2 gezeigte Skalenbild. Es wird somit in sehr erwünschter Weise erreicht, dass der Zeiger bei Spannungsausfall analog zu anderen Instrumenten den Wert Null anzeigt.
Der Widerstand 16 dient zum Einstellen des Instrumentenvollausschlages auf die höchste Frequenz des Messbereiches. Zur fertigungsmässigen Justierung sind daher lediglich die Abgleichwiderstände 15 und 16, die voneinander nicht beeinflusst werden, einzustellen. Mit diesen beiden Abgleichwiderständen wird weiterhin auf einfachste Weise eine Änderung des Messbereiches vorgenommen, so dass für verschiedene Bereiche nur eine Grundtype zu fertigen ist. Als weiterer fertigungstechnischer Vorteil ergibt sich durch diese Justieranordnung die Möglichkeit, vorgedruckte Skalen für das Instrument 17 verwenden zu können.
Durch das Auftreten der Messgrösse als Gleichspannungswert wird weiterhin die einfache Anschaltung einer Regelvorrichtung bekannter Ausführungsform ermöglicht; aus demselben Grunde lässt sich als Anzeigeinstrument auch ein solches mit einer 270 Skala verwenden.
Eccentric pointer frequency meter
Electrical pointer frequency meters are known in which the quotient of two currents that are influenced by two current paths with different frequency responses is displayed. In one of these current paths, for example, there is a choke coil as a frequency-dependent resistor, while a series resonant circuit is connected in the other current path, the resonance frequency of which is above the highest frequency that can be measured with the device.
Such devices with a quotient measuring mechanism as a display element are relatively expensive, since a certain power that cannot be undershot is required for precise display, which in turn means that the frequency-dependent elements upstream of the measuring mechanism windings, such as inductances, capacitances or an input converter, have to be dimensioned accordingly . The adjustment of the quotient measuring mechanism is also relatively complicated, so that each device has to be calibrated individually and no pre-printed scales can be used.
These disadvantages are avoided by the electrical pointer frequency meter according to the invention. In terms of circuitry, it is constructed in such a way that the difference between two rectified currents is used as the display value, which are taken from a converter via two current paths with opposite frequency response, with a capacitance in parallel on the primary side and an inductance connected upstream.
On the basis of this circuit according to the invention, a simple moving-coil measuring mechanism can be used as the display element; the upstream components can be dimensioned significantly weaker than with a quotient measuring mechanism, since a moving-coil measuring mechanism has a lower power consumption.
Since the measured variable occurs as a pure DC voltage, the electrical adjustment and also the change in the measuring range is extremely simple and is limited to a pure resistance setting, as will be explained in more detail below. But this also gives you the option of using preprinted scales.
Ultimately, this new phasor frequency meter enables a very wide voltage range and very good suppression of mains harmonics.
The circuit of an embodiment of the time frequency meter according to the invention is shown in FIG.
The voltage to be measured according to its frequency is applied to the input terminals 1 and 2 or 1 and 3 of the converter 4, to which the capacitance 5 is parallel on the primary side and the choke 6 is connected upstream.
The circuits I and II are connected to the secondary windings 7 and 8 of the converter. The circuit I consists of the choke 9, the full wave rectifier 10 and the resistor 11, while the circuit II is formed by the inductance 12, the capacitor 13, the full wave rectifier 14 and the adjustable resistor 15. The moving-coil measuring mechanism 17 is connected via the resistors 11 and 15 in series with a further adjustment resistor 16.
The inductance 12 and the capacitor 13 in circuit II form a series resonance circuit, the resonance frequency of which is above the highest frequency that can be measured with the device, for example with a main frequency value of 50 Hz at around 65 Hz.
It follows from this that the current in circuit I, according to the characteristics of the choke, decreases with increasing frequency, whereas it increases in circuit II. The difference between these two currents generates a direct voltage across resistors 11 and 15, which is displayed by measuring mechanism 17. Further details of this display circuit will be discussed later.
The converter 4 is used together with the capacitor 5 connected in parallel to its primary winding and the upstream choke 6 for voltage stabilization over a wide range, for example from 120 to 300 V when connected to terminal 2 of the choke 6. Terminal 3 is used to adapt the device to a higher voltage range, e.g. B. from 300 to 500 V.
If three different voltages, for example 120, 220 and 300 V, are applied to input terminals 1 and 2 one after the other, the following relationships result:
At the lower voltage limit (120 V), the total resistance of the parallel circuit formed by the primary winding and the capacitor 5 is capacitive. This capacitive resistance enters into series resonance with the voltage-dependent inductance 6 and causes a momentarily high current consumption. The latter generates a high voltage on the parallel circuit, which in turn brings the converter 4 to saturation. As the voltage increases, the resistance of the parallel circuit changes from the capacitive side to the inductive side, so that the input circuit at the upper voltage limit (300 V) corresponds to an inductive voltage divider.
The input circuit shown also serves to suppress the mains-side harmonics. This is done in three different ways. First, the harmonics are suppressed by the series choke 6, which has a higher resistance for the harmonics than for the fundamental wave. Secondly, the lower resistance of the capacitor 5 at the primary winding almost short-circuits the harmonics and, thirdly, the converter 4 itself acts as a mains harmonic barrier due to its high saturation.
The good harmonic suppression mentioned at the beginning is achieved through the interaction of these three types of function, which in particular also effectively includes the first harmonic.
With the measurement arrangement described, a non-linear differential voltage, which is dependent on the frequency, results at the measurement output, which offers the advantage that the scale attached to the reading instrument is somewhat compressed towards the lower frequencies, so that in the practical version of the instrument the main measured value 50 Hz in the In the middle and the lower limit of the measuring range is still sufficiently visible from the mechanical zero point of the device. Since the differential voltage generated at resistors 11 and 15 also depends on the ratio of these two resistors to one another, the electrical zero point can be assigned to any frequency within the measuring range of the frequency meter by changing the adjustable resistor 15.
This is placed on the start of the range in the device explained and coincides with the mechanical zero point of the display instrument. If the main frequency value, for example 50 Hz, is placed in the middle of the scale, the scale diagram shown in FIG. 2 results. It is thus achieved in a very desirable way that the pointer shows the value zero in the event of a power failure, similar to other instruments.
Resistor 16 is used to set the full scale deflection of the instrument to the highest frequency of the measuring range. For production-related adjustment, therefore, only the balancing resistors 15 and 16, which are not influenced by one another, need to be set. With these two balancing resistors, the measuring range can still be changed in the simplest way, so that only one basic type has to be manufactured for different areas. As a further advantage in terms of manufacturing technology, this adjustment arrangement makes it possible to use preprinted scales for the instrument 17.
The occurrence of the measured variable as a DC voltage value also enables the simple connection of a control device of known embodiment; for the same reason, one with a 270 scale can also be used as a display instrument.