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Verfahren zur Frequenzmessung Bei einer bekannten Anordnung zur Geschwindig
keitsmessung von Straßenfahrzeugen mit Hilfe der Dopplerfrequenz wird die Dopplerfrequenzschwingung
durch Begrenzung und durch einen bistabilen Multivibrator zunächst in Rechteckimpulse
gleicher Amplitude umgewandelt; die durch Differenzierung aus diesen Impulsen erhaltenen
steilflankigen Steuerimpulse dienen zur Tastung eines monostabilen Multivibrators.
Am Ausgang des monostabilen Multivibrators erhält man Impulse gleicher Amplitude
und gleicher Dauer, die mit einer der Dopplerfrequenz entsprechenden Impulsfolgefrequenz
auftreten. Diese Impulsfolge wird auf ein den Mittelwert des Stromes anzeigendes
Meßinstrument gegeben, so daß man eine Anzeige erhält, die der Dopplerfrequenz proportional
ist.
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Infolge der Trägheit des Anzeigeinstrumentes ist eine relativ lange
Meßzeit erforderlich, und wenn das Meßobjekt die Antennenkeule der Geschwindigkeitsmeßanordnung
sehr schnell durchläuft, kann es vorkommen, daß der Zeiger des Anzeigeinstrumentes
nicht bis zum vollen Meßwert ausschlägt. Aber selbst wenn der Zeiger bis zum Meßwert
ausschlägt, verbleibt er in dieser Stellung nur sehr kurzzeitig, so daß die Ablesung
nicht mit der nötigen Genauigkeit vorgenommen werden kann.
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Die Nachteile dieser Anordnung werden bei einer anderen bekannten
Vorrichtung zur Geschwindigkeitsmessung vermieden, bei welcher die Geschwindigkeit
durch Auszählen der während einer Periode der Dopplerschwingung auftretenden Sendeschwingungsperioden
ermittelt wird. Diese bekannte Vorrichtung ist jedoch nur für Spezialfälle, z. B.
für die Messung von Geschoßgeschwindigkeiten, zu gebrauchen, da der Aufwand für
die zur Zählung notwendige Zähleinrichtung für die meisten praktischen Fälle viel
zu groß ist. Die Zähleinrichtung der bekannten Vorrichtung allein nimmt bereits
einen Raum ein, den etwa eine ganze Kraftfahrzeug-Geschwindigkeitsmeßanordnung ohne
Antenne benötigt.
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Zweck der Erfindung ist es, die Nachteile der ersten bekannten Anordnung
und den Aufwand der zweiten bekannten Anordnung zu vermeiden. Die erfindungsgemäße
Meßanordnung gestattet die Messung auch bei sehr schnellem Durchlaufen des Meßobjektes
durch die Antennenkeule. Bei der erfindungsgemäßen Meßanordnung bleibt der Zeiger
auf dem richtigen Meßwert so lange stehen, bis die nächste Messung erfolgt. Durch
diese Eigenschaften ist die erfindungsgemäße Meßanordnung besonders zur Bestimmung
von Dopplerfrequenzen geeignet, die
insbesondere bei der Geschwindigkeitsmessung
von Straßenfahrzeugen nur in Form von kurzen Schwingungszügen auftreten.
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Die Erfindung geht aus von einer bekannten Anordnung zur Frequenzmessung
mit einem direkt anzeigenden elektrischen Frequenzmesser mit zwei durch die Halbwellen
der zu messenden Frequenz gitterseitig abwechselnd geöffneten und geschlossenen
Entladungsröhren, deren Entladungsstrecken in Serie an der Anodengleichspannungsquelle
liegen, sowie einem Kondensator, der zwischen einem Punkt der Anodenspannungsquelle
und dem Verbindungspunkt der Röhren angeschlossen ist und durch die Steuerung der
Röhren im Rhythmus der zu messenden Frequenz abwechselnd aufgeladen und wieder entladen
wird. Bei dieser bekannten Anordnung wird der Lade- und Entladestrom durch ein die
Meßfrequenz anzeigendes Instrument geleitet, wobei das Instrument in Serie mit dem
Kondensator zwischen dem Verbindungspunkt der Röhren und der Anodenspannungsquelle
liegt.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Frequenzmessung kurzer,
insbesondere schnell hintereinander auftretender elektromagnetischer Schwingungszüge,
vorzugsweise zur Frequenzmessung von Dopplerfrequenzschwingungszügen in Geschwindigkeitsmeßgeräten,
wobei - solange die Amplituden des jeweiligen Schwingungszuges eine vorgegebene
Höhe überschreiten - eine der Anzahl der Perioden der zu messenden Frequenz gleiche
Anzahl von Impulsen jeweils gleichen Energieinhalts erzeugt wird, deren jeweilige
Dauer jedoch kürzer als die Periode der zu messenden Frequenz ist, und wobei ein
Teil dieser
Anzahl erzeugter Impulse während eines vorgegebenen
Meßzeitintervalls einem vor Beginn jeder Messung löschbaren Integrator, an dessen
Ausgang ein Meßinstrument angeschlossen ist, zugeführt wird.
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Dieses Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß ein
Miller-Integrator als Integrator verwendet wird, dessen Ladekapazität durch Zuführung
eines negativ gepolten Löschimpulses auf das Bremsgitter der Pentode des Miller-Integrators
zu dessen Löschung entladen wird, und daß dem Miller-Integrator ein Stromverstärker
vorgeschaltet ist, so daß die Aufladung der Ladekapazität des Miller-Integrators
beschleunigt erfolgt.
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Zur Frequenz- und Zeitmessung ist eine aus einem elektronischen Zähler
und einem Zeitschalter bestehende Anordnung bekannt, bei der eine der Zahl der Perioden
gleiche Zahl von Impulsen erzeugt wird und diese Impulse während einer für alle
Messungen gleichzeitigen Zeitperiode der Anzeigeeinrichtung zugeführt werden. Diese
bekannte Anordnung, bei welcher die Frequenzmessung mit einem elektronischen Zähler
vorgenommen wird, unterscheidet sich vom Gegenstand der Erfindung im wesentlichen
durch die Art der Integration bzw. Summation und Anzeige.
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Der wirtschaftliche Aufwand bei dieser bekannten Anordnung ist gegenüber
der Anordnung gemäß der Erfindung sehr erheblich, so daß sich in vielen Fällen die
Verwendung der bekannten Anordnung aus wirtschaftlichen Gründen verbietet.
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Nachstehend soll die Erfindung an Hand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert
werden. Die Fig. 1 stellt ein Blockschaltbild für ein besonders zweckmäßiges Ausführungsbeispiel
einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar, wie sie z.
B. in einer Dopplerfrequenz-Geschwindigkeitsmeßanordnung Verwendung finden kann.
Die Fig. 2 zeigt ein spezielles Ausführungsbeispiel für einen Integrator zusammen
mit dem Anzeigeinstrument. In Fig. 3 sind Spannungsverläufe dargestellt, wie sie
an verschiedenen Punkten der Anordnungen gemäß den Fig. 1 und 2 auftreten können.
Die Punkte, an denen diese Spannungsverläufe auftreten, sind in den Fig. 1 und 2
mit den gleichen Buchstaben gekennzeichnet, wie sie in der Fig. 3 an den jeweiligen
Spannungsverläufen stehen. Die angegebenen Zeitwerte stellen nur beispielhafte Werte
dar, und es sei ausdrücklich betont, daß die Bemessung des Erfindungsgegenstandes
nicht auf diese Werte beschränkt sein soll.
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Von einer an sich bekannten Geschwindigkeits meßanordnung ist in
Fig. 1 nur der Niederfrequenzverstärker dargestellt. Vom Ausgang des Niederfrequenzverstärkers
1 wird ein Dopplerfrequenzschwingungszug abgenommen, wie er beim Passieren eines
Fahrzeuges durch einen scharf gebündelten Strahl als Mischprodukt der Sende- und
Empfangsfrequenz auftritt. Da die Fahrzeuge sehr komplizierte Rückstrahldiagramme
besitzen, steigt der Schwingungszug im allgemeinen nicht stetig an und fällt nach
Erreichen des Maximums nicht stetig ab. Ein Schwingungszug ist in Fig. 3 a dargestellt.
In der Zeichnung wurde der Anschaulichkeit halber die Frequenz wesentlich niedriger
als in der Praxis gewählt. Dieser Dopplerschwingungszug wird einerseits einem Impulsgenerator
2 zugeführt, welcher dann, wenn die Anstiegsfianken oder die Rückfianken der Schwingungen
einen bestimmten, oberhalb des Rauschpegels liegenden Wert überschreiten, kurzzeitige
Impulse (s. Fig. 3f) abgibt. Zweckmäßig wählt man die Ver-
stärkung im Niederfrequenzverstärker
1 derart, daß die Rauschspitzen etwa 0,7 V betragen. Der kritische Pegel, bei dem
der Impulsgenerator2 Impulse auslöst, kann dann zweckmäßig bei etwa 1,2 V liegen.
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Der Dopplerschwingungszug gemäß Fig. 3 a gelangt außerdem zu einem
Auslöser 3, in welchem eine Gleichrichtung des Dopplerschwingungszuges (gestrichelte
Kurve in Fig. 3 b) vorgenommen wird.
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Diese gleichgerichtete Spannung führt man einem Ladekondensator zu,
dessen Ladung über eine Relaiswicklung abfließt. Ansprechstrom und Abfallstrom sind
in Fig. 3 b gekennzeichnet. Sobald der Strom im Auslöserelais (voll ausgezogene
Kurve in Fig. 3b) den Ansprechstrom im Zeitpunkt t0 überschreitet, erscheint am
Ausgang des Auslösers ein Signal (Fig. 3 c). An Stelle eines Auslöserelais können
natürlich auch andere entsprechende elektronische Schaltungen, wie z. B. eine gasgefüllte
Schaltröhre, Verwendung finden.
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Die vom Auslöserelais abgeleiteten Signale (Fig. 3 c) werden einem
Löschgenerator 4 zugeführt, der beispielsweise als monostabiler Multivibrator ausgebildet
sein kann. Der Löschgenerator erzeugt jeweils einen negativ gepolten Impuls (s.
Fig. 3 d), der im vorliegenden Ausführungsbeispiel 30 Millisekunden beträgt. Dieser
Impuls wird einem später noch zu beschreibenden Integrator zugeführt. Im Augenblick
des Endes der Löschimpulse t1 wird ein Meßzeitgenerator 5 angestoßen, der das vorgegebene
Meßzeitintervall bestimmt. Der Meßzeitgenerator 5 kann ebenfalls wieder ein monostabiler
Multivibrator sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Zeitkonstante des
Meßzeitgenerators derart bemessen, daß die von ihm angegebenen Impulse (Fig. 3 e)
100 Millisekunden lang sind.
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Aufgabe der Impulse des Meßzeitgenerators ist es, eine am Ausgang
des Impulsgenerators 2 liegende Torschaltung 6 für die Zeit des Auftretens der Meßzeitimpulse
aufzutasten. Während dieser Periode, die bei allen Messungen gleich ist, gelangen
die Impulsformerimpulse zu einem Impulsverlängerer 7, vorzugsweise einem monostabilen
Multivibrator, der die Aufgabe hat, die Impulse aus dem Impulsgenerator 2 in ihrer
Impulsdauer zu verlängern. Man erhält dann einen Rechteckimpulszug, wie er in Fig.3g
dargestellt ist. Die Impulse dürfen nicht länger sein, als die Periode bei der höchsten
auftretenden Frequenz ist, da sich sonst die Impulse überlappen würden.
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Dieser Impulszug (Fig. 3 g) wird dem Eingang eines Integrators 8 zugeführt,
nachdem die bislang am Ausgang des Integrators 8 stehende Ladung durch einen Löschgeneratorimpuls
beseitigt wurde. Der vom Impulsverlängerer kommende Impulszug bewirkt im Integrator
eine Aufsummierung, und in einem an den Ausgang des Integrators 8 angeschalteten
Strommesser9 erhält man dann einen Strom, der proportional dem Gleichstrominhalt
der Impulse aus dem Impulsverlängerer und damit der Frequenz bzw. der Geschwindigkeit
ist.
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Ein spezielles Ausführungsbeispiel für den Integrator 8 zusammen
mit dem Anzeigeinstrument 9 zeigt die Fig. 2. Der Integrator ist bei diesem Ausführungsbeispiel
als an sich bekannter Miller-Integrator geschaltet. Die Pentode des Miller-Integrators
ist mit 10 bezeichnet. Der Einfachheit halber sei angenommen, daß dem Steuergitter
der Röhre 10 direkt die Impulsfolge (Fig. 3 g) aus dem Impulsverlängerer 7 zugeführt
werde. Tatsächlich liegt vor dem Steuergitter
der Pentode 10 noch
eine Triode 13, deren Wirkungsweise erst später erläutert werden soll. Der Ausgangsstrom
ia hat den in Fig. 3h zwischen t1 und t2 eingezeichneten treppenartigen Verlauf.
Nach dem Ende des Impulszuges (Fig. 3 g) fließt von der Spannungsquelle + 300 V
über das Anzeigeinstrument 9, den Anodenwiderstand Ra und die Röhre 10 nach Masse
ein konstanter Strom (im vorliegenden Ausführungsbeispiel etwa 2 mA). Da sich die
Schaltung hierbei in einem stabilen Zustand befindet, ändert sich dieser Strom praktisch
nicht. Wird nach einiger Zeit ein neues Ziel aufgefaßt, kommt also vom Niederfrequenzverstärker
1 (Fig. 1) ein neuer Dopplerfrequenzschwingungszug, dann muß dieser Betriebszustand
beseitigt werden, damit eine neue Aufintegration beginnen kann. Zur Löschung des
bisherigen Betriebszustandes wird der Löschimpuls (Fig. 3 d) aus dem Löschimpulsgenerator
4 mit negativer Polung (beim vorgegebenen Ausführungsbeispiel etwa mit einer Amplitude
von V) dem Bremsgitter der Pentode 10 zugeführt. Hierdurch wird eine Sperrung der
Röhre 10 bewirkt. Eine Diode 11, die mit ihrer Anode am Bremsgitter, mit ihrer Kathode
auf Kathodenpotential der Pentode 10 liegt, vermeidet die Einwirkung etwaiger positiver
Spannungsspitzen auf das Bremsgitter der Pentode 10, was eine Sekundärelektronenemission
des Bremsgitters zur Folge haben kann, die unter Umständen die integnerende Wirkung
in Frage stellt. Der Kondensator Ca wird dadurch von der Spannungsquelle mit + 300
V über das Anzeigeinstrument 9, den Anodenwiderstand Ra und die angenähert als ohmschen
Widerstand wirkende Steuergitterkathodenstrecke der Pentode 10 aufgeladen. Dadurch
sinkt der durch das Anzeigeinstrument 9 fließende Strom in nach einer Exponentialfunktion,
wie in Fig. 3h im Bereich t0 bis t1 dargestellt, ab. Mit dem Ende des Löschimpulses
(Fig. 3d) springt der Strom ia sofort auf einen kleinen endlichen Wert um, da die
Miller-Wirkung der Integrationsschaltung erst bei einem endlichen Strom ia möglich
ist. Mit anderen Worten, die Integration der Miller-Schaltung beginnt nicht mit
dem Stromes=0, sondern erst bei einem endlichen Wert für iaX so daß also auch der
Endwert der Integration um diesen endlichen Stromwert zu groß erscheint. Diese Verschiebung
könnte natürlich ohne weiteres durch eine Nullpunktverschiebung des Anzeigeinstrumentes
9 ausgeglichen werden, derart, daß bei einem bestimmten Integrationswert das Anzeigeinstrument
einen kleineren als den tatsächlich vorhandenen Strom anzeigt. Eine derartige Lösung
ist jedoch für ein für die Praxis bestimmtes Meßinstrument nicht gut geeignet, da
Personen, die mit dem Gerät nicht vertraut sind, versucht sind, einen Nullabgleich
des Anzeigeinstrumentes durchzuführen.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird deshalb ein Kompensationsstrom
ik erzeugt, der das Anzeigeinstrument 9 in entgegengesetzter Richtung durchfließt
wie der Strom ia. Zur Erzeugung dieses Stromes ist eine Spannungsquelle von z. B.
+370V vorgesehen, deren Spannung gegenüber der Spannung von z. B. +300 V durch einen
Stabilisator 12 stabilisiert wird. Zur Einregelung des Stromes ik ist ein regelbarer
Widerstand R vorgesehen. Der Strom 4 ist in Fig. 3h ebenfalls eingezeichnet. Der
Kompensationsstromik bewirkt, daß der resultierende Strom = - 4 im Anzeigeinstrument
9 im Zeitbereich to bis t1 zeitweilig negativ wird. Am Schirmgitter der
Pentode 10
liegt unverändert eine positive Spannung (hier beispielsweise 150 V). Da die in
Fig. 3g dargestellten gleich breiten und gleich hohen Impulse den Kondensator C
- der verhältnismäßig groß gewählt wurde, um die Abweichungen im stabilen Zustand
möglichst klein zu halten - nicht in der gewünschten Zeit aufladen würden, wurde
als Stromverstärker eine Verstärkerröhre, beispielsweise eine Triode 13, vorgesehen.
Die Kathode dieser Triode liegt am Steuergitter. Dem Steuergitter der Triode 13
wird der Impulszug (Fig. 3 g) aus dem Impulsverlängerer 7 zugeführt. Um während
der Zeit, während der kein Impulszug vom Impulsverlängerer 7 herkommt, eine absolute
Sperrung des Steuergitters der PentodelO zu erreichen, kann man außerdem an die
Anode der Röhre 13 den Meßzeitimpuls (Fig. 3e) anlegen, der die Röhre 13 nur während
dieser Zeit öffnet. Die Röhre 13 muß indirekt zu heizen sein. Es empfiehlt sich,
eine Röhre zu verwenden, bei der der Isolationswiderstand zwischen der Heizwicklung
und der Kathode sehr groß ist.
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Wegen der unvermeidbaren Trägheit des Zeigerinstrumentes geht der
Zeiger während der Zeit t0 bis t1 im allgemeinen nicht bis zum Wert Null, sondern
durchläuft nur ein Minimum und erreicht nach etwa 0,3 Millisekunden asymptotisch
seinen neuen Anzeigewert, im vorliegenden Fall z. B. den Wert 2,0 mA.
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Obwohl ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Anwendung auf eine
Geschwindigkeitsmeßanordnung beschrieben wurde, ist diese doch ganz allgemein bei
Frequenzmessungen, insbesondere bei Frequenzmessungen von nur kurzzeitig und schnell
hintereinander auftretenden Schwingungszügen, anwendbar.