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Anordnung zur Messung der Frequenz einer Wechselspannung Die Erfindung
betrifft eine Anordnung zur Messung der Frequenz einer Wechselspannung, die ein
Gleichstromsignal liefert, das bezüglich Richtung und Größe von der Frequenz des
Eingangssignals abhängig ist.
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Für eine solche Anordnung gibt es eine große Anzahl von Anwendungsmöglichkeiten.
Beispiele hierfür sind Nulidetektoren für Impedanzbrücken u. dgl., Frequenz-(Wellenlängen-)Anzeiger,
Kapazitäts- und Induktivitätsmesser, Gütemesser für Schwingkreise (Q-Messer), Phasenmesser
und Frequenzmodulations empfänger (Diskriminatoren).
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Es sind Anordnungen dieserArt bekannt mit einer Gegentaktmodulatorbrücke,
an deren einer Diagonale ein im Bereich seiner Resonanz betriebener Reihenschwingkreis
angeschlossen ist und an deren anderer Diagonale parallel zu zwei in Reihe geschalteten
Widerständen ein Gleichstrominstrument liegt. Die bekannten Anordnungen benutzen
zwei Spannungen: ein Eingangssignal und eine von dem Eingangssignal erzeugte, abgeleitete
Phasendifferenzsp annung.
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Der Erfindung liegt gegenüber diesen bekannten Anordnungen die Aufgabe
zugrunde, den Aufbau der Schaltung zu vereinfachen.
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Erfindungsgemäß wird dazu vorgesehen, daß als Modulator ein Ringmodulator
verwendet ist und die Wechselspannung einerseits an einer Anzapfung der Induktionsspule
des Reihenschwingungskreises und andererseits an dem Verbindungspunkt der beiden
Widerstände angeschlossen ist.
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Im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen wird hier eine einzige
Spannung verwendet, welche in jedem von zwei Zweigen, einem kapazitiven und einem
induktiven Zweig einen Strom erzeugt. Bei der Resonanzfrequenz sind die zwei Zweige
gleich, und dadurch werden gleiche Ströme erzeugt, so daß durch das Anzeige- oder
Meßgerät kein Differenzstrom fließt Beiderseits der Resonanz sind jedoch die Widerstände
der beiden Zweige unterschiedlich und bewirken, daß in den Zweigen unterschiedliche
Ströme fließen und ein Differenzstrom zur Auslenkung des Anzeigegerätes erzeugt
wird.
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Zur Drehzahl- oder Frequenzmessung kann als Wechselspannungsquelle
ein Tachogenerator dienen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt
und im folgenden beschrieben.
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Fig. 1 ist ein schematisches Schaltbild eines erfindungsgemäßen Nulldetektorkreises,
wie er in einer Tachometeranordnung verwendet wird mit Markierungen, die die Schalt-
und Signalstromwege in einem gegebenen Augenblick des Arbeitsrhythmus zeigen; Fig.
2 ist ein schematisches Schaltbild nur von
den leitfähigen Elementen im Kreis im
gleichen Augenblick des Arbeitsrhytmus von Fig. 1; Fig. 3 ist ein schematisches
Schaltbild nur von den leitfähigen Elementen im Kreis in einem zweiten Augenblick
des Arbeitsrhytmus, wenn die Generatorspannung gerade entgegengesetzte Polarität
besitzt, und F i g. 4 ist eine graphische Darstellung, die den Phasensprung des
im Schwingkreis fließenden Stromes zeigt, wenn die Frequenz der Stromquelle durch
die Resonanzfrequenz des Schwingkreises geht.
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Zuerst wird Bezug genommen auf Fig. 1 der Zeichnungen, worin 10 einen
Tachometergenerator bezeichnet, der eine Generatorwicklung 11 hat. Es kann sich
um einen mit permanentem Magneten arbeitenden Generator handeln, der aus einem Stator
mit einer Wicklung (oder einer Mehrzahl von verbundenen Wicklungen) und einem Permanentmagnetrotor
12 besteht, der mit einer Anzahl von Polen versehen ist. Die Frequenz des Generatorausgangssignales
ist proportional der Drehgeschwindigkeit der Generatorwelle 13. Der Generator 10
hat vorzugsweise eine konstante Ausgangsspannung innerhalb eines engen Frequenzbereiches,
für dessen Messung der Tachometerkreis angepaßt ist.
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Die erfindungsgemäße frequenzempfindliche Schaltung enthält eine
Gleichrichtermodulatorbrücke 14 mit vier Gleichrichtern 16, 17, 18, 19, die im gleichen
Sinne gerichtet um die Brücke herum angeordnet
sind. Zum Zwecke
der Konstanz und Zuverlässigkeit sind die Gleichrichter vorzugsweise Halbleiter,
z. B.
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Germaniumgleichrichter, obgleich sie auch Röhrengleichrichter sein
können. Die Modulatorbrücke arbeitet in der neuen Schaltung als gesteuerter Gleichrichter.
Die Schaltung enthält ferner einen parallelen Resonanzschwingkreis, bestehend aus
einerlnduktanz 21 und einem Kondensator 22. Die Induktanz hat vorzugsweise nur eineWicklung,
worauf ein Zwischenabgriff möglich ist. Ein Ende der Induktanz und des Kondensators
sind miteinander verbunden, während ihre anderen Enden mit einer Diagonale der Modulatorbrücke
durch die Leitungen 23 und 24 verbunden sind.
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Ein Paar von in Reihe geschalteten Widerständen 26 und 27 liegen
über die Leitungen 28 und 29 an der anderen Diagonale der Modulatorbrücke. Die Wechselstrom-Ausgangsspannung
des Tachometergenerators wird durch die Leitungen 31 und 32 an die Verbindungsstelle
zwischen den in Reihe geschalteten Widerstände26, 27 und den Abgriff auf der Induktanz
21 angelegt.
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Parallel zu den Widerständen 26 und 27 ist ein Gleichstrominstrument
33 und ein damit in Reihe geschalteter Widerstand 34 angeschlossen. Das Meßwerk
33 liefert eine visuelle Anzeige der Drehgeschwindigkeit des Tachometergenerators
10. Da die Gleichrichtermodulatorbrückenschaltung 14 kein Verhältnissystem ist und
folglich direkt spannungsabhängig ist, sobald der Instrumentenausschlag sich von
der Gleichgewichtsfrequenzlage ändert, ist das Tachometer genau, wenn die Tachometergenerator-Ausgangsspannung
relativ konstant ist. In der Praxis, wenn die vom Tachometer zu messende Geschwindigkeit
z. B. 5000 UpM ist, ist die Tachometerschaltung so angepaßt, um genau eine solche
Geschwindigkeit anzuzeigen und kann auch einen engen Geschwindigkeitsbereich von
4900 bis 5100 UpM anzeigen, und durch geeignete Einstellung und/oder Wahl der Schaltelemente
kann, wenn gewünscht, ein Geschwindigkeitsbereich von 4950 bis 5050 UpM erreicht
werden, wenn die Tachometergeneratorgeschwindigkeit innerhalb dieser Grenzen gehalten
wird oder Geschwindigkeitsmessungen außerhalb dieses Bereiches nicht erforderlich
sind. Die Frequenz, bei welcher man einen Ausgangsstrom gleich Null von der Modulatorbrücke
14 erhält, wird primär von der Resonanzfrequenz der LC-Schaltung bestimmt, bestehend
aus der Induktanz 21 und dem Kondensator 22, wobei die zu messende Nominalgeschwindigkeit
primär durch eine solche LC-Schaltung bestimmt wird.
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Die oben beschriebene Tachometerschaltung arbeitet wie folgt: Die
mathematische Analyse der Brückenschaltung und des zugehörigen Brückenzubehörs ist
ziemlich komplex und wird hier nicht dargelegt, da die allgemeine Arbeitsweise der
Vorrichtung aus den bekannten Eigenschaften der besagten Modulatorbrücke und der
zugehörigen Schaltelemente erklärt werden kann. In F i g. l der Zeichnungen wird
der Stromfluß für eine Hälfte des Arbeitsrhythmus gezeigt; und in der folgenden
Beschreibung sind die Werte der Widerstände 26 und 27 als gleich angenommen. Die
»Plus« und »Minus.-Zeichen neben dem Tachometergenerator 10 zeigen die Generatorpolarität
zu einem gegebenen Augenblick. Die durchgezogenen Linien und Pfeile zeigen den We.und
die Richtung des schwingenden Stromes innerhalb des
Schwingkreises an, der nachfolgend
als »Schalt«-Strom bezeichnet wird. Die gestrichelten Linien und Pfeile zeigen den
Weg und die Richtung des Tachometer-Generator-Stromflusses durch das LC-Glied und
die Modulatorbrücke an, der nachfolgend als der »Signalstrom« bezeichnet wird. Der
SchaltStrom schaltet abwechselnd Paare von Gleichrichterelementen in anliegenden
Armen der Modulatorbrücke vom leitfähigen zum nicht leitfähigen Zustand. In F i
g. 1 sind die beiden nebeneinanderliegenden Gleichrichterelemente 16 und 17 leitfähig
bei der angezeigten Polarität des Schaltstromes, während die Gleichrichterelemente
18 und 19 nicht leitfähig sind. Man sieht, daß im Schaltstromkreis auch der schwingende
Strom der LC-Schaltung fließt, die die Induktanz 21 und den Kondensator 22 enthält,
die miteinander durch die zwei leitfähigen Dioden der Modulatorbrücke verbunden
sind. Man wird feststellen, daß kein schwingender oder schaltender Strom im Gleichstrominstrument33
fließt, daher weist dieses keine Anzeige auf, die auf die Tätigkeit des Schaltstromes
zurückzuführen ist.
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In Fig.2 sind die Dioden 18 und 19, die im Augenblick des in F i
g. 1 dargestellten Arbeitsrhythmus gesperrt sind, aus dem Schaltbild weggelassen.
In Fig.2 ist die LC-Schaltung mit 36 bezeichnet, und in dem dargestellten Augenblick
enthält sie die Dioden 16 und 17. (Es versteht sich natürlich, daß die LC-Schaltung
während der anderen Hälfte des Arbeitsrhythmus die dann leitfähigen Dioden 18 und
19 enthält). Es ist ersichtlich, daß der durch durchgezogene Linien und Pfeile bezeichnete
Schaltstrom aus dem schwingenden Strom der LC-Schaltung besteht und daß die Schaltung
nur die Induktanz 21, den Kondensator 22 und die zwei leitfähigen Dioden der Modulatorbrücke
enthält. Da in dem parallelen Schwingkreis keine zusätzlichen Widerstände oder andere
Kreiselemente inbegriffen sind, ist deutlich, daß der Schwingkreis eine verhältnismäßig
hohe Güte haben kann. Die Energie zur Erzeugung des schwingenden Aufladestroms wird
vom Tachometergenerator über die Leitungen 28 und 32 geliefert. Durch Verbindung
der Leitung 32 mit einem Zwischenabgriff auf der Induktanz erreicht man, daß die
Induktanz als Autotransformator wirkt, was einen Vorteil darstellt. Es ist jedoch
deutlich, daß die Leitung 32 auch an die Verbindungssfelle zwischen der Induktanz
21 und dem Kondensator 22 angeschlossen werden kann, wenn das gewünscht wird. Der
Kondensator 22 kann gegebenenfalls durch ein Paar von in Reihe geschalteten Kondensatoren
ersetzt werden, und die Leitung 32 kann dann an die Verbindungsstelle dazwischen
angeschlossen werden.
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Der niedrige Widerstandsweg für den Fluß des Signalstromes vom Tachometergenerator
10 enthält die leitfähigen Gleichrichterelemente 16 und 17. Der Signalstromweg kann
von der positiven Seite des Generators über die Leitung 32 zu dem Zwischenabgriff
auf der Induktanz 21 verfolgt werden, an welcher Stelle er sich in zwei parallele
Wege aufteilt.
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Davon erhält ein Weg die Leitung 23 und das Gleichrichterelement 16,
und der andere Weg enthält den in Reihe geschalteten Kondensator 22, die Leitung
24 und das Gleichrichterelement 17. Die Ströme vereinen sich wieder am Brückenende,
mit 37 bezeichnet, und fließen über die Leitung 28, von wo aus sie sich'wieder in
zwei parallele Wege aufteilen. Ein Weg führt über den Widerstand 26 und der andere
durch
das in Reihe geschaltete Gleichstrominstrument 33 und über die Widerstände 34 und
27. Die Ströme vereinen sich wieder an der Verbindung zwischen den Widerständen
26 und 27 und fließen über die Leitung 31 zu der negativen Seite des Tachometergenerators.
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Die Gleichrichterelemente 18 und 19 sind einen halben Arbeitsrhythmus
später leitfähig, wenn der schwingende Aufladestrom die Richtung wechselt.
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Die Signal- und Schaltströme in und neben der Resonanzfrequenz des
LC-Schwingkreises haben natürlich gleiche Frequenz, da sie vom gleichen Tachometergenerator
10 ausgehen. Deshalb wechselt die Signalspannung die Polarität gleichzeitig mit
der Bezugsspannung.
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In F i g. 3 sind die leitfähigen Schaltelemente für die oben beschriebenen
Zustände gezeigt. Auch hier fließt kein schwingender Schaltstrom des Schwingkreises
im Anzeigeinstrument 33, und weiterhin fließt der Signalstrom in der gleichen Richtung
durch das Gleichstrominstrument 33. Folglich fließt ein pulsierender Gleichstrom
durch das Gleichstrominstrument 33 so lange, wie die Polarität der Schalt- und Signalströme
gleichzeitig wechselt.
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Die Charakteristiken der Gleichrichter 1.6 bis 19 sollten untereinander
gleich sein. Die genaue Größe des Instrumentenausschlages oder die Beziehung zwischen
Instrument und Wechselstromkomp onenten ist nicht besonders wichtig, da die wesentliche
Voraussetzung ist, daß das Instrument einen beträchtlichen Ausschlag hat, um verhältnismäßig
kleine Änderungen in der Geschwindigkeit des Tachometergenerators anzuzeigen. Die
Skala des Instrumentes ist in UpM oder anderen geeigneten Einheiten geeicht.
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In und neben der Resonanzfrequenz der LC-Schaltung ist der schwingende
Aufladestrom größer als der Generatorstrom und folglich auch größer als der Wert
des Signalstromes. Der schwingende Strom schaltet die geeigneten Gleichrichterelemente
vom leitfähigen zum nicht leitfähigen Zustand und umgekehrt, wobei praktisch während
jeder Halbperiode Signalstöße der gleichen Polarität abwechselnd durch die Widerstände
26 und 27 fließen, die während eines jeden Arbeitsrhythmus zwei Stöße gleicher Richtung
durch das Instrument 33 senden.
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Eine Eigenschaft der Modulatorbrücke ist, daß, wenn die Polarität
entweder des Signal- oder Schaltstromflusses umgekehrt wird, gleichfalls die Stromflußrichtung
durch das Instrument 33 umgekehrt wird. Die phasenverschiebende Eigenschaft des
Schwingkreises oberhalb der Resonanzfrequenz wird praktisch verwendet, um die Polarität
des Signalstromes umzukehren, sobald das Generatorausgangssignal durch die Resonanzfrequenz
zum Schwingkreis geht. Das Gleichstrominstrument hat deshalb vorzugsweise die normale
Nullstellung im Mittelpunkt der Skala, wobei die nominale Generatorgeschwindigkeit
auf der Skalenmitte angezeigt wird. Niedrige und höhere Geschwindigkeiten werden
nach der einen oder der anderen Seite von der Skalenmitte aus angezeigt.
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Eine Eigenschaft der Modulatorbrücke, die für die Funktion der Brücke
für die Nullanzeige in der erfindungsgemäßen Schaltung wichtig ist, ist die, daß
jeweils nur phasengleiche Komponente des Signalstromes (oder die um 1800 phasenverschobene
Komponente), bezogen auf den Schaltstrom auf dem Gleichstrominstrument 12, angezeigt
wird, während,
die um 900 phasenverschobene Komponente des Signalstromes nicht auf
dem Instrument 12 angezeigt wird. An und neben der Resonanzfrequenz der LC-Schaltung
ist der schwingende Strom (der Schaltstrom) 900 zur Tachometergeneratorsp aunung
phasenverschoben. Der Signalstrom andererseits. ist phasengleich mit der Generatorspannung
bei Resonanzfrequenz, deshalb ist bei Resonanzfrequenz der LC-Schaltung der Schaltstrom
im wesentlichen 900 phasenverschoben zum Signalstrom. Der Gleichstromausgang der
Modulatorbrücke ist dann Null, wobei das Gleichstrominstrument in der normalen Null-Mittelstellung
verbleibt.
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Abweichend vom schwingenden Strom (d. h. dem Schaltstrom) wechselt
der Signalstrom sehr. stark seine Phasenbeziehung zur Generatorspannung, sobald
die Generatorfrequenz von der Resonanzfrequenz der LC-Schaltung abweicht. In F i
g. 4 ist eine Kurve gezeigt, das die Phasenbeziehung zwischen dem Generatorstrom
und der Spannung als Funktion der Frequenz fürReihen-Resonanzschwingkreise mit verschiedener
Güte (Q) zeigt. Mit Bezug auf Fig.4 ist zu bemerken, daß bei einem Schwingkreis
mit theoretisch unbegrenzt hohem Q der durchfließende Strom um 900 nacheilt, wenn
die Frequenz unter die Resonanzfrequenz des Schwingkreises absinkt, und um 900 voreilt,
wenn die Frequenz über die Resonanzfrequenz steigt. Wenn das Q des Schwingkreises
kleiner wird, wird die Kurve flacher. Da nur ein Paar von Dioden im Resonanzschwingkreis
der vorliegenden Erfindung enthalten sind, kann das Q des Kreises auf einem relativ
großen Wert gehalten werden, wodurch die Anderungsgeschwindigkeit des Phasenwinkels
in der Resonanzfrequenz des Kreises groß wird. Wenn der Generatorfrequenzausgang
gegenüber über der Resonanzfreqenz vermindert ist, wird eine große Phasenverschiebung
im Signalstrom erzeugt, wodurch der Signalstrom mit Bezug auf den Schaltstrom große
gleichphasige Komponenten erhält. Das wird durch Ausschlag des Instrumentes 33 in
einer Richtung angezeigt. Ähnlich wird, wenn der Generatorfrequenzausgang über die
Resonanzfrequenz zunimmt, eine große Phasenverschiebung in entgegengesetzter Richtung
erzeugt, wodurch der Signalstrom eine große um 1800 phasenverschobene Komponente
mit Bezug auf den Schaltstrom erhält. Das wird durch Ausschlag des Instrumentes
33 in der anderen Richtung angezeigt.
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Da der Ausschlag des Instrumentes von den phasenverschiebenden Eigenschaften
des Schwingkreises abhängig ist und da der Schwingkreis ein verhältnismäßig hohes
Q hat, worin die maximale Phasenverschiebung für eine gegebene vorherbestimmte Frequenzänderung
bei Resonanzfrequenz im Schwingkreis eintritt, wird der Resonanzzustand mit maximaler
Schärfe und Empfindlichkeit bestimmt.
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Andere Vorteile ergeben sich aus der Tatsache, daß die geringste Belastung
der Stromquelle (des Tachometergenerators in dem dargestellten Ausführungsbeispiel)
bei Resonanzfrequenz auftritt. Deshalb hat man, wenn die neue Schaltung in einer
Frequenzmeßvorrichtung verwendet wird, die geringste Belastung und daraus resultierende
Verstimmung der Stromquelle bei maximaler Empfindlichkeit der Schaltung.
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Die Schaltung ist stabil, da die Resonanzfrequenz von der stabilen
Induktanz 21, bzw. dem Kondensator 22 abhängig ist. Da der Geschwindigkeitsbereich
des
Tachometergenerators klein ist, ist die Änderung in der Generatorausgangsspannung
ebenfalls klein und ist praktisch vernachlässigbar. Der Wirkungsgrad der Schaltung
ist groß, da die Schaltung oberhalb der Resonanzfrequenz des Schwingkreises arbeitet,
wo die Inanspruchnahme der Stromquelle am kleinsten ist. Die Schaltung kann in einem
extrem weiten Bereich von Resonanzschwingfrequenzen verwendet werden.