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Anordnung zur Frequenzmessung Die im folgenden näher beschriebene
Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Frequenzmessung, insbesondere auf
einen Frequenz-Hauptwertmesser, dessen elektrischer Anfangsbereich unterdrückt ist
und der einen relativ engen Meßbereich um den Frequenz-Nennwert herum stark gedehnt
zeigt. Dabei wird von dem an sich bekannten Prinzip der Frequenzmessung durch Kondensatorentladung
Gebrauch gemacht. Danach wird während einer Spannungshalbwelle ein in seinen elektrischen
Werten hochkonstanter Kondensator zuerst mit einer definierten Ladungsmenge aufgeladen
und während der anderen Halbwelle über ein den arithmetischen Mittelwert messendes
Drehspuimeßwerk entladen.
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Umgekehrt kann natürlich auch der Ladestrom zur Messung benutzt werden.
Die Frequenz der anliegenden Spannung und der das Meßwerk durchfließende pulsierende
Gleichstrom stehen dabei in einem linearen Verhältnis zueinander.
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Die Güte der Messung hängt bei derartigen Frequenz-Hauptwertmessern
ganz besonders von der Spannungskonstanz ab. Grundsätzlich ist es bekannt, zur Spannungsstabilisation
zwei in Reihe und gegeneinandergeschaltete Zenerdioden zu verwenden.
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Es ist ferner bekannt, im Zusammenhang mit einer Spannungsmeßschaltung
zur Stabilisation zwischen zwei Dioden einen Widerstand zu legen. Nur eine der Dioden
ist dabei eine Zenerdiode. Eine derartige Anordnung zur Spannungsmessung hat natürlich
eine von der der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung eines Frequenz-Hauptwertmessers
völlig abweichende Zielsetzung und Funktion.
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Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine Schaltungsanordnung
zu erstellen, die eine Frequenz-Hauptwertmessung mit der für diese spezielle Messung
notwendigen extremen Spannungsstabilisation, Temperaturkompensation und Anzeigefehlerkorrektur
erlaubt.
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Die gestellten Aufgaben erfüllt eine Anordnung zur Frequenzmessung,
bei der die eine Halbwelle der anliegenden Spannung zur Ausnutzung ihrer Frequenzproportionalität
über einen mit einem Meßkondensator und der einen Hälfte einer bifilar gewickelten
Drehspule des Meßwerks in Serie liegenden Entladegleichrichter läuft, während die
andere Halbwelle zur Unterdrückung des Anfangsbereiches über die andere Hälfte der
Drehspule, mit der ein Gleichrichter und ein Widerstand in Serie liegen, gefährt
werden und gleichzeitig der Meßkondensator wieder über einen Gleichrichter aufgeladen
wird und die zur Stabilisierung der Eingangsspannung zwei in Serie gegeneinandergeschaltete
Zenerdioden nebst einem Vorwiderstand aufweist und erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet
ist, daß zwischen diesen beiden Zenerdioden ein Widerstand liegt.
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Die erfindungsgemäße Anordnung eines Frequenz-Hauptwertmessers ist
in F i g. 1 dargestellt, während die F i g. 2 und 3 der nachfolgenden Funktionserläuterung
dienen.
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Der Meßkondensator 1, der den Entladestrom führende Gleichrichter
2 und die eine Hälfte der bifilar gewickelten Drehspule des Meßwerks 3 liegen miteinander
in Serie. Aufgeladen wird der Kondensatorl über den Gleichrichter 4. Der Kondensator
5 dient zur Dämpfung der Entladeimpulse und der dem Meßwerk parallelliegende ohmsche
Widerstand 6 zum Abgleich des Meßwertes auf den Skalenendwert.
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Aus der Gleichung J~f Ct 2 Um, wobei Um die am Kondensator 1 liegende
maximale Spannung bedeutet, geht hervor, daß der Meßstrom J nur dann ein eindeutiges
Maß für die Frequenz f ist, wenn die Spannung Um konstant gehalten wird. Dies wird
durch die beiden gegeneinander und in Serie geschalteten Zenerdioden 7 und 8 weitgehend
erfüllt.
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Der Vorwiderstand 9 zwingt den Zenerdioden einen der Eingangsspannung
in gewissen Grenzen proportionalen Wechselstrom auf. An den Zenerdioden fällt dann
eine in ihren Maximalwerten Um weitgehend konstante Spannung ab.
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Der Gleichrichter 10 und der Widerstand 11 dienen zur Unterdrückung
bzw. Kompensation des Anfangsbereiches. Auf den zwischen den beiden Zenerdioden
liegenden Widerstand 12 wird weiter unten näher eingegangen.
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Diese Anordnung arbeitet folgendermaßen: An den Punkten A und B entsteht
eine Wechsel spannung mit relativ gut ausgeprägter Rechteckform. Führt zu
einem
bestimmten Zeitpunkt beispielsweise der Punkt A negatives und der Punkt B positives
Potential, so wird der Meßkondensator 1 über den Gleichrichter 4 aufgeladen. Gleichzeitig
fließt über die eine Hälfte der bifilar gewickelten Drehspulle des Meßwerks 3, den
Gleichrichter 10 und den Widerstand 11 ein ohmscher Strom JR. Während der anderen
Halbwelle hingegen fließt ein Strom Jc über den Kondensator 1, den Gleichrichter
2 und die andere Hälfte der Drehspule. Von diesen Strömen ist der arithmetische
Mittelwert von JR frequenzunabhängig, während der arithmetische MittelwertJc in
bekannter Weise von der Höhe der zu messenden Frequenz abhängt. Der resultierende
Meßwerkstrom JM ergibt sich aus der Differenz der beiden Ströme Jc und JR.
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In d;em als F i g. 2 dargestellten Diagramm sind die Ströme JR JC
und- JM in Abhängigkeit von der Frequenz f aufgetragen. Im Punkt B sind Jc und JR
einander gleich (JM = O). Diesen Punkt kann man durch entsprechende Bemessung des
Widerstandes 11 entweder an den Skalenanfang oder in die Skalenmitte verlegen. Im
erstgenannten Fall erstreckt sich der Meßbereich von B bis D und im zweiten Fall
von A bis C.
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Der Oberwelleneiüfiuß ist bei dieser Schaltung vernachlässigbar gering,
da zur Bildung des Anzeigewertes nur die durch die Funktion der Zenerdioden erhaltenen
Basisregionen der in den Eingangsklemmen liegenden Halbwellen dienen. Die durch
einen eventuellen Oberwellenanteil bewirkten Formverzerrungen der oberen Regionen
der Meßhalbwellen kommen praktisch nicht zur Auswirkung. Auch der Temperaturgang
der Zenerdioden, der im Durchlaß-und Zenerb ereich entgegengesetzte Vorzeichen hat,
wird in an sich bekannter Weise durch die Gegeneinanderschaltung der Dioden selbsttätig
auskompensiert. Der Temperaturgang der Zenerspannung hängt von der Höhe der Zenerspannung
ab. Die Zenerspannung wird hier so niedrig gewählt, daß ihr Temperaturgang durch
den Temperaturgang des Spannungsabfalls -in Durchlaßrichtung gerade kompensiert
wird.
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Selbstverständlich tritt bei Frequenz-Hauptwertmessern der Spannungseinfluß
stärker in Erscheinung als bei Weitbereich-Frequenzmessern, da ein relativ enger
Frequenzbereich stark gedehnt zur Anzeige kommt- bzw. - der Anfangsbereich durch
einen Gegenstrom kompensiert werden muß. Während bei Weit bereich-Frequenzmessern
Genauigkeiten von 0,5...
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1,0 ovo Fehler vom Skalenendwert zulässig und üblich sind, müssen
für Frequenz-Hauptwertmesser je nach der Weite des Anzeigebereichs Genauigkeiten
von 0,1... 0,5 O/o Fehler vom Endwert gefordert werden.
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Diese Forderung läßt sich nun im Hinblick auf den Spannungseinfluß
erfindungsgemäß durch -eine ganz bestimmte Dimensionierung des Widerstandes 12 zwischen
den beiden Zenerdioden erfüllen. Um die Wirkungsweise dieser Anordnung verständlich
zu machen, sei im folgenden das Zustandekommen des Spannungseinflusses grundsätzlich
erläutert.
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Dem Meßprinzip liegt die Gleichung Jxf 2UM zugrunde, wie bereits
eingangs erwähnt wurde. Die Frequenzmeßgenamgkeit hängt von der Qualität der Stabilisierung
der Maximalspannung UM ab. Wenn man annimmt, daß die Frequenz f konstant sei, dann
hängt der von der einen Spulenhälfte des Meßwerks erfaßte -arithmeti-sche Mittelwert
des Kondensatorent-
ladestromes JC nur von der Maximalspannung UM, d. h. vom maximalen
Spannungsabfall an den beiden Zenerdioden 7 und 8 ab. Dieser Spannungsabfall an
den Zenerdioden wächst entsprechend der Diodencharakteristik ab einer bestimmten
Grenze nur noch geringfügig mit der Stromstärke des Eingangsstromes an. Der arithmetische
Mittelwert des in der gleichen Halbwelle das Meßwerk in der anderen Spulenhälfte
durchüießenden Stromes hingegen resultiert aus den durch die Zenerdioden begrenzten
Strom-Zeit-Flächen dieser negativen Halbwelle über dem Gleichrichter 10 und dem
Widerstand 11.
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Fig.3 zeigt die Stromkurven A, iB und ic für Unter-, Nenn- und Überspannung.
Die dem Strom iA, also der Unterspannung, entsprechende wirksame Strom-Zeit-FlächeFA
wird begrenzt durch die schraffiert gezeichneten Flächen 21, 22 und 25 und die Zeitachse
t. Diese Strom-Zeit-Fläche, die dem ohmschen Strom entspricht, wächst mit zunehmender
Eingangsspannung stärker an als der EntladestromJc, der dem Abstand der stabil-isierten
Stromkurve von der Zeitachse proportional ist und für die eingezeichneten Stromkurven
iA, iB und ic auf Grund der Funktion der Zenerdioden in etwa konstant bleibt. Diese
Tatsache ist bedingt durch die größere Flankensteilheit bei höherer Spannung in
den unteren Kurvenbereichen. Die Strom-Zeib-Flächen, also der jeweilige Strom ja
unterscheiden sich für die Ströme iA, iB und ic voneinander durch die Flächen 21
plus 22 bei Nennstrom im Gegensatz zu der Flächen bei Unterstrom. Dagegen ergibt
sich bei Überstrom die Flächensumme von 21 plus 22 plus 23 plus 24 im Gegensatz
zur Fläche bei Unterstrom.
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Aus dem stärkeren Anwachsen des Stromes JR bei größerer Eingangsspannung
ergibt sich nun in der Differenz der beiden StrömeScJR ein negativer Anzeigefehler,
und zwar in Abhängigkeit von dem Betrag der Eingangs spannung. Die Aufgabe des Widerstandes
12 ist es nun, diesen Fehler zu kompensieren. Richtig dimensioniert, bewirkt dieser
Widerstand eine leichte Wölbung, nämlich die Fläche 25, der sonst flachen Kurve
der stabilisierten Spannung.
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Durch diese Wölbung wächst aber nunmehr die Maximalspannung UM am
Kondensator 1 in Abhängigkeit von d;er Eingangsspannung so viel stärker an, daß
der Zuwachs der Maximalspannung UM und damit der des Stromes dem Zuwachs der Strom-Zeit-Fläche
bzw. dem Zuwachs des Stromes JR gleich ist.
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Mit anderen Worten: Die schraffierten Flächen 21 plus 22 sind etwa
gleich den Flächen 25 plus 26, und die Flächen 21 plus 22 plus 23 plus 24 sind etwa
gleich den Flächen 25 plus 26 plus 27. Außerdem muß der Widerstand 12 so dimensioniert
sein, daß der Zuwachs der Maximalspannung und damit des EntladestromesJc einen nur
zu veruachlässigenden positiven Anzeigefehler bei Unterstrom erzeugt, daß also die
Fläche 25 klein bleibt. Blei Nenn- oder Überstrom ergibt sich dann die geforderte
Kompensation des oben beschriebenen negativen Anzeigefehlers.
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Der Widerstand 12 erfüllt also die gestellte Aufgabe der Kompensation
des beschriebenen Fehlers in weiten Grenzen.
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Auf Grund der Dimensionierung des Widerstand des 12, der nur einen
relativ niedrigen Ohmwert erhält, wirkt sich die Spannungsteilung zusammen mit dem
Widerstand 9 nur sehr wenig als Spannungsverminderung an den Zenerdioden selbst
aus, um die gleichzeitig durch die Anordnung der Zenerdioden
erzielte
Temperaturkompensation, die bereits weiter oben beschrieben wurde, nicht zu stören.