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Zeigerfrequenzmesser für Gleich- und Wechselstromimpulse Die Erfindung
betrifft eine Anordnung zur Messung der Frequenz von Gleich- und Wechselstromimpulsen
nach dem Prinzip der Kondensatorlademethode. Sie wird vorzugsweise zur Drehzahlmessung
von Otto-Motoren verwendet.
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Es sind bereits Meßanordnungen mit Impulstransformatoren zur Erzeugung
von Nadelimpulsen bekannt, bei denen ein gesättigter Eisenkern verwendet wird. Frequenzmesser,
die von der Frequenzproportionalität des Lade- oder Entladestromes eines Kondensators
Gebrauch machen, sind ebenfalls bekannt.
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Eine Kombination dieser bekannten Maßnahmen führt jedoch zu einer
starken Verfälschung des Meßergebnisses durch den Einfluß von Oberwellen, wie sie
speziell im Zündstromkreis eines Otto-Motors vorhanden sind. Es handelt sich hier
nämlich nicht um sinusförmige Schwingungen mit überlagerten Oberwellen, sondern
um eine Rechteckkurve mit sehr typischen Oberwellen. Eine derartige Zündstromkurve
darf aber durch einen angeschlossenen Frequenzmesser nicht in ihrem Oberwellengehalt
verändert werden, da für den einwandfreien Zündvorgang dieser von größter Wichtigkeit
ist.
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Der Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Meßanordnung
zu schaffen, bei der die Oberwellen von dem eigentlichen Meßkreis ferngehalten werden
bzw. bei der ihr Einfluß auf das Meßergebnis verhindert wird, ohne dabei den Verlauf
der Oberwellen selbst zu stören.
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Es wurde daher ein Zeigerfrequenzmesser für Gleich- und Wechselstromimpulse
entwickelt, der sich insbesondere zur Drehzahlmessung von Verbrennungskraftmaschinen
eignet und nach dem Prinzip der Kondensatorlademethode arbeitet und bei dem der
zu messende Impulsstrom einem Impulstransformator zugeführt wird. Parallel zur Transformatorsekundärseite
sind zwei entgegengesetzt in Reihe geschaltete Zenerdioden zur Stabilisierung angeschlossen.
Die sekundärseitig entstehenden nadelförmigen Impulse laden bzw. entladen abwechselnd
einen Meßkondensator. Danach durchfließen die Kondensatorströme einen Brückengleichrichter,
in dessen Diagonale parallel zueinander das Anzeigeinstrument, ein Dämpfungskondensator
und ein Abgleichwiderstand angeschlossen sind. Diese aus an sich bekannten Baugruppen
zusammengesetzte Meßschaltung ist erfindungsgemäß durch einen ebenfalls parallel
zum Transformatorausgang angeschlossenen Widerstand gekennzeichnet, der zur Verhinderung
von Meßwertverfälschungen durch gerade derartigen Impulsströmen meist anhaftende
hochfrequente Schwingungen so dimensioniert ist, daß die Zeitkonstante dieses
Widerstands
und des Meßkondensators r = R C und damit die Entladezeit über den Widerstand stets
kleiner ist als die Schwingungsdauer der zu verhindernden Resonanzschwingungen und
wobei gleichzeitig vermieden wird, daß der Entladestrom des Meßkondensators den
Transformator aus dem Bereich der Sättigung herausmagnetisiert.
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Die Anordnung weist bei einfachstem Aufwand eine Reihe von Vorzügen
auf: hohe Genauigkeit bei guter Zeitkonstanz, weite Temperaturunabhängigkeit, Unabhängigkeit
vom Stromflußwinkel bei pulsierendem Gleichstrom, Unabhängigkeit von Oberwellen
bzw. von der primären Kurvenform bei Wechselstrom und hohe Robustheit gegenüber
mechanischen Einflüssen. Dabei läßt sich das Gerät preiswert herstellen, und zwar
mit einer gedruckten Skala, da ja der Ausgangsstrom streng linear von der Frequenz
abhängt.
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Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung
näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt Fig. 1 die erfindungsgemäße Anordnung,
Fig. 2 die Stromimpulse in der Primärwicklung des Impulstransformators, F i g. 3
die Stromimpulse in der Sekundärwicklung des Impulstransformators.
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Die zu untersuchende Spannung wird an die Klemmen 1 und 2 des Impulstransformators
3 angeschlossen. Die in der Sekundärwicklung des Transformators auftretenden Spannungsimpulse
werden mit Hilfe der beiden gegeneinander geschalteten Zenerdioden 4 und 5, denen
der Widerstand 6 (im folgenden auch R 6 genannt) parallel liegt, stabilisiert und
dem Meßkondensator 7 zugeführt. Darauf folgt die Gleichrichterbrücke 8, in deren
Gleichstromausgang parallel zueinander der Dämpfungskondensator 9, der
Abgleichwiderstand
10 und das Drehspulmeßwerk 11 liegen.
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Die Funktion dieser Anordnung wird im wesentlichen von der Ausgestaltung
des Impulstransformators 3 bestimmt. Dieser hat nur wenige Primärwindungen, einen
kleinen Kernquerschnitt und damit eine geringe Induktivität, um den primären Meßkreis
möglichst wenig zu beeinflussen. Der Transformatorkern besteht dabei aus dünnwandigem
Blech von konstanter Permeabilität im Maguetisierungsbereich und niedriger Remanenz.
Durch die niedrige Remanenz ist der Flußänderungsbereich groß und durch die konstante
Permeabilität ist die Änderungsgeschwindigkeit d /d t und damit auch gleichzeitig
der sekundäre Spannungsanstieg weitgehend linear in Abhängigkeit vom Primärstromanstieg.
Dadurch ergeben sich gleichmäßige Auf- bzw, Entladegeschwindigkeiten des Kondensators
7, die in der Zeitkonstantenberechnung eine Rolle spielen. Ferner ergeben sich durch
die konstante Permeabilität auch konstante Induktivitäten der Primär- und Sekundärwicklungen
sowie eine einfache Beherrschung der Schwierigkeiten, die von eventuellen Resonanzen
herrühren könnten.
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Außerdem sind die Primäramperewindungen so gewählt, daß der Transformator
3 tief gesättigt ist. Hierdurch wird die Unabhängigkeit von zusätzlichen Oberwellen
und von der primären Kurvenform gewährleistet.
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Es ergibt sich, daß die Induktivität bei tief gesättigtem Kern nahezu
der bei Luft entspricht. Die Sekundärwindungszahl ist groß, demzufolge auch die
Induktivität relativ hoch, so daß eine Resonanzfrequenz verhältnismäßig niedrig
und praktisch stets im interessierenden Meßbereich liegt. Auf letzteres wird weiter
unten noch näher eingegangen.
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Die Zenerdioden 4 und 5 begrenzen in bekannter Weise die sekundärseitigen
Spannungsimpulse in ihrer Höhe und bedingen damit eine stets konstante Aufladung
der Kapazität 7 mit der Ladungsmenge Q = C U. Der Lade- bzw. Entladestrom wird in
der Graetz-Brücke 8 gleichgerichtet und kommt, geglättet durch die Kapazität 9,
am Meßwerk 11 zur Anzeige.
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Der Widerstand 10 dient dabei zum Abgleich des Meßwerkes. Der über
das Meßwerk fließende Strom ist proportional t C U. Da die Spannung und die Kapazität
C konstant gehalten werden, ist er also ein strenges Maß für die Frequenz f.
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Die genannten Zenerdioden dienen nicht nur zur Stabilisierung, sondern
haben bei der vorliegenden Erfindung noch zwei weitere wichtige Aufgaben zu erfüllen.
Einmal verhindern sie die Verfälschung des Meßergebnisses durch unerwünschte Oberwellen.
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Zum anderen werden die Zenerdioden zur Erzielung einer Temperaturunabhängigkeit
über einen sehr weiten Bereich so ausgewählt, daß der positive Temperaturgang der
Zenerspannung durch den negativen Temperaturgang des Spannungsabfalls in Durchlaßrichtung
weitgehend kompensiert wird.
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Eine sehr wichtige Funktion übt auch der Widerstand 6 erfindungsgemäß
dadurch aus, daß er Resonanzen zwischen der Induktivität der Sekundärwicklung des
Transformators 3 und dem Kondensator 7 im unteren Frequenzbereich verhindert. Wenn
nämlich die Zeitkonstante dieses Schwingkreises und ein ganzzahliges Vielfaches
oder ein Bruchteil des Kehrwertes der Impulsfolgefrequenz einander gleich sind,
kommt es zur Resonanz. In diesem Fall würde der Kondensator 7 mehrmals innerhalb
von zwei Impul-
sen aufgeladen und wieder entladen werden, wodurch der Meßwert verfälscht
werden würde. Da aber der Widerstand 6 parallel zur Sekundärwicklung liegt, verhindert
er eine derartige Resonanzbildung. Er ist nämlich so dimensioniert, daß die Zeitkonstante
z = R6 C7 bzw. die Entladezeit des Kondensators 7 über den Widerstand 6 stets kleiner
ist als die Schwingungsdauer der Resonanzschwingungen zwischen dem Kondensator 7
und der Induktivität der Transformatorsekundärwicklung. Mit anderen Worten: Durch
den Widerstand 6 werden Resonanzschwingungen über den ganzen Meßbereich verhindert,
und außerdem wird vermieden, daß der Entladestrom des Kondensators 7 den Transformator
aus der Sättigung herausmagnetisiert und dadurch den Änderungsbereich des Flusses
einschränkt.
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Durch eine entsprechende Wahl der Größe des Widerstandes 6 wird ferner
in Verbindung mit dem Impulstransformator eine weitere wichtige Funktion erfüllt,
die ersichtlich wird, wenn man die Extremfälle R6 = 0 und R6 = oo bei aufgezwungenem
pulsierendem Primärstrom betrachtet. Bei R6 = 0 würde sekundär ein Strom fließen,
der den Primärstrom während seiner Änderungszeit wie bei einem Stromwandler kompensiert.
Der auf die Primärseite transformierte Sekundärwiderstand wäre dann ebenfalls gleich
Null, der Primärkreis wäre also wie erwünscht wenig belastet. Eine praktische Bedeutung
hat dieser Fall aber nicht, da sekundär zur Speisung der Frequenzmeßschaltung ein
Spannungsimpuls erforderlich ist.
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Bei R6 = oo könnte sich dagegen sekundär kein Kompensationsstrom
ausbilden. Der Transformator würde für den pulsierenden Primärstrom eine eisengeschlossene
Drossel darstellen, also einen hohen und damit störenden induktiven Widerstand.
Da die Spannungszeitflächen der Spannung an den Primärklemmen positiv sind, wäre
der Kern im Idealfall stets gesättigt, d. h., er könnte sich nicht entregen.
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Damit bekäme man sekundärseitig lediglich eine Spannung, aber keinen
Strom für die Meßschaltung.
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Am Beispiel dieser beiden Extremfälle ist ersichtlich, daß die Größe
des Widerstandes 6, bezogen auf die Meßaufgabe, ein Optimum sein muß. Er wird also
gemäß der Erfindung auch so niedrig bzw. so hoch gewählt, daß der Spitzenwert des
Spannungsabfalles an ihm, und zwar ohne die nachfolgende Meßschaltung, bei Primärströmen
von der Rechteckkurvenform bis zur Sinusform gerade stets etwas größer als die Zenerspannung
ist. Damit wird einmal erreicht, daß der in dem Primärkreis transformierte Widerstand
möglichst niedrig bleibt und daß zweitens der gesamte Impulsfrequenzmesser von der
Flankensteilheit des Primärstromes unabhängig wird und daß er somit mit sinusförmigem
Wechselstrom geeicht werden kann.
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Die zu untersuchende Spannung, beispielsweise rechteckförmige Gleichstromimpulse,
wie sie in F i g. 2 dargestellt sind, werden, wie eingangs bereits erwähnt, dem
Impulstransformator 3 zugeführt. Der dadurch zustande kommende Primärstrom Ipr erzeugt
infolge der besonderen Arbeitsweise des Transformators 3 eine Impulswechselspannung
mit dem Sekundärstrom Isek entsprechend F i g. 3. Diese Impulswechselspannung wird
durch die Zenerdioden 4 und 5 begrenzt, was in der Zeichnung durch die gestrichelten
Linien angedeutet ist. Diese nunmehr vom Betrag der Eingangsspannung weitgehend
unabhängige
Zenerdiodenspannung, die in F i g. 3 stark ausgezogen
ist, bewirkt in der erfindungsgemäßen Anordnung eine kontinuierliche Anzeige der
Momentanfrequenz.