DE1416630C - Verfahren zur Frequenzmessung und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Frequenz- ' messung und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung empfangsseitig bei der Fernübertragung von Meßwerten nach dem Frequenz-Variationsprinzip benutzbar. Gemäß diesem Prinzip werden bekanntlich insbesondere in der Fernmeßtechnik beliebige, durch elektrische Größen darstellbare Meßwerte, beispielsweise Wasserstands"meßwerte der Hydrographie, in analoge Frequenzwerte einer Ubertragungsschwingung umgewandelt und am Auswerte- bzw. Anzeigeort durch eine 'empfängerseitige¹ Frequenzmessung rückgewonnen. .. '· ■·' '*.i ''■■'" -' ' ■■■■'■

Übliche Frequenzmeßanordnungen zur empfängerseitigen Frequenzmessung bei Anwendung des Frequenz-Variationsprinzips arbeiten zum Teil nach der Kondensator-Umlademethode. " '

F i g. 1 zeigt das Schaltbild einer derartigen bekannten Frequenzmeßanordnung. An der Primärwicklung eines Transformators 1 liegt eine Wechsel-Spannung, deren Frequenz innerhalb des Ubertragungsfrequenzbandes/o ... /„ eine Funktion des Meßwertes ist. Diese Wechselspannung wird durch diese bekannte Anordnung in einen frequenzproportionalen Gleichstrom umgesetzt. Die an den beiden galvanisch voneinander getrennten Sekundärwicklungen 2 und 3 des Transformators 1 auftretenden Wechselspannungen öffnen und schließen hierzu zwei Transistoren 4 und 5 wechselweise mit jeder Halbwelle der Wechselspannung. Dadurch wird ein Ladekondensatpro in der einen Halbwelle durch den Transistors nahezu auf die volle Spannung einer Versorgungsspannungsquelle 7 aufgeladen und während der zeitlich nächsten ,:Halbwelle über ,den,.Transistor 4 ,.wieder, entladen, Da auf demgemäß Fi g. 1 vorgesehenen Instrumente eine der Meßfrequenz proportionale Anzeige in linear unterteiltem Maßstab erfolgen soll, sind zusätzlich zwei Widerstände 9 und 10 vorgesehen, wodurch ein Teil der am Widerstand 11 abgenommenen Spannung durch eine entsprechende Gegenspannung kompensiert wird. Der Meßstrom i im Instrument 8 hat den in F i g. 2. in Abhängigkeit yon.der Zeit ί dargestellten Verlauf,' wobei /₀ den Maximalwert'des Stromes, ' T die Periode der Meßfrequenz und τ die Zeit konstante der Kondensator-Widerstandskombination symbolisieren, die im wesentlichen aus dem Kondensator 6 und dem Widerstand 11 gebildet wird.

Ferner ist durch die deutsche Patentschrift 895 625 ein Verfahren zur Frequenzmessung bekannt, bei dem mit Hilfe einer von der zu messenden Frequenz;5° gesteuerten Kippschaltung Impulse konstanter Dauer und Amplitude (Einheitsimpulse) mit einer der Meßfrequenz entsprechenden Folgefrequenz erzeugt werden: 'Das" Integral dieser Impulse' ist dabei das Maß "" für die zu messende.Frequenz.-· ._ir.,_i(;..·.,, ,,··(.:·..■--·.>; .ij ί;55_:

Der impulsförmige Meßstrom wird in beiden Fällen durch die Eigenschaften der Zuleitungen des Meßinstruments — hauptsächlich infolge der Leitungs-·*!''¹ kapazitäten — nachteilig beeinflußt. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Meßinstrument, wie es in der Praxis oft gewünscht wird, vom Empfängerschrank, in dem die eigentliche Meßanordnung angeordnet ist, getrennt in einem Steuerpult eingebaut werden soll. ·

Die Temperaturstabilisierung bereitet überdies ernsthafte praktische Schwierigkeiten, da in den Anzeige- wert hauptsächlich sowohl die Temperaturabhängigkeit der Transistorenparameter als auch die des Ladekondensators eingehen. ,

Der Erfindung liegt im wesentlichen die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren, anzugeben, das eine sehr gcnaue'tylessung 'der. Abweichung der Meßfrequenz von einer Bezugsfrequenz ermöglicht, ohne daß zur Nullpunkteinstellung' besondere Kompensationsspannungen benötigt werden. Ferner soll das Verfahren die Anordnung des Anzeigeinstruments getrennt

' vom Meßgerät "ermöglichen, ohne daß aus den Kapazitäten der Zuleitungen zum Anzeigeinstrument eine Verfälschung des Mcßresultats resultiert.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung,

. die, von ..dem Meßverfahren nach der deutschen Patentschrift 895625 ausgeht, dadurch, daß über eine Phasenumkehrstufe zu der Reihe der Einheitsimpulse eine weitere Impulsreihe erzeugt wird, deren Impulse entgegengesetzt zu denen der Einheitsimpülsreihe gepolt sind und deren Impulslänge sich vom Ende eines Einheitsimpulses bis zum Anfang des: nachfolgenden Einheitsimpulses erstreckt, daß zwei Verstärkerkanäle, deren Verstärkercigcnschaften und Ruheausgangspotentiale übereinstimmen, vorgesehen sind, daß die Einheitsimpulsreihe dem einen und die weitere Impulsreihe dem anderen Kanal zugeführt wird und daß die Meßfrequenz aus der Differenz der Mittelwerte der beiden Impulsreihen bestimmt wird. Im folgenden seien Ausführungsbeispiele von Anordnungen zur Durchführung .des Verfahrens nach der Erfindung an Hand der F ig. 3 bis 6 im einzelnen beschrieben. . ^x ■:

In Fig. 3 ist das Schaltbild einer vorteilhaften Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung gezeigt. Diese Anordnung ist dreistufig ausgeführt und besteht aus einer Vorstufe, die im linken Teil neben einer gestrichelten Linie 12 gezeigt ; ist, aus einer Zwischenstufe, die zwischen der gestrichelten Linie 12 und einer weiteren gestrichelten Linie 13 dargestellt ist, und aus einer Endstufe, die' im rechten Teil, neben der gestrichelten Linie 13 gezeigt ist. ' '- :

In der Vorstufe ist als monostabile Kippschaltung ein transistorisierter Sperrschwinger zum Erzeugen amplituden- und zeitkonstanter, Impulse, .die im folgenden als Einheitsimpulse bezeichnet sind, dargestellt. Am Eingang 14 dieses Sperrschwingers liegt die Meßfrequenz, die zuvor durch eine nicht gezeigte, stark übersteuerte Verstärkerstufe in eine im wesentlichen rechteckförmige Kurve 15 verwandelt wurde, um die zur betriebssicheren Auslösung des Sperrschwingers nötigen steilen Flanken zu bekommen.

,Die Impulsdauer, des Sperrschwingers ist so gewählt, daß bei der untersten Meßfrequenz ein Tastverhältnis r —■ 0,5 entsteht. Der Grund für die Wahl dieses Tastverhältnisses wird weiter unten bei der Beschrei-"bürig der Endstufe näher erläutert.

.,j!Der,, gezeigte.-.Sperrschwinger; besitzt gegenüber üblichen Sperrschwingern die ,Vorteile einer hohen Temperaturstabilitatünd'eineV großen Betriebssicher-'heit auch'?bei Taätverhältnissen t > 0,5. Durch eine richtungsabhängigeiBedämpfung des Sperrschwingertransformators 16 mittels zweier aus Elementen 17 und 18 bzw. 19 bis 21 bestehenden Dämpfungswiderstände mit gegensinniger Richtungsabhängigkeit wird bei diesem Sperrschwinger erreicht, daß während der Impulspause die in der Induktivität seines Transformators gespeicherte Energie bis zum Beginn des nächsten Impulses vernichtet ist, anderenfalls die Impulszeit bei Änderung der Auslösefrequenz nicht konstant bleibt. Während der Impulsdauer ist jedoch

die Bcdämpfung so groß, daß eine sichere Auslösung ermöglicht ist. Die erwähnte hohe Temperaturstabilisierung wird dadurch erreicht, daß parallel zu dem Element 21 in dem aus den Elementen 19 bis 21 bestehenden richtungsabhängigen einen der 'zwei Dämpfungswiderstände ein Heißleiter 22 eingeschaltet ist. Die erwähnte große Betriebssicherheit auch bei großen Tastverhältnissen ergibt sich durch die gegensinnige Parallelschaltung des anderen der zwei richtungsabhängigen Dämpfungswiderslände, der aus den Elementen 17 und 18 besteht, zu dem einen der zwei Dämpfungswiderstände.

Um ein Freischwingeii des Sperrschwingers bei höheren Temperaturen, beispielsweise bei Temperaturen über 30 C, durch den ansteigenden Kollektor-Reststrom des mit 23 bezeichneten Sperrschwinger-Transistors zu verhindern, ist an den Emitter des ' Transistors 23 über einen Spannungsteiler aus drei Widerständen 24, 25 und 26 eine Sperrspannung von größenordnungsmäßig U = — 70 mV gelegt. Durch diese Sperrspannung.wird gleichzeitig die Störfestigkeit des Sperrschwingers gegen plötzliche Schwankungen seiner Versorgungsspannung und gegen andere äußere Störeinflüsse — beispielsweise gegen eingangsseitige Störimpulse, die zur Auslösung des Sperrschwingers führen können — erhöht. Selbstverständlich könnte man an Stelle der genannten Sperrspannung auch eine positive Sperrspannung an die Basis dieses Transistors legen.

Der Kern des mit 16 bezeichneten Sperrschwingertransformators besitzt vorteilhafterweise einen Luftspalt; dadurch kann die Induktivität und damit die Impulsdauer — beispielsweise mittels eines Abstimmkerns - leicht eingestellt werden. . ■

über einen Kondensator 27 wird jeder Sperrschwingerinipuls der Zwischenstufe zugeführt. Ein Kurvenzug 28 symbolisiert die Sperrschwinger-Ausgangsimpulse. '

Die Zwischenstufe besteht aus einer als sogenannte Katodynschaltung an sich bekannten transistorisierten Phasenumkehrstufe mit einem Transistor 29, zwei angenähert gleich großen Arbeitswiderständen 30 und 31 und einem aus zwei Widerständen 32 und 33 gebildeten Spannungsteiler zur Erzeugung der Basis-Vorspannung des Transistors 29. Selbstverständlich sind an dieser Stelle auch andere an sich bekannte Phasenumkehrschaltungen verwendbar, an deren zwei Ausgängen einander entgegengesetzt gepolte Impulse j abgenommen werden können.

Als Endstufe werden vorteilhafterweise wie im { gezeigten Ausführungsbeispiel zwei einstufige tran- ! sistorisierte Verstärkerkanäle mit Transistoren 34 und j 35 sowie Arbeitswiderständen 36 und 49 benutzt. Weiterhin vorgesehene Widerstände 37 und 38 dienen als Basis-Ableitwiderstände und gleichzeitig zur Vorspannungserzeugung in der Endstufe, über Kondensatoren 39 und 40 werden den Transistoren 34 bzw. 35 die durch Kurvenzüge 41 'und 42 symbolisierten angenähert rechteckförrhigen Ausgangsirfipülse der Zwischenstufe mit zueinander entgegengesetzter Polarität zugeführt. Da das Tastverhältnis, wie bereits oben erwähnt, bei der untersten Meßfreqiiehz f == 0,5 ist, schalten die beiden Transistoren 34 und 35 abwechselnd in gleichen Zeitabständen. '"-" ■-"

In F ig. 4 sind die Spannungsverläufe· 43 und44. wie sie in F i g. 3 an den Kollektoren der Transistoren 34 und 35 bereits angedeutet sind, in zeitlicher Abhängigkeit aufgetragen. Der oben gezeigte sinusförmige Kurvenzug 45 mit einer Periode T₄₅. symbolisiert hierbei die Meßfrequenz, während in der Mitte der Fi g. 4 die Spannung 43 am Kollektor des Transistors 34 und unten'die Spannung 44 am Kollektor des Transistors 35 jeweils in-Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen sind. Wie aus F ig. 4 ersichtlich ist. sind infolge des Tastverhältnisses von f = 0.5. die Spannungsmittelwerte ih₄, Und Hi₄₄ Für die Spannungen 43 und 44 an den beiden Kollektoren einander

ίο gleich. Erhöht man jedoch die Meßfrequenz, beispielsweise auf die in F i g. 5 durch einen sinusförmigen Kurvenzug 46 symbolisierte gezeigte Frequenz, so ergibt sich wegen der gleichbleibenden Dauer der Einheitsimpulse aus dem Sperrschwinger und der nunmehr im Vergleich zur Periode T₄₅ kleineren Periode T₄₁; der Meßfrequenz ein * > 0,5, wodurch der in F i g. 5 mit W_x, bezeichnete Mittelwert 'der Spannung am Kollektor des Transistors 34 größer als der in F ig. 4 gezeigte Mittelwert Hi₄₃ wird, während der in Fig. 5 mit m_41i bezeichnete Mittelwert der Spannung 48 am Kollektor des Transistors 35 gegenüber dem in F i g. 4 gezeigten Wert /Ji₄₄ kleiner wird. Bestimmt man mit einem mittelwertanzeigenden Meßinstrument die Differenz der Mittelwerte der Kollektorspannungen der Transistoren 34 und 35, so ist infolge der Abhängigkeit des Tastverhältnisses von der Meßfrequenz die Anzeige des Meßinstrumentes charakteristisch für die Meßfrequenz. - ^?
Demzufolge ergibt sich unter den Verhältnissen nach F i g. 4 bei einer Meßfrequenz 45 mit-'der Periode T₄₅ und im Betrag gleichen Spannungsmittelwerten m₄₃ und BJ₄₄ an den Kollektoren der Transistoren 34 und 35 am Instrument 53 der Anfangswert Null, während unter den Verhältnissen nach F i g. 5 bei der Meßfrequenz 46 mit der Periode "J₄₆ ein für diese Frequenz charakteristischer Wert angezeigt wird, der in seiner -Größe so bemessen sein kann,

■ daß beispielsweise bei einer Meßfrequenzänderung um +10" o, ausgehend von der Grundfrequenz^45, das Meßinstrument von Null bis zum Maximalwert ausschlägt. Die Einstellung des Nullpunktes -kann durch Ändern der Impulsbreite' des Einheitsimpulsqs erreicht werden,¹ grob durch den Abstimmkern des Transformators 16, fein durch den Regler 26: Die Maximalwerteinstellung erfolgt durch einen nicht gezeigten Vorwiderstand oder Parallelwiderstand zum Instrument 53. Wünscht man die Feineinstellung durch den Regler 26 in der ^Schaltung n^:hvF^:i"|3§ über lange Zuleitungen,: beispielsweise VOm'^!Steüeirpult aus, durchzuführen^ so ist es "ZWecKniSBr^Heh

Regler 26durch^^ drien Festwiderstarid ^vzu'^s:etset'zQn

und über die kaum "störanfällige ''Zuiatürig" einen

Regelwiderstand parallel zu schalten:'"'-'■''"■■': '*\ ~^r' ^L Zum besseren Verständnis der Wirkungsweise der nach Art eines Differenzverstärkers arbeitenden Endstufe sei an Hand der F i g. 6 das Ersatzschaltbild derselben naher'erläutert.'"y TVS-;^.-"-.-,■■.

Betrachtet; man⁵ die Transistoren"34 Wnd*35 als ideale Schalter 56 und157 und symbolisieren 54 ühd 55 die Impedanzen der Drosseln zwiVche'n^dern instrument mit seinem Inneriwiderstanä 53',UnO den Kollektoren der ,Transistoren ,34 und! 35_; nach F ig.;3, so liegt im Falle f = 0,i> gemäß F i g. 4 über dein Schalter 56 die Augenblicksspannung 43 und über dem Schaltep 57 die'Augenblicksspannung 44. Da die Impedanzen 54 und 55 wegen ihrer hohen induktiven Komponenten nur gleichstromdurchlässig sind, fließt durch den Instrumenten-Innenwiderstand 53 ein

Claims (12)

1. StiOni. tier von der Differenz der minieren Gleichspanhungspotcntialc/H₄₃ ; und Hi₊₄.-bestimmt wird. Analoges gilt selbstverständlich unter den in F i g. 5 gezeigten: Verhältnissen. Allgemein ist die Größe des Gleichstromes : bestimmt durch die folgende Gleichung:' ■·.: ^a- , ' ■ ·.·■..·.■·"..-.· .'

   R₁ + R, - /(I -f)

   R₁ +

   Hierbei bedeutet R₁ die Größe der Widerstände 36 und 49. die untereinander gleich angenommen wurden, und R₂ die Größe der Gleichstrom«idcrstandsantcile (reellen Anteile) der Impedanzen 54 und 55 in Reihe mit dem Instrumentcn-Ihnenwiderstand 53.

   In einem praktischen Beispiel sei t- = 0.55. R₁ = 3(X) [il], R, = 5(X) [U] und die Batteriespannung U = — 12 [V] angenommen. Dann ergibt sich ein Meßstrom von / = 1,55 [mA]. Da ein t- = 0.55. ausgehend von einem Tastverhältnis für die Grund-McßfrequenzJi, von t = 0,50 einer Frequenzänderung zur Frequenz /„ von 10",, entspricht, was beim Frequenz-Variationsverfahren dem üblichen maximal gewünschten Frequenzbereich entspricht, kann man in diesem Fall somit ein preiswertes Drehspulinstrument mit einem Endausschlag von etwa 1.55 (mA·] verwenden.

   Der Meßstrom / ist gemäß obiger Gleichung eine Funktion des Tastverhältnisses >.

   Wie jedoch durchgeführte Untersuchungen ergeben haben, ist die hierdurch bedingte Linearitätsabweichung bei der Anzeige praktisch bedeutungslos, da sie beispielsweise im betrachteten Beispiel mit f = 0.55. R₁=S(X)[Ii], R₂ = 5(X) [Ω] nur -0.1°,, beträgt. Je größer. der Widerstand des Meßkreises und je kleiner die Arbeitswiderstände der Differenzverstärkerstufe gewählt werden, desto kleiner wird die Linearitätsabweichung. ■.■'..

   _; J Die Kondensatoren 50 und 51 nach F i g. 3 dienen .lediglich der Entstörung, insbesondere bei langen Ubertragungswegen zwischen den Drosseln und dem Meßinstrument. Es ist vorteilhaft, bei gleichsinnigem Wicklungssinn beide Drosseln 54 und 55 in an sich bekannter Weise auf einem gemeinsamen Kern zu wickeln.da sich in diesem Fall die effektive Induktivität jeder einzelnen der zwei Drosseln aus der Summe der Induktivitäten beider Drosseln ergibt. Der Kondensator 52 dient als Siebkondensator für die Versorgungsspannungsqucllc. Da zwischen Meßinstrument und Drosseln lediglich Gleichspannungen übertragen werden, tritt eine Verfälschung des Meßwertes auch bei langen Ubertragungswcgen nicht auf.

   ".'',■: ],'..·:■ Z;.·'.·. Patentansprüche:

   I:'Verfahren zur Frequenzmessung, bei dem i mit Hilfe einer von der zu messenden Frequenz ^.gesteuerten Kippschaltung Impulse konstanter

   Dauer und Amplitude (Einheitsimpulsel mit einer <w '. der Meßfrequenz entsprechenden Folgefrequenz 'erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß über eine Phasenumkehrstufe zu der Reihe der Einhcitsimpulse eine weitere Impulsreihe erzeugt wird, deren Impulse entgegengesetzt zu denen der Einheilsimpulsreihe gcpolt sind und deren Impulslänge sich vom Ende eines Einheitsimpulses bis zum Anfang des nachfolgenden Einheitsimpulses erstreckt, daß zwei Verstärkerkanäle, deren Verstärkereigenschaften und Ruhcausgangspotcntiale übereinstimmen, vorgesehen sind, daß die Einheitsimpulsreihe dem einen und die weitere Impulsreihe dem anderen Kanal zugeführt wird und.daß die Meßfrcquehz aus der Differenz der Mittelwerte der beiden Impulsreihen bestimmt wird.
2. 2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf der Empfangsseitc bei der Fernübertragung von Meßwerten nach dem Frequenz-Variationsprinzip.
3. 3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet. daß zum Erzeugen der Einhcitsimpulse ein transistorisierter Sperrschwinger (14 bis 26) vorgesehen ist.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Sperrschwingertransformator (16) ein richtungsabhängiger Bedämpfungswiderstand (19 bis 21) parallel geschaltet ist.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Sperrschwingertransformator (16) zwei gegensinnig richtungsabhängige Bedämpfungswiderstände (17. 18 bzw. 19 bis 21) parallel geschaltet sind.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5. dadurch gekennzeichnet, daß iii Serie, /u mindestens einem der Bedämpfungswiderstände ein Heißleiter (22) vorgesehen ist.
7. 7.' Anordnung nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Regelung der Induktivität des Sperrsehwingertransformators. (16) vorgesehen sind. ■·.-·■.:'
8. 8. Anordnung nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß in dem vom Kollektorstrom des .Sperrschwingertransistors durchftossenen Strompfad ein Regehviderstand (26) zur Feineinstellung der Impulsdauer vorgesehen ist.
9. 9. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß als Phasenumkehrstufe eine sogenannte-KuUv dxnschaltung (29 bis 31) vorgesehen ist. die eine Verstärkerstufe mit zwei annähernd gleich großen Arbeitswiderständen im Ausgangsstromkreis ist. über denen zwei gleich große, aber entgegengesetzt gepolte Ausgangsspannungen abgreifbar sind. .
10. 10. Anordnungzur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch I oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß zum Bestimmen der Differenz der Mittelwerte ein miltclwertunzeigendes Meßinstrument (53) vorgesehen ist. . ':··'·
11. 11. Anordnung nach Anspruch 10. dadurch gekennzeichnet, daß dem Meßinstrument Drosseln vorgeschaltet sind,
12. 12. Anordnung nach Anspruch 1K dadurch gekennzeichnet, daß die Drosseln auf. einem gemeinsamen Kern ungeordnet sind.

    Hierzu 2 Blatt Zeichnungen