DE1516208C - Anordnung zur Messung der Ab weichung einer Frequenz von einer Soll frequenz, vorzugsweise der Netzfre quenz - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der Abweichung einer Frequenz von einer Sollfrequenz, vorzugsweise der Netzfrequenz, wobei die Schwingungen einer Normalfrequenz während eines von der zu messenden Frequenz abgeleiteten Zeit-Intervalls gezählt werden.

Zur digitalen Frequenzmessung sind zwei Verfahren bekannt: Zählen der Schwingungen der zu messenden Frequenz während eines definierten Zeitintervalls (direkte Frequenzmessung) oder Erfassung der Periodendauer durch Zählung der Schwingungen einer konstanten Frequenz, die während der Periodendauer in einem Speicher eintreffen (Periodendauermessung). Beide Verfahren werden in der digitalen Meßtechnik in großem Umfange eingesetzt.

Es ist z. B. in der französischen Patentschrift 341 667 eine Anordnung zur Messung der Abweichung einer Frequenz von einer Sollfrequenz, vorzugsweise der Netzfrequenz, beschrieben, bei der die Schwingungen einer Normalfrequenz, die erheblich größer als die zu messende Frequenz ist, während eines von der zu messenden Frequenz abgeleiteten Zeitintervalls gezählt werden. Dabei ist ein Generator für die Normalfrequenz über ein Gatter jeweils nur Tür die Dauer einer oder mehrerer Perioden der zu messenden Frequenz mit einer Zählvorrichtung verbunden. Der Inhalt der niederwertigen Stufen der Zählvorrichtung wird dazu benutzt, über einen Digital-Analog-Wandler eine Anzeigeeinrichtung zu ste"uern. Die bekannte Anordnung liefert eine Anzeige, die in einem nichtlinearen Zusammenhang mit der zu messenden Frequenz steht, weil die Anzeige proportional einem Zählwert ist und der Zählwert umgekehrt proportional der Frequenz verläuft.

Weiter ist aus der deutschen Patentschrift 1 281 572 eine Anordnung zur Messung des Tastverhältnisses einer Wahlimpulsreihe der Fernsprechvermittlungstechnik, unter Verwendung von Zeitmarkengeneratoren und Speichereinrichtungen bekannt. Dabei werden die Zeitmarkenimpulse über von den Meßimpulsen gesteuerte Torschaltungen den Speichereinrichtungen zugeführt. Es wird zwischen einer ersten und einer zweiten Speichereinrichtung unterschieden, deren jeweils zugeordnete Torschaltung einerseits für die Dauer einer bestimmten gleich großen Anzahl von Impuls- und Pausenzeichen, andererseits lediglichwährend, der Impulszeiten der gleichen Meßimpulsserie geöffnet ist. Die Anzahl der während der- Öffnungszeiten der zugeordneten Torschaltungen "gespeicherten Zeitmarkenimpulse wird in proportionale Ausgangsströme otler^pannüngen umgesetzt und mit Hilfe eines anzeigenden Strom- oder Spannungsmessers nacheinander in der Weise gemessen, daß das Meßinstrument mit Hilfe eines Umschalters zunächst an den Ausgang der ersten Speichereinrichtung angeschaltet wird und mit Hilfe eines dem Instrument zugeordneten Einstellwiderstandes der Zeiger des Instruments auf Vollausschlag eingestellt wird und daß anschließend in der anderen Schalterstellung der sich dann ergebende Zeigerausschlag als Maß für das Tastverhältnis gewertet wird. Das Meßinstrument weist eine weitere Skalenteilung auf, die in Zeiteinheiten geeicht ist und kann bei fester Einstellung opv Einstellwiderstandes aufeinanderfolgend zuerst ;.»:> akerste Speichereinrichtung zur Anzeige der mittleren Periodendauer und dann an die zweite Speichereinrichtung zur Anzeige der mittleren Impulsdauer einer bekannten Anzahl η von Impulsen einer kurzzeitig andauernden Impulsserie angeschaltet werden. Bei dieser bekannten Anordnung treten keine Nichtlinearitäten auf, die von einer Umwandlung eines Zählwertes in eine Frequenz herrühren.

Der Erfindung lag dem Bekannten gegenüber die Aufgabe zugrunde, bei der Frequenzmessung mit einem wenig aufwendigen Zähler auszukommen und gleichzeitig den zwischen Zählwert und Frequenzanzeige bestehenden nichtlinearen Zusammenhang auszugleichen. Diese Aufgabenstellung ist den bekannten Anordnungen nicht zu entnehmen.

Die Lösung sieht bei einer Anordnung zur Messung der Abweichung einer Frequenz von einer Sollfrequenz, vorzugsweise der Netzfrequenz, bei der die Schwingungen einer Normalfrequenz, die erheblich größer als die zu messende Frequenz ist, während eines von der zu messenden Frequenz abgeleiteten Zeitintervall gezählt werden, wobei ein' Generator für die Norrnalfrequenz über ein Gatter jeweils nur für die Dauer einer oder mehrerer Perioden der zu messenden Frequenz mit einer Zählvorrichtung verbunden ist und der Inhalt der niederwertigeren Stufen der Zählvorrichtung über einen Digital-Analog-Wandler einer

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Anzeigeeinrichtung zugeführt ist gemäß der Erfindung vor, daß die Zählvorrichtung, unter Anwendung üblicher Vorkehrungen gegen überlaufen des Zählers, wie z. B. Voreinstellung, nur für den Bereich der zu messenden Frequenzabweichungen ausgelegt ist und daß zum Ausgleich der nichtlinearen Abhängigkeit der Frequenzdifferenz vom Zählwert der Digital-Analog-Wandler einen zur Anzeigeeinrichtung parallelen Widerstand enthält, dessen Leitwert dem Verhältnis von Normalfrequenz zur Sollfrequenz proportional ist.

Wie in der Beschreibung mit Hilfe der Gleichungen 1 bis 12 abgeleitet, wird mit dieser Maßnahme eine Linearisierung der Anzeige erreicht.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der Digital-Analog-Wandler aus entsprechend dem Zählwert wahlweise parallel zueinander schaltbaren Widerständen besteht, über die ein Meßinstrument aus einer konstanten Spannungsquelle gespeist wird. Eine Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die wahlweisezuschaltbaren Widerstände einen Zweig einer Brückenschaltung bilden, die aus einer konstanten Spannungsquelle gespeist wird und die für den Wert der Sollfrequenz abgeglichen ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend an Hand der Zeichnungen erläutert.

F i g. 1 zeigt eine Meßanordnung zur Messung der Abweichung einer Frequenz von einef Normalfrequenz, beispielsweise der Netzfrequenz;

F i g. 2 zeigt eine andere Ausführungsform des Digital-Analog-Wandlers.

In F i g. 1 ist mit 1 ein Generator zur Erzeugung der Normalfrequenz /_Q bezeichnet. Für diese Zwecke eignen sich bekannte, nur einen geringen Aufwand darstellende Quarzgeneratoren. Die Quelle für die zu messende Frequenz f_x ist mit 2 bezeichnet. Die Frequenz f_x sei beispielsweise eine Netzfrequenz, die auf Abweichungen von ihrem Sollwert 50 Hz mit der beschriebenen Anordnung überwacht werden soll.

Mit der Frequenz f_x wird eine Untersetzerschaltung 3 gesteuert, die beispielsweise durch einen Multivibrator gebildet wird, welcher das Gatter 4 derart steuert, daß dieses für die Dauer mehrerer Perioden der Frequenz J_x die Normalfrequenz f_Q der Zähleinrichtung 5 zuführt. Zur Auslösung eines Meßvorganges dient die Steuereinrichtung 6, die beispielsweise zur Handbetätigung eine Drucktaste besitzen kann, durch deren Betätigung die Untersetzerschaltung 3 eingeschaltet wird, wobei vorher zwangläufig sichergestellt wurde, daß die Zähleinrichtung 5 für einen neuen Zählvorgang vorbereitet ist. Die Steuereinrichtung 6 kann jedoch auch aus einem Taktgeber bestehen, der selbsttätig aufeinanderfolgende Meßvorgänge auslöst. Der Aufwand für die Zähleinrichtung 5 kann verhältnismäßig gering gehalten werden, da diese lediglich dem anzuzeigenden Bereich der Abweichung von der Sollfrequenz zugeordnete Werte zählen und nach außen zur Anzeige übertragen soll. Die Zähleinrichtung 5 kann daher in bekannter Weise mit einer Voreinstellung versehen sein; die entsprechenden Impulse zur Voreinstellung lassen sich aus der Steuereinrichtung 6 entnehmen. Die Zahl der von der Zähleinrichtung 5 jeweils gezählten Impulse steht in nichtlinearem Zusammenhang mit der Abweichung der Frequenz f_x von ihrem Sollwert, wie später noch gezeigt wird. Der von der Zähleinrichtung 5 gesteuerte Digital-Analog-Umsetzer 7 läßt sich derart bemessen, daß dieser nichtlineare Zusammenhang kompensiert wird. Der Digital-Analog-Umsetzer 7 enthält im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Anzeigegerät M, das aus einem Drehspulinstrument bestehen kann, welches aus einer Stromquelle konstanter Spannung U₀ gespeist wird. Der Innenwiderstand des Meßinstrumentes M ist mit R_M bezeichnet. Die Vorwiderstände des Meßinstrumentes M sind mit R₁, R₂, R_K bezeichnet und können durch Kontakte^, k₂, k₃, die von den Ausgängen der Zähleinrichtung 5 gesteuert werden, wahlweise zugeschaltet werden.

Die Wirkungsweise der Anordnung beruht auf folgenden Zusammenhängen:

Die Anzahl ρ der am Speicher 5 eintreffenden und zu zählenden Schwingungen beträgt

P =

Wie erwähnt, kann man durch entsprechende Auslegung der Voreinstellung des Speichers 5 erreichen, daß dieser nur für eine verhältnismäßig kleine, durch den Umfang der zu erfassenden Abweichung von der Sollfrequenz vorgegebene Anzahl von Impulsen Werte

an die Anzeigeeinrichtung weitergeben muß. Die An-

zahl Z dieser Werte ist ^-~r~

Z = ρ—■ p₀ .
Zweckmäßig wählt man p₀ nach

Po =

Dabei ist f_s der Wert der Sollfrequenz.
Aus den Gleichungen (1) bis (3) folgt

«■/β

Z =

fs ifs-fx)

¹ fx 'fs ■
Die Frequenzabweichung Af ist gegeben durch

*f = fx-fs- (6)

Somit ist

Z = -Af

Mfs

bzw.

= -fs

Wie ersichtlich, ist der Zusammenhang zwischen Z und Af nichtlinear. Diese Nichtlinearität läßt sich im Digital-Analog-Wandler kompensieren: Die Summe aller dem Zählwert des Zählers 5 entsprechenden eingeschalteten Leitwerte (Kehrwerte der Widerstände R) sei

Ii-

= aZ.

In dem in Fig. 1 dargestellten Wandler7 ist ebenfalls eine Nichtlinearität enthalten, deren Ursache der Widerstand R_M des Instrumentes M ist. Diese Nichtlinearität kann zur Kompensation des Lineari-

tätsfehlers zwischen Af und dem Zählwert Z ausgenutzt werden. Die Spannung U_M am Meßinstrument M ergibt sich aus ₁

(10)

IO

Vf - f ' ⁽¹¹⁾

^M Z -Js Js

so erhält man unter Heranziehung der Gleichung (8)

ti _ Af-U₀

	uM	1 ^z	TT	1	1	Rz	1	a/Q · η
		uo
	man nun	■fü-
Wählt	1		η

fs

(12)

Wie ersichtlich, ist die Genauigkeit der Messung nur abhängig von der Konstanz der Frequenz f_Q und der Spannung U₀ sowie der Genauigkeit der umschaltbaren Vorwiderstände .R₁, R₂, R^-

Das Minuszeichen in Gleichung (12) bedeutet, daß zunächst nur Minusabweichungen von der Sollfrequenz erfaßt werden können. Durch Aufbau des Wandlers in Form einer Brückenschaltung sind auch positive Werte meßbar.

F i g. 2 zeigt die Abwandlung des in F i g. 1 mit 7 bezeichneten Digital-Analog-Wandlers im Sinne einer Brückenschaltung. Die Widerstände^, R₂, R_K bilden zusammen mit dem Widerstand R_n zwei Brückenzweige, denen die Widerstände R_A und R_B als weitere Brückenzweige gegenüberstehen. An der Speisediagonalen der Brücke liegt die Konstantspannungsquelle U₀, in der Anzeigediagonalen das Meßinstrument M, dessen Innenwiderstand hier nicht berücksichtigt wird, da er das Meßergebnis nicht beeinflußt. Mit den beschriebenen Anordnungen sind Frequenzänderungen der Netzfrequenz mit einem Meßfehler in der Größenordnung von 1 MHz bei Meßzeiten von 100 bis 200 ms erfaßbar.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Messung der Abweichung einer Frequenz von einer Sollfrequenz, vorzugsweise der Netzfrequenz, bei der die Schwingungen einer Normalfrequenz, die erheblich größer als die zu messende Frequenz ist, während eines von der zu messenden Frequenz abgeleiteten Zeitintervalls gezählt werden, wobei ein Generator für die Normalfrequenz über ein Gatter jeweils nur für die Dauer einer oder mehrerer Perioden der zu messenden Frequenz mit einer Zählvorrichtung verbunden ist und der Inhalt der niederwertigeren Stufen der Zählvorrichtung über einen Digital-Analog-Wandler einer Anzeigevorrichtung zügeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zählvorrichtung (5), unter Anwendung üblicher Vorkehrungen gegen überlaufen des Zählers, wie z. B. Voreinstellung, nur für den Bereich (Z) der zu messenden Frequenzabweichung ausgelegt ist und daß zum Ausgleich der nichtlinearen Abhängigkeit der Frequenzdifferenz ( I/) vom Zählwert der Digital-Analog-Wandler (7) einen zur Anzeigeeinrichtung (M) parallelen Widerstand (Rm) enthält, dessen Leitwert dem Verhältnis von Normalfrequenz (f_Q) zur Sollfrequenz (fs) proportional ist.

2. Anordnung nach Anspruch h, dadurch, gekennzeichnet, daß der Digital-Analog-Wandler (7) aus entsprechend dem Zählwert wahlweise paral-IeI zueinander schaltbaren Widerständen (.R₁, R₁, R_K) besteht, über die ein Meßinstrument (M) aus einer konstanten Spannungsquelle (!T₀) gespeist wird.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wahlweise zuschaltbaren Widerstände (R₁, R₂, R_K) einen Zweig einer Brückenschaltung bilden, die aus einer konstanten Spannungsquelle (U₀) gespeist wird und die für den Wert der Sollfrequenz (/_s) abgeglichen ist.