DE19608277A1 - Schaltungsanordnung zur Frequenzmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Frequenzmessung an einem mehrphasigen Wechselstromnetz. Für solche Zwecke verfügbare handelsübliche Schaltungsanordnungen bilden ein umfangreiches Meßgerät, das sich nur für labor­ mäßige Messungen eignet. In der industriellen Technik kann demgegenüber die Aufgabe bestehen, vorhandene Geräte und Anlagen mit einem einfachen und preiswerten Gerät auszu­ rüsten, das vom Benutzer keinerlei Bedienungsschritte erfordert, sondern lediglich ständig oder auf Tastendruck die augenblicklich im zu überwachenden Netz bestehende Frequenz anzeigt. Es ist bereits bekannt, für derartige Zwecke elektromechanische Zungenfrequenzmesser einzusetzen. Diese haben die Gestalt eines Schalttafelinstrumentes und veran­ schaulichen dem Benutzer die augenblickliche Frequenz durch die Schwingungsbreite einer magnetisch angeregten Federzunge. Das Arbeitsprinzip dieser Zungenfrequenzmesser läßt es jedoch nicht zu, die Abmessungen auf ein erwünschtes wesentlich geringeres Maß zu verringern und eine direkte Anzeige als Zahlenwert zu ermöglichen (DE-Buch "Elektrische Messungen" von Werner Skirl, Walter De Gruyter-Verlag, 1936, Seiten 321 bis 325).

Gemäß der Erfindung wird eine elektronische Frequenzmessung mit der Möglichkeit einer digitalen Anzeige dadurch geschaffen, daß eine Schwellwertschaltung mit einer als Differenzsignal von zwei Phasen des Netzes gewonnenen Ein­ gangsspannung beaufschlagt ist und daß die Schwellwert­ schaltung zur Bildung einer der Frequenz proportionalen Folge von Rechteckimpulsen eine von der Amplitude der Eingangs­ spannung abhängige Hysterese aufweist.

Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß sie unempfindlich gegen überlagerte höher­ frequente Störungen ist und sich für einen großen Bereich von Eingangsspannungen und Frequenzen eignet.

Im Rahmen der Erfindung kann mit einem die Eingangsspannung bereitstellenden Operationsverstärker je eine für die positiven bzw. negativen Halbwellen der Eingangsspannung wirksame Ladeschaltung aus einer Diode, einem Widerstand und einem Kondensator verbunden und jeder Ladeschaltung ein Operationsverstärker zugeordnet sein, wobei jeder Operationsverstärker durch die Spannung an dem zugehörigen Kondensator sowie durch die Eingangsspannung gesteuert ist und zur Gewinnung einer von der Frequenz der Eingangsspannung abhängigen Folge von Rechteckssignalen eine aus zwei NAND- Gliedern gebildete Flipflop-Schaltung mit den Ausgängen der Operationsverstärker verbunden ist. Es genügen somit wenige und preiswert erhältliche Bauelemente zum Aufbau der Schaltungsanordnung nach der Erfindung, wobei es keine wesentliche Erschwernis darstellt, die Schaltungsanordnung zur Verwendung in einem Frequenzbereich von etwa 16 2/3 bis 400 Hz auszulegen. Damit werden alle in der Energietechnik üblicherweise vorkommenden Frequenzen der Versorgungsnetze erfaßt.

Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung eignet sich insbesondere zur Verwendung als Frequenzmesser in einem Niederspannungs-Leistungsschalter mit elektronischem Auslöser, wobei der elektronische Auslöser einen Mikro­ prozessor enthält und die von der Schaltungsanordnung abgegebenen Rechtecksignale dem Mikroprozessor zwecks Zählung und Ausgabe an einem Anzeigegerät zugeführt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Frequenz­ messung.

In den Fig. 2, 3, 4 und 5 sind die zeitlichen Verläufe der an unterschiedlichen Punkten der Schaltungsanordnung gemäß der Fig. 1 auftretenden Signale dargestellt.

Gemäß der Fig. 1 werden an die Klemmen K1 und K2 zwei der Phasen eines zu überwachenden Drehstromnetzes angelegt. Ein mit Widerständen beschalteter Operationsverstärker V1 arbeitet in bekannter Weise als Differenzbildner, so daß ein Differenzsignal der Spannungen an den Klemmen K1 und K2 zur Verfügung steht. Der positive Eingang des Operationsver­ stärkers V1 ist über einen Widerstand R1 mit einem Bezugs­ potential verbunden. Am Ausgang von V1 steht eine Eingangs­ spannung U mit einem beispielsweise der Fig. 2 entsprechen­ den Verlauf zur Verfügung. Über einen Widerstand R2 wird eine Schwellwertschaltung SW gesteuert. Zu dieser gehören zwei symmetrisch aufgebaute Ladeschaltungen, die für die positiven und die negativen Halbwellen der Eingangsspannung U wirksam sind. Dabei umfaßt die eine Ladeschaltung einen Widerstand R3, eine Diode V2 und einen Kondensator C1, während zu der weiteren Ladeschaltung ein Widerstand R4, eine Diode V3 und ein Kondensator C2 gehört. Beiden Ladeschaltungen ist ein Widerstand R2 vorgeschaltet.

Von der Bezugsspannung U1 am Kondensator C1 (Fig. 2) wird der positive Eingang eines Operationsverstärkers V4 gesteuert, während die Bezugsspannung U2 am Kondensator C2 dem negativen Eingang eines weiteren Operationsverstärkers V5 zugeführt wird. Die verbleibenden Eingänge (- von V4 und + von V5) liegen direkt an der Eingangsspannung U. Die sich hieraus ergebende Funktion wird noch näher anhand der Fig. 2 bis 5 erläutert. Zunächst wird weiterhin auf die Fig. 1 Bezug genommen, um weitere Einzelheiten der Schaltungsan­ ordnung zu erläutern. Vom Ausgang der operationsverstärker V4 und V5 werden NAND-Glieder V6 und V7 gesteuert, die eine Flipflop-Schaltung bilden. An jedem Ausgang jedes der NAND- Glieder V6 und V7 steht als Nutzsignal eine Folge von Rechteckimpulsen mit der Frequenz der Eingangsspannung U zur Verfügung. Im Prinzip ist es daher gleich, welcher Ausgang zur weiteren Verarbeitung herangezogen wird. In dem gezeigten Beispiel wird der Ausgang des NAND-Gliedes V7 benutzt, um über einen Anschlußpunkt K3 einem Leistungsschalter LS die Rechteckimpulse zuzuführen. In dem Leistungsschalter LS befindet sich ein elektronischer Auslöser EA, der einen Mikroprozessor µP enthält. Dieser steuert ein Schaltschloß zur Betätigung von schematisch gezeigten Schaltkontakten SK. Da der Mikroprozessor µP taktgesteuert ist und daher mit einer Zeitbasis ausgerüstet ist, stellt dies eine vorteilhafte Möglichkeit zur Verarbeitung der Folge von Rechteckimpulsen mit dem Ergebnis von Steuerbefehlen für eine Anzeigeeinheit AG dar. An dieser wird die jeweils vorliegende Frequenz der Eingangsspannung U als Zahlenwert, im gezeigten Beispiel 50 Hz, angezeigt.

Die Wirkungsweise der anhand der Fig. 1 beschriebenen Schaltungsanordnung wird nun anhand der Fig. 2, 3, 4 und 5 erläutert.

Die Fig. 2 zeigt dabei die etwa sinusförmige Spannung, die am Ausgang des Operationsverstärkers V1 in Fig. 1 auftritt und als Eingangsspannung U der Schwellwertschaltung SW zugeführt wird. Gleichfalls in der Fig. 2 sind die Bezugs­ spannungen U1 und U2 gezeigt, die als Ladespannung an den Kondensatoren C1 und C2 in der Fig. 1 auftreten. Die Ausgangsgröße des Operationsverstärkers V4 ist in der Fig. 3 dargestellt. Wie man erkennt, nimmt der Ausgang von V3 den Wert "0" an, wenn die Eingangsspannung U die Bezugsspannung U1 erreicht und springt auf den Wert "1" zurück, wenn U wieder unter U1 sinkt.

Ein entsprechendes Verhalten zeigt der Ausgang des Operationsverstärkers V5. Dieser springt auf "0", wenn U die negative Bezugsspannung U2 überschreitet und springt zurück auf "1", wenn U wieder geringer als U2 wird.

Die aus den NAND-Gliedern V6 und V7 bestehende Flipflop- Schaltung zeigt das in der Fig. 5 dargestellte Verhalten.

Betrachtet wird dabei der Ausgang des unteren NAND-Gliedes V7, der über den Schaltungspunkt K3 mit dem Leistungsschalter LS (Fig. 1) verbunden ist. Die Flipflop-Schaltung wird durch die abfallende Flanke am Ausgang von V4 (Fig. 3) auf "1" gesetzt und behält diesen Wert bei, bis an dem Operationsverstärker V5 gleichfalls eine abfallende Flanke auftritt (Fig. 4). Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch im Takt der Wechselspannung U. Damit steht an dem Schaltungs­ punkt K3 eine von der Amplitude der Spannung U unabhängige frequenzproportionale Impulsfolge zur Verfügung.

In der Fig. 2 ist zusätzlich gezeigt, daß der Spannung U ein Störimpuls US überlagert sein kann. Dies hat zur Folge, daß die Bezugsspannung U1 ein weiteres Mal über- und unter­ schritten wird. Dementsprechend erscheint am Ausgang von V4 eine weitere abfallende und ansteigende Flanke, wie dies die Fig. 3 zeigt. Auf den Impulsverlauf am Punkt K3 hat dies jedoch keine Auswirkung, weil die Störspannung US aufgrund der Hysterese den bereits gesetzten Ausgang der Flipflop- Schaltung V6, V7 nicht verändert. Damit bleibt die Stör­ spannung US ohne Einfluß auf die Messung der Frequenz.

Durch die selbsttätige Anpassung der Bezugsspannungen U1 und U2 an die Amplitude der Eingangsspannung U ist die beschriebene Schaltung in einem weiten Bereich von Eingangs­ spannungen verwendbar. Sie ist ferner unabhängig von Nulldurchgängen der Eingangsspannung und von deren Steilheit. Daher ist die beschriebene Schaltung für einen großen Bereich technischer Frequenzen geeignet, die sich von 16 2/3 Hz in den Versorgungsnetzen von Eisenbahnen über 50 bzw. 60 Hz in den Netzen der öffentlichen Versorgung bis zu 400 Hz in Flugzeugbordnetzen erstreckt.

Claims (3)

1. Schaltungsanordnung zur Frequenzmessung an einem mehrphasigen Wechselstromnetz, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schwellwertschaltung (SW) mit einer als Differenzsignal von zwei Phasen des Netzes gewonnenen Eingangsspannung (U) beaufschlagt ist und daß die Schwellwertschaltung (SW) zur Bildung einer der frequenzproportionalen Folge von Rechteckimpulsen eine von der Amplitude der Eingangsspannung (U) abhängige Hysterese aufweist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem die Eingangsspannung (U) bereitstellenden Operations­ verstärker (V1) je eine für die positiven bzw. negativen Halbwellen der Eingangsspannung (U) wirksame Ladeschaltung aus einer Diode (V2, V3), einem Widerstand (R3, R4) und einem Kondensator (C1, C2) verbunden und jeder Ladeschaltung ein Operationsverstärker (V4, V5) zugeordnet ist, wobei jeder Operationsverstärker (V4, V5) durch die Spannung an dem zugehörigen Kondensator (C2, C3) sowie durch die Eingangs­ spannung (U) gesteuert ist und zur Gewinnung einer von der Frequenz der Eingangsspannung (U) abhängigen Folge von Rechtecksignalen eine aus zwei NAND-Gliedern (V6, V7) gebildete Flipflop-Schaltung mit den Ausgängen der Operationsverstärker (V4, V5) verbunden ist.

3. Verwendung einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 zur Frequenzmessung in einem Niederspannungs-Leistungsschalter (LS) mit einem elektronischen Auslöser (EA), wobei der elektronische Auslöser (EA) einen Mikroprozessor (µP) enthält und die Rechtecksignale dem Mikroprozessor (µP) zwecks Zählung und Ausgabe an einem Anzeigegerät (AG) zugeführt werden.