DE2350514A1

DE2350514A1 - Schaltungsanordnung zur anzeige von frequenzaenderungen einer wechselspannung

Info

Publication number: DE2350514A1
Application number: DE19732350514
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Franz
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 1973-10-09
Filing date: 1973-10-09
Publication date: 1975-04-30

Description

Endress & Hauser GmbH & Co.
7867 Maulburg
Hauptstraße 1

Schaltungsanordnung zur Anzeige von Frequenzänderuhgen einer Wechselspannung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Anzeige von Frequenzänderungen einer periodisch veränderlichen Spannung mit einer Gleichrichterschaltung für die Spannung und mit· einem mit der gleichgerichteten Spannung gespeisten Schwellendiskriminator mit einem Einschaltschwellenwert und einem Ausschaltschwellenwert,

Bei der Automatisierung von Fertigungsabläufen werden Schaltungsanordnungen benötigt, die Abweichungen einer · Meßgröße von einem bestimmten Sollwert anzeigen. In den meisten Fällen ist die Meßgröße dabei eine Wechselspannung, deren Frequenz die eigentliche Meßinformation darstellt. Wenn als Folge der Abweichung der Meßgröße von dem bestimmten Sollwert eine Änderung dieser Frequenz auftritt, dann soll die Schaltungsanordnung diese Abweichung anzeigen, indem sie beispielsweise einen Alarm auslöste Bei einer bekannten Schaltungsanordnung zur Anzeige von Frequenzänderungen einer Impulsspannung werden die von einem Meßwertgeber, '

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beispielsweise einem Drehzahlfühler kommenden Impulse zunächst in einem Impulsformer bezüglich der Impulsamplitude und der Impulsdauer normiert, worauf sie in einer Integrationsschaltung integriert werden. Am Ausgang dieser Integrationsschaltung wird eine Gleichspannung abgegeben, deren Größe der Folgefrequenz der integrierten Impulse proportional ist. Diese Gleichspannung wird dann an einen Schwellendiskriminator angelegt, der bei Über- oder Unterschreiten seiner Einschaltoder Ausschaltschwellenspannung ein Signal abgibt, das zur Auslösung eines Alarms verwendet werden kann.

Wenn mit einer derartigen Schaltungsanordnung eine große Empfindlichkeit auf Frequenzänderungen erreicht werden soll, dann muß die Ausgangsspannung der Integrationsschaltung sehr gut geglättet sein, damit die Ein- und Ausschaltschwellenwerte des Schwellendiskriminators eng beieinander liegen* können. Eine gute Glättung der Ausgangsspannung der Integrationsschaltung bedingt jedoch eine entsprechend große Zeitkonstante des für diesen Zweck verwendeten RC-Gliedes; d.h. bei ausreichender Glättung wird die Schaltungsanordnung auf Frequenzänderungen nur langsam ansprechen. Ferner ist die Restwelligkeit der Ausgangs spannung der Integrationsschaltung abhängig von der Größe der Ausgangsspannung. Dies bedeutet, daß der Kompromiß zwischen der Restwelligkeit der Ausgangsgleichspannung und der Empfindlichkeit der Schaltungsanordnung, die sich aus dem Abstand zwischen dem Ein- und Ausschaltschwellenwert des Schwellendiskriminators ergibt, .entweder auf Kosten der Empfindlichkeit oder auf Kosten der Ansprechgeschwindigkeit der Anordnung geht.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Schaltungsanordnung besteht darin, daß der Betrag der Restwelligkeit, die der am Ausgang der Integrationsschaltung auftretenden . Gleichspannung überlagert ist, stark von der Impulsfolgefrequenz der Eingangsimpulse abhängt. Damit die Schaltungsanordnung in einem großen Impulsfolgefrequenzbereich arbeiten

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kann, muß der Abstand zwischen dem Einschaltschwellenwert und dem Ausschaltschwellenwert des Schwellendiskriminators so eingestellt werden, daß die. größte, bei einer Sollimpulsfolgefrequenz auftretende ,Amplitude der Restwelligkeit noch nicht zur Auslösung eines Alarms führt. Dies bedeutet, daß die Schaltungsanordnung bei unterschiedlichen Sollimpulsfolgefrequenzen unterschiedliche Empfindlichkeiten aufweist, wobei die Anordnung bei niedrigen Eingangsimpulsfolgefrequenzen · empfindlicher auf Frequenzabweichungen anspricht als bei hohen Impulsfolgefrequenzen.

Der Erfindung liegt die Aufgäbe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs angegebenen Art derart aufzubauen, daß . · bei geringem Aufwand an elektrischen Bauelementen unabhängig von der Impulsfolgefrequenz eine gleichbleibende Empfindlichkeit und eine hohe Ansprechgeschwindigkeit erreicht werden.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Gleich-· richterschaltung derart aufgebaut ist, daß die ihrer Ausgangsspannung überlagerte Restwelligkeit einen konstanten Betrag hat, der kleiner als der Abstand zwischen dem Einschaltwert und dem Ausschaltwert des Schwellenwertdiskriminators ist.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird die Impuls- oder Wechselspannung, deren Frequenzänderung angezeigt werden soll, von der Gleichrichterschaltung so verarbeitet, daß eine Gleichspannung mit einer überlagerten Restwelligkeit entsteht, deren Betrag im wesentlichen konstant und somit unabhängig von der Frequenz der Eingangsspannung ist.

Wenn nun der Betrag der Restwelligkeit so eingestellt ist, daß er größer als der Abstand der beiden Schaltschwellenwerte des Schwellendiskriminators ist, dann wird die überlagerte

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ORIGINAL INSPECTED

Brummspannung bei der Gleichrichtung von Spannungen mit der Sollfrequenz höchstens einer der Schaltschwellenwerte des Schwellendiskriminators überschreiten. Zweckmässigerweise ist der überschrittene Schwellenwert derjenige, der die Alarmrückstellung auslöst. Das bedeutet, daß bei Empfang der Sollfrequenz kein Alarm ausgelöst wird. Bei Abweichungen von der Sollfrequenz ändert sich Jedoch der Mittelwert der gleichgerichteten Spannung, so daß die diesem Mittelwert überlagerte Brummspannung den anderen Schaltschwellenwert des Schwellendiskriminators überschreitet, was zur Auslösung eines Alarms ausgenutzt werden kann. Gleichzeitig wird auch der erste Schwellenwert des Diskriminators nicht mehr überschritten, so daß eine Alarmrückstellung erst dann wieder stattfindet, wenn wieder die Sollfrequenz empfangen wird. Da der Mittelwert der gleichgerichteten Spannung so eingestellt werden kann, daß die positiven oder negativen Abweichungen der Restwelligkeit vom Gleichspannungsmittelswert sehr dicht an jeweils einen der Schaltschwellenrate heranreichen, genügen bereits ehr geringe Verschiebungen des Gleichspannungsmittelwerts, daß eine Restwelligkeitsspitze einen Schaltachwellenwert überschreitet.

Da bei der erfindungs-gemäßen Schaltungsanordnung gerade die eine bei bekannten Schaltungen störende Restwelligkeit der gleichgerichteten Spannung beibehalten und zur Anzeige von Frequenzänderungen ausgenutzt wird, ist eine starke Glättung der gleichgerichteten Spannung nicht erforderlich, so daß die Schaltungsanordnung sehr schnell auf Frequenzänderungen ansprechen kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigen:

Fig.1 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen SchaltungsaDrdnung und

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Fig.2 ein Diagramm, in dem die Beziehung zwischen dem Eingangssignal der Schaltungsanordnung und dem Ausgangssignal der Gleichrichterschaltung zu erkennen ist.

Die in Fig.1 dargestellte Schaltungsanordnung zur Anzeige von Frequenzänderungen empfängt von einem Meßwertgeber 1 ein Eingangssignal E in Form von Impulsen, deren Folgefrequenz die Meßwertinformation darstellt. Der Ausgang des Meßwertgebers 1 ist mit der Basis eines Transistors T1 verbunden, dessen Emitter mit der positiven Klemme der Versorgungsspannung Ug verbunden ist, während sein Kollektor über einen Widerstand R1 mit Masse verbunden ist, an der auch die negative Klemme der Versorgungsspannung Ug liegt. Am Kollektor des Transistors T1 ist ein Kondensator C1 angeschlossen, dessen anderes Ende mit der Anode einer Diode D1 verbunden ist; die Katode dieser Diode D1 liegt an Masse. Der Kondensator C1 und die Anode der Diode D1 sind mit der Katode einer weiteren Diode D2 verbunden, deren Anode mit einer Seite einer Parallelschaltung aus einem Kondensator C2 und der Hintereinanderschaltung von zwei WiderständenR2 und R3 verbunden ist; die andere Seite dieser Parallelschaltung liegt an Masse.

Der Kondensator C1, die Dioden D1 und D2, der Kondensator C2 und der von der Hintereinanderschaltung der beiden Widerstände R2 und R3 gebildete Lastwiderstand bilden eine sogenannte D5.odenpumpe, die auch unter der Bezeichnung Villard-Schaltung mit Gleichspannungszusatz bekannt ist.

Der Ausgang der Diodenpumpe ist an einem Eingang 2 eines integrierten Schaltkreises 3 angeschlossen. Dieser integrierte Schaltkreis 3 weist einen weiteren Eingang 4 auf, der mit dem Verbindungspunkt von zwei zwischen der positiven Klemme der Versorgungsspannung und Masse in Serie geschalteten Widerständen R4

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und R5 und mit einem an seinem Ausgang 5 angeschlossenen Widerstand R6 verbunden ist. Der integrierte Schaltkreis 3 bildet zusammen mit den Widerständen R4, R5 und Rö einen Schwellendiskriminator mit einem oberen und einem unteren Schaltschwellenwert. Wenn das Ausgangssignal der Diodenpumpe den unteren Schwellenwert erreicht, wird ein Alarm ausgelöst,indem das Relais am Ausgang 5 des integrierten Schaltkreises seinen Schaltzustand ändert. Der Alarm wird solange aufrechterhalten, bis das Ausgangssignal der Diodenpumpe wieder den cberen Schwellenwert übersteigt.

Die vom Meßwertgeber kommenden Impulse steuern den Transistor T1 durch und laden den Kondensator C1 und den über die Diode D2 dazu in Serie geschalteten Kondensator C2 auf die Versorgungsspannung Ug auf. In den Impulspausen wird der Kondensator C1 über die Diode D1 und dem Widerstand R1 praktisch vollkommen wieder entladen. -Bei jedem ankommenden Impuls wird über den Kondensator C1 eine Ladungsmenge auf den Kondensator C2 gebracht, die von seiner Kapazität und von der Spannung, auf die er aufgeladen ist, abhängt.

Die der Spannung am'Lastwiderstand aus den Widerständen R2 und Rj5 überlagerte Restwelligkeit U_R ergibt sich aus der folgenden Gleichung:

^ÜR - ^UB S ί

d.h. also, daß bei konstanter Versorgungsspannung Ug die Restwelligkeit U_n nur vom Verhältnis der beiden Kapazitäten C1 und C2 abhängt, nicht jedoch vom Wert des veränderlichen Widerstandes R3. Dies gilt jedoch nur unter der Voraussetzung, daß die Aufladung der über die Diode D2 hintereinander geschalteten Kondensatoren C1 und C2 über den

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Transistor T1 in einer gegenüber der Zeitkonstante C2.R3 vernachlässigbar kleinen Zeit erfolgt und daß die Funktion der Diodenpumpe nur in einem sehr kleinen Bereich der Ein- und Ausschaltschwellenwerte des Schwellendiskriminators betrachtet wird· .

Eine Veränderung des einstellbaren Widerstandes R3 hat eine Verschiebung des Gleichspannung'smittelwerts der Ausgangsspannung der Diodenpumpe zur Folge. Wenn der Abstand der
Schwellenwerte des Schwellendiskriminators so gewählt wird, daß er größer als die Amplitude der Restwelligkeit U_R ist,
dann kann der Widerstand R3 so eingestellt werden, daß die
oberen Spitzen der der Grundgleichspannung überlagerten Restwelligkeit den oberen Schwellenwert bei Jedem Eingangsimpuls gerade- überschreiten, während die unteren Spitzen den
unteren Schwellenwert nicht erreichen, wenn die Eingangsimpulse mit der gewünschten Sollfolgefrequenz vom Meßwertgeber abgegeben werden. Wenn jedoch die Folgefrequenz
über ein unzulässiges Maß absinkt, dann sinkt der Mittelwert der von der Diodenpumpe abgegebenen Gleichspannung ab, und die unteren Spitzen der dieser Gleichspannung überlagerten Restwelligkeit sinken unter den unteren Schwellenwert ab, so daß der Schwellendiskriminator anspricht und
einSignal abgibt„ Dieses Signal hat zur Folge,daß das
Bielais 6 abfällt, und die von ihm gesteuerten-Kontakte einen Alarm auslösen. Sobald die Impulsfolgefrequenz, der vom Meßwertgeber abgegebenen Impulse wieder auf den Sollwert ansteigt, überschreiten die Spitzen der Restwelligkeit am Ausgang der Llodenpumpe wieder den oberen Schwellenwert des Schwellendisis riminators, so daß dieser wieder in seinen Ausgangszustand zurückkehrt, in dem an seinem Ausgang kein Signal zur Beeinflussung des Relais abgegeben wird. Wie zu erkennen ist, muß die Schaltung also nach dem Auslösen eines Alarms nicht von außeto her wieder in ihren Ausgangszustand zurückgestellt werden, wenn

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die Ursache für den Alarm nicht mehr vorliegt, sondern sie kehrt automatisch wieder in diesen Ausgangszustand zurück; sie ist also frei quittierbar.

Die eben beschriebene Schaltung zeigt an, wenn eine vom Meßwertgeber im Normalfall abzugebende Sollfolgefrquenz unterschritten wird. Durch eine entsprechende Einstellung des veränderlichen Widerstandes R3 kann jedoch auch erreicht werden, daß das dem Schwellendiskriminator nachgeschaltete Relais 6 beim Überschreiten der Sollfolgefrequenz seinen Schaltzustand ändert. In diesem Fall fällt das Relais zur Alarmerzeugung nicht ab, sondern es zieht an. Falls das umgekehrte Verhalten des Relais erreicht werden soll, müßte zwischen dem Ausgang 5 des Schwellendiskriminators und dem Relais 6 eine Invertierschaltung eingefügt werden. Es kann jedoch auch das gleiche Schaltverhalten des Relais wie in der oben beschriebenen Schaltung ohne Invertierschaltung am Ausgang des Schwellendiskriminators erreicht werden, wenn die Dioden D1und D2 und der Transistor T1 so umgepolt werden, daß am Ausgang der Diodenpumpe ein Signal mit umgekehrter Polarität erscheint.

Damit die Schaltung für einen großen Frequenzbereich eingesetzt werden kann, können die Kondensatoren C1 und C2 umschaltbar gemacht werden. Damit der Betrag der Restwelligkeit Ud dabei konstant bleibt, muß dafür gesorgt werden, daß das Kapazitätsverhältnis der beiden Kondensatoren C1 und C2 bei der Umschaltung unverändert bleibt. Wenn diese Bedingung eingehalten wird, bleibt die Empfindlichkeit des Geräts auch nach Umschalten der Kondensatoren unverändert."

Da bei der beschriebenen Schaltungsanordnung eine Restwelligkeit der Ausgangsspannung der Diodenpumpe beibehalten und ausgenützt wird, wird die bei bekannten Schaltungen erforderliche große Glättungskapazität nicht mehr benötigt. Daher kann

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das Ausgangssignal der Diodenpumpe Frequenzänderungen des Eingangssignals schnell nachfolgen, so daß große Ansprechgeschwindigkeiten erreicht werden.

Es hat sich gezeigt, daß eine Änderung der Größe der Versorgungsspannung IL, in weiten Grenzen keine wesentliche nachteilige Beeinflussung des Verhaltens der hier beschriebenen Schaltungsanordnung zur Folge hat. Eine Änderung der Versorgungsspannung U_ß hat zur Folge, daß die Amplituden der der Diodenpumpe zugeführten Impulse geändert werden. Gleichzeitig ändert sich jedoch dabei auch der Abstand der Ein- und Ausschaltschwellenwerte des Schwellendiskriminators 3 im gleichen Sinn, so daß die in Fig.2 dargestellten Beziehungen zwischen dem Abstand der Schwellenwerte und der Größe der Restwelligkeit gleich bleiben. Wegen dieses Verhaltens kann bei der hier beschriebenen Schaltungsanordnung auf eine Stabilisierung der Versorgungsspannung U_B verzichtet werden, ohne daß eine .Verschlechterung des Verhaltens in Kauf genommen werden muß.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

(1J Schaltungsanordnung zur Anzeige von Frequenz änderungen einer periodisch veränderlichen Spannung mit einer Gleichrichterschaltung für die Spannung und mit einem mit der gleichge-• richteten Spannung gespeisten Schwellendiskriminator mit einem Einschaltschwellenwert und einem Ausschaltschwellenwert, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichterschaltung derart aufgebaut ist, daß die ihrer Ausgangsspannung überlagerte Restwelligkeit einen konstanten Betrag hat, der. kleiner als der Abstand zwischen dem Einschaltwert und dem Ausschaltwert des Schwellenwertdiskriminators ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichterschaltung eine Diodenpumpe (Villardschaltung mit Gleichspannungszusatz) ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Lastwiderstandes (R2, R3) zur Änderung der Größe der von der Gleichrichter schaltung abgegebenen Gleichspannung einstellbar ist.
4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichterschaltung ein die Aufladung der Kondensatoren (C1, C2) steuernder Schalter (T1) vorgeschaltet ist, der derart dimensioniert ist,daß die Aufladezeitkonstante der Kondensatoren (C1,C2) vernachlässigbar gegen die vom Lastwiderstand (R2, R3) und dem dazu parallelen Kondensator (C2) bestimmte Entladezeitkonstante ist.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitäten der Kondensatoren (C1, C2) der Gleichrichterschaltung unter Beibehaltung des Kapazitätsverhältnisses veränderlich sind.

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