DE2630836C2 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur analogen Messung kleiner Frequenzänderungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur analogen Messung kleiner Frequenzänderungen, bei dem eine Wechselspannung mit einer einer Sollfrequenz gleichen oder annähernd gleichen Istfrequenz in Rechteckimpulse umgeformt wird, mit diesen Rechteckimpulsen ein Schwingkreis angeregt wird, dessen Eigenfrequenz nahe einem ganzzahligen Vielfachen der Sollfrequenz liegt, wobei eine dem Rechteckimpuls überlagerte Schwingung mit einer der Eigenfrequenz des Schwingkreises nahen Oberwelle der Impuls-Istfrequenz, deren Amplitude der Abweichung der Istfrequenz vor der Eigenfrequenz direkt proportional ist, auftritt und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist allgemein bekannt, kleine Abweichungen einer Istfrequenz von einer Sollfrequenz durch Abtastung der Steigung der Selektionskurve eines auf die Sollfrequenz abgestimmten Schwingkreises zu bestimmen und daraus Steuersignale zu gewinnen (Funkschau 1966, Heft i8, S. und Umschlagseite 1). Dieses für die automatische Scharfabstimmung von Rundfunkempfändern benutzte und hierfür durchaus brauchbare Verfahren ist für bestimmte andere Anwendungen nicht genau genug.

Bekannt ist ferner ein elektrischer Zeiger-Frequenzmesser für technische Netzfrequenzen mit kleinem Frequenzbereich (Nennfreqücnz = Mitte des Anzeigebereiches) mit Resonanzkreisen, deren mit der Frequenz sich ändernde elektrische Werte für die Anzeige ausgenutzt werden, bei dem die Resonanzkreise für Resonanzfrequenzen bemessen sind, welche dritten 5 Oberwellen des zu messenden Frequenzbereiches entsprechen (DT-AS 12 94 545).

Dieser bekannte Frequenzmesser arbeitet mit einem Resonanzkreis, dessen Resonanzfrequenz noch in der gleichen Größenordnung liegt wie die Meßfrequenz. Bei

ίο den für Drehzahlmessungen vorwiegend benutzten Frequenzen werden die Bauelemente des Resonanzkreises dementsprechend voluminös und schwer ausfallen. Bei Bauteilen dieser Art ist darüber hinaus ein genauer Abgleich auf bestimmte Resonanzfrequenzen schwierig. Wegen der vorgesehenen Anwendung für die Frequenzmessung von Starkstromnetzen wurde auf eine möglichst geringe Belastung der zu messenden Spannungsquelle kein Wert gelegt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein für Betriebsmessungen geeignetes Verfahren anzugeben, mit dem Drehzahl- oder Geschwindigkeitsabweichungen und von diesen abgeleitete Abweichungen einer Istfrequenz von einer Sollfrequenz mit möglichst geringem Aufwand hinreichend genau und zuverlässig gemessen werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein

Verfahren mit den Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht in einer

Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßer Verfahrens, die in den Merkmalen der Ansprüche 2 und 3 beschrieben ist

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß damit Geschwindigkeits-, Drehzahl- oder Frequenzabweichungen in der Größen-Ordnung von 2 χ ΙΟ"⁴ sicher und mit ausgezeichneter Langzeitkonstanz und geringem, der verlangten Meßgenauigkeit angepaßtem Aufwand gemessen werden können. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß sich trotz guter Meßempfindlichkeit eine sehr stabile Anzeige ergibt, die im Gegensatz zu vielen digitalen Frequenz-Meßverfahren eine Echtzeit-Anzeige darstellt.

Ein weiterer Vorteil gegenüber dem Stand der Technik besteht darin, daß die Erfindung an den üblicherweise hochohmigen Ausgängen berührungsloser Drehzahlmesser, beispielsweise an Fotozellen-Ausgängen verwendet werden kann. Das Volumen eines erfindungsgemäßen Meßgerätes ist bei Verwendung moderner Elektronik-Bauteile praktisch nur durch die

so Größe der zur sicheren Ablesung benötigten Instrumentenskala nach unten begrenzt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Die Erfindung geht von der im Lehrbuch von Meinke - Gundlach, zweite Auflage, auf den Seiten 1394 bis 1398 ausführlich beschriebenen Erscheinung aus, daß bei der Ansteuerung eines Schwingkreises oder eines Tiefpaßsystems mit einem Rechteckimpuls an Jen Flanken des Impulses eine mehr oder weniger starke

hü Laufzeitverzerrung auftritt, die sich graphisch oder auch auf dem Bildschirm als eine gedämpfte Sinusschwingung mit einer Frequenz, die einem ganzzahligen Mehrfachen der Impulsfrequenz entspricht, darstellen läßt. Wählt man die Eigen- oder Resonanzfrequenz des von

ι,-, Impulsen angesteuerten Schwingkreises so, daß beispielsweise die 32. Oberwelle der Impulssollfrequi-nz etwa in der Mitte einer der Flanken der Resonan/kurve des Schwingkreises liegt, so ergibt sich für die

Amplitude der entstehenden Schwingung, insbesondere für ihre erste Halbwelle ein linearer Zusammenhang mit der Abweichung der Impulsfrequenz von der Sollfrequenz.

In F i g. 1 sind die geschilderten Verhältnisse schematisch an einem Beispiel dargestellt Auf der X -Achse sind Frequenzen in einem willkürlich gewählten logarithmischen Maßstab eingetragen. Die Y-Achse stellt Spannungswerte ohne festgelegten Maßstab dar. Als Beispiel ist eine Impuls-Sollfrequenz i_/mp «,;; = 100 Hz eingezeichnet Die zu erwartenden Abweichungen tier Impulsfrequrnz betragen ± 1 Hz. Der Schwingkreis ist auf eine Resonanzfrequenz f«« =3300 Hz abgestimmt. Wird er mit einer Impulsfrequenz von 1000± I Hz angestoßen, so wird den Impulsen eine Schwingung mit der Frequenz ihrer 32. Oberwelle, also mit 3200 ±32 Hz überlagert, wie sie in Fig.2 bei 15 schematisch dargestellt sind. Die Amplitude dieser auftretenden Schwingung ist abhängig von ihrer Lage auf der dargestellten Resonanzkurve. Die Amplitude insbesondere der ersten Halbwelle eines jeden Schwingungszuges ist direkt proportional der Abweichung der Impulsfrequenz von der Sollfrequenz, solange die entstehenden Oberwellen in dem als gradlinig betrachteten Teil der Resonanzkurve liegen, Die Form der Resonanzkurve des Schwingkreises muß also an den gewünschten Meßbereich angepaßt werden, was durch die Bemessung der Schwingkreiselemente und insbesondere seiner Dämpfung unschwer möglich ist.

In F i g. 2 ist eine Schaltungsanordnung zur Durch führung des beschriebenen Meßverfahrens schema tisch dargestellt. Die an den einzelnen Punkten der Schaltungsanordnung erscheinenden Impulsformen sind eingezeichnet. Der Eingang der Schaltungsanordnung ist mit 1 bezeichnet. An ihm liegt eine Wechselspannung, deren Frequenzablage von einer Sollfrequenz bestimmt werden solL Im Beispiel sind mit 13 Impulse bezeichnet, wie sie beispielsweise von einer Fotozelle geliefert werden könnten. Sie werden in einer an sich bekannten Impuls-Formstufe 2, die beispielsweise durch einen übersteuerten Verstärker dargestellt werden kann, in Rechteckimpulse 14 umgeformt Mit den Impulsen 14 wird der Schwingkreis 3 angeregt, wodurch die mit 15 bezeichnete Impulsform entsteht In einem Differenzierglied 4 wird die entstandene Schwingung von den Rechteckimpulsen getrennt so daß ein Spannungsver-. lauf entsprechend 16 entsteht In einer Dioden-Klemmschaltung 5 wird die negative Hälfte der Schwingung abgetrennt so daß ein Spannungsverlauf entsprechend 17 entsteht In einem entsprechend bemessenen Verstärker 6 wird die erste positive Halbwelle 17a in invertierte Dreieckimpulse 18 umgewandelt In einem Integrierglied 17 werden die relativ spitzen Dreieckimpulsen 18 in fast aneinander anschließende Dreieckimpulse 19 verwandelt deren Amplitude 18a in einem Anzeigeverstärker 8, der im wesentlichen aus einem Impedanzwandler 9 und einem Gleichrichter 10 besteht, zur Anzeige aufbereitet An den Ausgang 11 des Anzeigeverstärkers 8 kann ein Anzeigeinstrument 52 und/oder eine Registriereinrichtung angeschlossen werden, die mit einer fast reinen Gleichspannung 21 gespeist wird. Sie beträgt beispielsweise bei einer Impulsfrequenz gleich der Sollfrequenz 5 V. Liegt die Impulsfrequenz in dem beschriebenen Beispiel um 1 Hz unter der Sollfrequenz ist die Gleichspannung etwa 0 V. Liegt die Impulsfrequenz 1 Hz über der Sollfrequenz, beträgt die Gleichspannung 10 V. Wird diese Ausgangsspannung auf einer 100-teiligen Skala dargestellt, so sind Frequenzabweichungen in der Größenordnung von 1 χ 10⁴ leicht abzulesen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur analogen Messung kleiner Frequenzänderungen, bei dem eine Wechselspannung mit einer einer Sollfrequenz gleichen oder annähernd gleichen Istfrequenz in Rechteckimpulse umgeformt wird, mit diesen Rechteckimpulsen ein Schwingkreis angeregt wird, dessen Eigenfrequenz nahe einem ganzzahligen Vielfachen der Sollfrequenz liegt, wobei eine dem Rechteckimpuls überlagerte Schwingung mit einer der Eigenfrequenz des Schwingkreises nahen Oberwelle der Impuls-Istfrequenz, deren Amplitude der Abweichung der Istfrequenz von der Eigenfrequenz direkt proportional ist, auftritt, dadurch gekennzeichnet, daß die überlagerte Schwingung (15) durch Differenzieren vom Rechteckimpuls getrennt wird daß aus der ersten Halb welle (Ua) der Schwingung (15/16) ein Dreieckimpuls (18) geformt wird und dessen der Abweichung der Istfrequenz von der Sollfrequenz proportionale Amplitude (18a,¹ gemessen und angezeigt wird.

2. Schaltungsanordnung zur analogen Messung kleiner Fequenzänderungen nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Laufrichtung des zu messenden Signals (13) c'.i impulsformer (2), ein Schwingkreis (3), ein Differenzglied (4), eine Klemmschaltung (5), ein Verstärker (6), ein Integrierglied mit Impulsformung (7) und ein Anzeigeverstärker (8) mit einem Anzeige- und/oder Registrierausgang (11) hintereinandergeschaltet wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Schwingkreis (3) ein Serienschwingkreis verwendet wird, der kapazitiv an den speisenden Impulsformer (2) und an das weiterverarbeitende Differenzierglied (4) angekoppelt ist.