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Einrichtung zur Frequenzmessung bzw. frequenzabhängigen Regelung,
insbesondere für niederfrequenten Wechselstrom, bei der die Spannung der zu messenden
Frequenz über einen schwach gedämpften, in der Nähe des Resonanzpunktes arbeitenden
Schwingkreis der Primärwicklung eines Transformators zugeführt wird, der zwei Sekundärwicklungen
in solcher Schaltung besitzt, daß ein Ende jeder Sekundärwicklung mit dem Gitter,
das andere Ende mit der Kathode je eines Rohres verbunden ist Es ist ein Frequenzrelais
mit Gleichrichter bekannt, bei dem die Wechselspannung der zu prüfenden Frequenz
über einen Schwingkreis und einen mit einer Mittelanzapfung der Sekundärwicklung
versehenen Transformater an Kathode und Gitter zweier Röhren gelegt wird. Die Kathoden
der beiden Röhren sind an diese Anzapfung gelegt, und im Anodenstromkreis jedes
Rohres liegt ein Gleichstrominstrument. Hat die Frequenz den normalein Wert, auf
den der Schwingkreis abgestimmt ist, so sind die beiden Anodenströme, die durch
die Gleichstrominstrumente gemessen werden, gleich groß. Wegen der Ventilwirkung
der Röhren kann nur während der positiven Halbperiode Strom fließen, so daß sich
einzelne Stromstöße ergeben. Wenn nun die Frequenz des Wechselstromes gegenüber
der Eigenfrequenz des Schwingkreises verstimmt wird, so nähert sich die Phase des
einen Gitters der Phase seiner Anode, so daß die resultierende Spannung bei ihm
größer wird, während beim anderen Gitter das Umgekehrte der Fall ist. Die Folge
davon ist, daß der Gleichstrom in dem einen Instrument steigt, in dem anderen Instrument
fällt. Der Strom über die gemeinsame I(a-Anode bleibt jedoch unverändert. Denkt
man sich nun an Stelle der Gleichstrominstrumente zwei Spulen eines Relais in Differentialschaltung
z.B. eines polarisierten Relais, so wird auf die Relaiszunge bei Resonanz keime
einseitig wirkende Kraft ausgeübt. Zwar sind die Gleichstromstöße, die die beiden
Spulen erhalten nicht in Phase, aber ihr Integral ist Null. Ist nun die Zunge so
träge, daß sie den einzelnen Stromstößen nicht folgen kann. so bleibt sie in Ruhe.
Bei Verstimmung der Wechselstromfrequenz hingegen hebeln sich die Stromintegrale
nicht mehr auf, und es entsteht eine einseitige Wirkung auf den Relaisanker, sa
daß er sich nach der einen oder anderen Seite bewegt entsprechend der Richtung,
nach welcher die Verstimmung eintrat.
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Während also in dem ersterwähnten Fall bei der bekannten Einrichtung
eine direkte Ablesung der Größe der Frequenzabweichung nicht möglich ist. so ist
auch in dem letzterell Falle eine größenrichtige Regelung unter Verwendung eines
Differentialrelais nicht möglich, da dieses Relais nur die Ausschlagsrichtung. nicht
aber die Größe des Ausschlags wiedergibt.
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Diese Nachteile sind beim Gegenstand der Erfindung vermieden. Es
handelt sich hier um eine Einrichtung zur Frequenzmessung bzw. frequenzabhängigen
Regelung, insbesondere für niederfrequenten Wechselstrom. bei der die Spannung der
zu messenden Frequenz über einen schwach gedämpften, in der Nähe des Resonanzpunktes
arbeitenden Schwingkreis der Primärwicklung eines Transformators zugeführt wird.
der zwei Sekundärwicklungen in solcher Schaltung besitzt, daß ein Ende jeder Sekundärwicklung
mit dem Gitter, das andere Ende mit der Kathode je eines Rohres verbunden ist. Die
Schaltung ist hierbei eitindungsgemäß so getroffen, daß die Kathode des einen Rohres
unmittelbar mit der Anode des anderen Rohres leitend verbunden ist und von dem Punkt
des Zusammenschlusses eine Leitung zum Mittelpunkt der Sekundärwicklung eines weiteren
mit der Netzspannung direkt gespeisten Transformators führt, deren Endpunkte mit
der Kathode des einen bzw. mit der Anode des anderen Rohres verbunden sind, so daß
die Mittelleitung den gemeinsamen Teil der beiden Anodenstromkreise bildet, in der
die Differenz der beiden Anodenströme lließt und ein die Frequenzabweichung feststellendes
Gerät beeinflußt. In dieser Mittelleitung befindet sich zweckmäßig ein registrierendes
Gerät, weil dadurch jederzeit die Größe der Frequenzabweichung auch nachträglich
feststellbar ist, und gegebenenfalls ein Amperestundenzähler. Mit dieser Einrichtung
ist eine einwandfreie unmittelbare Ablesung der Größe der Frequenzabweichung ohne
weiteres möglich, und es kann der Strom in der Mittelleistung auch unmittelbar zur
Regelung benutzt werden. Darüber hinaus hat man die Möglichkeit, mittels des in
der Mittelleitung vorhandenen Amperestundenzählers festzustellen, ob, über längere
Zeiträume geselien, ein Zeitfehier vorliegt, und man kann infolgedessen von diesem
Gerät außer der Regelung des Augenblickswertes der Frequenz auch noch eine Frequenzintegralregelung
abhängig machen.
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In der Abb. I ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
dargestellt. An Hand der Abb. 2 bis 4 wird die Wirkungsweise der Einrichtung erläutert.
Zur Speisung des Gerätes nach Abb. 1 dient die Wechselspannmlg von der zu messenden
Frequenz.
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Diese Spannung beträgt bei dem Ausführungsbeispiel 220 Volt, es kann
aber bei Verwendung geeigneter Transformatoren jede andere Spannung angelegt werden.
Aus Gründen der cinfacheren Darstellung sind die Klemmen, an die die Spannung angelegt
wird. je in zwei Anschlußpunkte, links und rechts in der Abb. In aufgeteilt. Die
angelegte Spannung wird über einen Transformator T1 zunächst einem schwach gedämpften
Schwingungskreis S' zugeleitet. An diesen aus zität und Induktivität bestehenden
Schwingungskreis ist ein weiterer Transformator 7, angeschlossen, der zwei voneinander
getrennte Sekundärwicklungen entgegengesetzten Wicklungssinnes aufweist. Das eine
Ende jeder Sekundärwicklung ist über einen Widerstand ll'l bzw. W2 an das Gitter
einer der beide@ Röhren E1 bzw. E, angeschlossen. Das andere Ende jeder 5 ekundärwicklung
ist mit der Kathode der zugehörigen Röhre verbunden. Beide Röhren sind in Reihe
geschaltet. Der gemeinsame Anodenstromkreis schließt sich über di Sekundärwicklung
eines Transformators Te, an dessen Primärwicklung ebenfalls die Spannung der zu
messenden Frequenz angelegt ist. Die Sekundärwicklung dieses Transformators ist
mit einer Mittelanzapfung versehen. von wo aus eine Leitungsverbindung zu dem Punkt
des Zusammenschlusses der beiden Röh reine, und E. führt. In dieser Mittelleitung
ist ein vorzugsweise registrieren des Meßgerät kl sowie ein Amperestundenzähler
Ah eingeschaltet.
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Das Diagramm Abb. 2 zeigt in wie starkem Maße der Strom im Mittelzweig
von der Frequenzabweichung abhängt. Es ändert sich nämlich mit der Frequenz der
Phasenwinkel zwischen der Netzspannung und der Spannung, die hinter dem Schwingkreis
abgegriffen wird. Nimmt man an. daß der Netzspannungsvektor horizontal liegt, so
kommt bei der Frequenz 50 der Vektor der Spannung hinter dem Schwingkreis damit
zur Deckung.
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Der letztere erfährt bei abweichender Frequenz eine Drehung und nimmt
dabci die bei den eingetragenen Frequenzwerten ersichtlichen Lagen ein. Seine Spitze
wandert auf einem über dem Netzspannungsvektor als Durchmesser geschlagenen Kreis.
Der Winkel, den ein solcher Vektor mit der Horizontalen jeweils einschließt. ist
ein Maß für die Phasendrehung der Spannung hinter dem Schwingkreis. Die Tangente
dieses Winkels kami auf einer durch den rechten Endpunkt des Netzspannungsvektors
gezogenen vertikalen Linie unmittelbar abgegriffen und abgelesen werden. Aus der
Größe der sich hier ergebenden Strecken ist ersichtlich, daß schon bei geringer
Frequenzabweichung verhältnismäßig
große Phasenabweichungen auf
treten und die Ausbildung eines entsprechenden Gleichstromes zur Folge haben.
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Abb. 3 stellt den Vorgang dar für den Fall, daß die zu messende Frequenz
den gewünschten Wert hat. In dieser Abbildung sind mit UA die Anodenspannung und
mit Ugj, und Ug2 die Gitterspannungen der beiden Röhren bezeichnet. Maßgeblichfür
die Messung bzw. die.
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Stärke des gemessenen Anodenstromes ist die Phasenverschiebung zwischen
der Anodenspannung einerseits und den beiden Gitterspannungen andererseits. Bleide
Gitterspannungen gehen gleichzeitig durch Null, ändern aber ihr Vorzeichen wegen
der gewählten Schaltung stets in entgegengesetztem Sinn. Zwischen dem Zeitpunkt
des Nulldurchganges der Anodenspannung UA und dem Nulldurchang der beiden Gitterspannungen
liegt in diesem Fall eine Phasenverschiebung #. Die Röhre ist nun stromdurchlässig,
wenn sowohl die Anodenspannung als auch die zugehörige Gitterspannung gleichzeitig
positiv sind. DLemgemäß ergibt sich die in Abb. 3 eingetragene Kurve für den durch
diese Röhre fließenden Anodenstrom IA1. Wegen des Vorhandenseins der erwähnten Widerstände
wird dieser Strom erst dann Null, wenn die Gitterspannung bis zu einem gewissen
Grade negativ geworden ist. Während der darauffolgenden negativen Halbwelle der
Gitterspannung Ug1 ist der Stromdurdhgang durch die Röhre unterbrochen. In ganz
ähTllicher Weise setzt der Stromdurchgang durch die Röhre E2 bereits dann ein, wenn
die entsprechende Gitterspannung Ug2 noch zu einem gewissen Betrag negativ ist,
aber kurz danach positiv wird.
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Allerdings ist auch hier der Stromdurchgang nur möglich, solange auch
die Anodenspannung UA positiv ist. Demnach ergibt sich durch die Röhre, ein Stromfluß,
der durch die RurveIA2 gegeben ist. In der Mittellieitung der Schaltung nach Abb.
I fließt nun ein Strom, dessen augenblicklicher Wert sich aus der Differenz dieser
beiden Ströme ergibt.
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Der Verlauf dieses Stromes ist daher durch die Kurve IA1-IA2 gegeben.
Um diese Kurve mehr hervorzuheben, ist die von ihr umschlossene Fläche in Abb. 3
schraffiert.
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Bei dem Vorgang nach Abb. 4 ist angenommen, daß die Gitterspannungen
bei Auftreteil einer Frequenzänderung gegenüber der Anodenspannung zurückverschoben
sind, d. h. der Zeitpunkt des Nulldurchganges der Gitterspannungen tritt später
ein als nach Abb. 3.
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Unter Zugrundelegung der obigen Erläuterungen ergibt sich für den
Stromdurchgang durch die Röhre eine Kurve für den Anodenstrom lAl, die mit dem Nulldurchgang
der Anodenspannung beginnt und dann auf Null zurückgeht, wenn die entsprechende
Gitterspannung Ug; um den gleichen Betrag negativ geworden ist wie bei Abb. 3. Unter
den gleichen Voraussetzungen ergibt sich für den Stromdurchgang durch die Röhre,
lein Stromverlauf entsprechend der Kurve IA2, die aber wegen der durch die Frequenzänderung
herbeigeführten Phasenvers chiebung eine wesentlich kleinere Fläche umschließt;
die Kurve für den Differenzstrom IA1-IA2 ist daher in Abb. 4 unsymmetrisch bezüglich
der Zeitachse geworden, d. h. der dieser Kurve entsprechende Wechselstrom hat einen
Gleichstromanteil, der in dem Meßgerät M einen Ausschlag verursacht bzw. den Zähler
Ait zum Umlaufen veranlaßt.
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Der Zähler ist in der Hauptsache zu folgendem Zweck vorgesehen: Wird
nämlich in die Mittelleitung lediglich ein Meßgerät eingeschaltet, dann zeigt dieses
den augenblicklichen Wert der Frequenz richtig an. Verwendet man ein registrierendes
Gerät, so ist weiterhin zu erkennen, ob die Frequenz innerhalb eines längenen Zeitraumes
mehr oder weniger konstant gehalten wurde. Es ist aber auch an dem registrierenden
Gerät nicht zu erkennen, ob die Frequenzschwankungen oberhalb und unterhalb des
Normalwertes sich aufheben, so daß die Frequenz im Mittel über einen längeren Zeitraum
konstant gehalten wurde. Dieser Feststellung dient der Amperestündenzähler. Er dreht
sich je nach der Richtung des ihn speisenden Differenzstromes in dem einen oder
anderen Sinn, und sein Zählwerk muß daher, wenn die Frequenz über einen längeren
Zeitraum konstant gehalten wurde, zu Beginn und am Ende dieses Zeitraumes die gleiche
Stellung aufweisen.
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Ergibt sich ein anderer Zählerstand, dann kann daraus auf die Größe
des Zeitfehl,ers geschlossen und dementsprechend geregelt werden.