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Gebereinrichtung für das Frequenzmeßverfahren Beim Frequenzfernmeßverfahren
wird als Hilfsur , öße für die Übertragung eine Wechselstromfrequenz benutzt,
deren Größe selbsttätig in Ab-
hängigkeit vom Meßwert eingestellt wird. Auf
der Empfangsseite wird die ankommende Wechselstromfrequenz von einem grundsätzlich
als Frequenzmesser arbeitenden Gerät erfaßt und zur Anzeige gebracht.
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Zur Erzeugung der veränderlichen Wechselstromfrequenz auf der Geberseite-
ist die Verwendung eines Zählers bekanntgeworden, der mittels einer Schlitzscheibe
den Strahlengang eines Lichtstrahles entsprechend seiner Drehzahl oder weniger häufig
unterbricht und damit die Beleuchtungsstärke einer Photozelle moduliert. Die an
einem durch die Zelle gesteuerten Verstärker abgenommene Wechselspannung weist so
eine von der Drehzahl des Zählers abhängige Frequenz auf. t Andererseits ist es
bekannt, daß für die Anzeige beim Frequenzverfahren die Verwendung einer Nullfrequenz
zweckmäßig ist, indem auch der Meßwert Null schon mit einer bestimmten Frequenz
übertragen wird, die sich je nach der Größe des Meßwertes mehr oder weniger
verschiebt, weil eine Messung der Frequenz nicht von Null ab in einfacher W#eise
möglich ist.
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Die Erfin#dung betrifft eine besonders vorteilhafte Ausbildung der
Gebereinrichtung für das
Frequenzverfahren, bei der der Me-ßwert
Null ebenfalls schon durch eine bestimmte Frequenz üb-ertragen wird.
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ErfinJungsgemäß wird die für die Übertragung bestimmte, vonder Größe
des Meßwertes abhängige Wechselstrornfrequenz durch einen umlaufenden Geberzähler
für die fernzuübertragende Meßgröße erzeugt, der auf seiner Achse einen Teil einer
Steuereinrichtung trägt, die abhängig von der Stellung dieses Teils gegenüber einem
mit konstanter Geschwindigkeit umlaufenden Teil oder gegenüber einem mehrphasigen,
mit Strömen entsprechender Phasenverschiebung erregten, in -den einzelnen Phasen
räumlich versetzten Steuerungssystem eine nach Amplitude oder Phase veränderliche
Steuerwirkung aufweist und in einer Abnahrnevorrichtung eine elektrische Spannung
liefert, die bei Stillstand des Zählers eine konstante Frequenz (Nullfrequenz) und
bei Lauf des Zählers eine mehr oder weniger verschobene erhöhte oder erniedrigte
Frequenz hat" je nach Drehsinn und Drehzahl des Zählers.
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Die Erfindung wird an Hand der Fig. i bis 4 erläutert, und zwar %verden
dabei zwei Gruppeil von Modlereinrichtungen beschrieben.
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Bei der ersten #Gruppe, für die die Fig. -i und 2 Beispiele darstellen,
wird die konstante Null-
frequenz durch die konstante Drehzahl eines von einem
Antrieb mechanisch bewegten Teils erzeugt, während bei der zweiten Gruppe von Beispielen
vertreten durch die Fig. 3 und 4, die konstante Nullfrequenz durch räumlich
versetzte Steuereinrichtungen, die mit phasenve.rschoben,-.n,StrÖrnen einer konstanten
Frequenz gespeist sin#d, erzeugt wird. 1
In Fig. i bedeutet i ein Magnetsystem,
das über die Wicklung 2 mit Gleichstrom erregt wird, der aus einer Gleichstromquelle
Über den hohen Vorwiderstand 3 entnommen wird und damit eine praktisch unveränderliche
Größe aufweist. In der Wicklung 4, die ebenfalls auf demselben Kern aufgebracht
ist, wird die zur Übertragung bestimmte Wechselstromfrequenz induziert. Der von
der Wicklung 2 erzeugte Fluß schließt sich über die beiden aus magnetisch leitfähigern
Material bestehen-den Zahnkronen 5 und 6. Die Zahnkrone-
5
wird von einem mit konstanter Frequenz gespeisten Svnchronmotor oder von
einem Uhrwerk mit konstanter Drehzahl angetrieben. Die Zahrfkrone 6
ist dagegen
mit der Achse des Zählers verbunden, der die ursprüngliche Meßgröße zu messen hat.
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Ist die- Meßgröße Null, so steht der Zähler und damit die Zahnkrone
16, still. Es dreht sich allein die Zahnkrone 5 mit konstanter Drehzahl
und ruft periodischeSchwankungendes magnetiechenWiderstandes hervor, der einen Kleinstwert
hat, wenn die Zähne der Zahnkrone 5 und 6 einander gerade gegenüberstehen,
dagegen einen Größtwert, wenn die Zähne der einen Krone auf den Lüd<en der anderen
Zahnkrone stehen. Damit werden wegen der Unveränderlichkeit der erregenden Amperewindungen
auch periodische Änderungen des Magnetflusses hervorgerufen, die eine entsprechende
Wechselspannung in Wicklung 4 zur Folge haben. Die Frequenz ist konstant und durch
die- Drehzahl der Achse 5 und die Zahl der Zähne gegeben.
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Dreht siä nun beim Vorliegen eines Meßwertes der Zähler ebenfalls
und damit auch die Zahnkrone 6, so wird -die Frequenz geändert. Die Frequenz
wäre Null, »wenn sich die- Zahnkrone 6 gerade so schnell im selben Sinne
drehen würde wie die Zahnkrone 5, da dann die gegenseitige Stellung der Zähne
unverändert erhalten bleiben würde. Da dieser Zustand jedoch betriebsmäßig nicht
erreicht wird, so wird immer eine- Frequenz in der Wicklung 4 induziert werden,
und, zwar eine gegenüber der Nullfrequenz erhöhte, wenn der * Zähler sich
gegenüber dem Teil 5 im entgegengesetzten Drehsinne dreht, dagegen eine niedrigere,
wenn der Zähler im selben Sinne umläuft.
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Die Modlereinrichtung kann auch so betrieben werden, daß die Wicklung:2
nicht mit Gleichstrom erregt -,vird, sondern mit einer an sich beliebigen Frequenz.
Dann wird in der Wicklung 4 dieselbe Frequenz induziert werden, jedoch erscheint
ihre Amplitude moduliert mit einer Modulationsfrequenz, die der vorhergenannten
bei Gleichstromerregung auftretenden Frequenz entspricht. Eine solche Betriebsweise
hat den Vorteil, daß die starke Amplitudenabhängigleeit der induzierten Spannung
von der Frequenz verschwindet. Bei Gleichstromerregung wird die Amplitude um so
kleiner, je
kleiner die Frequenz wird und wird schließlich bei gleicher Drehzahl
zusammen mit der Frequenz Null. Wird aberdie Wicklung ?- mit Wechselstrom
erregt, so bleibt die Amplitudenschwankung immer dieselbe, die Modulationstiefe
bleibt also konstant, so daß auch niedrige Frequenzen leicht durch Demodulation
-des moduliert erscheinenden Trägers mit ausreichender Amplitude gewonnen werden
können.
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Fig. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dern die umlaufenden
Teile nicht zur Steuerung eines Magnetflusses, sondern eines Lichtflusses dienen.
Durch die Lampe 7 wiiid ein Lichtbündel über die Linse 8 auf die Photozelle
9 geworfen, wobei der Strahlengang durch die gleiche Teilung aufweisenden
Schlitzscheiben#vo und ii unterbroch#n wird. Die Scheibei-o wird wieder mit konstanter
Drehzahl durch einen Synchronmotor oderdurch ein Uhrwerk angetrieben, die Scheibe,
i i mit wechselnder Drehzahl und unter Umständen wechselndem Drehsinn durch den
Zähler, der die ursprünglich-- Meßgröße zu erfassen hat. Steht der Zähler still,
so ist der Lichtstrahl allein durch die Schlitze der Scheibe io gesteuert, so daß
entsprechend der Schlitzzahl und de-r Drehzahl der Achse die Beleuchtungsstärke
auf der Photozelle 9
mit einer entsprechenden Frequenz pulsiert. Über eine
Verstärkereinrichtung kann der periodische Beleu,chtungswechsel in eine Wechselstromfrequen7
umgesetzt werden.
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Dreht sich auch der Zähler, so wird die Frequenz des Beleuchtungswechsels
geändert. WÜrde sichdie Scheibe i i wieder so schnell drehen wie die,Scheibe io,
so würde die Beleuchtung immer gleichbleiben unter der Voraussetzung, daß das Strahlenbündel
in
seiner Breite bestimmte Bedingungen einhält. Es muß nämlich so breit sein, daß es
nur gaii(7-e Vielfache der Zahneinstellixn- der Schlitzscheibe i,o oder iii enthält,
da die, Beleuchtung nur schwanken darf bei einer relativen Verschiebung der Scheiben
ro und ii, nicht dagegen abhängig sein darf von deren absoluten Lage im Raum.
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Auch bei d.ieser Einrichtun- wird die Frequenz erhöht, wenn sich die
Scheibe io dreht, dagegen ernie,drigt, wenn sich beide Scheiben im gleichen Drelisinne
drehen.
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Die bei-den Ausführungsbeispiele weisen das gemeinsame Merkmal auf,
daß die Nullfrequenz durch ein bewel-liches Steuerteil, nämlich die Zahne krone
5 bzw. die Schlitzscheibe io erzeugt wird, der die Frequenz mechanisch durch
seine konstant-Drehzahl vorschreibt, während die Änderung der Frequenz durch einen
zweiten ähnlichen"mit dem Zähler gekoppelten Steuerteil vorgenommen wird.
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In Fig. 3 wird die Nullfrequenz durch die konstante Frequenz
eines mehrphasigen Erregersvstems gegeben. Die Wicklungen 12 und 13, die in Reihe
geschaltet sind, werden durch die eine Phase, die Wicklungen 14 und '15 durch die
andere Phase eines Zweiphasensystems gespeist. Sie sind räumlich so versetzt, daß
die vier Wicklungen je
ein Viertel der gesamten Teilung gegeneinander verschoben
sind. Mit diesen Wicklungen magnetisch verkettet ist die bewegliche Wicklung r6,
die starr mit der Zählerachse verbunden ist. Die in ihr induzierte Spannung kann
über die Schleifringe 17 und 18 abgenommen werden.
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je nach der zufälligen Stellung der Wicklung 16 ist sie mehr oder
weniger mit den vier feststehenden Wieklungen verkettet, erhält also eine, Spannung
induziert, die veränderliche Phase aufweist, und zwar im wesentlichen d-ie Phase
derjenigen Wicklung, mit der die stärkste Verkettung vorhanden ist. Stelit die Zählerachse
und damit die Wicklung v6. still, so wird, eine Spannung indtiziert, die die Frequenz
des erregenden Mehrphasensystems auf-weist. Dreht sich dagegen die Zählerachse,
so wird die Phase dieser Spannung fortwährend geändert, was einer Frequenzverschiebung
entspricht. Würde die Spule 16 so schnell umlaufen, daß sie in dem Zeitabschnitt,
der verstreicht, bis der größte Fluß in einer Viertelperiode, z. B. von der Spule
12 auf die Spule 14, herüberggewechselt hat, so würde dies auch für alle anderen
benachbarten Spulen gelten.
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Die bewegliche Spule r6 wäre also immer mit einem Fluß unveränderlicher
Größe verkettet, was gleichbedeutend ist mit der Aussage, daß der mit ihr verkettete
Fluß ein Gleichfluß ist. Es würde also keine Wechselspannung in der Spule induziert
werden, d. h. die Amplitude sowohl als auch die Frequenz der induzferten
Spannung wäre Null. Bei einer anderen kleiner-en Drehzahl der Zählerachse würde
die Frequenzverwerfung entsprechend kleiner sein, und zwar wür-de die Frequenz gegenüber
der Nullfrequenz vermindert werden, wenn die Spule im selben Sinne umläuft wie -der
Fluß, der von einer Spule zur nächsten Spule übergeht, also als ein Drehfluß aufgefaßt
werden kann. Bei anderem Drehsinn des Zählers würde die Frequenz dagegen erhöht
werden. Auch dies-, Einrichtung liefert also bei Stillstand des Zählers die Nullfrequenz
und bei Bewegung des Zählers eine entsprechend verschobene #NiItßfrequeiiz.
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Auch bei diesem Anwendungsbeispiel kann die Frequenz des mehrphasigen,
speisenden Systems als Modulationsfrequenz einer Trägerfrequenz benutzt werden,
wobei dann als Ergebnis eine Trägerfrequenz erhalten wird, die mit der gewünschten
Frequenz moduliert ist. Dies kann dieselben Vorteile aufweisen, die schon für das
Bei-spiel der Fig. i angegeben sind.
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Fig. 4 zeigt wieder eine optische Ausführung desselben grundsätzlichen
Arbeitsganges mit räumliche-r Versetzung der Steuerorgane und Verwendung phasenverschobener
Glieder. Diedr-ci Lampen ig, 2o und 21 werden von phasenverschobenen .Strömen eines
Drehstrornsysteins gespeist und ergeben eine mit der Speisefrequenz periodisch wechselnde
Lichtausbeute. Damit eine sinusförmige veränderliche Beleuchtungsstärke ohne Verdoppelun,g
der Frequenz erreicht wird, ist es zweckmäßig, der speisenden Wechselspannung eine
Gleichspannung zu überlagern, die so groß ge-wählt wird, daß auch dann, Wenn der
Atigenblickswert der Wechselspaiinung der überlaggerten Gleichspannung entgegengesetzt
ist, diese noch überwiegt. Damit die Beleuchtun,-sstärke sich rasch genug ändern
kann, ist es not-,vendig, Lampen geringer Trägheit zu verwenden, z. B. Glimmlampen.
Die von den Lampen ig, 2o, 21 ausgehenden Strahlen werden durch die Linsen
22,23 und 24 gesammelt und über die nur in einem Stück dargestellten zahnförmigen,
verschieden stark geschwärzten, aus durchsichtigem Material bestehenden Scheiben
12,5 -,eschickt, und zwar so, daß sie um mindestens 1/2 Teilung versetzt sind. Wenn
also ein Zahn der Scheibe :25 den Strahlengang der Lampe ig gerade vollabdeckt,
so kannder Strahlengangg der Lampe:2o eine hellere Stelle passieren und wird erst
nach einer Verschiebung uni 1/s Teilung abgedeckt usf. Die Strahlengänge werden
auf der Photozelle 26
vereinigt.
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Steht die Schlitzscheibe 25, so wird die Beleuchtungsstärke
der Photozelle 26 variiert, und zwar mit der Frequenz der die Lampe speisenden
'Wechselspannung, so daß also damit die Nullfrequenz erzeugt wird. Läuft die Zahnscheibe
25
,dagegen im einen oder im anderen Sinne, so ändert sich damit auch die
Frequenz, und zwar je nach der Drehrichtung verschieden. Läuft die Scheibe
so schnell, daß sie in der Zeit, in der die größte Beleuchtungsstärke vom Strahlengan.g
der Lampe ig auf den Strahlengang der LaMpe2!0 übergeht sich um 1/3Zahnteilung verschoben
hat, so ändert sich die Beleuchtungsstärke auf der Photo7elle überhaupt nicht, die
Frequenz ist züi Null geworden.
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Die Beleuchtungsänderung ,der Photozelle:26 kann wieder zur Aussteuerutig
eines Verstärkers benutzt werden, der als Ausgangsspannung eine entsprechende
Wechselspannung
veränderlicher Frequenz liefert.
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Den Ausführungsbeispielen der Fig. 3 und 4 gemeinsam ist, daß
die Nullfrequenz durch das Zusaninienwirken eines einzigen mit dem Zähler verbundenen
mechanischen Steuergliedes mit einem mehrphasig, mit konstanter Frequenz gespeisten,
aus 'feilen mit entsprechender räumlicher Versetz ung aufgebauten Erregersystein
gewonnen wird.
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In welcher Weise dabei das Steuersystem ausgebildet ist, bleibt ohne
Einfluß auf die gr-undsätzliche Arbeitsweise, sondern muß sich -nach den Erfordernissen
richten. Die Zahnteilung, bei dem Beispiel der Fig. 4 ist z. B. dafür maßgebend,
um wieviel Hertz die Nullfrequenz bei einer Drehzahl der Zählerachse von einer Umdrehung
in der Sekunde verschoben wird. Sie kann ganz nach Wunsch gewählt werden. Bei dem
Beispiel der Fig- 3 ist die Frequenzverschiebuni unter dies-en Voraussetzungen
nur i Hz, also sehr wenig, wenn man bedenkt, daß die Drehzahl eines normalen Zählers
in der genannten Größenordnung liegt. Zur Abhilfe könnte eine Anordnung vorgesehen
werden, bei der die Zahl der gleichartigen Wicklungen am Umfang vergrößert wird,
so daß eine gleichartige Spule sich schon nach einem Bruchteil eines vollen Umlaufes
statt: einem ganzen Umlauf folgt, ähnlich der inehrpoligen Ausführung der Wicklung
einer elektrischen Maschine. Besonders vorteilhaft sind hierbei Steuerungssystenie
mit nur festen Wicklungen, bei denen der ma7 gnetische Fluß über bewegte gezähnte
Teile des magnetischen Kreises geführt wird, so daß damit die Verkettung der feststehenden
Wicklungen mit entsprechender räumlicher Versetzung der einzelnen Phasen gesteuert
wird, da bei solchen Systemen keine Schleifringe erforderlich sind.
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Die- beiden Gruppen von Steuerungssystenien, die durch je zwei
Beispiele erläutert sind, haben gemeinsam, d-aß die Frequenz durch einen mit dem
Ausgangszähler verbundenen mechanisch bewegten Steuerungsteil erzeugt wird, dessen
Drehzahl gegenüber einer zweiten konstanten Drehzahl wirksain wird, die bei der
ersten Gruppe durch die Drehzahl eine#s ebenfalls mechanisch bewegten Steuerungsteiles
gegeben ist, bei der zweiten Gruppe dagegen durch die Drehzahl -dargestellt ist,
die dem Fortschreiten des Steuerflusses von einem der feststehenden Steuerungsteile
zum nächsten infolge deren phasenverschobener Erregung entspricht.
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Es sind außer der Steuerung mit Hilfe von Induktionsflüssen oder von
Lichtflüssen auch noch andere Steuerungen denkbar. So ist eine kapazitive Steuerung
dann leicht möglich, wenn mit einer hohen Trägerfrequenz gearbeitet wird, die. mit
einem Röhrenggenerator leicht erzeugt werden kann. .Sie muß so hoch liegen, daß
die Kapazitätsänderungen zwischen gezahnten Steuerungsteilen zur Auslösung einer
genügenden Ainplitudenänderung und damit Modullation des Trägers ausreichen.
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Auch bei den angegebenen induktiven oder lichtelektrischen Steuerungen
können Abwandlungen in Einzelheiten vorgenommen werden, ohne damit das Grundsätzliche
der E rfindung zu ändern. So kann bei induktiver Steuerung der Magnetfluß
auch durch Wirbelstromblenden verändert werden, durch die die Größe der Kopplun-g
zwischen den Spulen geändert wird. Bei der lichtelektrischen Steuerung kann statt
einer Blendenstetterung ebensogut eine Steuerung durch Spiegel ausgeführt ,verden
usf.
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Wichtig ist für die Ausbildung der,Steuerungssvsteine noch, daß die
mechanische Rückwirkung auf den Zähler für die Ails-gangsmeßgraße klein gehalten
werden muß, um zusätzliche Meßfehler zu vermeiden. Besonders gut ist dies bei der
lichtelektrischen Steuerung zu erreichen, wo keine Reibung und keine sonstige Kraftwirkung
zwischen den Steuerungsteilen vorhanden ist und die zusätzlichen durchden Zähler
zu bewegenden Massen fast beliebig klein gehalten werden können.