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Frequenzmesser nach den Phasensprungprinzip
Zur Überwachung und Regelung
von verhältnismäßig niedrigen Frequenzen, wie e. B. der Netzfrequenz in elektrischen
Energieverteilungsanlagen, sind Frequenzmesser bekannt, die als Normal einen elektrischen
Schwingungskreis verwenden. Um die Abweichung der Netzfreqnenz von der Resonanzlage,
des elektrischen Schwingungskreises zu erfassen, wird der Phasensprung im Gebiet
der Resonanz ausgenutzt. Die Phasendrehung wird mit Hilfe einer Röhrenbrücke ausgewertet.
Eine bekannte Anordnung dieser Art enthält zwei Röhren, wobei 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 mit der Netzspannung direkt gespeisten Transformators führt. Die Endpunkte
dieser Sekundärwicklung sind unmittelbar mit der Kathode des einen bzw. mit der
Anode des anderen Rohres verbunden, so dß die Mittelleitung den gemeinsamen Tell
Ider beiden Anodenstromkreise bildet, in der die Differenz der beiden Anodenströme
fließt und ein die Frequenzabweichung feststellendes Gleichstromgerät beeinflußt.
Frequenzmesser dieser Art erfordern eine ständige Überwachung in bezug auf die dabei
verwendeten Röhren, denn für das einwandfreie Arbeiten eines solchen Frequenzmessers
ist Voraussetzung, daß beide Röhren stets die gleiche Kennlinie haben. Ändert sich
beispielsweise infolge Alterung die Kennlinie des einen' Rohres gegenüber der Kennlinie
des anderen, so kann sich daraus eine Nullpunktverschiebung des Frequenzmessers
ergeben, die eine Neueichung des Gerätes erforderlich in acht. Vorausgesetzt ist
blei Frequenzmesse rn
dieser Art außerdem, daß die Gitter beider
Rähren über einen elektrischen Schwingungskreis an die Netzspannung gelegt werden.
Es ist aber die Herstellung eines elektnischen Schwingungskreises für solche verhältnismäßig
niedrige Frequenzen mit großen Aufwand verbunden. Außerdem läßt sich keine allzu
hohe Resonanzschärfe erreichen.
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Die Erfindung betrifft ebenfalls einen Frequenzmeslsler nach dem
Phasensprungprinzip. Die Mängel des bekannten Frequenzmessers werden dabei erfindungsgemäß
dadurch vermieden, daß als Normal ein mechanisches Schwingungssystem verwendet wird,
das stromleitend ausgebildet ist und dessen schwingende Teile ein konstantes Magnetfeld
schneiden, so daß bei durch das System geleitetem Wechselstrom mechanische Schwingungen
angeregt werden, durch die in dem System eine Wechselspannung induziert wind, die
eilen Abbild der Bewegung darstellt und gegenüber der Eingangsspannung eine sich
mit der Frequenzabweichung ändernde Phasenlage besitzt. Dieser Frequenzmesser hat
den Vorzug, daß ein elektrischer Schwingungskreis vermieden wird und daß man im
übrigen mit einem, Rohr auskommt, so daß Nullpunktveränderungen aus den oben angegebenen
Gründen nicht eintreten können.
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In den Abbildungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 das mechanische Schwingungssystem, Fig. 2 die
grundsätzliche Schaltung des Gerätes.
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In Fig. I sind mit I und 2 zwei Stahlbänder bezeichnet, die durch
einen Stab 3 mechanisch und stromleitend miteinander verbunden sind. Der Stab 3
befindet sich in dem Maul eines Dauermagneten 4. Er liegt somit in einem, starken
unveränderlichen Magnetfeld. Die Stahlbänder 1 und 2 sind an den Stellen 5 bzw.
6 eingespannt. Hier befinden sich außerdem Klemmen, über die der zu messende Wechselstrom
durch die Stahlbänder und den Stab 3 geschickt wird. Durch das Zusammenwirken dieses
Wechselstromes mit dem von dem Dauermagneten 4 herrührenden Feld werden auf den
Stab 3 Kräfte ausgeübt, mit deren Hilfe das auf Nennfrequenz abgestimmte Gebilde
zu mechanischen Schwingunen angeregt wird. Dla der Stab in einem Magnetfeld schwingt,
wird infolge dieser erzwungenen Bewegung in ihm eine Wechselspannung induziert,
die in der im folgenden beschriebenen Weise ausgenutzt werden kann.
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Es wird zu diesem Zweck auf die Schaltung gemäß Fig. 2 verwiesen.
Hier sind mit 1 und 2 die beiden Stahlbänder, mit 3 der sie verbindende Stab bezeichnet.
Mit 4 sind die beiden Pole des Dauermagneten bezeichnet. Dieses mechanische Schwing
gungssystem liegt miit Widerständen 7, 8, 9 in einer Brückens'chaltung. Die Spannung
der zu messenden Frequenz wird an die Klemmen 10, 11 der Primärwicklung eines Transformators
gelegt. Von einer Sekundärwicklung 12 dieses Transformators wird eine Spannung abgenommen,
die über eine Drossel 24 an eine Diagonale der erwähnten Brückenschaltung gelegt
wird. Von der anderen D-iagonale dieser Brückenschaltung wird eine Spannung abgenommen
und einem Transformator 13 zugeführt. DieseSpannung ist ein elektrisches Abbild
der mechanischen Bewegung. Je nach der Abweichung der Netzfrequenz von der Eigenfrequenz
der Schwingungssystems verschiebt sich die Phasenlage der mechanischen Bewegung
und damit auch die Phasenlage der von der Brückeabgenommenen Spannung gegenüber
der Netzspannung. Die Spannung am Sekundärteil des Transformators 13 wird unter
Zwischenschaltung eines Kondensators 14 einesteils an die Kathode bzw. das Gitter
eines Rohres 15, anderenteils an die Mittelanzapfung einer zweiten Sekundärwicklung
I6 des Eingangstransformators gelegt.
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Diese Sekundärwicklung speist einen Stromkreis, in dem Gleichrichter
I7, I8, I9, 20 sowie ein Potentiometer 21 in der gezeichneten Schaltung liegen.
Der Mittelabgriff des Potentiometers 21 ist mit der Anode des Rohres 15 verbunden.
Ferner besteht eine Verbindung zwischen dem. Schirmgitter des Rohres 15 und dem
Punkt des Zusammenschlusses zwischen den Gleichrichtern 17, 18. Eine dritte Sekundärwicklung
22 des Eingangstransformators dient zur Heizung des Rohres 15. An die Endpunkte
des Potentiometers 21 ist ein Meßgerät 23 angeschlossen.
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Bei der in Frage kommenden niedrigen Frequenz ist die Resonanzschärfe
des Schwingungssystems größer als die eines elektrischen Schwingungskreises. Infolgedessen
ist auch der Phasensprung steiler, und somit tritt bei Frequenzabweichung eine größere
Phasenversohiebung auf. Die Schaltung ist so getroffen, daß bei Übereinstimmung
der Netzfrequenz mit der Eigenfrequenz des mechanischen Schwingungssystems die von
der Bewegung abgeleitete Spannung um 90° gegen die Netzspannung verschoben ist.
Zum genauen Abgleich list der Kondensator 14 vorhanden. Zur Messung der Phasenlage
dient allein das Rohr 15 in der oben erläuterten Schaltung. Als Anodenspannung A
werden aibwechselnd die beiden Halbwellen der Netzspannung, die über gleichnichter
r;g, 20 an je ein Ende des Potentiometers 21 2 1 angeschlossen siind, verwendet.
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Sofern beide Halbewellen gleiche Ströme führen, tritt an den Enden
des Potentiometers keine reisultierende mittlere Gleichspannung auf. Mit Hilfe der
von der Bewegung des Schwingers abgeleiteten Wechselspannung kann über das Rohr
15 das Verhältnis der Ströme der beiden Halbwellen verländert werden. Bei Frequenzübereinstimmung
führt das Rohr während jeder Halbwelle der Anodenspannung A eine Viertelwelle Strom
über den linken Zweig und eine zweite Viertelwelle Strom über den rechten Zweig
des Potentiometers. Unter Annahme der gezeichneten Lage der Steuerspannung S ergeben
sich daher in der Kurvendarstellung die schraffierten Flächen, die aden Anodenstromm
darstellen.
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Eine Frequenzabweichung, d. h. das Auftreten einer Phasenverschiebung
zwischen Anodenspannung 4 und Steuerspannung S, vergrößert den einen und verkleinert
den anderen Abschnitt, so daß an den Enden des Potentiometers 21 eine mittlere
Gleichspannung
auftritt, die in dem Meßgerät 23 zur Anzeige gebracht werden kann. An Stelle dieses
Meßgeräts kann im übrigen auch die Wicklung eines Regelrelais verwendet werden,
falls der Frequenzmesser gleichzeitig zur Regelung benutzt werden soll.
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Zur Konstanthaltung der Eigenfrequenz des schwingenden Systems kann
dieses in einem Thermostaten angeordnet sein.