DE936762C - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung des Vorzeichens der Differenz von zwei Frequenzen periodischer Funktionen, ins-besondere zur Fernregelung oder -messung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen, um das Vorzeichen der Differenz von zwei Frequenzen periodischer Funktionen kenntlich zu machen, und zwar insbesondere bei Fernregelungen (Frequenzregelung, Leistungsregelung, Frequenz-Leistungsregehing usw.), Fernsteuerungen, Fernmessungen.

Eine Vorrichtung zu diesem Zweck kann, wie an sich bekannt, so ausgebildet sein, daß — vgl. Fig. 5 — nach Umformung von Wechselströmen mit den Frequenzen Z₁ und Z₂ in diesen Frequenzen proportionale Gleichströme diese Ströme einem Relais R zugeführt werden, dessen Wicklungen einander entgegengeschaltet sind, wobei deren Ampere-Windungszahlen so berechnet sind, daß die bewegliche Zunge d zwischen den Kontakten d_± und d₂ in Ruhe bleibt, wenn Zi = Z₂ ist. Wenn Z₁ kleiner als f₂ ist, schließt der Kontakt d_v während der Kontakt d₂ schließt, wenn Z₁ größer als/₂ ist. Die Relais A und B werden dann durch einen Generator für Impulse bestimmter Dauer, welche im Rhythmus der Frequenz Z₁—/₂ ausgesandt werden, erregt.

Es ist leicht einzusehen, daß bei einem derartigen System um den Punkt herum, für welchen f_i ^z=f₂

ist, eine ziemlich große Unempfindlichkeitszone besteht.

Um diesem Nachteil abzuhelfen, werden erfmdungsgemäß zur Betätigung der Relais A und B Vorrichtungen benutzt, die so ausgebildet sind, daß sie während eines Bruchteils einer Periode den Vergleich von Funktionen folgender Form gestatten:

cos 2 π (Z₁—/₂) t und sin 2 η If₁ —/₂) *·

Die Erfindung beruht nun darauf, daß in dem Augenblick, in welchem die Kosinusfunktion durch Null geht, die Sinusfunktion entweder den Wert+ I oder — ι hat, je nach dem Vorzeichen der Differenz ^₁—f₂. Wenn in diesem Augenblick ein Impuls ausgesandt wird, kann das Vorzeichen der Sinusfunktion benutzt werden, um die Richtung der für diesen Impuls vorzunehmenden Umschaltung zu wählen.

Das Verfahren nach der Erfindung besteht also darin, daß mit Hilfe eines ersten, durch eine der erwähnten Funktionen gesteuerten Relais Impulse ausgesandt werden, deren jeder nur während einer bestimmten Dauer einer jeden Periode dieser Funktion wirksam wird, wobei diese Dauer kleiner als ein Viertel der Periode ist, und daß diese Impulse mittels eines zweiten, durch die andere Funktion gesteuerten Relais an den einen oder den anderen von zwei Stromkreisen weitergegeben werden, je nachdem, ob die zweite Funktion im Augenblick des Impulses mit der ersten Funktion dasselbe oder das entgegengesetzte Vorzeichen hat.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen in einem Anwendungsbeispiel erläutert.

Fig. ι ist ein Schema eines Diskriminators nach der Erfindung;

Fig. 2 und 3 sind Schaubilder zur Erläuterung der Arbeitsweise der Vorrichtung der Fig. 1; Fig. 4 ist ein genaueres Schaltbild einer Vorrichtung der in Fig. 1 dargestellten Art;

Fig. 6 zeigt schaubildlich schematisch eine Vorrichtung zur Messung des mittleren Frequenzunterschiedes zweier Funktionen mit den Frequenzen ^₁ bzw. f₂.

In dem Anwendungsbeispiel soll insbesondere bei Fernregelungen ein Strom je nach dem Vorzeichen der Differenz Af der Frequenzen Z₁ und /₂ von zwei Schwingungen in einen Stromkreis oder einen anderen Stromkreis geschickt werden z. B. durch Betätigung eines Relais A, wenn die Differenz positiv ist und eines Relais B, wenn sie negativ ist.

Hierfür erhält die Vorrichtung zwei polarisierte Relais D und .E (Fig. 1), welche so ausgebildet sind, daß das erste durch die Kosinusfunktion und das zweite durch die Sinusfunktion betätigt wird. Ein auf das zweite Relais wirkender und zu Beginn einer jeden Periode der Kosinusfunktion ausgesandter Impuls i hat eine Dauer t₀, welche kleiner ist als ein Viertel dieser Periode.

Die beiden obigen Funktionen werden zweckmäßig in Rechteckwellen umgeformt. Hierfür genügt es, sie z. B. in geeigneter Weise zu verstärken und die Relais so auszubilden, daß sie auf Spannungen ansprechen, welche erheblich kleiner als die maximale Amplitude dieser Funktionen sind.

Die Kombination der beiden Relais D und B wird z. B. in der in Fig.. 1 dargestellten Weise vorgenommen. Hierbei steuert das Relais D durch Schließen der Kontakte CD und CD die Aussendung eines Impulses der Dauer t₀ durch einen Sender g in ein Zwischenrelais R, welches die Aufgabe hat, . an die Kontakte des Relais E nur während der Zeit t₀ Spannung zu legen, indem es den Kontakt C^ betätigt. Das polarisierte Relais E bewirkt durch den einen oder den anderen seiner Kontakte CE₁, CE₂ die Erregung des Relais A oder B₁ je nach dem Vorzeichen der Differenz /_t—/₂.

Fig. 2 und 3 erläutern die Arbeitsweise einer derartigen Anordnung unter der Annahme, daß die Kosinus- und die Sinusfunktion die Form von Rechteckwellen haben. Da das Relais D während der negativen Halbwellen der Kosinusfunktion den Sender g kurzschließt, wird der Impuls t₀ nur während der positiven Halbwellen der Kosinusfunktion auf das Relais R übertragen.

Das Vorzeichen von Af habe nun einen solchen Wert, daß es die Erregung des Relais A bewirken soll. Der Impuls i von der Dauer t₀ wird dann bei jedem positiven Impuls der gleichgerichteten Kosinusfunktion auf das Relais R übertragen. Da die Dauer des Impulses i kleiner ist als ein Viertel der Periode der Kosinus- bzw. Sinusfunktion, ist die letztere während dieses Zeitpunktes (Intervalle MN₁ M'W usw.) nur positiv (Fig. 2). Dies bewirkt somit die Schließung des Kontaktes CJS₁, so daß an Relais ^4'Spannung liegt.

Wenn sich jetzt das Vorzeichen von Λ f umkehrt, hat sich die Kosinusfunktion nicht verändert, und der Impuls i wird zu demselben Zeitpunkt ausgesandt. Die Sinusfunktion ist jedoch um i8o° verschoben (Fig. 3), so daß der Kontakt CE₂ geschlossen wird. Die von dem Impuls i gesteuerte Spannung liegt somit an Relais B.

Man kann also- auf diese Weise sehr genau das Vorzeichen der Differenz der Frequenzen feststellen, da die Unempfindlichkeitszone zu Null gemacht wird.

Die Vorrichtungen zur Erzeugung der Kosinus- und Sinusfunktionen und zu ihrer Umformung in no Rechteckwellen sowie zur Bestimmung der Dauer t₀ des Impulses i können auf verschiedene Weise ausgeführt werden. Fig. 4 zeigt eine mögliche Ausführungsform:

Zur Erzeugung der Kosinus- und Sinusfunktionen werden bei dieser Ausführungsform zwei Modulatoren M₁ und M₂ benutzt, von denen der eine, JkT₁, von geeigneten Generatoren zwei Spannungen a und b mit den Frequenzen ^₁ und f_% empfängt, während der andere, M₂, in der gleichen Weise arbeitet, jedoch unter Zwischenschaltung eines Phasenschiebers DE, welcher eine Phasenverschiebung der

Spannung α um - bewirkt.

Am Ausgang der Modulatoren und nach einer Filterung bei F₁, F₂ erhält man dann zwischen den

Punkten H₁G₁ und H₂ G₂ Spannungen d_t und d₂ der obigen Form, d.h.:

(I₁ = k cos 2π (f₁ —/₂) t

d₂ = k' sin 2 π (f_t —f₂) t.
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Diese Spannungen werden nun an zwei Gruppen von Röhren L₁IZ₁ und L₂L'₂ angelegt, in deren Anodenstromkreise die Relais D und B der Differentialbauart eingeschaltet sind, welche die verschiedenen, unter Bezugnahme auf Fig. ι bereits beschriebenen Kontakte betätigen.

Wenn das Gitter einer Röhre einer Gruppe positiv ist, ist das Gitter der anderen Röhre negativ. Der Kontakt des Relais wird somit in dem einen oder dem anderen Sinn geschlossen.

Die Spannung ^₁ oder d₂ wirkt wie eine Rechteckspannung, da der von den Röhren gelieferte Strom sehr groß im Vergleich zu dem für das Anziehen des Relais erforderlichen Strom ist, so daß man praktisch die Verhältnisse der Fig. 2 oder 3 erhält.

Für den obigen Zweck können jedoch auch beliebige andere Mittel vorgesehen werden.

Zur Bestimmung der Dauer t₀ des Impulses wird bei dem dargestellten Beispiel eine Anordnung mit einem Kondensator C und Widerständen P₁, P₂ benutzt, welche auf der rechten Seite der Fig. 4 dargestellt und mit den Relais r_x und r₂ kombiniert sind.

Sobald sich der Kontakt C_D schließt, wird das Relais R erregt und bleibt es, bis nach Aufladung des Kondensators C über den Widerstand P₂ das Relais r₂ ansprechen kann. Dieses unterbricht dann den Kontakt Cr₂. Das Relais T₁, welches die gleichen Konstanten wie r₂ hat, wird gleichfalls erregt, und der Kondensator entladet sich über den Widerstand P₁ und den Kontakt Cr₁.

Es können natürlich auch andere Vorrichtungen zur Erzeugung dieses Impulses i der Dauer t₀ benutzt werden. Ferner kann die durch die Röhren L₁ U₁, L₂L'₂, die Relais D, E, r_v r₂, R, die Widerstände P₁, P₂ und die Kapazität C gebildete Anordnung ganz oder teilweise durch sogenannte fremderregte Multivibratorkreise (Flip-Flop-Strom- kreise) oder durch eine beliebige andere gleichwertige Schaltung mit Hochvakuumröhren oder gasgefüllten Röhren ersetzt werden.

Gemäß einem weiteren Kennzeichen der Erfindung kann die erfindungsgemäße Anordnung auch zur Messung des mittleren Unterschiedes in einem beliebigen Zeitraum benutzt werden.

Wenn man nämlich Af den Wert von Z₁ — f₂ zu einem bestimmten Zeitpunkt nennt, so ist der mittlere Frequenzunterschied nach einer Zeit t durch Af dt gegeben.

Da die in jeder Periode einer der obigen Kosinus- und Sinusfunktionen ausgesandten Impulse rechteckig sind und eine konstante Dauer haben, genügt zur Messung dieses mittleren Frequenzunterschiedes nach Ablauf einer Zeit t die Messung der Zahl der auf die Relais A und B gegebenen Impulse währen dieser Zeit und die Bildung der Differenz der so erhaltenen Integrationswerte.

Diese Integration oder Zählung kann entweder elektrisch z. B. mit Hilfe von elektronischen Zählern, oder durch Addition von den Impulsen entsprechenden konstanten Spannungen, oder, wie nachstehend angenommen, mechanisch, oder auf beliebige andere Weise erfolgen.

Gemäß einer Ausführungsform wird die Anordnung so ausgebildet, daß die beiden obigen Relais ein und dieselbe Vorrichtung betätigen, so daß sie unmittelbar die beiden obigen Integrationen und ihre Subtraktion in jedem Augenblick vornehmen.

Fig. 6 zeigt schaubildlich schematisch eine derartige Vorrichtung zur Messung des mittleren Frequenzunterschiedes zwischen zwei mit den Frequenzen Z₁ bzw. /₂ arbeitenden Wechselstromsystemen.

Zur Festlegung der Begriffe sei z. B. angenommen, daß diese beiden Systeme durch eine Hauptpendeluhr mit der Frequenz f_x (astronomisches Pendel) sowie durch ein System von auf die Frequenz f₂ des Netzes eingestellten Pendeluhren gebildet werden (wobei f₂ im Prinzip im wesentliehen gleich/^ sein soll), und daß es sich darum handelt, nach einer bestimmten Zeit t, z. B. jeden Tag, den positiven oder negativen Frequenzunterschied, d. h. die Voreilung oder die Nacheilung zwischen den beiden Systemen zu messen.

Hierzu kann man z. B. eine Anordnung benutzen, welche zwei Relais enthält, die den Relais A und B der obigen Beispiele entsprechen, und von denen eines in jedem Augenblick durch die Impulse erregt wird, je nachdem, ob die Differenz (Z₁-—f₂) positiv oder negativ ist.

Die Anordnung erhält ferner zwei mechanische Zählvorrichtungen, welche in der Zeichnung durch zwei Klinkenräder 1 dargestellt sind, deren Antriebsklinken 2 durch die Relais A bzw. B betätigt werden.

Schließlich ist noch eine Vorrichtung vorhanden, um gleichzeitig die Winkelverstellungen dieser Räder unter gegenseitigem Abzug voneinander zu registrieren und in einer beliebigen Form, z. B. elektrisch, den resultierenden Frequenzunterschied nach einer gewissen Zeit t erscheinen zu lassen.

So ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel angenommen, daß die beiden Klinkenräder 1 auf den fluchtenden Achsen 3 sitzen und so ausgebildet sind, daß sie sich in gleicher Richtung drehen, wobei sie mit einer Vorrichtung zur Registrierung der Winkelverschiebung dieser beiden Achsen kombiniert sind. Hierfür dreht z. B. eine der Achsen 3 einen Schleifkontakt 4, welcher auf einem Spannungsteilerwiderstand 5 schleift, der von der zweiten Achse 3 gedreht wird, wobei die Anordnung mit einem elektrischen Stromkreis aus der Spannungsquelle 6 und einem Meßinstrument (Spannungsoder Strommesser) 7 kombiniert ist. Mit 8, 9, 10 sind Schleifringe und Bürsten und mit 11 ist ein Abgleichwiderstand bezeichnet. Wenn sich nach Ablauf der Zeit t die Räder 1 und ihre Achsen um denselben Winkel gedreht haben, d. h. wenn die Voreilung die Nacheilung ausgeglichen hat, behält der Schleifkontakt 4 seine ursprüngliche Stellung bei,

und das Meßinstrument 7 zeigt Null an. Wenn dagegen eine Winkelverschiebung zwischen den Rädern, also auch zwischen dem Schleifkontakt 4 und dem Widerstand S auftritt, erscheint diese Ver-Schiebung .(Voreilung oder Nacheilung) als positive oder negative Anzeige an dem Meßinstrument 7 Man erhält so in jedem Augenblick die Messung des mittleren Frequenzunterschiedes von einem Ausgangszeitpunkt t₀ an.

Natürlich muß- die Anordnung so ausgebildet sein, daß die relative Amplitude der Verstellung der beiden Räder (hier höchstens theoretisch 360⁰) unter Berücksichtigung der möglichen Amplitude der Veränderungen von (^₁—/₂) ^ der betrachteten Anwendung ausreicht. Man kann gegebenenfalls eine schraubenförmige Aufwicklung des Spannungsteilerwiderstandes zur Vergrößerung der ersten dieser Amplituden vorsehen.

Unter Benutzung der oben beschriebenen Impulse konstanter Dauer kann somit in sehr einfacher Weise die Messung des mittleren Frequenzunterschiedes nach Ablauf einer bestimmten Zeitspanne vorgenommen werden.

Hierzu ist noch zu bemerken, daß eine Vorrichtung mit dauernder Subtraktion der oben beschriebenen Art besonders vorteilhaft ist, da diese fortwährende Subtraktion die Sättigung der Zählvorrichtungen vermeidet, welche schnell eintreten würde, wenn die Zählung für die Impulse einerArt (Relais A) und für die Impulse der anderen Art getrennt und die Subtraktion der Ergebnisse erst nach einer bestimmten Zeitspanne vorgenommen würde.

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   i. Verfahren zur Ermittlung des Vorzeichens der Differenz von zwei Frequenzen f_± und f₂ periodischer Funktionen unter Benutzung von zwei um 90 ° gegeneinander verschobenen Funktionen der Form cos 2 π (^₁—f₂) t und sin 2 π- (^₁—f₂) t, dadurch gekennzeichnet, daß mit

   Hilfe eines ersten, durch eine dieser Funktionen gesteuerten Relais Impulse ausgesandt werden, deren jeder nur während einer bestimmten Dauer einer jeden Periode dieser Funktion wirksam wird, wobei diese Dauer kleiner als ein Viertel der Periode ist, und daß diese Impulse mittels eines zweiten, durch die andere Funktion gesteuerten Relais an den einen oder den anderen von zwei Stromkreisen weitergegeben werden, je nachdem, ob die zweite Funktion im Augenblick des Impulses mit der ersten Funktion dasselbe oder das entgegengesetzte Vorzeichen hat. , 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Relais durch periodische Funktionen von Rechteckform gesteuert werden.

   3. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens

   nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste polarisierte Relais (D₃ Fig. r) durch Kontakte (CD und C D) in Kombination mit einem Sender (g) zur Aussendung von Impulsen zu Beginn einer jeden Periode der entsprechenden zu vergleichenden Funktion ein Zwischenrelais (R) während einer Zeit (t₀) betätigt, welche kleiner als ein Viertel der Periode ist, und daß das Zwischenrelais (R). durch einen Kontakt (CR) den Stromdurchgang durch die Arbeitskontakte des zweiten, von der anderen zu vergleichenden Funktion gesteuerten polarisierten Relais (E) steuert, wobei dieses zweite Relais zwei Kontakte (CE₁, CE₂) besitzt, um den Strom je nach dem Vorzeichen der Differenz (f_t —f₂) dem einen oder dem anderen Stromkreis von zwei Meßvorrichtungen oder Relais (A₃ B) zuzuführen.

   4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch zwei Modulatoren (Af₁ und M₂ — Fig. 4) zur Lieferung der beiden Sinusspannungen der Form cos 2 π (f_x —/₂) t und sin 2 π (Z₁—f₂) t, wobei diese beiden Modulatoren diese Spannungen über Röhren an Differentialrelais (D₃ E) anlegen und die Dauer (t₀) der Betätigung des Zwischenrelais (R) durch eine Entladungsvorrichtung mit einer durch Widerstand und Kondensator einstellbaren Zeitkonstante erhalten wird.

   5. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß dieRechteckspannungen dadurch erhalten werden, daß die Röhren einen Strom liefern, welcher erheblich größer als der für den Anzug der Relais (D₃ E) erforderliche Strom ist.

   6. Vorrichtung nach Anspruch 3 zur Messung des mittleren Frequenzunterschiedes zwischen zwei Funktionen mit den Frequenzen· f_t und f₂ mit Hilfe der Änderungen des Vorzeichens der Differenz (f_t-.—/₂), gekennzeichnet durch Vorrichtungen zur Zählung der in jeden der zu wählenden Stromkreise (A und B) gesandten Impulse mit Subtraktionen der in den beiden Stromkreisen erhaltenen Resultate.

   7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Subtraktion in jedem Augenblick vorgenommen wird.

   8. Vorrichtung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden in den zu wählenden Stromkreisen vorgesehenen und abwechselnd die beiden Impulsarten empfangenden Relais (A, B) auf zwei fluchtenden Achsen sitzende mechanische Zähler betätigen, wobei zwischen diesen beiden Achsen Vorrichtungen zur fortlaufenden Subtraktion der beiden Zählungen voneinander vorgesehen sind.

   9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zur fortlaufenden Vornahme der- Subtraktion als Spannungsleiter ausgebildet sind.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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