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Einrichtung zum Messen, Erzeugen oder Vergleichen von Frequenzen und
Tourenzahlen Um eine möglichst genaue Frequenzmessung bzw. einen Frequenzvergleich
durchzuführen, ist es erforderlich, eine nur der zu messenden Grundfrequenz äquivalente
Spannung zu erzeugen. Die erzeugte Meßspannung soll weder von Oberwellen noch Amplitudenschwankungen
der Bezugsspannung abhängig sein. Ferner darf die erzeugte Meßspannung in ihrem
Wert von keinem Ubergangswiderstand (Kollektor oder Schleifringe) gefälscht werden.
Sie muB größtmöglichst temperaturunabhängig sein.
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Bei den bisher bekannten Anordnungen zur Frequenzmessung oder zum
Frequenzvergleich hat man mit im Vergleich zu der Meßwertleistung verhältnismäßig
großen rotierenden Massen zu tun.
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Diese können plötzlich auftretenden Änderungen nicht mit der erforderlichen
Trägheitslosigkeit folgen und belasten das Meßobj ekt durch größeren Eigenverbrauch.
Ferner neigen diese Anordnungen bei Spannungsschwankungen, Änderung des Drehmomentes
und erhöhter Lagerreibung zu Meßfehlern, welche häufig zu spät erkannt werden. Bei
Verwendung von schwingenden Eisenankern im Magnetfeld oder Schwingkondensatoren
als Meßmittel hat man unter dem Einfluß von Oberwellen ebenfalls mit manchmal erheblichen
Meßfehlern zu rechnen.
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Die Verwendung einer rein oszillierenden Anordnung, beispielsweise
einer in einem Magnetfeld schwingenden Spule, ist ebenfalls nicht zu einer
fehlerfreien
Frequenzmessung brauchbar, und zwar aus folgenden Gründen. Die Schwingweite einer
frei beweglichen Spule im magnetischen Feld ist, wenn diese erregt wird, spannungsabhängig.
Kuppelt man zwei gleiche Systeme mechanisch, so wird an dem getriebenen System ein
getreues Abbild der am treibenden System anliegenden Spannung entstehen, aber nicht
der Frequenz, da die Relativgeschwindigkeiten der schwingenden Spulen zu den Kraftlinien
im magnet-i,schen Feld veränderlich sind. Begrenzt man aber die Schwingweite der
treibenden Spule durch mechanische Anschläge in, den beiden Umkehrpunkten, wird
an dem getriebenen System eine in den beiden Scheitelpunkten abgeflachte, nicht
mehr sinusförmige Spannungskurve entsteh'en. Diese Spannung, die außerdem noch durch
Prellungen an den beiden Anschlägen beeinflußt wird, kann also nicht in bezug zu
der am treibenden System liegenden Frequenz gebracht werden.
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Dieselben Nachteile treten bei einer bekannten rein oszillierenden
Anordnung auf, bei der ein Anker zwischen den Polen eines von der zu messenden Wechselspannung
erregten hufeisenförmigen Magneten schwingt und mit einem zweiten Anker gekuppelt
ist, der zwischen den Polen eines zweiten Magnetsystems schwingt, das mit Wicklungen
versehen ist, in denen eine Wechselspannung induziert wird, die als Maß für die
Frequenz dient, mit der das treibende System gespeist wird. Auch hier muß sich die
induzierte Spannung im getriebenen Teil mit größer werdender Spannung am treibenden
System und damit größer werdender Schwingweite des Ankers des treibenden Systems
ändern. Außerdem sind bei dieser Anordnung verhältnismäßig große Luftspalte erforderlich,
die sich nachteilig auf die Meßleistung auswirken.
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Diese Nachteile werden- erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß eine
Frequenz mittels einer von ihr erregten, in einem konstanten Magnetfeld hin und
her schwingenden Tauchspule über einen Kurbeltrieb in eine dieser Frequenz proportionale
Drehbewegung (Frequenz-Drehzahl-Umformer) bzw. umgekehrt eine Drehbewegung über
einen Kurbeltrieb und eine mit diesem gekuppelte Tauchspule in eine der Drehbewegung
proportionale Frequenz (DrehzahT - Frequenz - Umformer) umgewandelt wird.
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Als Frequenz-Drehzahl-Umformer folgt diese Anordnung Frequenzänderungen
praktisch trägheitslos. Die Bewegung der Tauchspule geht nur mit der Grundfrequenz
der angelegten Spannung.
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Spannungsschwankungen können keinen Einfluß ausüben, da immer nur
eine Periode in eine Umdrehung umgewandelt wird. Bei ungewöhnlich starken Spannungsschwankungen,
von ungefähr plus oder minus 20°/o an, kommt der Frequenz-Drehzahl-Umformer zwar
zum Stehen, solange jedoch die angetriebene Welle rotiert, ist ihre Umdrehungszahl
nur der angelegten Frequenz proportional. Ein Einfluß von selbst erheblichen Oberwellen
(stark verzerrte Kurve) wurde bei Versuchen nicht beobachtet. Weitere Vorteile der
Erfindung bestehen darin, daß durch Anwendung eines starken homogenen Magnetfeldes
eines engen Luftspaltes und der sehr kleinen beweglichen Masse der eisenlosen Tauchspule
ein verhältnismäßig großes Drehmoment bei kleiner Stromaufnahme des Motorteils bei
dem Frequenz-Drehzahl-Umformer und eine verhältnismäßig hohe elektrische Energie
bei dem Generatorteil des Drehzahl-Frequenz-Umformers erzielt wird.
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Als Drehzahl-Frequenz-Umformer ist bei der Anordnung nach der Erfindung
die in der Tauchspule induzierte Spannung proportional der Umdrehungszahl der angetriebenen
Welle sowohl in bezug auf die erzeugte Frequenz als auch auf die Spannungshöhe.
Es kann also ein über einen Gleichrichter angeschlossenes Drehspulinstrument direkt
in Umdrehungszahlen geeicht werden, oder aber ein Frequenzmesser über einen kleinen
Verstärker angeschlossen und dieser dann mit den mechanisch regelbaren Umdrehungszahlen
kontrolliert bzw. nachgeeicht werden.
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Der Frequenz-Drehzahl-Umformer bzw. Drehzahl-Frequenz-Umformer nach
der Erfindung kann für vielerlei Zwecke angewendet werden.
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In der Anwendung als Frequenzmesser ist ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung in der Zeichnung schematisch dargestellt.
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Fig. I zeigt das mechanische, Fig. 2 das elektrische Prinzip.
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Einander entsprechende Teile sind in den beiden Figuren mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
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Mit I ist ein Topfmagnet mit hochwertigem Dauermagnetsystem bezeichnet,
wie er beispielsweise bei den normalen im Handel befindlichen Lautsprechersystemen
verwendet wird. In dem Luftspalt zwischen dem mittleren Kern 2 und den äußeren Schenkeln
des Topfmagneten befindet sich eine auf dem unmagnetischen Tragteil 4 angebrachte
Tauchspule 3. An dem Tragteil 4 ist eine dünne Messingstange 5 befestigt, die mit
geringem seitkchem Spiel in einer zentralen Bohrung 6 des Kerns 2 gleitet. Auf diese
Weise wird eine genaue zentrische Führung für die Tauchspule geschaffen. An zwei
gegenüberliegenden Seiten der Messingstange 5 sind über die ganze Länge zwei nicht
dargestellte Flächen oder Nuten angefräst, um eine Pumpenwirkung beim Aufundabgehen
der Messingstange 5 in der Bohrung 6 zu vermeiden. Der Tragteil 4 für die Tauchspule
3 ist über eine Gelenkkupplung 7 und Pleuelstange 8 mit den Kurbelzapfen g einer
Kurbelwelle 10 gekuppelt, die in Lagern II und I2 gelagert ist und auf der eine
kleine Schwungmasse I3 befestigt ist. Mit dem Kurbelzapfen 14 am anderen Ende der
Welle I0, der gegenüber dem Kurbelzapfen g um I800 versetzt ist, ist über die Pleuelstange
15 und eine Gelenkkupplung eine in der gleichen Weise wie die Tauchspule 3 im Luftspalt
eines zweiten Topfmagneten geführte Tauchspule i6 gekuppelt. -Wie aus Fig. 2 ersichtlich
ist, wird an die Klemmen I8 der Tauchspule 3 die zu messende Frequenz angelegt,
während an die Enden der Tauchspule I6 ein Meßinstrument 19 angeschlossen ist. Die
Strom-
zuführung bzw. Stromabnahme an den beiden Tauchspulen erfolgt
über dünne bewegliche Kupferbänder.
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Zur Inbetriebsetzung wird das dargestellte Aggregat von Hand oder
mittels eines besonderen Kurbelmotors angeworfen. Sobald die synchrone Drehzahl
erreicht ist, läuft das Tauchspulensystem, an dessen Klemmen I8 die zu messende
Frequenz angelegt ist, als Wechselstrommotor weiter. Von der zweiten Tauchspule
I6, die nun über die gemeinsame Welle 10 angetrieben wird und in deren Windungen
eine Spannung induziert wird, wird diese induzierte Spannung abgenommen und auf
das Meßinstrument 19 gegeben. Diese in der Spule I6 induzierte Spannung ist der
an dem anderen Tauchspulensystem liegenden Frequenz, und zwar nur dieser, unabhängig
von der Höhe der Spannung und unabhängig von der Kurvenform proportional.
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Das Meßinstrument 19 kann also unmittelbar in Frequenzen geeicht sein.
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Zum Anwerfen kann ein nicht dargestellter kleiner Gleichstrommotor
mit permanentem Feld vorgesehen sein, der mittels einer Schelle um eine vertikale
Achse schwenkbar gelagert ist und mit einem auf seiner Achse sitzenden Gummitreibrad
versehen ist. Wenn der Anwurfmotor zum Anwerfen eingeschwenkt wird, schaltet sich
zwangläufig die Stromzuführung zum Motor ein und das Gummitreibrad auf der Motorachse
überträgt dann seine rotierende Bewegung auf die Schwungscheibe 13. Sobald die synchrone
Drehzahl erreicht'ist, wird der Motor zurückgeschwenkt und die Stromzuführung zu
ihm selbsttätig wieder abgeschaltet.
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Da durch das Tauchspulensystem I, 3 die angelegte Frequenz in eine
Drehzahl umgeformt wird, wird-nachfolgend dieses System mit Frequenz-Drehzahl-Umformer
bezeichnet, während das zweite angetriebene Tauchspulensystem, das die Drehzahl
der Welle 10 in eine Frequenz umwandelt, nachfolgend mit Drehzahl-Frequenz-Umformer
bezeichnet wird. An Stelle der in Fig. I dargestellten Anordnung können auch die
beiden Tauchspulen zu beiden Seiten der Gelenkwelle einer einzigen Gelenkkupplung
7 angelenkt sein, wobei diese dann über eine einzige Pleuelstange zur Amplitudenbegrenzung
mit einem Kurbeltrieb gekuppelt ist.
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Die Erfindung kann überall dort angewendet werden, wo es gilt, Frequenzen
oder Tourenzahlen in eine äquivalente Wechsel- oder Gleichspannung umzuformen, und
zwar mit der Genauigkeit der dabei verwendeten Drehspul- oder Wechselspannungsmesser.
Die Empfindlichkeit kann dabei noch init den bekannten Mitteln, wie unterdrückter
Nullpunkt, Brückenschaltung oder rein mechanisch durch ein Differentialgetriebe
gesteigert werden.
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Bei der letztgenannten-Anordnung fallen noch alle elektrisch bedingten
Fehlerquellen fort.
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Als Anwendungsbeispiele der Erfindung seien folgende erwähnt: Zur
Erzeugung einer der angelegten Frequenz proportionalen Gleichspannung wird der Frequenz-und
Drehzahl-Umformer mit einem Kleinstdynamo gekuppelt.
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Zur Fernmessung der Tourenzahlen eines Generators wird der Frequenz-Drehzahl-Umformer
mit einem mechanischen Tourenzähler gekuppelt.
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Zum Vergleich zweier Frequenzen und zum Synchronisieren von Generatoren
werden zwei von je einer der beiden Frequenzen gespeiste Frequenz-Drehzahl-Umformer
mit je einem Sonnenrad eines Differentials gekuppelt, dessen Planetenrad einen Zeiger
antreibt.
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Zur Frequenz-Differenzmessung oder zum Frequenzvergleich oder zur
Steuerung werden die Ausgänge von zwei mit je einem Frequenz-Drehzahl-Umformer gekuppelte
Drehzahl-Frequenz-Umformer mit je einer Spule eines Kreuzspulmeßgerätes oder mit
je einer Seite einer Brückenschaltung verbunden, in deren Diagonalzweig ein Meßinstrument
angeordnet ist.
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Zur Tourenzählung wird mit dem Ausgang des Drehzahl-Frequenz-Umformers
ein als elektrischer Tourenzähler dienender Spannungsmesser verbunden.
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Mit einem regelbaren Motor gekuppelt kann der Drehzahl-Frequenz-Umformer
als Frequenzgenerator zur Eichung von Frequenz messern dienen.
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Zum Drehzahlvergleich zweier umlaufender Teile werden diese mit je
einem Drehzahl-Frequenz-Umformer gekuppelt und deren Ausgänge mit je einer Spule
eines Kreuzspulmeßgerätes oder mit je einer Seite einer Brückenschaltung verbunden,
in deren Diagonale ein Meßinstrument angeordnet ist.
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Ferner kann zur Erzeugung einer der angelegten Frequenz proportionalen
Gleichspannung von der Welle des Frequenz-Drehzahl-Umformers ein Kontakt zum stromlosen,
im Nulldurchgang erfolgenden Schalten eines mechanischen Gleichrichters gesteuert
werden.