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Vorrichtung zum Messen von Wechselstromfrequenzen
Die Erfindung bezieht
sich auf eine Vorrichtung zum Messen von Wechselstromfrequenzen mit einem synchron
erregten Vibrator sowie einem Kondensator, der durch diesen Vibrator wechselweise
mit einer Gleichstromquelle und mit einem Entladekreis verbunden ist, womit eine
der zu messenden Frequenz proportionale Gleichspannung einem Meßkreis übermittelt
ist.
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Eine Vorrichtung dieser Art ist in der USA.-Patentschrift 2 III 598
von W. A. Marrison beschrieben. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird der Vibrator
nicht nur von der Wechselstromquelle, deren Frequenz gemessen werden soll, erregt,
sondern auch noch von einer anderen Wechselstromquelle konstanter Vergleichsfrequenz,
um Schwebungsschwingungen zu erzeugen. Die Erzeugung der konstanten Vergleichsfrequenz
bedingt einen erheblichen Aufwand.
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Dieser Aufwand wird gemäß der Erfindung dadurch vermieden, daß der
Vibrator nur von der Wechselspannungsquelle, deren Frequenz gemessen werden soll,
erregt ist und daß im Meßkreis ein an sich bekanntes selbstabgleicllendes Potentiometer
zur'Anzeige und zum Abgleich der der zu messenden Frequenz proportionalen Gleichspannung
vorhanden ist.
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Vorzugsweise wird dieselbe Gleichstromquelle zugleich für den Vibrator
und für das Potentiometer verwendet, was zur Folge hat, daß Spannungsschwankungen
der Gleichstromquelle sich auf die Meßgenauigkeit praktisch nicht auswirken. Die
Anwendung des an sich bekannten selbstabgleichenden Potentiometers gestattet im
vorliegenden Zusammenhange die Erreichung einer mit derartigen Vorrichtungen - bisher
noch nie erreichten Meßgenauigkeit, von beispielsweise 0,02 Hertz bei einem vollen
Meßbereich von 2 Hertz.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes
dargestellt.
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Mit I0, ii ist eine Wechselstromleitung bezeichnet, deren Frequenz
gemessen werden soll. Ein Transformator I2 mit Primärwicklung 13 und Sekundärwicklung
14 ist parallel zwischen den Wechselstromleitungen 10 und II geschaltet. Die Sekundärwicklung
14 übermittelt einem synchronen Vibrator die Antriebsspannung. Dieser Vibrator I5
besteht aus einer Antriebsspule I6, einer schwingenden einpoligen Schaltzunge I7
und einem Paar feststehender Kontakte I8, 19. Solche Vibratoren sind an sich bekannt,
siehe z, B. die USA.-Patentschrift 2 423 524.
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Ein Kondensator 20 ist mit der Schaltzunge 17 geschaltet, wobei ein
temperatur ausgleichender Widerstand 21 mit diesem Kondensator in Serie geschaltet
ist. An der anderen Klemme des Widerstandes 21 sind zwei Widerstände22, 23 in Serie
mit einem regelbaren Widerstand geschaltet.
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Die Widerstände 22, 23, 24 sind in der Eingangsleitung eines integrierenden
Netzwerkes 25 geschaltet, das aus Widerständen 26, 28, 30 und Kondenstatoren27,
29, 3I besteht.
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Ein zweiter Transformator 35 ist ebenfalls an der Leitung I0, 11
angeschlossen. Dieser Transformator weist eine Primärwicklung 36 und eine Sekundärwicklung
37 auf, welch letztere mit einem zweiten Vibrator 38 zwecks Antrieb verbunden ist.
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Dieser Vibrator ist dem Vibrator 15 gleich und besteht aus der Antriebsspule
39, der Schaltzunge 40 und den Kontakten 4I, 42. Der Vibrator 38 wirkt mit dem Transformator
424 zusammen als Umwandler der Gleichspannung in Wechselspannung (s. USA.-Patentschrift
2 423 524). Der Transformator 42A weist eine Primärwicklung 43 mit einer Anzapfung
44 und eine Sekundärwicklung 45 auf, welch letztere mit einem Verstärker 46 verbunden
ist. Der Vibrator 38, der Transformator 42A und der Verstärker 46 sind an sich bekannt
(s. z. B.
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USA.-Patentschrift 2 423 540).
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Ein Transformator 47 mit Wicklungen 48, 49 bildet den Eingang des
Vibrators 38. Zwei Kondensatoren 50, 51 sind in Serie zwischen je einem Pol der
Primär- und Sekundärwicklung des Transformators 47 geschaltet, wobei ihr Verbindungspunkt
in der Nähe des Trausformatorkerus geerdet ist, um die Wirkung unerwünschter Signale
im Vibrator 38 zu eliminieren.
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Der Verstärker 46 sendet einen Wechselstrom in die eine Wicklung
55 des Zweiphasenmotors 56. Die andere Wicklung dieses Motors ist über einen in
Serie geschalteten P;hasenverschliebungskondensator 58 mit der Leitung 10 und II
verbunden. Der Motor 56 dient dem Antrieb des Schiebers 65 des Schleifdrahtpotentiometers
66. Ein Widerstand 67 ist parallel mit dem Potentiometer 66 geschaltet, während
die Widerstände 68, 69 in Serie mit diesem Potentiometer 66 geschaltet sind. Ein
Zeiger 70 ist mit dem Schieber 65 verbunden und spielt vor einem Zifferblatt 71,
das direkt in Hertz geeicht ist.
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Der Zeiger 70 zeigt die zu messende Frequenz an.
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Die Gleichstromquelle für den Meßkreis besteht aus einem Akkumulator
75. Mit diesem Akkumulator ist ein Widerstand 76 in Serie und ein Kondensator parallel
geschaltet, wobei letzterer den Akkumulator 75 in dem Sinn stabilisiert, daß Spannungsschwankungen
vermieden werden, die die Genauigkeit der Frequenzmessung beeinträchtigen würden.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Vorrichtung wird nachstehend
erläutert.
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Die Antriebsspule I6 des Vibrators 15 ist von dem Wechselstrom erregt,
der direkt von der Leitun 10, II kommt.
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Dieser Wechselstrom verursacht ein Schwingen der Schaltzunge I7,
die wechselweise mit den Kontakten I8, 19 verbunden ist, wobei die Frequenz dieser
Schwingungen gleich der an der Spule 16 angelegten Frequenz ist. Die Kontaktdauer
der Zunge I7 mit den Kontakten I8 und 19 ist einstellbar, - sie wird vorzugsweise
auf 25 0/o der Dauer einer Periode für jeden Kontakt festgelegt.
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Wenn die Schaltzunge 17 mit dem Kontakt 18 verbunden ist, wird ein
Stromkreis geschlossen, über den'der Kondensator 20 geladen wird. Die Zeitkonstante
dieses Kreises ist derart festgelegt, daß der Kondensator 20 auf die volle Spannung
des Akkumulators 75 aufgeladen wird. Das heißt, daß durch den Widerstand 23 ein
Gleichspannungsimpuls erzeugt wird, der dem Netzwerk 25 zugeführt wird.
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In der zweiten Hälfte der Periode wird die Schaltzunge I7 mit dem
Kontakt Ig verbunden, wodurch der Kondensator 20 sich über die Widerstände 24, 22,
21 entlädt. Die Zeitkonstante dieses Kreises entspricht der Zeitkonstante des Ladekreises,
wodurch durch die Widerstände 22, 24 wieder ein Gleichspannungsimpuls erzeugt wird,
der die gleiche Polarität hat wie der Ladeimpuls.
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Dieser Impuls wird auch dem Netzwerk 25 zugeführt.
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Diese Gleichspannungsimpulse werden im Netzwerk 25 integriert. Die
Ausgangsgleichspannung dieses Netzwerks ist direkt der Wechselstromfrequenz proportional,
die die Schaltzunge 17 antreibt. Diese Gleichspannung wird mit der vom Potentiometer
66 herrührenden Spannung verglichen. Diese Spannung des Potentiometers 66 wird über
den folgenden Stromkreis erzeugt: Akkumulator 75, Leiter 80, 87, Widerstand 68,
Potentiometer 66, Widerstand 69, Leiter 86. Die Gleichspannung im Leiter 85 wird
über die Primärwicklung 48 des Transformators 47 der Schaltzunge 40 des Unterbrechers
38 angelegt.
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Die Spannung über den Schieber 65 ist über die Sekundärwicklung 69
der Anzapfung 44 der Primärwicklung 43 des Transformators 42A angelegt.
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Wenn die Amplituden der an der Zunge 40 und der Anzapfung 44 liegenden
Spannungen nicht übereinstimmen, wird eine Wechselspannung durch die Schwingung
der Schaltzunge 40 zwischen den Kontakben 41 und 42 erzeugt, und' die im Transformator
42A erzeugte Wechselspannung gelangt zum Verstärker46. Dieser verstärkt dieses Signal
und erzeugt ein die Steuerwicklung 55 des Motors 56 erregendes Signal, wodurch der
Motor angetrieben wird, um den Schieber 65 zu verstellen, und zwar in der Richtung,
daß ein Ausgleich zwischen der Ausgangsgleichspannung des Netzwerks 25 und der Spannung
des Schiebers 65 stattfindet.
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Wenn die Frequenz der Wechselspannung in den Leitern I0, II abnimmt,
wird der synchron angetriebene Vibrator 15 ebenfalls eine kleinere Anzahl Impulse
für das Netzwerk 25 erzeugen.
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Entsprechend wird die Spannung an den Leitern 85, 86 abnehmen, wodurch
über den Unterbrecher 38 und den Motor 56 eine Verstellung des Schiebers 65 erfolgt.
Es ist klar, daß der Ausschlag des Motors 56 schon eine Anzeige bilden kann bzw.
die Steuerwirkung erzielen kann.
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Wenn die Frequenz des Stromes in der Leitung I0, II zunimmt, wird
der Schieber65 in der umgekehrten Richtung verstellt.
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Die beschriebene Vorrichtung gestattet eine Messung, die auf 0,02
Hertz genau ist. Der volle Meßbereich der Vorrichtung ist gleich 2 Hertz, d. h.
bei einer Meßbereichmitte von 6o Hertz arbeitet die Vorrichtung genau zwischen 59
und 6I Hertz.
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Da die Vorrichtung Temperaturschwankungen ausgesetzt werden kann,
kann der Kondensator 20 mit Temperaturausgleichmitteln verbunden sein.
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Dies kann mit dem Widerstand 21 geschehen, da derselbe sowohl während
des Ladens als auch während des Entladens mit dem Kondensator 20 in Serie geschaltet
ist. Wenn nötig, kann dieser Widerstand 2I in Serie entweder mit dem Widerstand
22 oder dem Widerstand 23 geschaltet werden, so daß die Widerstand-Kondensator-Zeitkonstante
des Stromkreises geändert wird, wodurch die Änderungen der Kapazität des Kondensators
20 ausgeglichen werden.
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Der Ausschlag der Vorrichtung ist eine Funktion ersten Grades der
zu messenden Frequenz. Der Hauptgrund dafür ist darin zu suchen, daß Impulse konstanter
Amplituden verwendet werden, im Gegensatz zu bisher bekannten Vorrichtungen.
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Diese konstante Amplitude ist dadurch gegeben, daß die Zeitkonstanten
des Lade- und des Entladekreises kleiner gewählt sind als die Kontaktdauer der Schaltzunge
I7 mit den Kontakten I8, 19. Nur das Verhältnis der Impulse variiert mit der Frequenz,
wodurch lineare Variationen entstehen. Es ist daher möglich, die Vorrichtung für
die verschiedensten Frequenzmessungen ohne große Änderungen zu verwenden.
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Die Vorrichtung ist ebenfalls unabhängig vom Klirrfaktor der Meßfrequenz,
da der Vibrator 15 auf die Harmonischen nicht anspricht. Die Eichung der Vorrichtung
ist einfach durchführbar.