Empfänger für eine Fernmesseinrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Empfangsanordnung für eine Fernmesseinrichtung, welche nach dem Frequenzvariationsverfahren arbeitet. Sie dient der Umsetzung der einem Messwert proportionalen Signalfrequenz in eine Rechteckimpulsfolge.
Es sind Empfänger für derartige Fernmesseinrichtungen bekannt, beispielsweise aus Die Fernmessung II von S. John Verlag Braun, 1957, Seite 168, Bild 89, oder S. 187, Bild 100, welche die Signalfrequenz durch aufwendige elektronische Schaltanordnungen in eine Rechteckimpulsfolge umwandeln. So sind z. B. bei der einen Schaltung zwei Stromtore und zwei Elektronenröhren neben einem Empfangstransformator notwendig. Die andere bekannte Schaltung benötigt neben dem Eingangstransformator und einem Röhrenverstärker mit Amplitudenbegrenzung einen Messtransformator. Bei dieser Schaltung, welche speziell für das Frequenzvariationsverfahren angewendet wird, formt der Röhrenverstärker mit Amplitudenbegrenzung die ankommende Signalwechselspannung in eine Rechteckspannung gleicher Frequenz.
Diese Rechteckspannung kann noch nicht beispielsweise durch eine Mittelwertbildung durch Messkondensatoren zur Anzeige dienen, denn die Amplitude dieser Rechteckspannung ist sehr von den Verstärkerdaten abhängig. Sie muss erst über einen Transformator aus einem Spezialeisen mit annähernd rechteckiger Magnetisierungskurve in eine Impulsspannung umgewandelt werden, um einen konstanten Integralwert für den Messtrom zu erhalten. Dabei müssen dann noch die verbleibenden Abhängigkeiten des Integralwertes von der Höhe der Eisensättigung des Transformators durch einen zweiten Transformator korrigiert werden.
Diese aufwendige Schaltungsanordnung ist bei einem Empfänger für eine Fernmesseinrichtung nach dem Frequenzvariationsverfahren mit Umsetzung der Signalfrequenz in eine Rechteckimpulsfolge, welcher erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet ist, dass eine monostabile Transistorkippstufe als Umsetzer verwendet wird, vermieden.
Die Schaltungsanordnung kann schon durch zwei Transistoren und zwei Dioden neben einem gewöhnlichen Eingangstransformator verwirklicht werden.
Ihre Vorteile bestehen in einer grossen Umsetzgenauigkeit, in einer weitgehenden Unabhängigkeit der Rechteckimpulse von den Transistordaten, der Umgebungstemperatur und der Kurvenform der Ansteuerspannung.
Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung können die Rechteckimpulse des Umsetzers über einen Kondensator aus dem Kollektorstromkreis des Ausgangstransistors der Kippstufe ausgekoppelt werden. Diese Massnahme gestattet, die anschliessende Messchaltung vom Kollektorreststrom des Ausgangstransistors unabhängig zu machen. Die ausgekoppelten Rechteckimpulse können durch eine Diode in einen pulsierenden Gleichstrom umgewandelt, geglättet und dann einer Anzeige- oder Registriervorrichtung zugeführt werden. Der geglättete Gleichstrom ist proportional der ursprünglichen Signalfrequenz.
Zur weitgehenden Verhinderung von Temperaturabhängigkeit der Transistorschaltung können die Transistoren im Bereich der Kniespannung arbeiten, welcher Bereich bei den üblichen Transistoren die gleiche und temperaturunabhängige Grössenordnung hat.
Die Schaltungsanordnung gemäss der Erfindung gestattet auch leicht, einen sogenannten Vortriebs- messtrom, der durch eine Bezugsfrequenz, beispielsweise für den Messwert Null, hervorgerufen wird, mit der Betriebsspannung der Schaltungsanordnung zu kompensieren, so dass für die Bezugsfrequenz das Anzeigeinstrument keinen Messtrom führt. Es lassen sich damit auch Frequenzänderungen direkt anzeigen.
Die Wirkungsweise der Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles, welches in einer schematischen Zeichnung dargestellt ist, erläutert.
Fig. 1 der Zeichnung zeigt einen Schaltplan eines Empfängers nach der Erfindung. Fig. 2 zeigt den Spannungsverlauf an einem der Transistoren und Fig. 3 stellt den Verlauf der ausgekoppelten Spannung dar.
Das Ausführungsbeispiel ist für einen Frequenzbereich von 5 bis 15 Hz bei 0 bis 2 mA Gleichstrom an 200 Ohm dimensioniert. Über einen in Fig. 1 dargestellten Eingangstransformator Tr gelangt das Eingangssignal, infolge der niedrigen Frequenz differenziert, über eine Diode D an die Basis eines Transistors Tl. Die Diode Da ist so geschaltet, dass jeweils nur die negative Amplitude des Signales an die Basis von T1 gelangt. Der Transistor T1 ist bei fehlendem Signal infolge der Potentialverhältnisse an entsprechend gewählten Widerständen R5, R; und R, gesperrt, d. h., sein Kollektorstrom beträgt einen Minimalwert. Ein über die Diode Dl eintreffender negativer Impuls öffnet den Transistor, d. h., sein Innenwiderstand wird sehr klein.
Damit entsteht am Kollektor des Transistors T1 ein positiver Impuls, der in voller Höhe über einen Kondensator C1 an die Basis eines Transistors T übertragen wird. Der Transistor T2 ist durch entsprechend gewählte Widerstände R5 und R; so geschaltet. dass er im Ruhezustand Sättigungsstrom führt. Infolge der Ansteuerung seiner Basis mit einem positiven Impuls wird der Transistor T vollständig gesperrt, d. h., an seinem Kollektor entsteht ein negativer Impuls. Dieser Impuls wird über den Widerstand Rl an die Basis des Transistors T1 zurückgeführt, wo er die Wirkung des Eingangssignales unterstützt. Diese positive Rückkopplung bewirkt den bekannten Kippeffekt der Schaltung.
Durch ein über den Eingangstransformator Tr ankommendes Ansteuersignal wird also der Transistor Tl geöffnet und der Transistor TJ gesperrt. Dieser Zustand ist aber nicht stabil. Bei Betrachtung des Spannungsverlaufes an der Basis von T. erkennt man, dass durch den positiven Spannungssprung tU am Kollektor von Tl, die Basis von T um U in den positiven Sperrbereich ausgesteuert wird. Die Aufladung des Kondensators Ct erfolgt mit der Zeitkonstanten T = Ci. R5, wobei zu beachten ist, dass der Ausgleichvorgang eine Umladung des Kondensators erstrebt, da bei positiver Basisspannung der Transistoreingang hochohmig ist.
Der zeitliche Verlauf der Basisspannung des Transistors T ist in Fig. 2 aufgezeichnet. Zum Zeitpunkt t; wird der Ausgleichvorgang durch das Leitendwerden des Transistoreingangs beim Spannungswert UB t O abgebrochen; es setzt nämlich sofort der Kollektorstrom und infolge der Rückwirkung auf den Transistor Tj das Rückkippen in den stabilen Ruhestand ein. Bedingt durch das Hin- und Rückkippen entstehen an den Kollektoren Rechteckimpulse der Dauer t1 2i C1.
Ri . ln2 (Bedingung : UB > 0,2 v). Bemerkenswert ist, dass die Impulsdauer bei dieser Schaltung durch den steilen Verlauf der Spannungskurve im Schnittpunkt mit der Abszisse genau bestimmt ist und t unabhängig von t U bzw. der Betriebsspannung ist.
Die so durch die negativen Halbwellen des Eingangssignales ausgelösten Rechteckimpulse werden über einen Kondensator C, abgegriffen und mittels einer Diode D. gleichgerichtet. Der arithmetische Mittelwert der durch die Gleichrichtung erzeugten Gleichstromkomponente ist proportional der Impulsfolgefrequenz der Rechteckimpulse und damit proportional der ursprünglichen Signalfrequenz. Der Spannungsverlauf an der Diode D, ist in Fig. 3 aufgezeichnet. Über ein aus einem Widerstand R8 und einem Kondensator G bestehendes Siebglied (Tiefpass) wird diese Spannung abgegriffen und einem Anzeigeinstrument M zugeführt.
Aus Fig. 3 ist zu entnehmen, dass die Gleichspannung gegenüber dem Bezugspunkt (Minuspol der Speisespannung) negativ gerichtet ist. Es ist also möglich, mittels eines Widerstandes R9 vom positiven Pol der Speisespannungsquelle her, eine Gegenspannung am Anzeigegerät zu erzeugen, mit der ein sogenannter Vortriebsmesstrom, welcher durch eine Bezugsfrequenz hervorgerufen wird, leicht kompensiert werden kann. Damit lassen sich auch Frequenz änderungen mit Hilfe des Empfängers direkt anzeigen. Mittels der aufgezeigten Kompensationsmöglichkeit für einen Vortriebsstrom kann eine besondere stabilisierte Kompensationsspannungsquelle eingespart werden, wenn nur die Betriebsspannungsquelle stabilisiert ist.
Mit dieser Empfängerschaltung ist ein relativ gut er Wirkungsgrad von 10 bis 20% zu erreichen.
Wie eingangs erwähnt wurde, ist die Schaltung für einen Frequenzbereich von 5 bis 15 Hz ausgelegt.
Grundsätzlich besteht aber durchaus die Möglichkeit, bei entsprechender Umdimensionierung die Schaltanordnung auch im Bereich mittlerer und hoher Frequenzen zu verwenden.