DE1151875B - Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Frequenz in einen ihr proportionalen Gleichstrom - Google Patents

Description

• Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Frequenz in einen ihr proportionalen Gleichstrom Die Anwendung des Impulsfrequenzverfahrens auf die Fernmeßtechnik bringt die Aufgabe mit sich, eine tiefe Frequenz (1 bis 20 Hz), die den gesendeten Meßwert darstellt, im Fernmeßempfänger in einen proportionalen Gleichstrom überzuführen. Dieser wird mit einem Drehspulinstrument gemessen oder mit einem Drehspulschreiber registriert. Es ist bereits eine Anzahl von Verfahren zur Frequenzmessung bekannt, die auf Fernmeßempfänger obiger Art angewendet werden. Sie beruhen größtenteils darauf, daß im Rhythmus der Frequenz entweder ein Kondensator umgeladen oder eine Induktivität ummagnetisiert wird.
• Beim Kondensatorladeverfahren entstehen Impulse mit der Fläche Dabei ist T die Periodendauer, C eine Konstante, U, die Spannung nach der Aufladung, U, die Spannung vor der Aufladung und Q die Ladungsmenge. Nach Gleichrichtung erhält man den gewünschten Gleichstrom Entsprechend erhält man beim Ummagnetisierungsverfahren Impulse mit der Fläche (w = Windungszahl; 0, = Sättigungsfluß).
• Ferner ergibt sich nach Gleichrichtung der Strom (R, ist ein Festwiderstand).
• Vorausgesetzt wurde, daß der jeweilige Impuls abgeklungen ist, bevor der nächste beginnt. Diese beiden Verfahren haben hinsichtlich ihrer Verwendung in Fernmeßgeräten folgende Nachteile: 1. In beiden Verfahren reicht die Energie der Impulse meist nicht aus, um ein Registrierinstrument direkt auszusteuern. Man ist daher gezwungen, Meßverstärker zu verwenden.
• 2. Dem Strom i. sind hohe Wechselamplituden tiefer Frequenzen überlagert, die bei gewöhnlichen Meßwerken eine Zitterbewegung des Zeigers hervorrufen. Deshalb müssen Siebmittel aufgewendet werden, die weitere Nachteile mit sich bringen, z. B. vergrößerte Einstellzeit.
• 3. Beim Kondensatorladeverfahren ist zwar der Strom 1. in gewissen Grenzen unabhängig vom Widerstand R der Meßschleife, doch muß (U,- U,) konstant sein, was meist besondere Stabilisierungsmaßnahmen erfordert.
• Dagegen ist letzteres beim Ummagnetisierungsverfahren nicht erforderlich, wenn die benutzte Induktivität einen Kern mit möglichst rechteckiger Magnetisierungskurve besitzt. Dieses Verfahren hat aber den Nachteil, daß der Strom i. von dem Widerstand R in der Meßschleife abhängig ist.
• Die Erfindung vermeidet alle angeführten Nachteile der genannten Verfahren. Sie betrifft eine Schaltungsanordnung, insbesondere für Femmeßempfänger, zur Umwandlung einer Frequenz in einen ihr proportionalen Gleichstrom, bei der die Spannungszüge mit der zu messenden Frequenz nach eventueller Verstärkung einem Differenzierübertrager zugeführt werden. Gemäß der Erfindung bringen die Ausgangsimpulse des Differenzierübertragers eine bistabile Transistorschaltung zum Kippen, die entstehende Rechteckspannung steuert einen Sättigungsübertrager von einer Sättigungsinduktion zur anderen aus, und die vom Sättigungsübertrager ausgehenden rechteckigen Impulse mit konstanter Spannungszeitfläche beaufschlagen nach Gleichrichtung einen gegenmagnetisierten Kompensationsübertrager, in welchem sich als Differenz zwischen der gleichgerichteten Ausgangsspannung des Sättigungsübertragers und der Gegenspannung des Kompensationsübertragers eine frequenzproportionale Gleichspannung ergibt, die zur Steuerung eines Verstärkers dient, dessen Ausgangsstrom die Gegenmagnetisierung des Kompensationsübertragers bewirkt und damit als eingeprägter, frequenzproportionaler Gleichstrom angezeigt werden kann.
• Es ist zwar bereits ein Frequenzmesser bekanntgeworden, dessen Eingangsimpulse ebenfalls in Impulse mit konstanter Spannungszeitfläche umgewandelt werden, jedoch unterscheidet sich dieser Frequenzmesser ganz erheblich vom Gegenstand der vorliegenden Erfindung-. Die Frequenzmesserschaltung weist eine Transistorstufe mit positiver Rückführung auf, die durch einen Rückkopplungstransformator ermöglicht wird. Sobald ein Impuls geeigneter Polarität ankommt, steigen die Ströme in dem Transformator und dem Transistor bis zur Sättigung an. Die Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors fällt dabei ungefähr auf Null ab. Die Schaltungsanordnung verbleibt in diesem Zustand, bis ein neuer Impuls eintrifft. Der gemessene mittlere Kollektorstrom ist der Eingangsfrequenz der Impulse proportional, weil die Spannungszeitfläche der Ausgangsimpulse bei konstanter Speisespannung ebenfalls konstant ist. Für die Aussteuerung des Frequenzmessers sind Impulse mit steilem Anstieg erforderlich. Mit einer derartigen Anordnung kann man vorzugsweise die Frequenz von Sägezahngeneratoren messen.
• Weiterhin sind Frequenzmesserschaltungen unter Verwendung einer Transistorstufe und eines Rückkopplungstransformators bekanntgeworden, die nach der sogenannten Kondensatorlademethode arbeiten. Diese Schaltungen erfordern besondere Siebmittel im Ausgangskreis und sind im Gegensatz zum Erfindungsgegenstand für tiefe Frequenzen nicht geeignet. Außerdem ist die Anzeige von der Betriebsspannung des Gerätes abhängig.
• Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels mit Zeichnungen erläutert.
• Fig. 1 zeigt das Prinzip der Schaltungsanordnung, in Fig. 2 sind Impulsfolgen dargestellt; Fig. 3 weist das Ersatzschaltbild und Fig. 4 eine Magnetisierungskurve auf.
• Gemäß Fig. 1 wird das demodulierte Signal den Eingangsklemmen 1 und 2 zugeführt und mit Hilfe des Transistors T, verstärkt. Im Differenzierübertrager DU werden daraus in jedem Nulldurchgang kurze Impulse geformt, wie sie in Fig. 2a und 2b dargestellt sind. Die beiden Impulsreihen sind um eine halbe Periodendauer gegeneinander versetzt. Diese Impulse bringen die bistabile Schaltung der beiden Transistoren T, und T, zum Kippen. Mit G, und G', sind Gleichrichter bezeichnet, die die Durchlaßrichtung der Impulse bestimmen. Zur bistabilen Transistorkippschaltung gehören ferner die Widerstände R, R, R, und R, Mit Z ist eine Zenerdiode bezeichnet, die zur Vorspannungserzeugung dient. U" und Ub sind die Impulsspannungen, die die Transistorschaltung zum Kippen bringen. Die Ausgangsströme der Transistorkippschaltung werden über die Widerstände R, und R, der Primärwicklung W, des Sättigungsübertragers SU zugeführt. Der Verlauf der primären Durchflutung im Sättigungsübertrager ist in Fig. 2c dargestellt. Der Sättigungsübertrager besitzt zwei Sekundärwicklungen W2 und W, denen die Gleichrichteranordnungen G, und G, nachgeschaltet sind. Die Sekundärwicklungen des Sättigungsübertragers speisen die Wicklungen W, und W, eines gegenmagnetisierten Kompensationsübertragers K. Mit R, ist ein Kopplungswiderstand zwischen den Wicklungen W2 und W, bezeichnet. Der Widerstand R" dient in Verbindung mit dem Kondensator C zur Verhinderung von Selbsterregungen der Schaltung. Die Wicklung W, des Kompensationsübertragers liegt in Reihe mit dem Widerstand der Meßschleife R", dem Anzeigeinstrument A und einem Transistor T, UB ist die Betriebsspannung der Schaltung. Der Sättigungsübertrager S U ist so ausgelegt, daß rechteckige Impulse definierter Fläche entstehen (s. Fig. 2d), die infolge der Gleichrichtung alle positiv sind. Am Ausgang der Gleichrichteranordnung G, liegt also die Impulsspannung U,1, deren Richtung aus dem Pfeil hervorgeht. Entgegengerichtet ist die Spannung Ue" die in der Wicklung Wi, des Kompensationsübertragers entsteht (s. Fig. 2e). Die Differenz dieser beiden Spannungen ist mit Uf bezeichnet (Fig. 2f). Diese Spannung steuert den Transistor T, aus. Man erkennt aus Fig. 2d, 2e und 2f, daß die Differenz der Spannungen Uj und U, eine Gleichspannung Uf ist. Die Sekundärimpulse des -Sättigungsübeitragers werden also in dem Kompensationsübertrager K so übersetzt, daß die Diflerenz zwischen der mit Hilfe von G, und G, gleichgerichteten Spannung des Sättigungsübertragers und der Spannung des Kompensationsübertragers eine frequenzproportionale Gleichspannung ergibt. Da diese Gleichspannung den Transistor T4 aussteuert, ist der eingeprägte Ausgangsstrom IA» des Verstärkers ebenfalls frequenzproportional. Dieser Strom durchfließt sowohl die Gegenmagnetisierungswicklung W, des Übertragers als auch das Anzeigeinstrument A.
• Zusammenfassend kann man sagen, daß durch die bistabile Kippschaltung die Primärwicklung des Sättigungsübertragers mit abwechselnder Polarität an die Betriebsspannung UB angeschaltet wird. Bei Belastung mit einem ohmschen Widerstand kann das in Fig. 3 dargestellte Ersatzschaltbild verwendet werden, das dazu dient, die einzelnen Vorgänge besser zu veranschaulichen. Der Kontakt im Ersatzschaltbild entspricht der Transistorkippschaltung, die die Betriebsspannung UB an den Kreis legt. Der Strom !L in der Induktivit4:t L ist bestimmt durch Für die Funktion t = t (B) gilt nach dem Induktionsgesetz: Dabei ist 0 der Fluß, FE der Eisenquerschnitt und B die Induktion.
• Für die Funktion u = u (H) gilt nach dem Durchflutungsgesetz: Die Induktion B ist eine Funktion der Feldstärke H. Diese Parameterdarstellung für t und u besagt, daß sich die Magnetisierungskennlinie im Einschaltvorgang näherungsweise proportional abbildet. Um am Ausgang, rechteckige Impulse zu erhalten, wird daher sowohl für den Sättigungsübertrager als auch für den Kompensationsübertrager ein Werkstoff mit rechteckiger Magnetisierungskennlinie verwendet. Die in Fig. 4 dargestellte Magnetisierungskennlinie wird zwischen den Punkten 1 und 2 durchlaufen. Die Fläche des daraus resultierenden Spannungsimpulses ist aus Fig. 2d zu ersehen. Dieser Spannungsimpuls hat im gegenmagnetisierten Kompensationsübertrager eine Flußänderung A 0 zur Folge, die beim Durchlaufen der Kurve von Punkt 3 nach Punkt 4 auftritt. Es ist Dabei ist vorausgesetzt, daß die Wicklun g W, des Kompensationsübertragers nicht belastet ist und daß der Gegenmagnetisierungsstrom IK eingeprägt ist. Diese Flußänderung J, 0 wird während der Impulslücke durch den Gegenmagnetisierungsstrom IK wieder rückgängig gemacht, wenn dieser die Größe C hat. Nach dem Einsetzen von Gleichung (7) ergibt sich Dieser Ausdruck entspricht der Gleichung (4), wobei allerdings zu bemerken ist, daß IK frei von Wechselstromanteilen und R, ein definierter Koppelwiderstand ist. Der Widerstand der Meßschleife (R") kommt in der Gleichung nicht vor. Er kann daher innerhalb gewisser Grenzen variiert werden, ohne daß sich hierdurch der Gegenmagnetisierungsstrom IK ändert. Dieser Strom IK kann durch Wahl eines entsprechenden Verstärkers und der Windungszahl der Gegenmagnetisierungswicklung W, so groß gewählt werden, daß damit jede Art von anzeigenden oder schreibenden Gleichstrommeßgeräten betätigt werden kann.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH: Schaltungsanordnung, insbesondere für Fernmeßempfänger, zur Umwandlung einer Frequenz in einen ihr proportionalen Gleichstrom, bei der die Spannungszüge mit der zu messenden Frequenz nach eventueller Verstärkung (T,) einem Differenzierübertrager (DU) zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsimpulse des Differenzierübertragers eine bistabile Transistorschaltung (T" T.) zum Kippen bringen, daß die entstehende Rechteckspannung einen Sättigungsübertrager (SU) von einer Sättigungsinduktion zur anderen aussteuert und daß die vom Sättigungsübertrager ausgehenden rechteckigen Impulse mit konstanter Spannungszeitfläche nach Gleichrichtung (G, G,) einen gegenmagnetisierten Kompensationsübertrager (K) beaufschlagen, in welchem sich als Differenz zwischen der gleichgerichteten Ausgangsspannung des Sättigungsübertragers (U,1) und der Gegenspannung des Kompensationsübertragers (U,) eine frequenzproportionale Gleichspannung (Uf) ergibt, die zur Steuerung eines Verstärkers (T,) dient, dessen Ausgangsstrom (IK) die Gegenmagnetisierung des Kompensationsübertragers bewirkt und damit als eingeprägter, frequenzproportionaler Gleichstrom angezeigt werden kann . In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschrift Nr. 1 181981.