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Impulsfolgewandler für Zähleinrichtungen Bei der Summenzählung und
der Summenfernzählung elektrischer Energie oder von Gas-, Wasser-, Dampfmengen usw.
wird allgemein das Impulsverfahren angewendet.
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Hierbei entspricht jeder Impuls einem bestimmten Wert der zu zählenden
Größe. Diese Impulse werden von hierzu besonders eingerichteten Meßinstrumenten
(z. B. Zähler mit Kontaktgabevorrichtung) in den einzelnen Meßstellen erzeugt, wobei
Gleichstrom- und Wechselstromimpulse gleichermaßen verwendet werden können und an
Amplitude, Form und Länge des Einzelimpulses sowie des Impulsabstandes nur eine
Minimalforderung gestellt wird, daß die nachgeschaltete Empfangseinrichtung, z.
B. Relais, auf den Impuls sicher anspricht und bis zum Eintreffen des nächsten Impulses
in die Ausgangsstellung zurückgekehrt ist. Diese Impulse werden zu einer Zentralstelle
übertragen und hier, gegebenenfalls unter Wertigkeitsanpassung, addiert. Der auf
diese Weise gebildete Summenwert wird häufig noch durch absatzweise Integration
über bestimmte und gleiche Meßperioden (im allgemeinen 15 bis 60 Minuten) als mittlere
Leistung der Meßperiode angezeigt, geschrieben, gelocht oder gedruckt.
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Die Summierwerke sind wie die Zähler mit Kontaktgabevorrichtung so
ausgelegt, daß sie je nach Bauart bei Nennlast etwa alle 1 bis 2 Sekunden einen
Impuls abgeben. Außerdem besitzen derartige Summierwerke einen Impulsspeicher mit
Impulsverteiler, da die von mehreren Meßstellen eintreffenden Impulse zeitlich eine
statistische Verteilung aufweisen und deshalb mehrere Impulse gleichzeitig eintreffen
können. Der Impulsspeicher sorgt in solchen Fällen dafür, daß kein Impuls verlorengeht.
Der Impulsverteiler gibt die bei zeitgleichem Eintreffen mehrerer Impulse gespeicherten
Impulse mit regelmäßigem, mindestens annähernd konstantem, der Verarbeitungsgeschwindigkeit
der nachgeschalteten Geräte angepaßtem zeitlichem Impulsabstand wieder ab. Die nachgeschalteten
Geräte sind aus Sicherheitsgründen und wegen der ungleichmäßigen Folge der eintreffenden
Impulse auf etwa die doppelte Impulshäufigkeit ausgelegt, als es der Impulshäufigkeit
der von Zählern und Summierwerken bei Nennlast abgegebenen Impulse entsprechen würde.
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Derartige Summenzähleinrichtungen zählen also die eingehende Impulszahl
immer richtig, auch wenn mehrere Impulse zeitgleich eingehen. Die bei der abgeleiteten
Leistungsmessung unvermeidlichen Zusatzfehler, die dadurch entstehen, daß der oder
die letzten Impulse, bei zeitgleichem Eintreffen mehrerer Impulse am Ende einer
Meßperiode, nicht mehr in
die zugehörige, sondern in die nächstfolgende Meßperiode
fallen, halten sich bei Meßperioden von 15 Minuten und darüber noch in vertretbaren
Grenzen.
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Soll aber die Leistungsentwicklung innerhalb einer solchen Meßperiode
von 15 Minuten noch eindeutig angezeigt werden, so versagen derartige Anordnungen,
weil bei der kurzen Integrationsperiode jedem Impuls eine höhere Wertigkeit in bezug
auf die Leistung zukommt. Es entsteht dann ein außerordentlich unruhiges Bild der
Leistungsentwicklung, das dadurch, daß bei derartig kurzen Integrationsperioden
auch die statistische Verteilung der ankommenden Impulse nicht mehr vernachlässigbar
ist, noch verstärkt wird und zu Fehlschlüssen, z. B. Vermuten einer Störung, verleiten
kann.
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Auch die bisher bekannten Anordnungen zur Vergleichsmäßigung der
Impulsfolge erfüllen ihre Aufgabe nur unvollkommen, da sie insbesondere durch Reibungseinflüsse
zu einem Pendeln der Anzeige neigen. Bei statistischer zeitlicher Verteilung der
einer konstanten Meßgröße entsprechenden Impulse äußert sich dieser Mangel dahingehend,
daß die über längere Zeit gemessenen Mittelwerte zwar sehr genau der mittleren und
an sich konstanten Meßgröße entsprechen, daß aber abgeleitete Momentanwertanzeigen
und über wenige Sekunden gemessene Mittelwerte als Einzelwerte immer noch eine nicht
zu vernachlässigende Streuung um den der Meßgröße entsprechenden Mittelwert vieler
aufeinanderfolgender Meßwerte aufweisen. Bezeichnet man die Abweichung der Einzelwerte
von ihrem gemeinsamen Mittelwert als »Anzeigefehler«, so ist für einen aus der unregelmäßigen
Impulsübertragung abgeleiteten Meßwert beispielsweise die Bedingung zu stellen,
daß der Anzeigefehler etwa den Bedingungen für anzeigende Instrumente der Klasse
1 nach VDE 0410 mit einer zweiseitigen Sicherheit von 99°/o entspricht.
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Den Gegenstand der Erfindung bildet nun eine einfache und robuste
Anordnung, die es unter weitgehender
Ausschaltung der Reibungseinflüsse
ermöglicht, eine Folge von in ungleichem zeitlichem Abstand eintreffenden Impulsen
in eine zeitlich so weit gleichmäßige Impulsfolge umzuwandeln, daß auch bei einer
Verkürzung der Integrationsperioden einer abgeleiteten Leistungsmessung bis auf
wenige Sekunden die ursprüngliche Unregelmäßigkeit der Impulsfolge ohne merklichen
Einfluß auf das Meßergebnis bleibt und die Anzeige den oben definierten Bedingungen
eines Klasse-1-Instrumentes genügt.
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Dies wird bei einem Impulsfolgewandler für Zähleinrichtungen nach
dem Impulshäufigkeitsverfahren zur Umwandlung in ungleichmäßigen Zeitabständen eintreffender
Impulse in eine Impulsfolge mit in gleichen Zeitabständen abgegebenen Einzelimpulsen
erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß jeder der in ungleichen Zeitabständen eintreffenden
und einen festen Betrag der Meßgröße darstellenden Impulse über ein Relais eine
Spannung einer Feder um einen festen Betrag bewirkt, die sich über eine mit der
Feder fest verbundene Achse nur dadurch gleichmäßig entspannen kann, daß sich eine
über eine Obersetzung angetriebene und mit ihrer Läuferachse fest verbundene Läuferscheibe
in Drehung versetzt, die sich in einem Magnetmaul bewegt, und daß die Reibung durch
einen Hilfstriebfiuß einer Hilfstriebspule weitgehend derart kompensiert ist, daß
sich bei geeigneter Abstimmung von Federelastizität, Läuferscheibenwinkelgeschwindigkeit,
Läuferscheibenträgheitsmoment, Magnetstärke und Hilfstriebfluß in dieser aus im
einzelnen bekannten Bauteilen bestehenden Anordnung eine in weiten Grenzen gleichmäßige
Drehbewegung von Läuferscheibe und Läuferachse einstellt, die über bekannte Kontaktgebervorrichtungen
in eine gleichmäßige Impulsfolge gleicher oder wählbar fest übersetzter Impulsfrequenz
mit gleicher oder der Übersetzung umgekehrt proportionaler Impulswertigkeit umgewandelt
wird. Hiermit wird also zwischen den in ungleichem Zeitabstand eintreffenden und
den in annähernd gleichem Zeitabstand abgegebenen Impulsen über die Elastizität
einer Feder ein quasistationärer Gleichgewichtszustand geschaffen, der zufällige
Schwankungen des Impulsabstandes unterdrückt und systematischen Änderungen der Impulsfolge
mit einer gewissen Verzögerung folgt.
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Darüber hinaus ist es bei der nachstehend beschriebenen Ausbildung
eines vorteilhaften Ausführungsbeispieles des Impulsfolgewandlers nach der Erfindung
möglich, die Impulszahl unter gleichzeitiger Änderung der Impulswertigkeit so zu
erhöhen oder zu erniedrigen oder beides zugleich und unabhängig voneinander, daß
über die Zeit das Produkt aus unregelmäßig eingegebener Impulszahl und zugehöriger
Impulswertigkeit genau gleich ist dem Produkt aus der Zahl der in regelmäßiger Folge
abgegebenen Impulse und übersetzter Impulswertigkeit.
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An Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
wird die Erfindung näher erläutert.
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Gemäß der Erfindung werden die aus dem Summierwerk in ungleichem
Zeitabstand eintreffenden Impulse auf ein Relais R mit Klinkenwerk K, einem sogenannten
Schrittwerk, gegeben, dessen Achse At über eine Übersetzung Z1/Z2 das Federhaus
FH bei jedem Impuls um einen definierten Winkelbetrag verdreht. Hierdurch wird die
Feder F, die mit einem Ende am Federhaus FH und mit dem anderen Ende an der Achse
A., befestigt ist, gespannt und treibt
über eine zweite Übersetzung Z3/Z4 eine Läuferachse
A. an. Die mit der Läuferachse A fest verbundene Läuferscheibe S bewegt sich bei
Drehung durch ein Magnetmaul M und ruft damit ein winkelgeschwindigkeitsproportionales
Bremsmoment hervor, das ein Gegendrehmoment zum Antriebsmoment der gespannten Feder
F darstellt.
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Außerdem tritt durch die Läuferscheibe S ein magnetischer Spannungstriebfluß
einer Hilfstriebspule HT, dessen Hilfsdrehmoment die Reibung der Anordnung in einem
begrenzten Arbeitsbereich kompensiert. Dieses Hilfsdrehmoment kann, falls eine extrem
hohe Gleichmäßigkeit der Scheibenwinkelgeschwindigkeit in einem weiten Arbeitsbereich
verlangt wird, in Abhängigkeit von der mittleren Impulsdichte gesteuert werden,
indem man den der mittleren Impulsdichte proportionalen Verdrehungswinkel des Federhauses
FH gegenüber der Achse A2 zur Steuerung des Hilfstriebflusses, beispielsweise über
einen in der Abbildung nicht dargestellten veränderbaren Widerstand ausnutzt, so
daß bei geringer Impulsdichte auch nur ein der geringen Laufreibung entsprechender
Hilfstrieb und bei hoher Impulsdichte ein entsprechend höherer Hilfstrieb in der
Scheibe S wirksam wird. Weiterhin kann man dem veränderbaren Widerstand noch einen
solchen Festwiderstand in Reihe schalten, daß bei der Impulsdichte 0 und Verdrehungswinkel
0, d. h. Stillstand der Läuferscheibe, schon ein Anfangstriebmoment ausgeübt wird,
das wenig kleiner als die Anfangsreibung der gesamten Anordnung ist. Dadurch wird
erreicht, daß schon beim ersten einkommenden Impuls der Schwellwert der Anfangsreibung
überwunden und die Scheibe in Drehung versetzt wird. Wenn man außerdem die als Permeabilitätsfehler
bekannte Erscheinung ausnutzt, daß der Kraftfluß im Anfangsbereich hinter der Feldstärke
zurückbleibt und dann bis zum Erreichen des Sättigungsbereiches annähernd proportional
mit der Feldstärke ansteigt, kann man durch Anpassung des Hilfstriebflusses an den
Reibungswiderstand der Anordnung in einem sehr weiten Arbeitsbereich einen fast
vollkommen reibungskompensierten Zustand schaffen. Reibung R und Hilfsdrehmoment
H einer derartigen Anpassung sind ohne Berücksichtigung ihrer entgegengesetzten
Vorzeichen in Fig. 2 dargestellt. Die hierdurch erzielte Vorwärtsregelung kürzt
außerdem bei Änderungen der Impulsdichte die Einstellzeit des Gerätes ab.
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Bei geeigneter Abstimmung von Federelastizität, Läuferscheibenwinkelgeschwindigkeit,
Läuferscheibenträgheitsmoment, Magnetstärke und Hilfsdrehmoment stellt sich in dieser
Anordnung aus im einzelnen bekannten Bauteilen eine in weiten Grenzen gleichmäßige
Winkelgeschwindigkeit der Läuferachse As ein. Diese gleichmäßige Winkelgeschwindigkeit
kann über weitere Übersetzungen Z 5/ Z 6 an einen Impulsgeber gleicher oder fest
übersetzter Impulswertigkeit weitergegeben werden, der somit auch eine gleichmäßige
Impulsfolge abgibt, oder aber durch magnetische, induktive, elektrische, mechanische
oder lichtelektrische Abtastung einer zu diesem Zweck entsprechend vorbereiteten
Läuferscheibe S, in eine Impulsfolge wesentlich höherer Frequenz umgewandelt werden.
Hierzu ist die lichtelektrische Abtastung einer zu diesem Zweck mit einem Lochkranz
od. ä. versehenen Läuferscheibe besonders geeignet und in F i g. l angedeutet, da
sie keine Rückwirkungen auf das bewegliche System verursacht. Damit
wird
eine Direktanzeige der mittleren Impulsdichte mit analogen oder digitalen Frequenzmessern,
die zu diesem Zweck entsprechend als Leistungsmesser beschriftet werden, ermöglicht.
Die verschiedenen Arten können auch gleichzeitig angewendet werden, indem man z.
B. mittels eines Frequenzmessers den Augenblickswert der Leistung anzeigt oder schreibt,
sodann durch Integration der Lochkranzimpulse über wenige (1 bis 10) Sekunden die
Leistung digital anzeigt und außerdem durch Integration der vom Kontaktgeber in
gleichmäßiger Folge abgegebenen Impulse über beispielsweise 100 Sekunden die Leistungsentwicklung
innerhalb der sonst üblichen Meßperiode von 15 Minuten durch Schreiben, Lochen oder
Drucken zur Anzeige bringt.
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Dies ist vor allem in den Fällen wichtig, in denen ein bestimmter
Leistungswert nicht über- oder unterschritten werden soll und bei denen das rechtzeitige
Erkennen einer Änderungstendenz vom ursprünglichen Zählvorgang her einen Regelvorgang
auslösen soll.