Fernmessgeber für das Impulsfrequenzverfahren Die Erfindung bezieht sich auf einen Fernmess- geber für das. Impulsfrequenzverfahren, der eine phy sikalische Messgrösse in eine zu dieser proportionale Impulsfrequenz umwandelt.
Zur Fernmessung physikalischer Messgrössen über grosse Entfernungen und beliebige Kanäle hat sich zur Übertragung der Messwerte das Impulsfre- quenzverfahren vorteilhaft durchgesetzt. Bei diesem Verfahren wird bekanntlich auf der Sendeseite die Messgrösse in einem sogenannten Impulsgeber in eine proportionale Impulsfrequenz umgewandelt.
Es ist bekannt, als Impulsgeber einen Elektrizi tätszähler zu verwenden, dessen Drehanker einen Impulskontakt betätigt, der im Stromkreis eines Re lais liegt, das die Impulse auf die Messleitung gibt.
Es ist auch bekannt, die Impulse nicht durch einen Kontakt am Zähleranker zu erzeugen, sondern mit einer gezahnten Ankerscheibe die Rückkopplungs- induktivität eines Oszillators zu beeinflussen, wobei die Übertragungsleitung induktiv mit dem Anoden kreis der Röhre gekoppelt werden kann, und der Os- zillator annähernd sinusförmige Impulse liefert, deren Frequenz der Ankerdrehzahl und somit der Eingangs- grösse proportional ist.
Des weiteren ist bekannt, die Ankerscheibe des Elektrizitätszählers in reflektierende und nichtreflek tierende Sektoren einzuteilen und das von einer Lichtquelle abgegebene, auf die Ankerscheibe auf treffende und von den reflektierenden Sektoren peri odisch zurückgeworfene Licht zur Steuerung einer Fotozelle zu verwenden, die eine annähernd sinus- förmige Spannung liefert, deren Frequenz der Mess- grösse proportional ist.
Da die Messgrösse meistens in Form eines Gleich stromes vorliegt, z. B. als Ausgangsstrom einer Brük- kenschaltung, sind aber Elektrizitätszähler zur Erzeu gung der Impulsfrequenz unzweckmässig.
Deshalb wurde ein Impulsgeber entwickelt, der anstelle eines Zählerankers eine Stromwaage oder eine Dreh momentwaage verwendet, welche mit .einer leichten Aluminiumfahne versehen, die Rückkopplungsinduk- tivität eines Os.zillators beeinflusst. Der Osziilator lie fert eine Wechselspannung, deren Amplitude propor tional der Eingangsgrösse ist.
Über einen Transfor mator im Anodenkreis wird ein Relaisimpulsgeb:er angekoppelt, dessen Impulsfrequenz von der Oszil- latorspannung abhängig ist.
Zur Erreichung des Gleichgewichtes der Stromwaage für eine Messgrösse wird die Impulsfrequenz über Kondensatoren nach dem Umladeprinzip auf die Stromwaage zurückge- führt. Da für die Impulsgabe ein empfindliches. Relais erforderlich ist, wird dieses in der Regel nur mit einem Kontakt belastet.
Der Impulsgeber bedarf so mit mindestens dreier Relais, nämlich eines für die Impulserzeugung, eines für die Rückführung und je eines für die Impulsabgabe auf jede Leitung.
Zur Verminderung von Störungen durch die Re laiskontakte wurde vorgeschlagen, elektronisch er zeugte Rechteckimpuls.e direkt auf die Leitung zu geben.
In weiterer Entwicklung ist der Relaisimpulsgeber durch einen elektronischen Impulsgeber ersetzt wor den. Diese Vervollkommnung der Anordnung weist nunmehr den Mangel auf, dass Elektronenröhren als aktive elektronische Schaltelemente verwendet wer den, deren; Nachteile beispielsweise gegenüber Tran sistoren hinlänglich bekannt sind. Ein einfacher Aus tausch der Elektronenröhren gegen Transistoren ist im Hinblick auf die verhältnismässig gross;
. Tem peraturabhängigkeit der Transistoren, durch die de ren erzeugte Hochfrequenz-Spannungsamplitude aus- ser vom Rückkopplungsfaktor auch noch von der Temperatur abhängig wird, ohne wesentliche Umge staltung der Schaltungsanordnung nicht möglich. Während diese Abhängigkeit bei Elektronenröhren vernachlässigt werden kann, muss sie bei Verwendung von Transistoren weitgehend berücksichtigt werden.
Neben den eben beschriebenen Einrichtungen sind auch solche gebräuchlich, bei denen die in eine Impulsreihe umzuwandelnde Spannung von einer Fotozelle erzeugt wird. Nachteilig ist hierbei, dass betriebsbedingt eine Lichtquelle erforderlich ist, bei spielsweise eine Glühlampe, die neben stark ändern dem Lichtstrom bei Netzschwankungen, bei Wechsel stromspeisung über die Fotozelle eine Brutumspan nung erzeugt. Ausserdem ist die Leistungsaufnahme der Lichtquelle verhältnismässig gross und ihre Le bensdauer gering.
Die im nachstehenden beschriebene Anordnung vermeidet die Nachteile der angeführten bekannten Einrichtungen dadurch, dass der Fernmessgeber eine nach einem Kompensationsprinzip arbeitende Dreh momentsvergjeichsvorrichtung, eine Abtastvorrich- tung, einen Impulserzeuger, einen Verstärker und einen Frequenzwandler aufweist, und dass dessen elektronische Schaltelemente Transistoren sind.
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführangsbeispieles näher veran schaulicht.
Es zeigen Fig. 1 ein Blockschema des. Fernmessgebers und Fig. 2 ein Schaltbild des Fernmessgebers.
Wie in der Fig. 1 schematisch gezeigt ist, besteht der Fernmessgeber aus einer, durch eine physika lische Messgrösse steuerbare, Drehmomentsver- gleichsvorrichtung 1, einer Abtastvorrichtung 2, einem Impulserzeuger 3, einem Verstärker 4 und einem Wandler 5.
Neben diesen wesentlichen Be standteilen sind der Vollständigkeit halber noch ein Netzgerät 6, ein Stabilisator 7 und ein Relaisver stärker 8 angedeutet. Funktionsgemäss liefert der Fernmessgeber für eine ihm in geeigneter Weise zu- geführte physikalische Grösse eine zu dieser propor tionale Impulsfrequenz.
Gleichermassen wie die elek trische, kann auch die mechanisch physikalische Grösse durch geeignete, in der Figur jedoch nicht dargestellte, konstruktive Massnahmen unmittelbar auf die Drehmomentsvergleichsvorrichtung einwir ken.
Nach der als Beispiel angeführten Ausführungs form ist die Drehmomentsvergleichsvorrichtung 1 ein Drehspulsystem mit zwei Spulen 9, 10 und einer Fahne 11.
In der Abtastvorrichtung 2 sind zwei gal vanisch voneinander getrennte Spulen, und zwar eine Spule 12, die einem Hochfrequenzoszillator 13 zuge- hört und zusammen mit einer Rückkopplungsspule 12a ein magnetisches Wechselfeld erzeugt sowie eine durch dieses Wechselfeld zu induzierende Spule 14 vorgesehen, zwischen denen mit abschirmender Wir kung die Fahne 11 beweglich angeordnet ist, derart,
dass die Grösse der in der Spule 14 induzierten Span nung von der jeweiligen Stellung der Fahne 11 ab hängt. Wird nun die Messgrösse, hier als Strom il angenommen, über die Anschlussklemmen 9a, 9b der Spule 9 des Drehspulsystems zugeführt, erzeugt sie in diesem ein Drehmoment Ml , die Fahne 11 schwenkt aus, dadurch wird ihre abschirmende Wir kung gegenüber der Spule 14 mehr und mehr ver mindert und das durch die Spule 12 erzeugte ma gnetische Wechselfeld induziert nun in der Spule 14 eine Wechselspannung u,
die in ihrer Grösse von dem jeweiligen Kopplungsgrad zwischen den beiden Spu len 12, 14 abhängt.
Da die Grösse der erzeugten Wechselspannung u, wie vorstehend ausgeführt, vom Kupplungsgrad ab hängt, anderseits der Kopplungsgrad jeweils durch die Auslenkung der Fahne 11 veränderbar ist, kann einer bestimmten Messgrösse eine eindeutig definier bare Wechselspannung u zugeordnet werden. In weiterer Folge wird die Wechselspannung u gleich gerichtet und als Gleichspannung u1 zur Steuerung des Impulserzeugers 3, der in unserer beispielsweisen Anordnung ein Sperrschwinger ist, herangezogen. In diesem Sperrschwinger werden Spannungsimpulse er zeugt, deren Impulsfrequenz f 1 von der Grösse der Wechselspannung u bestimmt wird.
Diese Spannungs impulse werden über den Verstärker 4 zum Wandler 5 geführt, in dem sie einerseits in einen zu ihrer Im pulsfrequenz f <I>1</I> proportionalen Gleichstrom<I>i,</I> und andrerseits in symmetrische und rechteckförmige Impulse verwandelt werden, deren Impulsfrequenz f= gleich der halben von f 1 ist.
Diese Impulse, deren Impulsfrequenz f,2 der Messgrösse il ebenfalls propor tional ist, können entweder über einen Ausgang 5a, <I>5b</I> direkt einem Modulator 15 zugeleitet oder über den Verstärker 8 geführt und beispielsweise zur Steuerung eines Relais 16 verwendet werden.
Der der Impulsfrequenz f <I>2</I> proportionale Gleichstrom<I>i,</I> dient der Speisung eines Kompensationsgliedes der Dreh- rnome.ntsvergleichsvorrichtung 1, in vorliegender An ordnung die Spule 10, in welchem Kompensations- glied dadurch ein dem Drehmoment Ml mit gleicher Grösse entgegenwirkendes Drehmoment, also ein Ge gendrehmoment M2, erzeugt wird.
Dieses Gegendreh moment M., entspricht nebenbei bemerkt einer als Richtkraft wirkenden Feder bei einem nicht richt- kraftlosen Drehspulinstrument.
Zur näheren Veranschaulichung der Wirkungs weise dieser Kompensatiosanordnung, sei auf nach stehendes hingewiesen.: Bei Ausschwenkung der Fahne 11 aus der Null- lage wird, wie schon beschrieben, eine Wechselspan nung u induziert, die umso grösser ist, je weiter die Fahne 11 ausschwenkt.
Mit zunehmender Stärke die ser Wechselspannung vergrössert sich die Impuls frequenz f 1 und mit ihr der im Wandler 5 erzeugte und der Impulsfrequenz f.; proportionale Gleichstrom i. , bis schliesslich beim Erreichen des Gleichge wichtszustandes Ml = M., der Regelvorgang zur Ruhe kommt. Durch Einschalten eines. Miniampere meters 5e in den Kompensationsstromkreis ist es möglich, den Eingangsstrom il bzw. die Summe meh rerer Eingangsströme zu messen.
Um eine zur Summe mehrerer Ströme i"+... <I>in</I> proportionale Im pulsfrequenz zu erhalten, ist es erforderlich, die ein- zelnen Ströme in einem zeichnerisch nicht darge stellten Summierwerk zu summieren-und als il den Anschlussklemmen 9a, 9b zuzuführen. Im Bedarfs falle kann der Drehmomentsvergleichsvorrichtung auch ein konstanter Grundstrom i, hinzugefügt wer den.
Von dieser Möglichkeit macht man beispiels weise dann Gebrauch, wenn die als Eingangsgleich- ströme auftretende Messgrösse nicht nur einen posi tiven, sondern auch einen negativen Wert annehmen kann. Die Grösse des Grundstromes i, ist dann so zu bemessen, dass die Summe des Grundstromes und der Eingangsströme stets positiv bleibt. Um den Ein gangskreis von der übrigen Schaltung galvanisch ge trennt zu halten, wird der Grundstrom i, vorzugsweise mit umgekehrter Polarität in den Kompensations stromkreis zugeführt.
Schaltungsmässig erfasst, ist der Fernmessgeber in der Fig. 2 dargestellt, wobei für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Ein Tran sistor 17 bildet zusammen mit Widerständen 18, 19 und 20, Kondensatoren 21, 22, 23 und 24 und zwei auf einem gemeinsamen Kern sitzenden Spulen 12 und 12a den Hochfrequenz-Oszillator 13.
Die Rück kopplungsspule 12a ist mit der Spule 12 so fest ge koppelt, dass der Hochfrequenz-Oszillator 13 stets eine Spannung mit konstant bleibender Amplitude abgibt, die von der Spule 12 in ein elektromagne tisches Wechselfeld umgewandelt und ausgestrahlt wird. Diese feste Kopplung wurde deshalb gewählt, um die erzeugte Hochfrequenzamplitude, deren Grösse bekanntlich vom Rückkopplungsgrad und von der Verstärkungsziffer des Schwingungserzeugers bestimmt wird, so weit als möglich von Temperatur schwankungen unabhängig zu machen.
Während näm lich die Temperaturabhängigkeit der Elektroden röhren in bezug auf ihre Verstärkungsziffer vernach- lässigbar klein ist, ist sie bei Transistoren sehr gross, so dass bei diesen die Grösse der Hochfrequenz- amplitude, wie schon erwähnt, ausser vom Kopp lungsgrad, auch noch von der Temperatur bestimmt wird.
Man verzichtet bei vorliegender Schaltungs anordnung bewusst darauf, die Schwingungsamplitu- den des Hochfrequenz-Oszillators durch Rückkopp lung zu regeln, sondern man sieht eine feste Ankopp- lung mit einem genügend grossen Kopplungsgrad vor, so dass die Hochfrequenzamplitude durch die Aussteuerungsgrenze des Transistors bestimmt wird.
Die durch das magnetische Wechselfeld in der Spule 14 induzierte Wechselspannung wird durch eine Diode 25 gleichgerichtet, in einem Kondensator 26 geglättet und dient, wie vorstehend schon erwähnt, zur Steuerung des Impulserzeugers 3.
Dieser besteht aus einem Transistor 27, Widerständen 28 bis 33, wobei der im Emitterstromkreis liegende Widerstand 33 temperaturabhängig ist und zur Temperatursta- bilisierung des Arbeitspunktes des Transistors 27 dient; ferner aus Kondensatoren 34 bis 36, einem Transformator 37 mit zwei Wicklungen 37a,<I>37b</I> und einem Gleichrichter 38. Er erzeugt kurze Span nungsimpulse u2, während deren Impulspausen der Transistor 27 gesperrt ist.
Die Dauer des Sperrzu- standes und somit die Impulsfrequenz f1 hängt nun von dem Spannungsabfall am Widerstand 28, von der Stromneinsatzspannung des Transistors 27, von der Spannung, auf welche der Kondensator 34 aufge laden wird,
ferner von der Zeitkonstante des Kon- densators 34 und des Widerstandes 30 und schliess- lich von der Grösse der Gleichspannung u1 ab.
Wäh rend nun alle die Impulsfrequenz f1 bestimmenden Faktoren, bis auf die Gleichspannung u1 , im we sentlichen konstante Werte haben, ist ersichtlich, dass eine Änderung der Impulsfrequenz f 1 nur durch eine Änderung der Gleichspannung u1 .erfolgen kann,
die Gleichspannung u1 demgemäss als einzig veränder liche die Impulsfrequenz f 1 bestimmt. Die Schaltung kann derart ausgebildet sein, dass bei Unterschrei tung eines bestimmten Schwellwertes der Gleich spannung u1, die Schwingungen völlig aussetzen. Die Impulsfrequenz f 1 ist dann gleich Null und kann durch Erhöhung der Spannung vom Nullwert aus kontinuierlich vergrössert werden.
Während eines Schwingungszyklus spielen sich im Impulserzeuger 3, ausgehend vom gesperrten Zustande, nun folgende Vorgänge ab Der Kondensator 34 entlädt sich über den Wider stand 30, wodurch sich die Basisspannung des Tran sistors 27 dem Stromeinsatzpunkt nähert. Sobald die ser erreicht ist, wächst der Kollektorstrom an und induziert beim Durchfliessen der Transformatorwick- lung 37a eine Spannung in der Tranformatorwicklung 37b.
Diese Spannung beschleunigt nun über die Basis das Anwachsen des Kollektorstromes, so dass dieser rasch seinen Sättigungswert erreicht. Gleichzeitig mit dem Kollektorstrom wächst auch der Basisstrom und lädt dabei den Kondensator 34 wieder auf.
Da der den Transformator 37 durchfliessende Kollektorstrom jetzt konstant ist, verschwindet die Spannung über die Transformatorenwicklung 37b und der soeben neu aufgeladene Kondensator 34 sperrt den Transistor 27 abermals und der folgende Schwingungszyklus be- ginnt wieder von neuem.
Um eine von Schwankungen möglichst freie Impulsfrequenz f l zu erhalten, wer den die Abtastvorrichtung und der Sperrschwinger über den Stabilisator 7 gespeist. In dem nachgeschalteten Verstärker 4 werden die vom Sperrschwinger abgegebenen Impulse mit der Spannung u2 durch ein RC-Glied, bestehend aus dem Kondensator 36 und einem Widerstand 39,
dif ferenziert. Von den dadurch neu entstandenen Span nungsimpulsen % werden nur die negativen Spitzen durch einen Transistor 40 verstärkt, die dann an dem im Kollektorstromkreis liegenden Arbeitswiderstand 41 als positive Spannungsimpulse u4 auftreten. Diese werden in den Wandler 5 weitergeleitet, der aus einem als Umschalter wirkenden bistabilen Multi vibrator besteht und mit 2 Transistoren 42 und 43, Widerständen 44 bis 48 und Kondensatoren 49, 50, sowie zwei Transformatoren 51, 52,
Gleichrichtern 53, 54 und Widerständen 55 bis 59 bestückt ist. Bei jedem Eintreffen eines Impulses u4 kippt der Multi vibrator von der einen in die andere stabile Lage und magnetisiert dabei abwechslungsweise die Transfor matoren 51, 52 in positivem bzw. negativem Sinne.
Die Windungszahlen der Primärwicklungen der Transformatoren 51, 52 sind so gewählt, dass, wenn der Transformator 52 magnetisch gesättigt ist, der Transformator 51 nicht gesättigt wird. Bei jeder Um polung entsteht über den Sekundärwicklungen ein Spannungsstoss, dessen Stärke j udt proportional zur Induktion ist.
Die Induktion des Transformators 52 ist dabei wegen der Sättigung nur schwach vom ma gnetisierten Strom abhängig, während die Induktion des Transformators 51 zu diesem proportional ist. Die Sekundärwicklungen sind so geschaltet und auf einander abgestimmt, dass die resultierende Impuls stärke über einen grossen Bereich unabhängig vom magnetisierenden Strom, d. h. unabhängig von den Daten der Transistoren 40, 42 und der Netzspannung wird.
Da die Spannungsimpulse wechselnde Polarität haben, werden sie in zwei Gleichrichtern 53, 54 gleichgerichtet und in einer Widerstandskombination 56 bis 59 in Gleichstromimpulse umgewandelt. We gen der Trägheit der Drehmomentsvergleichsvorrich- tung 1, im vorliegenden Fall das richtkraftlose Dreh spulsystem, ist das Drehmoment M2 dem Mittelwert des Stromes i, und dieser wieder der Impulsfrequenz f, proportional.
Da nun. Ml = M2 und Ml proportio nal zum Eingangsstrom il ist, besteht ferner auch Proportionalität zwischen der Impulsfrequenz f<B>,2</B> und dem Eingangsstrom il. Der Widerstand 56 der Wider standskombination 56-59 ist ein Regelwiderstand, mit dem der Proportionalitätsfaktor entsprechend einge stellt werden kann, und der Widerstand 59 ist tem peraturabhängig und kompensiert den Temperatur einfluss,
der wegen der Temperaturabhängigkeit der Sättigungsinduktion und des Widerstandes der Kup ferwicklung entsteht. Beide Widerstände, 56 wie 59, sind im Kompensationsstromkreis angeordnet.
Die in dieser Schaltungsanordnung .erzeugten Spannungs impulse u5 sind rechteckförmig. Der Fernmessgeber wird in den meisten Fällen mit anderen Geräten zu sammen über die Anschlussklemmen 6a, 6b an eine 12 V Gleichstrom-Spannungsquelle angeschlossen und von dieser mit dem erforderlichen Betriebsstrom versehen.
Andererseits ist auch ein Netzgerät 6 vor- gesehen, so dass der Fernmessgebcr nötigenfalls auch an das Wechselstromnetz angeschlossen werden kann. Zur Konstanthaltung der wichtigsten Betriebsströme ist, wie schon erwähnt, der Anordnung ein Stabilisa tor 7 zugeordnet, der aus zwei Stufen besteht.
Die erste Stufe, gebildet aus einem Widerstand 60, einem Gleichrichter 61 und einem Kondensator 62, speist die Abtastvorrichtung 2 und den Impulserzeuger 3, die zweite Stufe, die sich aus einem Widerstand 63 und einem Gleichrichter 64 zusammensetzt, dient als Konstantspannungsquelle zur Erzeugung des Grundstromes i. , der über Widerstände 65, 66 dem Kompensationsstromkreis zugeführt wird.