Frequenzmessumformer Viele bekannte Frequenzmessumformer, deren Aus gangsgrösse dem Absolutwert der zu messenden Fre quenz (oder Drehzahl) proportional ist, beruhen auf dem Prinzip, dass eine von der zu messenden Frequenz abhängige und eine von der zu messenden Frequenz unabhängige elektrische Grösse (Strom) miteinander verglichen werden. Die Differenz der zu vergleichenden Grössen bildet dann ein Mass für den Absolutwert der Frequenz (oder Drehzahl).
Frequenzmessumformer zur Verwendung in der Regelungstechnik müssen in der Lage sein, ein Aus gangssignal zu bilden, das der Frequenzabweichung von einem vorgegebenen Sollwert nach Grösse und Richtung proportional ist.
Viele bekannte Messumformer machen von dem oben erwähnten Prinzip Gebrauch. Die Differenz der zu vergleichenden Grössen bildet ein Mass für die Frequenzabweichung nach Grösse und Richtung. Bei solchen Frequenzmessumformern wird zur Bildung der von der Frequenz abhängigen elektrischen Grösse (Strom) häufig ein Resonanzkreis verwendet. Dabei ist der Sollfrequenz die Resonanzfrequenz des Resonanz kreises zugeordnet. Zur vorzeichenrichtigen Bildung des Ausgangssignals dieser Frequenzmessumformer muss ein zusätzliches Kriterium, beispielsweise die Phasenlage der frequenzabhängigen elektrischen Grösse, zur Messung herangezogen werden.
Diese Frequenzmessumformer haben den Nachteil, dass die Amplitude der frequenzabhängigen Messgrösse nicht symmetrisch zur Sollfrequenz liegt, d.h. bei gleich grossen positiven und negativen Abweichungen der zu messenden Frequenz gegenüber der Soll frequenz ergeben sich verschieden grosse Absolutwerte der frequenzabhängigen elektrischen Grösse (Strom). Ferner ändert sich deren Phasenlage mit der Grösse der Frequenzabweichung. Hieraus ergibt sich nur ein geringer linearer Bereich der Ausgangsgrösse über der Frequenz.
Ein derartiges Verhalten eines Messumfor- mers eignet sich für Regelungszwecke nur schlecht, da ein nichtlineares Verhalten des Messumformers eine Veränderung der Regelverstärkung bedeutet. Ins besondere ist ein solches Verhalten störend, wenn z. B. bei der Drehzahlregelung einer Antriebsmaschine für Generatoren eine bleibende Regelabweichung (ent sprechend einer Dauerstatik) gefordert wird, da in diesem Fall die Istfrequenz ständig ausserhalb der Soll- bzw. der Resonanzfrequenz liegen kann. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Anordnung ist darin zu sehen, dass die Ausgangsgrösse in hohem Masse von der Speisespannung abhängig ist.
Der neue Frequenzmessumformer beseitigt weit gehend die vorgenannten Nachteile unter Beibehaltung der prinzipiellen Vorteile, die bei Verwendung von Resonanzkreisen geboten werden (Dämpfung der Oberwellen). Die Lösung besteht darin, dass einer aus einem Halbglied aufgebauten Tiefpass-Schaltung, deren Resonanzfrequenz unterhalb, und einer aus einem Halbglied aufgebauten Hochpass-Schaltung, deren Resonanzfrequenz oberhalb einer Sollfrequenz liegt, die Eingangsspannung mit der zu messenden Frequenz parallel zugeführt wird und dass von den Ausgangs spannungen der genannten Schaltungen durch Dif ferenzbildung mittelbar oder unmittelbar ein Aus gangssignal abgeleitet wird, derart,
dass der sich ergebende Differenzwert ein Mass für die Abweichung der gemessenen Frequenz von der Sollfrequenz ist.
Zur Differenzbildung kann an die Ausgangsklem men des Tief- und Hochpasses zunächst je eine Gleich richteranordnung angeschlossen werden, deren Aus gänge über ein Widerstandsnetzwerk zur Differenz bildung miteinander verbunden sind. Zur näheren Erläuterung wird auf die Zeichnung verwiesen, es zeigt Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungs gemässen Messwertumformers, Fig. 2 ein Diagramm des Spannungsverlaufes von Hoch- und Tiefpassschaltung und die Differenzspan nung aus den beiden genannten Spannungen.
An die Leiter<I>R</I> und<I>S,</I> zwischen denen eine Span nung anliegt, die die zu messende Frequenz führt, sind die Eingangsklemmen 1 und 2 der Hochpassschaltung 3 und die Eingangsklemmen eines Isoliertransformators4 angeschlossen. Die Sekundärwicklung des Isolier- transformators 4 ist mit den Eingangsklemmen 5, 6 einer Tiefpassschaltung 7 verbunden. Die Tiefpass- schaltung 7 besteht aus der Reihenschaltung eines Ohmschen Widerstandes 8, einer Induktivität 9 und einer Kapazität 10.
Die Klemmen der Kapazität 10 sind gleichzeitig die Ausgangsklemmen der Tiefpass- schaltung 7. Die Hochpassschaltung 3 besteht aus der Reihenschaltung einer Kapazität 11, eines Ohmschen Widerstandes 12 und einer Induktivität 13.
Die Aus gangsklemmen der R -L-Kombination bilden zugleich die Ausgangsklemmen der Hochpassschaltung. An die Ausgangsklemmen der Tiefpassschaltung ist eine Gleichrichteranordnung 14, an die der Hochpass- schaltung eine Gleichrichteranordnung 15 ange schlossen. Parallel zu den Ausgängen der Gleich richteranordnungen 14 und 15 ist jeweils ein Lade kondensator 16 und 17 gelegt. Die Ausgangsklemmen der Gleichrichteranordnung sind über einen Wider stand 18, der mit einem Mittelabgriff versehen ist, in Reihenschaltung verbunden.
Der Mittelabgriff des Widerstandes 18 ist über einen Widerstand 19, der z. B. auch durch die Steuerwicklung eines Magnetverstär kers gebildet werden kann, mit der gemeinsamen Ver bindungsklemme der beiden Gleichrichter 14 und 15 verbunden.
Die Wirkungsweise der Schaltung wird an Hand der Fig. 2 näher erläutert. In Fig. 2 ist auf der senk rechten Achse die Spannung und auf der waagrechten Achse die Frequenz aufgetragen. Die Kurve 20 zeigt den Verlauf der Ausgangsspannung des Tiefpasses 7 und die Kurve 21 den Verlauf der Ausgangsspannung des Hochpasses 3 in Abhängigkeit von der Frequenz.
Die Kurve 22 stellt den Differenzwert aus den Kurven 20 und 21 dar. Mit fx ist der Soilfrequenzwert, mit fo7 der Resonanzfrequenzwert des Tiefpasses 7 und mit fo3 die Resonanzfrequenz des Hochpasses 3 bezeichnet. Wie aus dem Diagramm hervorgeht, liegt die Resonanzfrequenz f" des Tiefpasses 7 unterhalb und die Resonanzfrequenz f, des Hochpasses 3 ober halb der Resonanzfrequenz fK. Der Tiefpass und der Hochpass sind so bemessen, dass sich ihre Ausgangs spannungen bei Sollfrequenz zu Null ergänzen.
Bei Abweichungen der zu messenden Frequenz unterhalb der Sollfrequenz fx überwiegt die Ausgangsspannung des Tiefpasses 7, bei Abweichungen der zu messenden Frequenz oberhalb der Sollfrequenz fx die Ausgangs spannung des Hochpasses 3. Darüber hinaus sind der Tiefpass 7 und der Hochpass 3 so bemessen, dass ihre Resonanzüberspannungen (bei f" bzw. fo3) gleich gross sind. Die in der Schaltung nach Fig. 1 vorgesehenen Gleichrichter 14 und 15 bewirken, dass sich bei der Differenzbildung der Ausgangsspannungen die unter schiedliche Phasenlage derselben nicht störend aus wirken kann.
Durch die Reihenschaltung der beiden Gleichrichter über den Widerstand 18 ist der im Wider stand 19 fliessende Strom nach Grösse und Richtung ein Mass für die Abweichung der zu messenden Fre quenz von der Sollfrequenz,fK. Um weitgehend ober- wellenfreie Ausgangsspannungen an den Gleich richtern 14 und 15 zu erhalten, können je nach der geforderten Oberwellenfreiheit neben den Ladekon densatoren 16 und 17 noch weitere Siebmittel vor gesehen werden.
Die Vorteile des neuen Frequenzmessumformers beruhen darauf, dass der Sollfrequenz fx nicht mehr eine Resonanzfrequenz.f@ zugeordnet ist. Vielmehr liegt der Arbeitspunkt bei Sollfrequenz auf den Flanken beider Resonanzkurven. Dadurch wird gegenüber bisher bekannten Schaltungen eine erhöhte Linearität erreicht.
Zusätzlich werden geringe Linearitätsab- weichungen der Einzelspannungen von der Frequenz durch die Differenzbildung beseitigt, nach dem be kannten Gegentakt-Prinzip. Ferner brauchen zur vorzeichenrichtigen Bildung der Ausgangsgrösse des Frequenzmessumformers keine zusätzlichen Kriterien, wie z. B. die Erfassung der Phasenlage, herangezogen zu werden. Die Vorzeichenumkehr wird allein durch das Überwiegen der Ausgangsspannung der einen oder anderen Siebschaltung bewirkt. Die Steilheit der Ausgangsgrösse einer Siebschaltung ist von der Reso nanzschärfe der betreffenden Siebschaltung abhängig.
Bei optimaler Zuordnung ist die Steilheit der Aus gangsgrösse des Messumformers doppelt so gross als die Steilheit der Ausgangsgrösse einer Siebschaltung. Dadurch können einmal sehr hohe Empfindlichkeiten erzielt werden, anderseits ist es möglich, zur Erzielung vorgeschriebener Empfindlichkeiten weniger hoch wertige Bauelemente für die einzelnen Siebschaltungen einzusetzen und auf diese Weise eine grössere Wirt schaftlichkeit zu erzielen.
Dadurch, dass der Resonanzkreis, dessen Resonanz frequenz oberhalb der Sollfrequenz liegt, als Hochpass ausgeführt ist, wird erreicht, dass die Ausgangsgrösse des Frequenzmessumformers auch bei grossen Fre- quenzabweichungen oberhalb der Sollfrequenz nicht Null wird.
Die Differenzbildung kann in dem schon be schriebenen Widerstandsnetzwerk erfolgen, es können aber auch die Ausgänge der Gleichrichteranordnung an je eine Steuerwicklung eines nachgeschalteten Magnetverstärkers gelegt werden, so dass eine magne tische Differenzbildung stattfindet. Ferner kann die Differenzbildung durch Gegeneinanderschaltung der Ausgangsspannungen erfolgen.
Der Einfluss der Eingangsspannung auf die Aus gangsgrösse ist gering, weil eine Erhöhung der Aus gangsspannung in gleichem Masse auch eine Erhöhung der Ausgangsspannungen von Hoch- und Tiefpass bewirkt. Durch die Differenzbildung fällt der Einfluss der Spannungssteigerung weitgehend heraus. Der Ein fluss einer Spannungssteigerung ist um so geringer, je näher die Resonanzfrequenz des Hoch- und Tiefpasses zusammenliegen. Die in der Eingangsspannung ent haltenen Oberwellen wirken sich auf die Ausgangs grösse nur gering aus, da bereits die dritte Oberwelle stark gedämpft wird.
Der Einfluss von Temperatur änderungen auf das Messergebnis kann gering ge halten werden, wenn der in den Resonanzkreisen ent haltene Ohmsche Dämpfungswiderstand gross gegen über dem Kupferwiderstand der Induktivität ist.