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Frequenzmessgerät zur direkten Anzeige von niedrigen und sehr niedrigen Schwingungszahlen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Frequenzmessgerät zur direkten Anzeige von niedrigenund sehr niedrigen Schwingungszahlen.
Zur Messung von Schwingungszahlen sind derzeit eine ganze Reihe von Verfahren und Einrichtungen bekannt, wie z. B. das oszillographische Messverfahren, das Resonanzverfahren, Zungenfrequenzmesser
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ben sind. Bei dem in der genannten Patentschrift beschriebenen Gerät wird ein Messkondensator über einen verhältnismässig geringen Widerstand auf das Maximum der Spannung der Quelle aufgeladen. Hiebei muss die Ladedauer gegenüber der Dauer einer Schwingung bedeutend kürzer sein. Die Entladung des Kondensators erfolgt über eine Elektronenröhre, die durch Rechteckimpulse, die aus der Spannung der gemessenen Frequenz abgeleitet werden, gesteuert wird.
Das Mass der Frequenz ist dann der durch den Kondensator fliessende Strom, welcher durch die folgende Gleichung bestimmt ist :
I = E. C. w, worin I den durch das Messinstrument fliessenden Strom, C die Kapazität des Kondensators und w die zu messende Frequenz bedeutet. Überdies werden in der Elektrotechnik, insbesondere in der Starkstromtechnik, auch mit einem Resonanzstromkreis arbeitende Frequenzmesser verwendet.
Eine Schaltung für die Messung der Intervalle zwischen zwei Impulsen in periodischer Reihenfolge ist z. B. aus der Patentschrift der D. D. R. Nr. 14715 bekannt geworden. Die Einrichtung nach dieser Patentschrift benützt einen Kondensator, der auf den Maximalspannungswert der Quelle aufgeladen wird und dem ein Widerstand parallel geschaltet ist, wobei die Parallelschaltung durch den ersten Impuls von der Quelle abgetrennt und durch den zweiten Impuls an den mit dem elektronischen Voltmeter gekuppelten Sammelkondensator angeschaltet wird.
Die oben angeführten Frequenzmessgeräte können Schwingungen über 10 Hz messen. Das Messen lang - samerer Schwingungen ist meist ungenau, wenn nicht unmöglich, weil der Zeiger des Messinstrumentes sodann den einzelnen Schwingungen folgt. Diese Nachteile beseitigt das erfindungsgemässe Frequenzmessgerät. Es ermöglicht Frequenzmessungen im Bereiche von etwa 10-2 bis 104 Hz zu messen. Gemäss der Erfindung wird ein direkt anzeigendes oder registrierendes elektronisches Voltmeter mit hoher Eingangsimpedanz benutzt, welcnes an einen die Maximalwerte der Spannung des Messintegrationsstromkreises feststellenden Sammelkondensator angeschlossen ist, der zur Ladungsübertragung mit dem Messkondensator verbunden ist.
Das Wesen der Erfindung beruht darin, dass der Messkondensator einerseits dauernd über einen Widerstand aufgeladen wird, wobei die Zeitkonstante (C. R) grössenordnungsmässig einer Periode der zu messenden Frequenz entspricht und anderseits periodisch mittels einer Einrichtung entladen wird, wobei die Entladungsdauer gegenüber einer Periode der zu messenden Frequenz sehr kurz ist. Die Entladungseinrichtung besteht entweder aus einem mit einem mechanisch betätigten Schalter gesteuerten Relais oder einem von einem Kippstromkreis gesteuerten Thyratron. Der Messkondensator ist über eine Schaltdiode an den mit dem elektronischen Voltmeter gekoppelten Sammelkondensator angeschlossen.
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Das Wesen der Erfindung wird nachstehend an Hand einiger typischer Ausführungsbeispiele erläutert, die in den Zeichnungen schematisch dargestellt sind.
Fig. 1 zeigt ein Schaltbild des erfindungsgemässen Frequenzmessgerätes, bei dem die Entladung eines Integrationskreises mittels eines ein Relais betätigenden mechanischen Schalters erfolgt. Fig. 2 veranschau- licht in rechtwinkeligen Koordinaten den Spannungsverlauf am Integrationskreis. Fig. 3 zeigt eine alternative Anordnung zur Betätigung des Schaltrelais mit elektrischen Mitteln, welche Anordnung insbesondere zur Messung elektrischer Schwingungen geeignet ist. Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführung des erfindungsgemässen Frequenzmessgerätes, bei welcher der Integrationskreis mittels eines Thyratrons entladen wird.
Aus der Quelle 1 einer Gleichspannung, die durch eine über einen Reduktionswiderstand 2 gespeiste Entladungsröhre 3 stabilisiert wird, wird ein Kondensator 5 über einen Ladewiderstand 4 geladen, welch letzterer zusammen mit dem Kondensator 5 einen Integrationskreis bildet. Der Spannungsverlauf am Kondensator 5 in Abhängigkeit von der Ladezeit t ist in Fig. 2 veranschaulicht, wo auf der Abszisse die Ladezeit t und auf der Ordinate der Spannungswert am Kondensator 5 aufgetragen sind. Der Spannungsverlauf in Abhängigkeit von der Zeit t ist durch eine Exponentialkurve gegeben, die sich dem Wert der Grösse der Spannung E am Stabilisator asymptotisch nähert.
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tels eines von der gemessenen Schwingungszahl abgeleiteten Impulses die Kontakte 6a, 6b geschlossen und der Kondensator 5 entladen.
Der Kondensator 5 beginnt sich von neuem zu laden und wird wiederum nach Ablauf einer Zeit t1. die durch die Periode der weiteren Schwingung gegeben ist, kurzgeschlossen. Die Zeit tl stellt daher den reziproken Wert der gemessenen Frequenz dar.
Der ganze Zyklus wiederholt sich periodisch, solange sich die gemessene Schwingungszahl nicht ändert. Der Höchstwert der am Kondensator 5 erzielten Spannung E1 ist das Mass der verfolgten Frequenz und wird durch eine Schaltdiode 7 (die durch eine Elektronenröhre oder durch einen Halbleiter gebildet wird) auf einen Kondensator 8 übertragen, dessen Wert in der Regel kleiner als der Wert des Kondensators sein wird. Der Kondensator 8 wird nach dem Durchlaufen mehrerer Zyklen auf den Wert der der gemessenen Schwingungszahl entsprechenden Höchstspannung E, aufgeladen. Nach dem Schliessen der Kontakte 6a, 6b behält der Kondensator 8 seine Ladung bei, denn seine Entladung verhindert die Sperrstrecke der Diode 7. Die Spannung am Kondensator 8 wird dann mittels eines elektronischen Voltmessers 9 mit genügend hohem Eingangswiderstand gemessen.
An das elektronische Voltmeter ist als Frequenzanzeiger ein Zeigergerät 10 oder ein Registrier-Millivoltmeter mit einer direkt in Zyklen per Sekunde (Hz) oder fall-
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Skala kann unter Berücksichtigung der Restspannung am Kondensator 5 berechnet werden.
Der Messbereich des erfindungsgemässen Messgerätes richtet sich nach der Grösse der Zeitkonstante des Integrationskreises 4,5, die durch das Produkt C. R = tk gegeben ist. Je niedriger die Schwingungszahl, die gemessen werden soll, ist, desto grösser muss die Zeitkonstante gewählt werden. Das Umschalten der Messbereiche erfolgt meistens durch Veränderung der Werte der Kondensatoren 5 und 8. Der Wert des Kondensator 8 wird so gross gewählt, dass der Zeiger des Apparates auch bei der niedrigsten gemessenen Schwingungszahl in Ruhe bleibt, d. h. die Zeitkonstante C. R muss etwa 10 - 30 mal grösser als die Dauer der Periode der niedrigsten Schwingung sein.
Der Ableitungswiderstand des elektronischen Voltmeters, der mit der Bezugsziffer 24 bezeichnet ist, soll in der Grössenordnung von 100 bis 1000 Megohm liegen.
Die Entladung des Integrations-Kohdensators 5 kann, je nach der Art der Messung, auf verschiedene Weise durchgeführt werden. In Fig. 1 ist ein Verfahren zur Entladung des Kondensators mittels des Relais 6 mit den Kontakten 6a und 6b dargestellt. Das Relais 6 wird durch Impulse aus der Quelle 11 betätigt. Der durch eine Nocke (bei der Messung von Umlaufzahlen) oder durch einen Kontakt (bei der Messung von grösseren Vibrationen) fallweise auch in einer andern Weise betätigte Schalter 12 erregt das Relais 6 in der zu messenden Frequenz. Bei der Messung elektrischer Schwingungen können zur Entladung des Kondensators 5 auch andere Verfahren verwendet werden, z. B. mit einer Vorrichtung genuss Fig. 3 oder mittels eines Thyratrons gemäss Fig. 4.
Fig. 3 veranschaulicht eine Vorrichtung zur Umwandlung des sinusförmigen Verlaufes der Spannung der zu messenden Schwingungszahl in Rechteckimpulse zur Betätigung des Relais 6. Den Eingangsklemmen 13 und 13a wird die Sinusspannung 19 zugeführt, deren Schwingungszahl gemessen werden soll. In dem durch den Kippstromkreis bekannter Schaltung gebildeten Stromkreis 14 ändert sich der beliebig si-
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nusförmige Verlauf in einen rechteckigen Verlauf 20 mit leicht schrägen Seiten. Durch ein Differenzierglied, bestehend aus dem Kondensator 15 und dem Widerstand 16, wird die verzerrte Schwingung in die Form 21 umgeformt und einem monostabilen Multivibrator 17 zugeführt, welcher eine Spannung in Gestalt von rechteckigen Impulsen 22 mit konstanter, von der Schwingungszahl unabhängiger Breite liefert.
Von den Klemmen 18 und 18a werden die Impulse des monostabilen Multivibrators unmittelbar der Wicklung des Entladungsrelais 6 zugeleitet, wif dies in Fig. l angedeutet ist. Selbstverständlich entfallen dann die Quelle 11 und der Schalter 12.
Zur Entladung des Kondensators 5 kan. auch ein Thyratron 23 in einer Schaltung gemäss Fig. 4 verwendet werden. Die Vorrichtung ist derjenigen gemäss Fig. l ähnlich, nur mit dem Unterschied, dass an den Kondensator 5 anstatt der Kontakte 6a, 6b des Relais ein Thyratron 23 angeschlossen ist, das durch die von dem sinusförmigen Spannungsverlauf der zu messenden Schwingungszahl abgeleiteten Impulse zum Ansprechen gebracht wird. Die sinusförmige Spannung 19, deren Frequenz zu messen ist, muss in ähnlicher Weise wie bei der Schaltung gemäss Fig. 3 zuerst in einem Kippstromkreis 14 in eine rechteckige Spannungsform 20 umgewandelt werden, die nach Umformung in dem Differenzierglied 15 und 16 in Impulse 21 umgewandelt wird. Die positive Spitze des Impulses 21 bringt dann das Thyratron zum Ansprechen.
Die negative Spitze braucht nicht beseitigt zu werden, denn sie kann infolge der Kennlinie des Thyratrons nicht zur Wirkung kommen und auch keinen Einfluss auf die Messgenauigkeit ausüben. Das Eingangssignal an den Klemmen 13 und 13a kann in diesem Falle einen beliebigen Verlauf aufweisen.
Zwecks rascher Rückstellung des Ausschlages des Zeigers des Messgerätes 10auf Null kann die Vorrichtung mit einem manuell betätigbaren Schalter 25 versehen sein, über welchen nach durchgeführter Messung die Ladung des Kondensators 8 des elektronischen Voltmeters abgeleitet wird.
Das erfindungsgemässe Frequenzmessgerät für niedrige und sehr niedrige Schwingungszahlen findet bei Messungen in der Elektrotechnik, Elektronik, im Maschinenbau, beim Messen von Umlaufzahlen, Schwingungen, Vibrationen u. dgl. sowie in der Medizin (z. B. bei der Kardiotachometrie) vielfach Verwendung. In Verbindung mit einem bekannten Sperrschwinger und einer geeignet geeichten Skala kann die besagte Vorrichtung zum Messen von hohen Widerständen, wie z. B. von Isolationswiderständen od. dgl., oder in Verbindung mit einem direkt anzeigenden Feuchtigkeitsmesser verwendet werden.