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Gerät zur Messung der Frequenz einer Wechselspannung oder der Umlaufgeschwindigkeit
einer Welle Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur Messung der Frequenz einer
Wechselspannung oder der Umlaufgeschwindigkeit oder Drehzahl einer Welle, bei dem
ein Wechselspannungs-Tachometergenerator mit einer von der zu messenden Frequenz
oder Drehzahl abhängigen Drehzahl angetrieben wird so daß seine Ausgangsfrequenz
und -spannung von der zu messenden Frequenz oder Drehzahl abhängig ist, und die
von diesem erzeugte Wechselspannung mehreren Resonanzkreisen mit verschiedenen Resonanzfrequenzen
zugeführt wird und bei dem eine Anzeigevorrichtung. deren Frequenzanzeigebereich
zwischen den Resonanzfrequenzen der beiden Resonanzkreise liegt, auf die algebraische
Differenz von zwei Spannungen anspricht, die von Spannungen an Elementen dieser
Resonanzkreise abgeleitet sind.
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Bei bekannten Ausführungsformen muß beispielsweise die Voraussetzung
erfüllt sein, daß die angelegte Spannung konstant bleibt. Wenn dies nicht der Fall
ist, wird die Frequenz nur ungenau angezeigt.
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Bei einer anderen Anordnung ist ein kompliziertes Instrument in Quotientenmesserbauart
erforderlich, um die Ströme in den beiden Stromkreisen zu vergleichen, da sich diese
Ströme jeweils in Abhängigkeit von der angelegten Spannung ändern. Außerdem ist
die Empfindlichkeit der bekannten Geräte für manche Anwendungsfälle nicht ausreichend.
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Es ist auch ein Frequenzmesser hekanitt, bei dem zwei Serienresonanzkreise
mit verschiedener Resonanzfrequenz mit der zu messenden Frequenz gespeist werden,
bei dem an beiden Resonanzkreisen die Spannungen am jeweiligen Kondensator abgenommen,
nach Gleichrichtung die Differenz der beiden Spannungen gebildet und einem Anzeigegerät
zugeführt wird. Bei einem ähnlichen Frequenzmesser wurde ein lineares Kurvenstück
des Differenzstromes im Anzeigekreis zwischen der positiven und negativenNIa:iimalamplitude
beiderseits des Nullpunktes als Anzeigehereich benutzt. Diese vorgenannten Frequenzmesser
enthalten aber keinen Tachometergenerator.
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Die Ausgangsspannung sowie die Ausgangsfrequenz eines solchen Generators
hängt aber von der Drehzahl ab, mit der er angetrieben wird. Schaltungen zum Messen
der Frequenz oder der Drehzahl, in denen ein Tachometergenerator enthalten ist,
müssen daher diese Spannungsänderung herücksichtigen. Der erstgenannte Frequenzmesser
verwendet für diesen Zweck eine symmetrische Anordnung, wobei jedoch nicht der lineare
Teil der Differenzstromkurve für Meßzwecke verwendet wird. Der an zweiter Stelle
genannte Frequenzmesser, bei dem der lineare Teil der Kurve verwendet wird, neigt
zu fehlerhaften Anzeigen infolge Spannungsänderung. Außerdem ist bei beiden Frequenzmessern
die Empfindlichkeit relativ gering.
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Auch sind Frequenzmeßanordnungen mit einem Tachometergenerator bekannt,
bei denen jedoch die Ausgangsspannung des Tachometergenerators gemessen wird. XVeiterhin
ist ein Drehzahlmesser bekannt, bei dem die von einem Tachometergenerator gelieferte
Frequenz in einer Frequenzmeßanordnung gemessen wird. Diese Vorrichtungen sind verhältnismäßig
kompliziert und häufig nicht ausreichend empfindlich. Außerdem reicht in manchen
Fällen die Genauigkeit nicht aus.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die erwähnten Mängel der bekannten
Anordnungen zu beseitigen und gleichzeitig eine Erweiterung des Meßbereichs der
Anzeigevorrichtung zu erzielen.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß mehr als zwei Resonanzkreise
mit verschiedenen Resonanzfrequenzen vorgesehen sind und daß infolge der Änderung
der Ausgangs spannung des Tachometergenerators über von den Resonanzkreisen unabhängige
Gleichrichter- und Schaltvorrichtungen an die Frequenzanzeigeeinrichtung jeweils
verschiedene Resonanzkreispaare angeschlossen werden, so daß der Frequenzanzeigebereich
sich über zwei oder mehrere aneinander anschließende und jeweils zwischen den entsprechenden
Resonanzfrequenzen eines Resonanzkreispaares liegende Frequenzbereiche erstreckt.
In NVeiterbildung der Erfindung sind die Resonanzkreise als Reihenresonanzkreise
ausgebildet, und die zur algebraischen Differenzbildung verwendeten Spannungen von
den an den kapazitiven Elementen dieser Resonanzkreise liegenden Spannungen abgeleitet.
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Diese werden über einen Gleichrichter einem Gleichspannungsmesser
zugeführt. Jedem Resonanzkreis ist ein Dämpfungswiderstand zugeordnet, von denen
wenigstens einer veränderhar ist. Es können auch ein oder mehrere Anzeigeinstrumente
wahlweise geschaltet werden, um die Ausgangsspannung des Tadometergenerators oder
die algebraische Differenz der beiden von den Resonanzkreisen abgeleiteten Spannungen
zu messen.
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Eine Ausführungsform der Erfindung, die zur Anzeige der Drehzahl
einer Turbine bestimmt ist, wird nun als Beispiel an Hand der Zeichnung beschrieben,
die das Schalthild des Gerätes darstellt.
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Darstellungsgemäß wird ein Hochfrequenzwechselstromtachometer 10
von der Turbine angetriehen und kann beispielsweise in Permanentmagnethauart ausgebildet
sein, derart, daß er seine Ausgangsleistung bei einer Frequenz von etwa 1000 Hz
abgibt, wenn er mit der normalen Turbinendrehzahl, beispielsweise 3000 Umdr./min,
angetrieben wird. Der Ausgang des Tachometergenerators 10 ist über einen doppelpoligen
Schalter 11 Sicherungen 12 und einen einstellbaren ÄViderstand 13 an die Primärwicklung
14 eines Übertragers 15 gelegt, der zwei Sekundärwicklungen 16 und 17 hat. Die Sekundärwicklung
17 ist mit den ÄVechselstromklemmen eines Brückengleichrichters 18 verbunden, dessen
Ausgangsgleichspannung von einem Kondensator 19 geglättet und der Arbeitswicklung
20 eines Relais zugeführt wird, das Umschaltkontakte 21 hat. Die Arbeitswicklung
22 eines zweiten Relais, das einen einpoligen Kontakt 23 aufweist, ist zu der Arheitswicklung
20 parallel geschaltet. Die Gleichstromquelle zum Betrieb weiterer Relais wird aus
einer Wechselstromquelle 24 über einen Schalter 25, der mit dem Schalter 11 gekuppelt
ist, über Sicherungen 26, einen Übertrager 27 und einen Brückengleichrichter 28
gewonnen, dessen Ausgangsspannung mit einem Kondensator 29 geglättet wird. \wenn
die Turbine mit geringer Drehzahl läuft, ist die Ausgangsspannung des Tachometergenerators
10 verhältnismäßig klein, so daß weder die Arbeitswicklung 20 noch die Arbeitswicklung
22 in so ausreichendem Maße erregt wird, daß die zugehörigen Kontakte 21 bzw. 23
betätigt werden. Die Empfindlichkeit des Relais mit der Arbeitswicklung 20 ist so
gewählt, daß die zugeordneten Kontakte geschaltet werden, wenn die Turbine mit angenähert
2750 Umdrjmin läuft, während die Empfindlichkeit des Relais mit der Arheitswicklnng
22 so eingestellt ist, daß die Kontakte 23 erst geschlossen werden, wenn die Turbine
mit einer höheren Drehzahl, etwa mit 3250 Umdr. min läuft. Selbstverständlich sind
diese Drehzahlen lediglich als Beispiel angenommen, und es können erforderlichenfalls
andere geeignete Drehzahlen gewählt werden. Eine Lampe 34 ist so angeordnet, daß
sie anzeigt. wenn sich die Kontakte 21 in die geschlossene Schaltstellung bewegt
haben.
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Die andere Sekundärwicklung 16 des Übertragers 15 ist so geschaltet,
daß sie abwechselnd drei Kreise zum Anzeigen der Turbinendrehzahl speist, wobei
sie über Umschaltkontakte 30 eines Relais verbunden ist, zu dern eine Arbeitswicklung
31 und auch ein weiterer Satz Umschaltkontakte gehören. Bei niedrigen Turbinendrehzahlen
wird die Arheitswicklung 31 von der Hilfsgleichstromqnelle erregt, die von dem Gleichrichter
28 über die Kontakte 21 erhalten wird. Eine Anzeigelampe 33 ist zu der Arbeitswicklung
31 parallel geschaltet und zeigt infolgedessen an, daß die Arheitswicklung 31 erregt
ist. Bei Erregung der Arbeitswicklung 31 werden die Kontakte 30 und 32
aus der dargestellten
Lage in eine Stellung bewegt, in der ein Brückengleichrichter 40 über Sicherungen
41 parallel zu der Sekundärwicklung 16 geschaltet ist. Glättungskondensator 42 ist
an die Gleichstromausgangsklemmen des Brückengleichrichters 40 geschaltet, wobei
der Gleichstromausgang fieber einen einstellbaren Widerstand 43 an zwei Kontakte
der Umschaltkontakte 32 angeschlossen ist. Wenn die Arbeitswicklung 31 erregt ist,
wird der Gleichstromausgang des Brückengleichrichters 40 über den einstellbaren
Widerstand 43 an ein anzeigendes Voltmeter 44 angelegt. Die Arbeitswicklung eines
schreibenden Instrumentes 45 ist zu dem Anzeigegerät 44 über Umschaltkontakte eines
Relais parallel geschaltet. das eine Arbeitswicklung 47 hat, die beim Schließen
der Kontakte 23 erregt wird. Bei Drehzahlen unterhalb 3250 Umdr.lmin sind die Kontakte
23 geöffnet, so daß die Kontakte 46 die dargestellte Lage einnehmen, in der das
Schreibgerät parallel zu dem Anzeigeinstrument 44 geschaltet ist.
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Von den Kontakten 30, die zu den Sekundärwicklungen des Übertragers
15 parallel geschaltet sind, verlaufen, wenn die Arbeitswicklung 31 nicht erregt
ist, wie in der Zeichnung dargestellt, Verbindungen zu weiteren Umschaltkontakten
50, die einen Teil des Relais bilden, zu dem die Arbeitswicklung 47 gehört.
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Die Umschaltkontakte 50 und 46 sind so angeordnet, daß sie das eine
oder das andere der beiden Resonanzkreispaare auswählen, die eine Anzeige der Turhinendrehzahl
über verhältnismäßig begrenzte Drehzahlbereiche ermöglichen. Wenn die Arbeitswicklung
47 nicht erregt wird, befinden sich die Umschaltkontakte 50 in der dargestellten
Lage, in der die Sekundärwicklung 16 des Übertragers 15 über die Kontakte 30 und
50 sowie Sicherungen 51 mit zwei parallel geschalteten Reihenresonanzkreisen verbunden
ist. Der eine dieser Kreise besteht aus einer Induktivität 52 und einem Kondensator
53, der andere aus einer Induktivität 54 und einem Kondensator 55.
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Falls dieses Resonanzkreispaar eine Anzeige über einen Drehzahlbereich
von heispielsweise 2700 bis 3300 Umdr./min der Turbinen ermöglichen soll, können
die Induktivität 54 und der Kondensator 55 in Reihenresonanz bei angenähert 800
Hz sein, d. h. auf eine Frequenz bemessen werden, die einer Drehzahl von 2400 Umdr.7min
entspricht. Die Resonanz des aus der Induktivität 52 und dem Kondensator 53 gebildeten
Kreis kann bei einer Frequenz von bei spielsweise 1500 Hz. liegen, die einer Turbinendrehzahl
von 4500 Umdr.,'min entspricht. Die an den Kondensatoren 53 und 55 auftretenden
Spannungen werden algebraisch verglichen, indem sie über Gleichrichter 56 und 57
an Belastuiigswiderstände 58 hzw.
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59 angelegt werden, zu denen Glättungskondensatoren 60 bzw. 61 parallel
geschaltet sind. Die Differenz zwischen den an den Belastungswiderständen 58 und
59 auftretenden Ausgangsspannungen wird über einen einstellbaren Widerstand 62 und
über die Kontakte 32 an das Anzeigeinstrument 44 und über die zusätzlichen Kontakte
46 an das schreibende Instrumeint 45 angelegt. Das zweite Paar Reihen resonanzwiderstände
entspricht im allgemeinen dem soeben beschriebenen, lediglich mit dem Unterschied,
daß die Werte etwas abweichen. Wenn die Arheitswicklung 47 erregt wird, bewegen
sich die Kontakte 50 aus der dargestellten Lage, so daß sie das zweite Resonanzkreispaar
über Sicherungen 71 in Verhindung mit der Sekundärwicklung 60 des Übertragers 15
bringen. Der eine Resonanzkreis besteht aus einer Induktivität 72 und einem Kondensator
73, der andere
aus einer Induktivität 74 und einem Kondensator 75.
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Die Werte der Induktivität 72 und des Kondensators 73 können so bemessen
sein. daß sie bei einer Frequenz von angenähert 1500 Hz in Reihenresonanz sind,
die einer Turbinendrehzahl von 4500 Umdr.'min entspricht, während die Daten der
Induktivität 74 des Kondensators 75 so gewählt sein können, daß sie bei einer Frequenz
von beispielsweise 1000 Hz, die einer Turbin.endrehzahl von 3000 Umdr./min entspricht,
in Reihenresonanz sind. Ein Belastungswiderstand 78 ist über einen Gleichrichter
76 an den Kondensator 73 gelegt, wobei ein Glättungskondensator 80 dem Belastungswiderstand
78 parallel geschaltet ist. In entsprechender Weise liegt ein Belastungswiderstand
79 über einen Gleichrichter 77 parallel zu dem Kondensator 75 und ein Glättungskondensator
81 zu dem Belastungswiderstand 79. Die algebraische Differenz der an den Belastungswiderständen
78 und 79 auftretenden Spannungen wird über einen einstellbaren Widerstand 82 an
das schreibende Instrument 45 gelegt, wenn die Arbeitswicklung 47 erregt wird, um
die Umschaltkontakte 46 und 50 aus den dargestellten Stellungen zu bewegen. Die
Arbeitsweise des aus den Bauteilen 71 bis 82 gebildeten Kreises ist die gleiche
wie bei dem Kreis, der aus den Bauteilen 51 bis 62 besteht, wobei der Unterschied
darin besteht, das etwas abgeänderte Werte gewählt werden, so daß die beiden Kreise
über verschiedene Frequenz- und Turbinendrehzahlbereiche arbeiten. Ein Vorteil der
Anwendung eines eine verhältnismäßig hohe Frequenz erzeugenden Wechselstrom-Tachometergenerators
besteht darin, daß die in den Resonanzkreisen erforderlichen Werte der Induktivität
und der Kapazität bei solchen Frequenzen im Vergleich zu den Werten verkleinert
werden können, die zur Resonanz bei Netzfrequenzen von beispielsweise 50 Hz erforderlich
sein würden.
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Die Arbeitsweise der Resonanzkreispaare ist folgendermaßen: Wird
ein Resonanzkreis mit Wechselstrom veränderlicher Frequenz gespeist, dann ändert
sich der Strom in dem Resonanzkreis und die Spannung an jedem Bauteil des Resonanzkreises
mit der Frequenz. Für eine bestimmte angelegte Spannung ist der Strom und somit
die Spannung an jedem Bauteil bei der Resonanzfrequenz des Kreises am größten und
vermindert sich oberhalb und unterhalb des Resonanzpunktes. Falls sich jedoch die
angelegte Spannung mit der Frequenz ändert, wie es bei einem Tachometergenerator
der Fall ist, ändert sich die Form der Strom-Frequenz- oder Spannung-Frequenz-Kennlinie
etwas. Die Form dieser Kennlinien kann auch durch Variationen der Kreisdämpfung
geändert werden, beispielsweise dadurch, daß ein Belastungswiderstand parallel zu
einem der Elemente des Kreises geschaltet wird, Bei zwei Kreisen mit unterschiedlichen
Resonanzfrequenzen ist eine zwischen diesen liegende Frequenz vorhanden, bei der
die Ströme in den beiden Resonanzkreisen oder die Spannungen an den einzehaen Kreiselementen
gleich sind. Bei dieser Frequenz ist die algebraische Differenz dieser Spannungen
Null. Dieser Punkt stellt bevorzugt den Nullpunkt des Anzeige- undloder Schreibinstruments
oder der entsprechenden Instrumente dar. an das bzw. an die die Spannungen an den
Belastungswiderständen gelegt werden. Diese Frequenz oder Drehzahl kann zweckmäßigerweise
so gewählt werden, daß sie die unterste Frequenz oder Drehzahl ist, die von dem
Frequenz- oder Drebzahlbereich des Gerätes angezeigt wird. Damit sich die algebraische
Differenz zwischen den Spannungen an den Belastungswiderständen fort-
schreitend
mit der Frequenz- oder Drehzahländerung ändern kann, ist es erforderlich, auf Kennlinienteilen
zu arbeiten, die zwischen den Resonanzfrequenzen der beiden Resonanzkreise liegen.
Auch zur Erzielung einer guten Ansprechlinearität muß hinreichend innerhalb des
Resonanzfrequenzbereichs, bevorzugt nach der höheren Resonanzfrequenz hin von dem
Punkt, bei dem die Spannungen gleich sind, gearbeitet werden.
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Ein Erfindungsmerkmal besteht darin, die Arbeitsbedingungen so auszuwählen,
daß ein lineares oder angenähert lineares Verhältnis zwischen der algebrawischen
Differenz der Spannung und der Frequenz oder Drehzahl vorhanden ist. Es wurde gefunden,
daß diese Bedingung mit einem bemerkenswerten Genauigkeitsgrad erfüllt werden kann,
wenn jeder Belastungswiderstand 58, 59, 78 und 79 und auch die Widerstände, die
von der Belastung gebildet werden, welche die in Reihe mit den Widerständen 62 und
82 geschalteten Anzeige- undloder Schreibinstrumente darstellen, in der Größenordnung
von 1000 Ohm sind.
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Bei der Inbetriebsetzung des Gerätes können die Werte der Belastungswiderstände
58, 59, 78 und 79 so eingestellt werden, daß diese Bedingung erfüllt wird und die
Einstellung der Werte der Widerstände 58 und 78 (oder 59 oder 79) kann dazu verwendet
werden, geringe Einstellungen der Frequenz vorzunehmen, bei der die algebraischen
Differenzen zwischen den an den Belastungswiderständen auftretenden Spannungen Null
sind. Die Widerstände 62 und 82, die in Reihe mit den Anzeige- undloder Schreibinstrumenten
geschaltet sind, können auch einstellbar ausgeführt werden, um die Empfindlichkeit
der Instrumente einstellbar zu machen, so daß die genauen Drehzahl- oder Frequenzgrenzen
für jeden Drehzahlbereich erhalten werden.
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Man wird bemerken, daß bei der oben beschriebenen Anordnung derselbe
Spannungsschreiber dazu dient, die Drehzahl über drei Drehzahlbereiche anzuzeigen.
Der erste Drehzahlbereich erstreckt sich von Null bis angenähert 2750 Umdr./min,
der zweite von 2750 bis 3250 Umdr./min und der dritte von 3250 bis 3500 Umdr./min.
Zusätzlich wird bei zwei unteren Bereichen das Anzeigeinstrument 44 verwendet.
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Es kann natürlich im Bedarfsfall bei allen drei Bereichen benutzt
werden. Obgleich in der oben beschriebenen Anordnung drei Drehzahlbereiche vorgesehen
sind, können selbstverständlich durch Hinzufügung weiterer Resonanzkreise zusätzliche
Drehzahlbereiche geschaffen werden.
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Es ist zweckmäßig, daß die Relais mit den Arbeitswicklungen 20 und
22 Ausführungsformen haben, die bei Werten der angelegten Spannung schließen und
öffnen, die sich nicht wesentlich unterscheiden.