DE1269243B - Zeigerfrequenzmesser fuer Gleich- und Wechselstromimpulse - Google Patents

Zeigerfrequenzmesser fuer Gleich- und Wechselstromimpulse

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DE1269243B
DE1269243B DE19641269243 DE1269243A DE1269243B DE 1269243 B DE1269243 B DE 1269243B DE 19641269243 DE19641269243 DE 19641269243 DE 1269243 A DE1269243 A DE 1269243A DE 1269243 B DE1269243 B DE 1269243B
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Germany
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measuring
frequency
transformer
capacitor
resistor
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Application number
DE19641269243
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English (en)
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Dipl-Phys Michael Sangl
Lothar Seyfarth
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P Gossen and Co GmbH
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P Gossen and Co GmbH
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R23/00Arrangements for measuring frequencies; Arrangements for analysing frequency spectra
    • G01R23/02Arrangements for measuring frequency, e.g. pulse repetition rate; Arrangements for measuring period of current or voltage
    • G01R23/06Arrangements for measuring frequency, e.g. pulse repetition rate; Arrangements for measuring period of current or voltage by converting frequency into an amplitude of current or voltage
    • G01R23/09Arrangements for measuring frequency, e.g. pulse repetition rate; Arrangements for measuring period of current or voltage by converting frequency into an amplitude of current or voltage using analogue integrators, e.g. capacitors establishing a mean value by balance of input signals and defined discharge signals or leakage
    • HELECTRICITY
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Description

  • Zeigerfrequenzmesser für Gleich- und Wechselstromimpulse Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der Frequenz von Gleich- und Wechselstromimpulsen nach dem Prinzip der Kondensatorlademethode. Sie wird vorzugsweise zur Drehzahlmessung von Otto-Motoren verwendet.
  • Es sind bereits Meßanordnungen mit Impulstransformatoren zur Erzeugung von Nadelimpulsen bekannt, bei denen ein gesättigter Eisenkern verwendet wird. Frequenzmesser, die von der Frequenzproportionalität des Lade- oder Entladestromes eines Kondensators Gebrauch machen, sind ebenfalls bekannt.
  • Eine Kombination dieser bekannten Maßnahmen führt jedoch zu einer starken Verfälschung des Meßergebnisses durch den Einfluß von Oberwellen, wie sie speziell im Zündstromkreis eines Otto-Motors vorhanden sind. Es handelt sich hier nämlich nicht um sinusförmige Schwingungen mit überlagerten Oberwellen, sondern um eine Rechteckkurve mit sehr typischen Oberwellen. Eine derartige Zündstromkurve darf aber durch einen angeschlossenen Frequenzmesser nicht in ihrem Oberwellengehalt verändert werden, da für den einwandfreien Zündvorgang dieser von größter Wichtigkeit ist.
  • Der Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Meßanordnung zu schaffen, bei der die Oberwellen von dem eigentlichen Meßkreis ferngehalten werden bzw. bei der ihr Einfluß auf das Meßergebnis verhindert wird, ohne dabei den Verlauf der Oberwellen selbst zu stören.
  • Es wurde daher ein Zeigerfrequenzmesser für Gleich- und Wechselstromimpulse entwickelt, der sich insbesondere zur Drehzahlmessung von Verbrennungskraftmaschinen eignet und nach dem Prinzip der Kondensatorlademethode arbeitet und bei dem der zu messende Impulsstrom einem Impulstransformator zugeführt wird. Parallel zur Transformatorsekundärseite sind zwei entgegengesetzt in Reihe geschaltete Zenerdioden zur Stabilisierung angeschlossen. Die sekundärseitig entstehenden nadelförmigen Impulse laden bzw. entladen abwechselnd einen Meßkondensator. Danach durchfließen die Kondensatorströme einen Brückengleichrichter, in dessen Diagonale parallel zueinander das Anzeigeinstrument, ein Dämpfungskondensator und ein Abgleichwiderstand angeschlossen sind. Diese aus an sich bekannten Baugruppen zusammengesetzte Meßschaltung ist erfindungsgemäß durch einen ebenfalls parallel zum Transformatorausgang angeschlossenen Widerstand gekennzeichnet, der zur Verhinderung von Meßwertverfälschungen durch gerade derartigen Impulsströmen meist anhaftende hochfrequente Schwingungen so dimensioniert ist, daß die Zeitkonstante dieses Widerstands und des Meßkondensators r = R C und damit die Entladezeit über den Widerstand stets kleiner ist als die Schwingungsdauer der zu verhindernden Resonanzschwingungen und wobei gleichzeitig vermieden wird, daß der Entladestrom des Meßkondensators den Transformator aus dem Bereich der Sättigung herausmagnetisiert.
  • Die Anordnung weist bei einfachstem Aufwand eine Reihe von Vorzügen auf: hohe Genauigkeit bei guter Zeitkonstanz, weite Temperaturunabhängigkeit, Unabhängigkeit vom Stromflußwinkel bei pulsierendem Gleichstrom, Unabhängigkeit von Oberwellen bzw. von der primären Kurvenform bei Wechselstrom und hohe Robustheit gegenüber mechanischen Einflüssen. Dabei läßt sich das Gerät preiswert herstellen, und zwar mit einer gedruckten Skala, da ja der Ausgangsstrom streng linear von der Frequenz abhängt.
  • Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt Fig. 1 die erfindungsgemäße Anordnung, Fig. 2 die Stromimpulse in der Primärwicklung des Impulstransformators, F i g. 3 die Stromimpulse in der Sekundärwicklung des Impulstransformators.
  • Die zu untersuchende Spannung wird an die Klemmen 1 und 2 des Impulstransformators 3 angeschlossen. Die in der Sekundärwicklung des Transformators auftretenden Spannungsimpulse werden mit Hilfe der beiden gegeneinander geschalteten Zenerdioden 4 und 5, denen der Widerstand 6 (im folgenden auch R 6 genannt) parallel liegt, stabilisiert und dem Meßkondensator 7 zugeführt. Darauf folgt die Gleichrichterbrücke 8, in deren Gleichstromausgang parallel zueinander der Dämpfungskondensator 9, der Abgleichwiderstand 10 und das Drehspulmeßwerk 11 liegen.
  • Die Funktion dieser Anordnung wird im wesentlichen von der Ausgestaltung des Impulstransformators 3 bestimmt. Dieser hat nur wenige Primärwindungen, einen kleinen Kernquerschnitt und damit eine geringe Induktivität, um den primären Meßkreis möglichst wenig zu beeinflussen. Der Transformatorkern besteht dabei aus dünnwandigem Blech von konstanter Permeabilität im Maguetisierungsbereich und niedriger Remanenz. Durch die niedrige Remanenz ist der Flußänderungsbereich groß und durch die konstante Permeabilität ist die Änderungsgeschwindigkeit d /d t und damit auch gleichzeitig der sekundäre Spannungsanstieg weitgehend linear in Abhängigkeit vom Primärstromanstieg. Dadurch ergeben sich gleichmäßige Auf- bzw, Entladegeschwindigkeiten des Kondensators 7, die in der Zeitkonstantenberechnung eine Rolle spielen. Ferner ergeben sich durch die konstante Permeabilität auch konstante Induktivitäten der Primär- und Sekundärwicklungen sowie eine einfache Beherrschung der Schwierigkeiten, die von eventuellen Resonanzen herrühren könnten.
  • Außerdem sind die Primäramperewindungen so gewählt, daß der Transformator 3 tief gesättigt ist. Hierdurch wird die Unabhängigkeit von zusätzlichen Oberwellen und von der primären Kurvenform gewährleistet.
  • Es ergibt sich, daß die Induktivität bei tief gesättigtem Kern nahezu der bei Luft entspricht. Die Sekundärwindungszahl ist groß, demzufolge auch die Induktivität relativ hoch, so daß eine Resonanzfrequenz verhältnismäßig niedrig und praktisch stets im interessierenden Meßbereich liegt. Auf letzteres wird weiter unten noch näher eingegangen.
  • Die Zenerdioden 4 und 5 begrenzen in bekannter Weise die sekundärseitigen Spannungsimpulse in ihrer Höhe und bedingen damit eine stets konstante Aufladung der Kapazität 7 mit der Ladungsmenge Q = C U. Der Lade- bzw. Entladestrom wird in der Graetz-Brücke 8 gleichgerichtet und kommt, geglättet durch die Kapazität 9, am Meßwerk 11 zur Anzeige.
  • Der Widerstand 10 dient dabei zum Abgleich des Meßwerkes. Der über das Meßwerk fließende Strom ist proportional t C U. Da die Spannung und die Kapazität C konstant gehalten werden, ist er also ein strenges Maß für die Frequenz f.
  • Die genannten Zenerdioden dienen nicht nur zur Stabilisierung, sondern haben bei der vorliegenden Erfindung noch zwei weitere wichtige Aufgaben zu erfüllen. Einmal verhindern sie die Verfälschung des Meßergebnisses durch unerwünschte Oberwellen.
  • Zum anderen werden die Zenerdioden zur Erzielung einer Temperaturunabhängigkeit über einen sehr weiten Bereich so ausgewählt, daß der positive Temperaturgang der Zenerspannung durch den negativen Temperaturgang des Spannungsabfalls in Durchlaßrichtung weitgehend kompensiert wird.
  • Eine sehr wichtige Funktion übt auch der Widerstand 6 erfindungsgemäß dadurch aus, daß er Resonanzen zwischen der Induktivität der Sekundärwicklung des Transformators 3 und dem Kondensator 7 im unteren Frequenzbereich verhindert. Wenn nämlich die Zeitkonstante dieses Schwingkreises und ein ganzzahliges Vielfaches oder ein Bruchteil des Kehrwertes der Impulsfolgefrequenz einander gleich sind, kommt es zur Resonanz. In diesem Fall würde der Kondensator 7 mehrmals innerhalb von zwei Impul- sen aufgeladen und wieder entladen werden, wodurch der Meßwert verfälscht werden würde. Da aber der Widerstand 6 parallel zur Sekundärwicklung liegt, verhindert er eine derartige Resonanzbildung. Er ist nämlich so dimensioniert, daß die Zeitkonstante z = R6 C7 bzw. die Entladezeit des Kondensators 7 über den Widerstand 6 stets kleiner ist als die Schwingungsdauer der Resonanzschwingungen zwischen dem Kondensator 7 und der Induktivität der Transformatorsekundärwicklung. Mit anderen Worten: Durch den Widerstand 6 werden Resonanzschwingungen über den ganzen Meßbereich verhindert, und außerdem wird vermieden, daß der Entladestrom des Kondensators 7 den Transformator aus der Sättigung herausmagnetisiert und dadurch den Änderungsbereich des Flusses einschränkt.
  • Durch eine entsprechende Wahl der Größe des Widerstandes 6 wird ferner in Verbindung mit dem Impulstransformator eine weitere wichtige Funktion erfüllt, die ersichtlich wird, wenn man die Extremfälle R6 = 0 und R6 = oo bei aufgezwungenem pulsierendem Primärstrom betrachtet. Bei R6 = 0 würde sekundär ein Strom fließen, der den Primärstrom während seiner Änderungszeit wie bei einem Stromwandler kompensiert. Der auf die Primärseite transformierte Sekundärwiderstand wäre dann ebenfalls gleich Null, der Primärkreis wäre also wie erwünscht wenig belastet. Eine praktische Bedeutung hat dieser Fall aber nicht, da sekundär zur Speisung der Frequenzmeßschaltung ein Spannungsimpuls erforderlich ist.
  • Bei R6 = oo könnte sich dagegen sekundär kein Kompensationsstrom ausbilden. Der Transformator würde für den pulsierenden Primärstrom eine eisengeschlossene Drossel darstellen, also einen hohen und damit störenden induktiven Widerstand. Da die Spannungszeitflächen der Spannung an den Primärklemmen positiv sind, wäre der Kern im Idealfall stets gesättigt, d. h., er könnte sich nicht entregen.
  • Damit bekäme man sekundärseitig lediglich eine Spannung, aber keinen Strom für die Meßschaltung.
  • Am Beispiel dieser beiden Extremfälle ist ersichtlich, daß die Größe des Widerstandes 6, bezogen auf die Meßaufgabe, ein Optimum sein muß. Er wird also gemäß der Erfindung auch so niedrig bzw. so hoch gewählt, daß der Spitzenwert des Spannungsabfalles an ihm, und zwar ohne die nachfolgende Meßschaltung, bei Primärströmen von der Rechteckkurvenform bis zur Sinusform gerade stets etwas größer als die Zenerspannung ist. Damit wird einmal erreicht, daß der in dem Primärkreis transformierte Widerstand möglichst niedrig bleibt und daß zweitens der gesamte Impulsfrequenzmesser von der Flankensteilheit des Primärstromes unabhängig wird und daß er somit mit sinusförmigem Wechselstrom geeicht werden kann.
  • Die zu untersuchende Spannung, beispielsweise rechteckförmige Gleichstromimpulse, wie sie in F i g. 2 dargestellt sind, werden, wie eingangs bereits erwähnt, dem Impulstransformator 3 zugeführt. Der dadurch zustande kommende Primärstrom Ipr erzeugt infolge der besonderen Arbeitsweise des Transformators 3 eine Impulswechselspannung mit dem Sekundärstrom Isek entsprechend F i g. 3. Diese Impulswechselspannung wird durch die Zenerdioden 4 und 5 begrenzt, was in der Zeichnung durch die gestrichelten Linien angedeutet ist. Diese nunmehr vom Betrag der Eingangsspannung weitgehend unabhängige Zenerdiodenspannung, die in F i g. 3 stark ausgezogen ist, bewirkt in der erfindungsgemäßen Anordnung eine kontinuierliche Anzeige der Momentanfrequenz.

Claims (2)

  1. Patentansprüche: 1. Zeigerfrequenzmesser für Gleich- und Wechselstromimpulse, insbesondere zur Drehzahlmessung von Verbrennungskraftmaschinen, der nach dem Prinzip der Kondensatorlademethode arbeitet und bei dem die zu messende Frequenz einem Impulstransformator zugeführt wird, dem eine Frequenzemeßanordnung nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein parallel zum Transformatorausgang liegender Widerstand (6) zur Verhinderung von Meßwertverfälschungen durch gerade derartigen Impulsströmen meist anhaftende hochfrequente Schwingungen so dimensioniert ist, daß die Zeitkonstante dieses Widerstands und des Meßkondensators t=R6-C7 und damit die Entladezeit über den Widerstand (6) stets kleiner ist als die Schwingungsdauer der zu verhindernden Resonanzschwingungen, und daß gleichzeitig vermieden wird, daß der Entladestrom des Meßkondensators (7) den Transformator (3) aus dem Bereich der Sättigung herausmagnetisiert.
  2. 2. Zeigerfrequenzmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulstransformator (3) mit nur wenigen Primärwindungen versehen ist und einen kleinen Kernquerschnitt besitzt und daß der Kern selbst aus einem dünnwandigen Blech von konstanter Permeabilität, niedriger Remanenz und geringer Streuinduktivität hergestellt ist.
    In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 905 894; »Archiv für technisches Messen«, 1962, S. 73 bis 76 (»ATM-Blatt V 3612-11«).
DE19641269243 1964-11-06 1964-11-06 Zeigerfrequenzmesser fuer Gleich- und Wechselstromimpulse Pending DE1269243B (de)

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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE905894C (de) * 1952-02-02 1954-03-08 Hartmann & Braun Ag Drehzahlmesser fuer Verbrennungsmotoren

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE905894C (de) * 1952-02-02 1954-03-08 Hartmann & Braun Ag Drehzahlmesser fuer Verbrennungsmotoren

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