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Verfahren zum Messen der Frequenz einer Wechselspannung
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen der Frequenz
einer Wechselspannungs bei dem mittels aus der Wechselspannung gewonnener Steuerimpulse
Je weils ein Zeitintervall bestimmt wird und in diesem Zeitintervall Impulse eines
Taktgenerators in einen Zähler eingezählt werden9 wobei auf einen den Beginn des
jeweiligen Zeitintervalls bestimmenden Steuerimpuls hin eine Zeitstufe mit einer
festen Zeitablaufdauer angelassen wird Bei einem bekannten Verfahren dieser Art
("IEEE Trans actions on Instrumentation and Measurement" Vol. IM-27, Nr. 3, Sept.
19789 Seiten 295 bis 297) wird mit einem aus der Wechselspannung gewonnenen Steuerimpuls
eine monostabile Kippstufe angestoßen. Diese Kippstufe läuft innerhalb einer Sekunde
ab und sorgt im Zusammenhang mit einem nachgeordneten UND Glied und einem Zähler
dafUr9 daß während dieser vorgegebenen Zeitablaufdauer von einer Sekunde Zählimpulse
aus dem Taktgenerator in den dem UND-Glied nachgeordneten Zähler eingezählt werden.
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Bei entsprechender Wahl der Frequenz des Taktgenerators läßt sich
dann erreichen daß aus dem Zählerstand in einfacher Weise die Frequenz der Wechselspannung
ermittelt werden kann. Dieses bekannte Verfahren hat den Nachteil, daß nur Änderungen
der Frequenz einer zu überwachenden Wechselspannung innerhalb eines relativ großen
Zeitraumes ermittelt werden können und nicht Frequenzänderungen erfaßbar sind, die
von einer Periode zur nächstfolgenden Periode der Wechselspannung auftreten
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Messen der Frequenz
einer Wechselspannung anzugeben, das aus der Messung der Frequenz über eine einzige
Periode der Wechselspannung mit hoher Genauigkeit eine Ermittlung der Frequenz bzw.
ihrer Anderung gestattet.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs angegebenen
Art erfindungsgemäß eine Zeitstufe mit einer Zeitablaufdauer verwendet, die der
kürzesten erwarteten Periode der Wechselspannung entspricht, nach Ablauf der Zeitstufe
der Zähler angelassen und durch den nachfolgenden Steuerimpuls gestoppt und aus
den Zählerstand in einem Rechenwerk die Frequenz errechnet.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß infolge
der Verwendung einer Zeitstufe mit der angegebenen Zeitablaufdauer selbst bei Verwendung
eines Taktgenerators mit einer hohen Frequenz ein Zähler mit vergleichsweise geringer
Kapazität verwendet werden kann, weil bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nur jeweils
die Zeitdauer noch zu erfassen ist, die sich im Hinblick auf die augenblickliche
Frequenz der zu überwachenden Wechselspannung innerhalb einer Periode nach dem Ablauf
der Zeitstufe ergibt. Unter Berücksichtigung der festen Zeitablaufdauer der Zeitstufe
und des jeweiligen Standes des Zählers läßt sich dann in dem nachgeordneten Rechenwerk
die jweilige Frequenz der Wechselspannung mit hoher Genauigkeit ermitteln unter
der Voraussetzung, daß die Zeitablaufdauer der Zeitstufe exakt beinhaltet ist.
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Bei einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens besteht die Zeitstufe vorteilhafterweise aus einem weiteren Zähler, der
mit seinem Steuereingang an einen Steuerimpuls-Erzeuger und mit
seinem
Zähleingang an den Taktgenerator angeschlossen ist; der Zähleingang des einen Zählers
ist über eine Umschaltvorrichtung mit dem Taktgenerator verbindbar, wobei die Umschaltvorrichtung
mit einem Steuereingang an den Ausgang des weiteren Zählers und mit einem weiteren
Steuereingang mit dem Steuerimpuls-Erzeuger verbunden ist, und an den Ausgang des
einen Zählers ist das Rechenwerk angeschlossen. Als Zeitstufe kann zwar grundsätzlich
jeder eine vorgegebene Zeit exakt bestimmbarer elektronische Schaltungsteil verwendet
werden wie z0 B. eine monostabile Kippstufe, Jedoch ist die Verwendung eines weiteren
Zählers als Zeitstufe insofern besonders vorteilhaft, weil dadurch die feste Zeitablaufdauer
besonders exakt eingehalten werden kann, was der mit der Schaltungsanordnung erzielbaren
Meßgenauigkeit zugute kommt.
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Ein besonderer Vorteil der angegebenen Schaltungsanordnung besteht
darin, daß mit ihr die Wechselspannung hinsichtlich ihrer Frequenz durch Messung
in einer Periode mit hoher Genauigkeit erfaßbar ist, weil nach Ablauf der Zeitstufe
bzw. nach einem top des weiteren Zählers der eine Zähler Weiterzählt, , so daß während
des Betriebes des einen Zählers der weitere Zähler wieder auf Null gestellt und
zum Start durch einen Steuerimpuls zu Beginn der nächstfolgenden Periode der Wechsel
spannung vorbereitet werden kann0 Am Ende der jeweils beobachteten Periode der Wechselspannung
wird der eine Zähler gestoppt und sein Zählerstand in das nachgeordnete Rechenwerk
übernommen, das nunmehr mit ausreichender Zeit die Frequenz bestimmen kann, weil
zu einem erheblichen Teil der nächstfolgenden Periode der Wechselspannung nur der
weitere Zähler wirksam ist.
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Bei einer besonders vorteilhaften ausführungsform der Schaltungsanordnung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Taktgenerator der interne
Taktgeber
eines Mikrocomputers und der weitere Zähler der interne Zeitgeber des Mikrocomputers;
an einen externen Interrupt-Anschluß des Mikrocomputers ist der Steuerimpuls-Erzeuger
angeschlossen und der eine Zähler ist durch eine Zählschleife gebildet, die die
arithmetisch-logische Einheit und die Register des Mikroprozessors des Mikrocomputers
enthält, und das Rechenwerk ist von dem Mikrocomputer verwirklicht. Der besondere
Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß sie verhältnismäßig einfach herstellbar
ist, weil die zu ihrem Aufbau erforderlichen elektronischen Schaltungsteile in integrierter
Form auf einem einzigen Chip vorhanden sind, wenn als Mikrocomputer beispielsweise
ein Ein-Chip-Mikrocomputer verwendet wird, wie er in dem Buch von W. Kobitzsch Mikroprozessoren
- Aufbau und Wirkungsweise ", Teil 2, 1980, Seiten 39 bis 89 beschrieben ist.
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Zur Erläuterung der Erfindung ist in Figur 1 ein Ausführungsbeispiel
einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, in
Figur 2 eine Diagrammdarstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise einer von einem
Mikrocomputer gebildeten Schaltungsanordnung und in Figur 3 ein Flußdiagramm dargestellt.
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Das Ausführungsbeispiel nach Figur 1 zeigt einen Steuerimpuls-Erzeuger
1, an dessen Eingang 2 eine Wechselspannung Um liegt, deren Frequenz gemessen werden
soll.
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Der Impuls-Erzeuger 1 gibt an einem Ausgang 3 einen Steuerimpuls ab,
wenn die Wechselspannung Um einen Nulldurchgang von Minus nach Plus vollzieht. Ein
weiterer Ausgang 4 des Steuerimpuls-Erzeugers 1 ist mit einem Steuereingang 5 einer
Umschaltvorrichtung 6 verbunden, an die ein Zähler 7 angeschlossen ist.
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Der eine Steuerausgang 3 des Steuerimpuls-Erzeugers 1 ist an einen
Steuereingang 8 einer Zeitstufe 9 angeschlossen, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
von einem weiteren Zähler gebildet ist. In diesen weiteren Zähler 9 werden über
einen Zähleingang 10 von einem Taktgenerator 11 Impulse eingezählt, wenn vom Steuer
ausgang 3 des Impuls-Erzeugers 1 ein Sterimpuls als Start in den weiteren Zähler
9 gegeben worden ist.
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Nach einer festen Zeitablaufdauer T des weiteren Zäh lers 9 entsteht
an dessen Ausgang 12 ein Steuerimpuls, der auf einen weiteren Steuereingang 13 der
Umschalt vorrichtung 6 gelangt und diese zur Umschaltung eines ersten Kontaktes
14 derart veranlaßt, daß nunmehr die Taktimpulse des Taktgenerators 11 über einen
weiteren Kontakt 15 in den einen Zähler 7 eingezählt werden.
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Das Einzählen in den einen Zähler 7 erfolgt so lange, bis am weiteren
Ausgang 4 des Steuerimpuls-Erzeugers 1 bei einem erneuten Nulldurchgang der Wechselspannung
Um von Minus nach Plus, d. h. nach Ablauf einer Periode, ein Stop-Impuls über den
Steuereingang 5 auf die Umschaltvorrichtung 6 gegeben wird. Der Zählerstand des
einen Zählers 7 wird danach in ein nachgeordnetes Rechenwerk 16 übertragen, das
daraus unter Berücksichtigung der festen Zeitablaufdauer T des weiteren Zählers
9 die jeweilige Frequenz der Wechselspannung Um ermittelt.
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Bei Abweichung der Frequenz von einem vorgegebenen Sollwert kann dann
in einer dem Rechenwerk 16 nachgeordneten Auslöseeinrichtung 17 ein Relais ansprechen,
das durch sein Ansprechen im Falle eines Einsatzes zur Überwachung von Energieversorgungsnetzen
einen Fehler im Netz signa lisiert.
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Die Ermittlung der Frequenz der Wechselspannung Um kann für Jede der
aufeinanderfolgenden Perioden mit großer Genauigkeit ohne Inkaufnahme einer Lücke
bei der Messung vorgenommen werden; da während der Zeit, in der der weitere Zähler
9 arbeitet, der Zählerstand des einen
Zählers 7 ins Rechenwerk 16
übernommen, dort daraus die Frequenz ermittelt und anschließend der ermittelte Wert
beispielsweise zur Auslösung eines Relais weiter benutzt wird. Ist der weitere Zähler
9 abgelaufen, dann kann er ohne weiteres wieder rückgestellt werden, weil in dem
restlichen Zeitabschnitt der jeweils überwachten Periode der Wechselspannung Um
dann nur noch der eine Zähler 7 mit dem nachgeordneten Rechenwerk 16 benötigt wird.
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Wird in besonders vorteilhafter Weise als Schaltungsanordnung zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Meßverfahrens beispielsweise ein Mikrocomputer
der oben angegebenen Ausführung benutzt, dann ist an den Steuerimpuls-Erzeuger 1
lediglich der externe Interrupt-Anschluß anzuschließen und der Mikrocomputer mit
der Auslöseeinrichtung tung zu verbinden.
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Wie Figur 2 zeigt, wird dann bei einem Nulldurchgang der Wechselspannung
Um zum Zeitpunkt t1 zu Beginn einer Periode vom Steuerimpuls-Erzeuger ein Steuerimpuls
I1 abgegeben. Dieser Steuerimpuls I1 veranlaßt im Mikrocomputer nach einigen betriebsbedingten
Schritten zum Zeitpunkt t2 das Anlaufen des internen Ze-itgebers des Mikrocomputers.
Nach der festen Zeitablaufdauer T des internen Zeitgebers des Mikrocomputers und
nach weiteren betriebsbedingten Schritten wird zum Zeitpunkt t3 mittels der arithmisch-logischen
Einheit und den Registern des Mikroprozessors des Mikrocomputers eine Zählschleife
aktiviert, die den einen Zähler bildet. Diese Zählschleife bleibt so lange aktiv,
bis zum Zeitpunkt t4 die Periode der Wechselspannung Um abgelaufen ist, weil dann
ein weiterer Steuerimpuls I2 vom Steuerimpuls-Erzeuger abgegeben wird. Mit diesem
weiteren Steuerimpuls I2 wird die Zählschleife unterbrochen, so daß die bis dahin
gezählten Einzelschritte ein Maß für die Zeit darstellen, die sich an die Zeit T
angeschlossen hat.
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Die Periodendauer, d. h. die Zeit zwischen t1 und t4, ergibt sich
dann durch die Zykluszeit im Mikroprozessor multipliziert mit der Anzahl der von
ihm während der Periodendauer deurchgeführten Schritte. Die Anzahl der Schritte
wiederum ergibt sich aus den Schritten während der Zeitablaufdauer T des Zeitgebers,
zuzüglich der von der Zählschleife erfaßten Schritte und der betriebebedingten Schritte.
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Die Schritte im Zeitgeber sowie die betriebsbedingten Schritte des
Mikrocomputers sind stets gleich und gehen daher als Konstante in die Berechnung
ein. Lediglich die Anzahl der von der Zählschleife erfaßten Schritte sind von der
Frequenz der Wechselspannung abhängig. Hierbei ist zu beachten, daß der Zählerstand
(Zahl der Inkremente) der Zählschleife nicht den erfaßten Einzelschritten gleichgesetzt
werden darf, da zum Aufbau der Zählschleife mehrere Befehle und damit Einzelschritte
notwendig sind.
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Die Anzahl der in der Rechnung zu berücksichtigenden Schritte ergibt
sich daher aus dem Zählerstand der Zähler schleife multipliziert mit den Einzelschritten
je Inkrement unter zusätzlicher Berücksichtigung eines Kurrekturfaktors, Durch Berücksichtigung
dieses Korrekturfaktors wird die Meßgenauigkeit erhöht, weil damit erfaßt wird,
wann der Nulldurchgang bzw. das Ende der Periode der Wechselspannung innerhalb des
jeweils letzten erfaßten Inkrements der Zählschleife erfolgte.
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Es ist dann möglich, mit dem Mikröcomputer die Periodendauer der wechselspannung
mit einer Genauigkeit von einem Einzelschritt im Mikrocomputer zu bestimmen.
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Dies bedeutet, daß bei einer Zykluszeit von 2,5 µs eine Frequenz von
beispielsweise 50 Hz auf # 6 mHz genau ermittelt werden kann.
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Wie das Flußdiagramm nach Figur 3 zeigt, kann auch bei Verwendung
eines Mikrocomputers die Frequenz einer
Wechselspannung lückenlos
ermittelt werden, da nach dem Start des internen Zeitgebers auf einen Steuerimpuls
auf den externen Interrupt-Anschluß hin die Berechnung der Frequenz aufgrund der
Meßergebnisse erfolgt, die bei der Beobachtung der vorangegangenen Periode erfaßt
worden sind. Dies ist deshalb möglich, weil während der festen Zeitablaufdauer des
internen Zeitgebers nur dieser Zeitgeber aktiv ist, während die übrigen Teile des
Mikrocomputers frei für andere Aktivitäten sind.
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Während der festen Zeitablaufdauer des Zeitgebers erfolgt nicht nur
die Berechnung der Frequenz, sondern auch die Untersuchung des Ergebnisses im Rahmen
einer Auswertung daraufhin, ob eine kritische Abweichung beispielsweise der Frequenz
einer Netzwechselspannung vorliegt. Ist dies gegeben, dann erfolgt eine Auslösung
beispielsweise durch Auslösen eines Relais.
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Ist der interne Zeitgeber des Mikrocomputers abgelaufen, dann wird
ein interner Zeitstufen-Interrupt ausgelöst und daraufhin die Zählschleife gebildet.
Diese Zählschleife läuft so lange, bis sie auf einen weiteren Steuerimpuls hin unterbrochen
wird. Mit diesem weiteren Steuerimpuls wird auch der externe Interrupt-Anschluß
beaufschlagt und dadurch der interne Zeitgeber des Mikrocomputers wieder angelassen.
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3 Figuren 3 Patentansprüche