Verfahren und Schaltung zum Messen der Frequenz einer elektrischen Wechselgrösse

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Frequenz einer elektrischen Wechselgröße nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der DE-A-27 20 023 ist ein Verfahren zum Messen der Frequenz, bzw. der reziproken Frequenz einer mit Oberschwingungen behafteten Wechselspannung unter Ausnutzung ihrer Nulldurchgänge bekannt, bei der die Wechselspannung in ein kontinuierliches Ausgangssignal mit rechteckförmigem Verlauf umgewandelt wird, dessen Flanken von den Nulldurchgängen der Wechselspannung festgelegt sind, sodaß das Ausgangssignal die gleiche Frequenz wie die Wechselspannung hat. Dieses Ausgangssignal wird durch einen Frequenzumformer in ein kontinuierliches Rechtecksignal mit ganzzahlig verkleinerter Frequenz umgewandelt, das heißt verlangsamt, und einem von einem Oszillator als unabhängiger Taktgeber gesteuerten Zähler zugeführt, in dem jede Anstiegsflanke des Rechtecksignals eine Zählung der Zählimpulse des Oszillators veranlaßt und jede nachfolgende Abfallflanke des Rechtecksignals eine Abschaltung des Zählers bewirkt und gleichzeitig für eine Übertragung des Zählerstandes in ein speicherndes Register sorgt.

Der Zählerstand ist somit ein Maß für den Abstand benachbarter Flanken des Rechtecksignals mit verringerter Frequenz und damit ein Maß für die reziproke Frequenz (Periodendauer T). Der Speicherwert des Registers wird in einem Digital-Analog-Wandler in ein analoges Signal umgesetzt, das als von Oberschwingungen unbeeinflußte Ausgangsspannung der Periodendauer proportional ist. Durch Zuführung dieser Ausgangsspannung auf ein Reziprokglied kann eine der Frequenz proportionale oberschwingungsfreie Spannung gewonnen werden. Die Totzeit der Frequenzerfassung beträgt eine volle Periodendauer der Wechselspannung, über deren Amplitudenverläufe keinerlei Angaben gemacht sind und deren Frequenz der üblichen Netzfrequenz (z. B. 50 Hz) entspricht, worauf auch die ganzzahlige Verringerung durch den Frequenzumformer hindeutet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit dem eingangs genannten Verfahren die nur einige Hertz betragende Frequenz einer elektrischen Wechselgröße mit stark schwankender und oftmals in ihrem Anfangswert nicht bekannten Amplitude, das heißt, eine um eine Größenordnung kleinere Frequenz als die Netzfrequenz unter Ermittlung der jeweiligen Amplitude innerhalb jeder Halbperiode zu messen.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruches 1.

Eine Schaltung zur Durchführung des Verfahrens weisen hierzu die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 2 auf.

Die zu messende Wechselgröße wird hochverstärkt und gleichgerichtet und ihr jeweiliger Betrag mit einem von den Verstärkereigenschaften bestimmten Maximalwert verglichen, wobei beim jeweiligen Überschreiten des Maximalwertes durch den Betrag der zunehmenden Wechselgröße der Verstärkungsfaktor jeweils um eine Stufe zurückgenommen wird, bis der Betrag des Scheitelwertes der Wechselgröße erreicht und vorzugsweise gleich dem Maximalwert ist. Die einzelnen Stufen der Rücknahme des Verstärkungsfaktors innerhalb jeder halben Periode der Wechselgröße werden gespeichert und die jeweils folgende Stufe in ihrer Größe von der Größe der vorher gespeicherten Stufe abhängig gemacht, so daß die Rücknahme des Verstärkungsfaktors in jeder Halbwelle in immer kleineren Stufen erfolgt. Um den Scheitelwert der zu messenden Wechselgröße zu erkennen, wird der Betrag des ansteigenden Teiles der Wechselgröße in diskrete Einzelwerte zerlegt und diese zur Amplitudendifferenzbildung benutzt. Bei zu Null werdender Amplitudendifferenz ist der Scheitelwert erreicht, wobei dieser Scheitelwert bei kleinem Eingangssignalwert unterhalb des durch die Verstärkereingenschaften bedingten Maximalwertes liegen kann. Für diesen Fall ist ein Heraufetzen der Verstärkung um eine Stufe durch einen ansprechenden Grenzwertmelder mit nachgeordnetem Impulsgeber vorgesehen, wobei der neue Scheitelwert durch einen von dem Impulsgeber ebenfalls angeregten Proben-Stufenspeicher übernommen wird. Die Zahl der Minderungsstufen des Verstärkungsfaktors kann vorteilhafterweise gezählt werden.

Aus dem Scheitelwert und einem späteren geringeren Betrag der Meßgröße wird eine Spannungsdifferenz gebildet, die mit dem Quotienten e aus einer mit gleicher Stufenzahl synchron abnehmend verstärkten Gleichgröße und dem Scheitelwert verglichen wird. Aus der Zeitspanne Δt vom Erreichen des Scheitelwertes bis zur Zunahme der Spannungsdifferenz auf den Quotienten s läßt sich gemäß der Beziehung T = (2π At)/cos (1 - ε) die Periodendauer T ermitteln.

Die Zeitgrösse Δt kann durch Impulszählung bei festgelegter Impulsdauer und -frequenz ermittelt und durch Umwandlung der gezählten Impulse in einem Digital-Analog-Wandler an eine Spannung und diese durch Verstärkung mit 2π/cos (1 - ε) in eine der halben Periodendauer proportionale konstante elektrische Gleichgröße umgeformt werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind nachfolgend an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

• Figur 1 eine schematisch dargestellte Schaltung nach der Erfindung und
• Figur 2 die zeitlichen Zusammenhänge der einzelnen elektrischen Größen.

Die zu messende, in ihrer Amplitude schwankende Wechselgröße U = Ûsinωt sehr niedriger Frequenz w (einige Hertz) wird einem Eingangsglied EG hoher Summenverstärkung mit durch eine Impulslogik JL stufenweise steuerbaren Verstärkungsfaktor zugeführt. Der Ausgang des Eingangsgliedes EG ist mit einem im wesentlichen aus einem hochverstärkenden Verstärker V2, Dioden D4, D5 und astabilen Kippstufen KS5 und KS6 sowie einem Oder-Glied 01 bestehenden Nulldurchgangsdetektor NDD sowie mit einem die verstärkte Wechselgröße gleichrichtenden Betragsbildner BB (Gleichrichterbrücke) verbunden. Der Ausgang des Betragsbildners BB ist mit mehreren Schaltungselementen unmittelbar verbunden, und zwar erstens mit einem von einem unabhängigen Taktgeber TG mit direkten und inversen Impulsen gesteuerten Differenzbildner DB, zweitens mit einer ersten Grenzwertstufe GW1, drittens mit einem Proben-Stufenspeicher SP2 und viertens subtrahierend mit einer Additionsstufe AD1.

Die besagte Ausgangsgröße des Eingangsgliedes EG wird im Betragsbildner BB in den Betrag |U| umgewandelt und in der Grenzwertstufe GW1 auf Überschreiten eines von den Verstärkereigenschaften des Eingangsgliedes EG bestimmten Grenzwertes Umax abgefragt. Sobald jeweils |U| = Umax wird, gibt die Grenzwertstufe GW1 ein Signal auf eine durch ansteigende Flanken angeregte Kippstufe KS1, die über ein UND-Gatter U1 den Vorwärtseingang eines ersten Zählers Z1 beinflußt, so daß die Impulslogik JL jeweils im Sinne einer Herabsetzung des Verstärkungsfaktors des Eingangsgliedes EG um eine Stufe gesteuert wird und die Zahl der stufenweisen Rücknahme des Verstärkungsfaktors gezählt wird, wenn auch eine Kippstufe KS2 einen Impuls abgibt.

Der Ausgang der genannten Grenzwertstufe GW1 ist weiterhin über einen ansprechverzögernden Impulsgeber JG1 mit dem Abfrageeingang eines Proben-Stufenspeichers SP1 und wie gesagt über die astabile Kippstufe KS1 und das UND-Gatter U1 mit dem Vorwärtseingang des ersten Zählers Z1 verbunden und bildet mit der Ausgangsgröße der Kippstufe KS1 die « UND »-Bedingung vom UND-Gatter U1.

Die am Ausgang des Differenzbildners DB fortlaufend auftretenden einzelnen Amplitudendifferenzen A werden dem Proben-Stufenspeicher SP1 zugeführt. Nach Ansprechen der Grenzwertstufe GW1 bei |U| > Umax gibt der Impulsgeber JG1 auf den Proben-Stufenspeicher SP1 verzögert ein Abfragesignal, so daß der zuletzt zugeführte Wert der Amplitudendifferenz A auf eine der Kippstufe KS2 vorgeordnete Grenzwertstufe GW2 gelangt und dort mit einem Ansprechwert Amin verglichen wird. Nur wenn der Wert A den besagten Ansprechwert Amin erreicht bzw. überschreitet, wird von der durch ansteigende Flanken angeregten Kippstufe KS2 auf den Vorwärtseingang des Zählers Z1 ein Signal zur Rücknahme des Verstärkungsfaktors des Eingangsgliedes EG durch die Impulslogik IL gegeben. Dadurch wird die Rücknahme der Verstärkung kurz vor dem Scheitelwert vermieden.

Der Ausgang des Zählers Z1 ist zur Beeinflussung des Verstärkungsfaktors mit der Impulslogik IL verbunden, die sowohl auf das Eingangsglied EG wirkt als auch synchron und im gleichen Sinne wie das Eingangsglied EG gesteuert auf eine Verstärkungsschaltung HV für die stufenweise geänderte Verstärkung einer Hilfsspannung Umin_o zur Bildung einer Vergleichsspannung Umin, die zusammen mit der Ausgangsgröße des Proben-Stufenspeichers SP2 in einem Dividierer DIV zum Quotienten ε = Umin/Ü verarbeitet wird, der als eine Vergleichsgröße über eine Diode D3 dem einen Eingang einer Grenzwertstufe GW4 zugeführt wird. Dem anderen Eingang dieser Grenzwertstufe wird über eine Diode D2 der in der Additionsstufe AD1 gebildete Differenzwert ΔU = Ü - |U| zugeführt.

Die Zunahme des Betrages |U| bis zum Erreichen bzw. Überschreiten des Maximalwertes Umax, der vorzugsweise dem Scheitelwert Ü der anstehenden Wechselgröße U entspricht, wird durch den Differenzbildner DB erfaßt, in dem in diesem entsprechend der Taktfrequenz der direkten und der inversen Impulse des Taktgebers TG der jeweilige Betrag |U| in zeitdiskrete Einzelwerte umgewandelt und aus diesen zusammengehörigen direkten bzw. inversen Einzelwerten die jeweilige Amplitudendifferenz A gebildet wird.

Der Betrag |U| zum Abfragezeitpunkt des Proben-Stufenspeichers SP2, bei dem über ein Oder-Gatter 02 beim Ansprechen einer von ansteigenden Flanken angeregten Kippstufe KS3 ein Abfragesignal auf den Proben-Stufenspeicher SP2 gelangt, sobald die von einem vorgeordneten Verstärker V1 verstärkte momentane Amplitudendifferenz A zu Null wird, entspricht dem Scheitelwert Ü der Wechselgröße. Wenn dieser Scheitelwert Ü einen gewählten Ansprechwert U_ref einer Grenzwertstufe GW3 unterschreitet, d. h. kleiner Umax ist, wird eine durch ansteigende Flanken angeregte nachgeordnete Kippstufe KS4 betätigt und gibt ein Signal auf den Rückwärtseingang des Zählers Z1, der den Verstärkungsfaktor des Eingangsgliedes EG über die Impulslogik IL um eine Stufe erhöht. Abhängig vom Ansprechen der Kippstufen KS3 oder KS4 wird außer dem sofortigen Abfragen des Proben-Stufenspeichers SP2 ein Schaltglied SCH durch einen Impulsgeber IG2 verzögert betätigt, das den Inhalt Ü des Proben-Stufenspeichers SP2 zum Abfragezeitpunkt auf die Additionsstufe AD1 gibt, und dieser Wert dort mit dem später auftretenden Betrag |U| am Ausgang des Betragesbildners BB eine Spannungsdifferenz ΔU = U - |U| ergibt.

Der Ausgang des Verstärkers V1 ist über eine Diode D1 und die astabile Kippstufe KS3 an das Oder-Gatter 02 angeschlossen, dessen Ausgang sowohl mit dem Setzeingang S eines Gedächtnisses GE als auch mit dem Abfrageeingang des Proben-Stufenspeichers SP2 unmittelbar sowie über den zeitverzögernden Impulsgeber IG2 mit dem Steuereingang des Schaltgliedes SCH verbunden ist, das zwischen dem Ausgang des Proben-Stufenspeichers SP2 und der Additionsstufe AD1 angeordnet ist. Der Ausgang des Proben-Stufenspeichers SP2 ist ferner zusätzlich über die Grenzwertstufe GW3 und die astabile Kippstufe KS4 sowohl mit dem zweiten Eingang des Oder-Gatters 02 als auch mit dem RückwärtsEingang des Zählers Z1 zur Beeinflussung der Impulslogik IL im zunehmenden Sinn des Verstärkungsfaktors verbunden und ferner an den einen Eingang des Dividierers DIV angeschlossen.

Bei ΔU = e gibt die Grenzwertstufe GW4 ein Rücksetzsignal auf den mit ihrem Ausgang verbundenen Rücksetzeingang R des Gedächtnisses GE. Der Ausgang des Gedächtnisses GE sowie der direkte Impulsausgang des Taktgebers TG sind mit den Eingängen eines UND-Gatters U2 verbunden, dessen Ausgang mit dem Vorwärtseingang eines Zählers Z2 verbunden ist, der die zwischen Ü und ΔU > e auftretenden Impulse zählt.

Das Signal für den Rückwärtseingang des Zählers Z2 kommt über einen ansprechverzögernden Impulsgeber JG3 aus dem Ausgang des ODER-Gatters 01 des Nulldurchgangsdetektors NDD, der seine Nulldurchgangssignale ND außerdem unmittelbar der Impulslogik IL zur Erhöhung des Verstärkungsfaktors um eine Stufe zuführt.

Von der veränderlich verstärkten Ausgangsgröße U des Eingangsgliedes EG werden über den Nulldurchgangsdetektor NDD periodisch Nulldurchgangssignale ND erzeugt, die von Oder-Gatter 01 unverzögert der Impulslogik IL zur Erhöhung des letzten Verstärkungsfaktors um eine Stufe und als Rücksetzsignale verzögert dem Zähler Z2 sowie abwechselnd als Setz- und Rücksetzsignale für Register RE1 und RE2 unverzögert von den von steigenden bzw. fallenden Flanken angeregten astabilen Kippstufen KS5 und KS6 zugeführt werden. Die Ausgänge der Register RE1 und RE2 sind mit getrennten Eingängen eines codierte Impulse auf einen Digital-Analog-Wandler DAW abgebenden Summierers A verbunden. Die Setz- und Rücksetzeingänge S, R der Register RE1, RE2 sind jeweils mit den Kippstufen KS5 und KS6 so verbunden, daß die Register wechselweise arbeiten. Der Analogausgang des Digital-Analog-Wandlers DAW ist über zwei Parallelwege jeweils mit Eingängen einer Additionsstufe AD2 verbunden, deren Ausgang mit einer weiteren Additionsstufe AD3 unmittelbar verbunden ist. Der eine Parallelweg enthält ein Proportionalglied PG1 in Reihe mit einer Diode D6 und einem hochverstärkenden Verstärker V3, der andere subtrahierende Parallelweg nur ein Proportionalglied PG2.

Der Ausgang der Additionsstufe AD3 ist über die Reihenschaltung eines Proportionalgliedes PG3 mit einem Integrierglied INT auf seinen zweiten Eingang subtrahierend rückgeführt, an dem eine der Frequenz w der Meßgröße U proportionale und für die Dauer einer Halbperiode konstant gehaltene Spannung U' abgreifbar ist.