METHOD AND CIRCUIT FOR MEASURING THE FREQUENCY OF AN ALTERNATING ELECTRICAL VALUE

Abstract: 1. A method of measuring the frequency of an alternating electrical magnitude (U) by determining its zero passages and forming rectangular signals (ND) which are compared with counting pulses, and wherein the pulse sequence between two consecutive zero passages of the alternating magnitude is stored and converted in coded fashion into a voltage (U') proportional to the respective frequency of the alternating magnitude and constant between the zero passages, characterised in that in order to measure the frequency of an alternating magnitude which is of only a few Hz and has a strongly fluctuating amplitude, by determining the respective amplitude within each half cycle, the alternating magnitude (U) is controllably amplified in stages, subsequently rectified and its value (¦U¦) is compared with a predetermined maximal value (Umax), and the peak value (U) is formed from the value (¦U¦), and when obtaining the maximal value (Umax) and peak value (U) the amplification factor is respectively reduced by one stage, that the difference voltage (DELTA U) is formed from the peak value (U) and a value of the alternating magnitude and compared with a quotient (epsilon) of the peak value and an auxiliary voltage (Umin) which is amplification-controlled in the same manner, in synchronism with the alternating magnitude and the pulse sequence proportional to the time interval being obtained from the time interval between the occurrence of the peak value (U) and the equalization of the difference voltage to the quotient (epsilon).

Description: Verfahren und Schaltung zum pressen der nur einige Hertz betragenden Frequenz einer Wechselgrösse mit schwankender Amplitude Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der nur einige Hertz betragenden Frequenz einer Wechselgrösse mit schwankender Amplitude sowie eine Schaltung zur Durchführung des Verfahrens. Eine solche Frequenzmessung ist.insbesondere zur Ableitung von Korrektursignalen für Regelkreise oder für steuerbare elektrische Fil- ter in elektrischen Netzen erforderlich. Die bei Wechselgrössen mit mindestens Netzfrequenz bekannten Frequenz-Spannungsumsetzer zur Frequenzme'ssung 'be- nutzen Kondensatoren, deren Ladung bzw. Entladung zwischen aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen der betreffenden Wechselgrösse erfolgt. Bei konstantem Ladestrom ist der arithmetische Mittelwert der Kondensatorspannung proportional der halben Periodendauer. Es ist dabei eine ausreichend hohe Nessspannung sowie zum Bilden des Mittelwertes eine entsprechend starke Glättung, z.B:. durch einen Tiefpass höherer Ordnung, erforderlich und damit ein entsprechend grosser Zeitverzug der Messwertbildung von etwa zwei bis drei Perioden der zu messenden Wechselgrösse hinzunehmen, was bei Wechselgrössen mit Frequenzen von 50 Hz und mehr und ausreichend grossen und nur geringfügig schwankenden Amplituden tragbar ist. Bei Wechselgrössen mit sehr niedrigen Frequenzen und stärker schwankenden Amplituden ist eine solche Messmethode unbrauchbar. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Frequenz von Wechselgrössen mit stark schwankender Amplitude, die z.B. bei Regel- oder Einschwingvorgängen exponentiell abnimmt und oftmals in ihrem Anfangswert nicht bekannt ist, und sehr niedriger Frequenz, deren Wert sich ebenfalls ändern kann, innerhalb einer halben Periode zu bestimmen, wobei die Erfindung davon ausgeht, dass eine Frequenzmessung innerhalb jeder halben Periode auch die Kenntnis der jeweiligen Amplitude voraussetzt. Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruches 1. Eine Schaltung zur Durchftihrung 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 Uberschreiten des Maximalwertes durch den Betrag der zunehmenden Wechselgrösse derverstärkungsraktor 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 Smplitudendifferenz ist der Scheitelwert erreicht, wobei dieser Scheitelwert bei kleinem Eingangssignalwert unterhalb des durch die Verstärkereingenschaften bedingten Maximalwer tes liegen kann. Für diesen Fall ist ein Herausetzen der Verstärkung um eine Stufe durch einen ansprechenden Grenzwertmelder mit nachgeordnetein 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 ± aus einer mit gleicher Stufenzahl synchron abnehmend verstärkten Gleichgrösse und dem Scheitelwert verglichen wird. Aus der Zeitspanne t vom Erreichen des Scheitelwertes bis zur Zunahme der Span nungsdifferenz auf den Quotienten E lässt sich gemäss der Beziehung T EMI3.1 die Periodendauer T ermitteln. Die Zeitgrösse At kann durch lmpulszählung bei festgelegter Impulsdauer und -frequenz ermittelt und durch Umwandlung der gezählten Impulse in einem Digital-Ana- log-Wandler an eine Spannung und diese durch Verstärkung mit EMI3.2 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 Fig. 1 eine schematisch dargestellte Schaltung nach der Erfindung und Fig. 2 die zeitlichen Zusammenhänge der einzelnen elek trischen Grössen. Die zu messende, in ihrer Amplitude schwankende Wechselgrösse U . Usin Qt sehr niedriger Frequenz w (einige Hertz) wird einem Eingangsgli,ed EG hoher Summenverstärkung mit durch eine Impulslogik n 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 liDD 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 ¯er- tens subtrahierend mit einer Additionsstufe AD1. Die besagte Ausgangsgrösse des Eingangsgliedes EG wird im Betragsbildner BB in den Betrag IUI umgewandelt und in der Grenzwertstufe GW1 auf Überschreiten eines von den Verstärkereigenschaften des Eingangsgliedes EG be stimmten Grenzwertes Umax abgefragt. Sobald jeweils IUI = 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 n 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 RS2 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 flUNI)fl#Bedingung vom UND-Gatter U1. Die am Ausgang des Differenzbildners DB fortlaufend auftretenden einzelnen Amplitudendifferenzen # werden dem Proben-Stufenspeicher SP1 zugeführt. Nach Ansprechen der Grenzwertstufe GW1 bei IUI > -Umax gibt der Impulsgeber JG1 auf den Proben-Stufenspeicher SP1 verzögert ein Abfragesignal, so dass der zuletzt zugeführte Wert der Amplitudendifferenz auf eine der Kippstufe KS2 vorgeordnete Grenzwert stufe GW2 gelangt und dort mit einem Ansprechwert .dmin verglichen wird. Nur wenn der Wert d den besagten Ansprechwert tmin 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 Urin0 zur Bildung einer Vergleichsspannung Umin, die zusammen mit der Ausgangsgrösse des Proben-Stufenspeichers SP2# in einem Dividierer DIV zum Quotienten ±=umin/t 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 D2der in der Additionsstufe AD1 gebildete Differenzwert dU=U- IUI zuge- führt.' Die Zunahme des Betrages lul bis zum Erreichen bzw. Überschreiten des Maximalwertes Umax, der sorzugsweise dem Scheitelwert Û der anstehenden Wechselgr-bBe 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 je- weilige Betrag IUI in zeitdiskrete Einzelwerte umgewandelt und aus diesen zusammengehörigen direkten bzw. inversen Einzelwerten die jeweilige Amplitudendifferenz d gebildet wird. Der Betrag IUI 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 zu Null wird, entspricht dem Scheitelwert U der Wechselgrösse. Wenn dieser Scheitelwert U einen gewählten Ansprechwert Uref einer Grenzwertstufe GW3 unterschreitet, d.h. kleiner Umax ist, wird eine durch ansteigende Flanken angeregte nachgeordnete Kippstufe BS4 betätigt und gibt ein Signal auf den Rückwärts eingang des Zählers Z1, der den Verstärkungsfaktor des Eingangsgliedes EG über die Impulslogik IL um eine Stufe erhöht. Abhängig vom Ansprechen der Kippstuien ES) oder KS4 wird ausser dem sofortigen Abfragen des Proben-Stufenspeichers SP2 ein Schaltglied SCH durch einen Impulsgeber IG2 verzögert betätigt, das den Inhalt U des Proben-Stufenspeichers SP2 zum Abfragezeitpunkt auf die Additionsstufe AD1 gibt, und dieser Wert dort mit dem später auftretenden Betrag lul am Ausgang des Betragesbildners BB eine Spannungsdifferenz tU=U-IU1 ergibt. Der Ausgang des Verstärkers VI ist über eine Diode D1 und die astabile Kippstufe KS3 an das Oder-Gatter p2 angeschlossen, dessen Ausgang sowohl mit dem SetzeingangS eines Gedächtnisses GE als auch mit dem Abfrageeingang des Proben-Stufenspeichers SP2 unmittelbar sowie über den zeitverzögernden Impulsgeber IG 2 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 Rückwärts-Eingang des Zählers Z1 zur Beeinflussung der Impulslogik IS im zunehmenden Sinn des Verstärkungsfaktors verbunden und ferner an den einen Eingang des Dividierers DIV angeschlossen. Bei au= 6 gibt die Grenzwertstufe GW4 ein Rücksetzsignal auf den mit ihrem Ausgang verbundenen Rücksetzeingang R des Gedächtnisses GEw Der Ausgang des Gedächtnisses GE sowie der direkte Impülsausgang des Taktgebers TG sind mit den Eingängen eines UND-Gatters uc verbunden, dessen Ausgang mit dem Vorwärtseingang eines Zählers Z2 verbunden ist, der die zwischen Û und US > t 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 Nuli#chgangsdetektors NND, der seine Nulldurchgangssignale ND ausserdem unmittelbar der Impulslogik IL zur Erhöhung des Verstärkungsfaktors um eine Stufe zuführ¯t. Von der veränderlich verstärkten Ausgangsgrösse U des Eingangsgliedes EG werden über den Nulldurchgangsdetektor NND periodisch Nulldurchgaiigssignale ND erzeugt, die vom 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 REl und RE2 unverzögert von den von steigenden bzw. fallenden Flanken angeregten astabilen Kippstufen Ks5 und XS6 zugeführt werden. Die Ausgänge der Register REl 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 PGA in Reihe mit einer Diode DE und einem hochverstärkenden Verstärker V3, der andere subtrahierende Parallelweg nur ein Proportionalglied PG2. Der Ausgang der Additionsstufe AD3 Xst über die Reihen- schaltung eines Proportionalgliedes PG3 mit einem Inte grierglied INT auf seinen zweiten Eingang subtrahierend rückgeführt, an dem eine der Frequenz 6 > der Messgrösse U proportionale und für die Dauer einer Halbperiode konstant gehaltene Spannung U' abgreifbar ist. 2 Figuren 3 Patentansprüche

Claims: Patentanspr#che 1. Verfahren zum Messen der nur einige Hertz betragenden Frequenz einer Wechselgrösse mit schwankender Amplitude, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Wechselgrösse (U) steuerbar stufenweise verstärkt, gleichgerichtet und der Betrag (lul) mit einem vorgegebenen Maximalwert (Umax) verglichen sowie aus dem Betrag der Scheitelwert (u) gebildet und beim Erreichen von Maximalwert und Scheitelwert der Verstärkungsfaktor Jeweils um eine Stufe vermindert wird, dass die Differenzspannung aus ausdem Scheitelwert und einem Betrag der Wechselgrösse gebildet und mit einem Quotienten (# aus dem Scheitelwert und einer synchron zur Wechselgrösse in gleicherweise verstärkungsgesteuerten Hilfsspannung (Umin) verglichen und eine der Zeitspanne zwischen dem Auftreten des Scheitelwertes (u) und dem Gleichwerden der Differenzspannung und dem Quotienten proportionale Impuisfolge zwischen Jeweils zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen der Wechselgrosse gespeichert und codiert in eine der Jeweiligen Frequenz der Wechselgrösse proportionale und zwischen den Nulldurchgängen konstante Spannung (U') umgewandelt wird. 2. Schaltung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t dass die Wechselgrösse (U) über ein Eingangsglied (EG) mit stufenweise durch eine Impulslogik (IL) steuerbarem Verstärkungsfaktor einem Betragsbildner (BB) sowie einem Nulldurchgangsdetektor (NDD) zugeführt ist und von der Ausgangsgrösse (lul) des Betragsbildners (BB), sowohl ein bestimmter Maximalwert (Umax) als auch der Scheitelwert (U) abgeleitet und ein in Abhängigkeit vom Auftreten beider Grössen die Impulslogik (IL) stufenweise rück- setzend steuernder erster Zähler (Z1) vorgesehen ist, dessen Vorwärtszähleingang mit dein Ausgang eines ersten UND-Gatters (U1) verbunden ist, dessen Eingänge mit astabilen Kippstufen (KS1, KS2) verbunden sind, von denen die eine Kippstufe (KS1) über eine erste Grenzwertstufe (GW1) zur Erfassung des Maximalwertes (Umax) und die andere Kippstufe (KS2) über eine Grenzwertstufe (GW2) und einen abhängig vom Maximalwert abgefragten Proben Stufenspeicher (SP1) sowie einen von einem Taktgeber (TG) impulsgesteuerten Differenzbildner (dz) mit dem Ausgang des Betragsbildners (BB) verbunden ist und ein in Abfrageabhängigkeit vom Scheitelwert (u) gebrachter, mit dem Ausgang des Betragsbildners (BB) verbundener zweiter Proben-Stufenspeicher (SP2) ausgangsseitig sowohl mit einem zur Quotientenbildung dienenden Dividierer (DIV) als auch über ein beim Erreichen des Scheitelwertes verzögert ansprechendes Schaltglied (SCH) mit einer ersten Additionsstufe (AD1) zur Bildung der Spannungsdifferenz (#u) verbunden ist, dass die Ausgänge von Dividierer (DIV) und Additionsstufe (AD1) jeweils mit einer Grenzwertstufe (GW4) verbunden sind, die-ausgangsseitig den Rücksetzeingang (R) eines Gedächtnlsses (GE) beaufsch1ngen, dessen Setzeingang (S) gleichzeitig mit dem Abfragen des zweiten Proben-Stufenspeichers (SP2) beaufschlagt ist dass der Ausgang des Gedächtnisses (GE) sowie der Taktgeber (TG) auf ein UND-Gatter (U2) geführt sind, dessen Ausgang mit dem Setzeingang (S) eines zwei ten Zählers (Z2) verbunden ist, dessen Rücksetzei,ngang (R) in Abhängigkeit vom Nulldurchgangsdetektor (NDD) gebracht und der gang des zweiten Zählers (Z2) mit wechselweise in Abhängigkeit zum Nulldurchgangsdetektor (NDD) gesteuerten Registern (RE1, RE2) verbunden ist und dass die Impulse eines von den Registern abhängigen codierenden Summierers (A) einem Digital-Analog-Wandler (DAW) mit nachgeordneter Auswerteschaltung (AD2,-AD3, PG1-3, INT), zur Umwandlung in eine frequenzproportionale Spannung (u1,) zugeführt sind. 3. Schaltung nach Anspruch 2,1 d a d u r c h g e k e n n z e i csh hn e t, dass der Ausgang des zweiten Proben-Stufenspeicher8 (SP2) über eine Grenzwertstufe (GW3) für eine Referenzspannung (Uref) und eine astabile Kippstufe (KS4) mit dem Rücksetzeingang (R) des ersten Zählers (Z1) sowie Über ein Oder-Gatter (02) zum Abfragen des zweiten Proben-Stufenspeichers (SP2) mit dem Setzeingang (S) des Gedächnisses (GE) verbunden ist.

Inventors: KAUFHOLD, WOLFGANG, DIPL.-ING.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1982
Main classification: G01R23
IPC codes: G01R23