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"Perfectionnements relatifs à des dispositifs sensibles à la fré- quence".
La présente invention est relative à des appareils électrique sensibles à la fréquence d'un signal alternatif et, plus particulièrement main non exclusivement, elle oonoer- ne des appareils pour la mesure d'une telle fréquence.
Divers procédés sont disponibles pour mesurer une fré- quence dans la gamme de 20 cycles par seconde jusqu'à 10 kilo- cycles par seconde. L'un d'eux entraîne l'usage d'éléments périodiques tels que condensateurs et inductances, tandis que
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suivant un autre l'on convertit le signal d'entrée en une onde carrée, on la différencie par une combinaison résistance-capa- oité, et l'on intègre la différentielle du courant pour obte- nir un signal de sortie proportionnel à la fréquence.
Suivant un aspect de la présente invention, l'on prévoit un appareil électrique comprenant un dispositif desti- né à réagir à un signal dont l'amplitude est proportionnel* à la fréquence d'un signal alternatif d'entrée dont la tension de crête est supérieure à un niveau prédéterminé, un transfor- mateur possédant un noyau qui est saturé lorsque ledit signal alternatif ost appliqué aux bornes de l'enroulement primaire du transformateur, et des moyens pour redresser le signal de sor- tie engendré aux bornes de sortie de l'enroulement secondaire du transformateur et appliquer le signal redressé audit dispo- sitif.
Suivant un autre, aspect de l'invention, l'on prévoit un appareil électrique pour la mesure de la fréquence d'un si- gnal alternatif dont la tension de crête est supérieure à une valeur prédéterminée, ledit appareil comprenant un transforma- teur avec un noyau qui est saturé lorsque ledit signal est ap- pliqué à l'enroulement primaire du transformateur, des moyens pour redresser le signal de sortie de l'enroulement secondaire re du transformateur, ledit signal de sortieadressé ayant une am- plitude proportionnelle à la fréquence du signal d'entrée, et des moyens pour mesurer ledit signal de sortie redressé.
L'invention offre en outre un procédé pour mesurer la fréquence d'une tension alternative qui comprend la conver- sion de ladite tension alternative en une tension continue dont l'amplitude moyenne est proportionnelle à la fréquence de ladi- te tension alternative, l'application aux bornes de l'enroule- ment primaire d'un transformateur d'une tension alternative a- yant une amplitude telle qu'elle sature le noyau du transforma-
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teur et le redressement de la tension apparaissant aux bornes : du secondaire dudit transformateur, l'amplitude moyenne dela- dite tension redressée étant proportionnelle à la fréquence de la tension alternative appliquée.
Dans un transformateur, tel qu'un transformateur to- roïdal, dans lequel le flux est proportionnel aux ampères-tours. du signal appliqué, lorsque le flux atteint la valeur de satu- ration, il se produit une diminution rapide de l'impédance d' entrée, ce qui provoque un degré élevé de saturation du noyau et cette caractéristique est utilisée suivant la présente in- vention. Une matière ayant une caractéristique d'hystérésis carrée avec son coude de saturation bien défini s'est révélée être la mieux appropriée pour l'utilisation suivant la présen- te invention.
Avec un signal d'entrée en courant alternatif, le no- yau du transformateur est amené à la saturation positive au cours d'un demi -cycle et à la saturation négative au cours du demi-cycle suivant. L'enroulement seoondaire sur oe noyau pro- duit une tension qui suit étroitement la tension d'entrée jus- le qu'il ce que /noyau se sature. Lors de la saturation, la ten- sion secondaire décroît rapidement jusqu'à zéro et reste à géro jusqu'à ce que la tension d'entrée change de sens. Un signal' de sortie négatif est alors obtenu analogue au signal de sortie positif.
Si l'on augmente la tension d'entrée, le signal de, sortie résultant augmente également mais le noyau se sature plus rapidement au cours du oyole, en laissant la zone de cha- que cycle en dessous de la courbetension-temps à une valeur constante, Si la tension est diminuée, le signal de sortie di- minue également, à nouveau avec une zone constante tension-temps par cycle, jusqu'à oe que, pour une tension et une intensité oritique, le noyau ne se sature plus et l'on a alors un trans-
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formateur normal dans lequel le signal de sortie est directe- ment proportionnel -au signal d'entrée, cette dernière condition ne convenant pas pour les buta de la présente invention.
Lorsque le transformateur se trouve dans son condi- tions de fonctionnement normales, o'est-à-dire en se saturant deux fois par cycle, comme décrit ci-avant, chaque impulsion obtenue à partir du secondaire a une surface ou zone tension- temps par cycle, qui ne varie pas avec la tension ou la fréquen- ce d'entrée. La tension de sortie moyenne redressée, toutefois est proportionnel à la fréquence, étant donne., qu'il y a
2f (f - fréquence) de ces impulsions par seconde, Ainsi, en mesurant le signal de sortie redressa du transformateur, l'on obtient une mesure de la fréquence du si- gnal d'entrée.
D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront de la description ci-après, donnée à titre d'exem- ple non limitatif et en se référant aux dessins annexés, dans lesquels :
La figure 1 est un diagramme représentant la forme d'onde de sortie d'un transformateur saturé.
La figure 2 est un schéma du circuit d'un appareil sensible à la fréquence suivant l'invention.
Comme représenté à la figure 1, le point auquel une saturation du transformateur se produit est indiqué en A pour la tension d'entrée, de telle sorte que deux impulsions B sojant obtenues à partir du secondaire du transformateur.
En se référant à présent à la figure 2, l'appareil sensible à la fréquence oomprend un transformateur Tl auquel le signal d'entrée est fourni par l'intermédiaire d'une résistance de limitation de courant R1 et d'un condensateur C1.
Ce condensateur sert à accorder le primaire du trans-
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formateur sur le coude de la courbe de saturation et à accen- tuer l'effet de saturation. Il sert également à protéger le circuit contre de très faibles fréquences et vis-à-vis du cou- rant continu.
Aux bornes du secondaire du transformateur sont con- neotées deux diodes redresseuses Dl et D4 qui, conjointement avec une prise médiane sur le secondaire, constituent un re- dresseur à deux alternances. Une résistance R7 est connectée à la sortie du redresseur de telle sorte qu'un courant redres- sé à un potentiel convenable soit fourni à la sortie du circuit aux bornes duquel une charge est connectée. Cette charge peut être un instrument de mesure, un instrument d'indication, un élément calculateur ou un autre dispositif approprié.
Un condensateur électrolytique C3 est connecté en pa- rallèle avec la sortie du circuit pour donner une sortie en courant continu filtré.
Lorsque l'instrument de mesure ou un instrument ana- logue ne doit être sensible qu'à une gamme de fréquences limitée, l'on prévoit un courant de suppression en opposition avec le si- gnal de sortie du secondaire du transformateur, ce courant étant indépendant de la fréquence et de la tension du signal d'entrée.
Ceci est réalisé, comme représenté à la figure 2, en connectant une diode de Zener D5 en série avec une chaîne de résistances en parallèle avec la sortie du circuit, la chaîne de résistances comprenant une résistance R4, une bobine de résis- tance RTC, une résistance RB et une résistance de correction R5, toutes ces résistances étant connectées en série. La résistance R4 et la bobine de résistance RTC sont facultatives et leurs fonctions seront décrites ci-après.
La puissance requise pour faire fonctionner la diode de Zener est obtenue en la connec- tant aux bornes d'un redresseur à deux alternances comprenant la prise médiane sur le secondaire du transformateur et des dio-
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des D2 et D3 connectées à ca secondaire, chacune des diodes é- tant agencée de façon à être conductrice lorsque la diode asso- ciée parmi les diodes Dl et D4 estbloquée. Des résistances R2 et R3 sont connectées entre la. diode de Zener D5 et les diodes
D2 et D3 et un condensateur électrolytique C2 shunte R3 et D5, de telle sorte qu'un courant de fonctionnement approprié soit fourni à D5.
La tension de référence apparaissant aux bornes de D5 est ainsi indépendante de la fréquence et de la tension du signal d'entrée.
Le courant de suppression ainsi établi peut être cal- culé de faun à réduire à zéro le courant circulant dans la charge pour une fréquence déterminée. Par exemple, dans un instrument conçu pour fonctionner à une fréquence dans la gam- me de 45 à 55 cycles par seconde, le courant serait réduit à zéro à 45 cycles par seconde et aux fréquences nettement infé- rieures à 45 cycles par seconde, l'aiguille de l'instrument se- rait maintenue contre sa butée de zéro, qui est de préférence située environ à 2* d'arc en dessous de la première graduation de l'échelle.
La diode de Zener D5 possède, suivant la tension de Zener, un coefficient de température positif, négatif ou dans certains cas nul pour la tension. En outre, Dl et D4, s'il n'a - git de diodes au silicium, ont un coefficient de résistance né- gatif vis-à-vis de la température, De plus, la tension de sor- tie du transformateur décroît pratiquement de façon linéaire avec l'augmentation de la température, partiellement à cause de son enroulement, mais principalement à cause de son noyau.
Ces effets de température, conjointement avec d'autres effets pou- vant être attribués à d'autres éléments du circuit, peuvent dans une large mesure être prédits et lorsqu'ils sont additionnés ils se sont révélés -provoquer un nette diminution du signal de sortie pour une augmentation de température.
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Dans une forme de réalisation décrite,la compensation est obtenue en prévoyant que le courant de suppression diminue avec la température, ce qui a pour résultat un signal de sortie qui est indépendant de la température dans une large mesure.
Ceci est réalisé en plaçant la bobine de résistance encuivre RTC dans le parcours du courant de suppression. Le cuivre pos- aède un coefficient de température positif pour la résistance et par conséquent il procurera la compensation requise.
De plus, si l'instrument de mesure comprend une bobine mobile en cuivre possédant un coefficient de température positif pour la résistance, la compensation des variations de température' peut être réalisée en connectant une résistance et une thermistan- ce en parallèle l'une avec l'autre et en série avec l'instrument.
Bien que le signal de sortie du secondaire du trans- formateur ne soit pas totalement indépendant de la tension du signal d'entrée, il l'est toutefois presque. En fait, lorsque la tension d'entrée augmente, le courant de sortie passant par R7 augmentera légèrement. En connectant la résistance R4 en série avec la diode de Zener D5, le courant de suppression qui sans cela resterait pratiquement constant, augmentera aussi aveo la tension d'entrée à cause d'une augmentation correspondan- te de la tendon de référence. La résistance R4 peut ainsi être choisie de telle sorte que l'appareil fournisse un signal de sortie qui eat totalement indépendant des variations de la tension d'entrée.
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"Improvements relating to frequency sensitive devices".
The present invention relates to electrical devices sensitive to the frequency of an alternating signal and, more particularly, but not exclusively, it relates to devices for measuring such a frequency.
Various methods are available for measuring a frequency in the range of 20 cycles per second up to 10 kilocycle per second. One of them involves the use of periodic elements such as capacitors and inductors, while
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according to another one converts the input signal into a square wave, one differentiates it by a resistor-capacitance combination, and one integrates the current differential to obtain an output signal proportional to the frequency .
According to one aspect of the present invention, there is provided an electrical apparatus comprising a device for reacting to a signal the amplitude of which is proportional * to the frequency of an AC input signal whose peak voltage is. greater than a predetermined level, a transformer having a core which is saturated when said AC signal is applied across the primary winding of the transformer, and means for rectifying the output signal generated at the output terminals of the transformer. secondary winding of the transformer and apply the rectified signal to said device.
According to another aspect of the invention, provision is made for an electrical apparatus for measuring the frequency of an alternating signal whose peak voltage is greater than a predetermined value, said apparatus comprising a transformer with a core which is saturated when said signal is applied to the primary winding of the transformer, means for rectifying the output signal of the secondary winding re of the transformer, said addressed output signal having an amplitude proportional to the frequency of the input signal, and means for measuring said rectified output signal.
The invention further provides a method for measuring the frequency of an AC voltage which comprises converting said AC voltage into a DC voltage whose average amplitude is proportional to the frequency of said AC voltage, the application to the terminals of the primary winding of a transformer of an alternating voltage having an amplitude such as to saturate the core of the transformer.
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and rectification of the voltage appearing at the terminals: of the secondary of said transformer, the average amplitude of said rectified voltage being proportional to the frequency of the applied alternating voltage.
In a transformer, such as a rooidal transformer, in which the flux is proportional to the ampere-turns. of the applied signal, when the flux reaches the saturation value, there is a rapid decrease in the input impedance, which causes a high degree of saturation of the core and this characteristic is used according to the present invention. . A material having a square hysteresis characteristic with its well defined saturation bend has been found to be most suitable for use according to the present invention.
With an AC input signal, the transformer core is driven to positive saturation during one half-cycle and to negative saturation during the next half-cycle. The secondary winding on this core produces a voltage which closely follows the input voltage until it becomes saturated. During saturation, the secondary voltage decreases rapidly to zero and remains at zero until the input voltage changes direction. A negative output signal is then obtained analogous to the positive output signal.
If the input voltage is increased, the resulting output signal also increases, but the nucleus saturates more quickly during the oyolus, leaving the area of each cycle below the voltage-time curve at a value. constant, If the voltage is reduced, the output signal also decreases, again with a constant voltage-time zone per cycle, until, for an oritic voltage and current, the nucleus is no longer saturated and we then have a trans-
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A normal formatter in which the output signal is directly proportional to the input signal, the latter condition not being suitable for the purposes of the present invention.
When the transformer is in its normal operating conditions, that is, saturating twice per cycle, as described above, each pulse obtained from the secondary has a voltage-time area or zone. per cycle, which does not vary with the input voltage or frequency. The rectified average output voltage, however, is proportional to the frequency, given that there is
2f (f - frequency) of these pulses per second. Thus, by measuring the rectified output signal of the transformer, one obtains a measure of the frequency of the input signal.
Other details and features of the invention will emerge from the description below, given by way of nonlimiting example and with reference to the accompanying drawings, in which:
Fig. 1 is a diagram showing the output waveform of a saturated transformer.
Figure 2 is a circuit diagram of a frequency sensitive apparatus according to the invention.
As shown in Figure 1, the point at which transformer saturation occurs is indicated as A for the input voltage, so that two B pulses are obtained from the transformer secondary.
Referring now to Figure 2, the frequency sensitive apparatus includes a transformer T1 to which the input signal is supplied through a current limiting resistor R1 and a capacitor C1.
This capacitor is used to tune the primary of the trans-
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trainer on the bend of the saturation curve and accentuate the saturation effect. It is also used to protect the circuit against very low frequencies and against direct current.
At the terminals of the transformer secondary are connected two rectifier diodes D1 and D4 which, together with a center tap on the secondary, constitute a two-wave rectifier. A resistor R7 is connected to the output of the rectifier so that a current rectified to a suitable potential is supplied to the output of the circuit across which a load is connected. This load may be a measuring instrument, an indicating instrument, a calculating element or other suitable device.
An electrolytic capacitor C3 is connected in parallel with the output of the circuit to give a filtered direct current output.
When the measuring instrument or a similar instrument must be sensitive only to a limited frequency range, a suppression current is provided in opposition to the output signal of the secondary of the transformer, this current being independent of the frequency and voltage of the input signal.
This is achieved, as shown in Figure 2, by connecting a Zener diode D5 in series with a string of resistors in parallel with the output of the circuit, the string of resistors comprising a resistor R4, a resistor RTC, a resistor RB and a correction resistor R5, all of these resistors being connected in series. The resistor R4 and the resistor coil RTC are optional and their functions will be described below.
The power required to operate the Zener diode is obtained by connecting it to the terminals of a half-wave rectifier comprising the midpoint on the secondary of the transformer and the diodes.
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D2 and D3 connected to the secondary AC, each of the diodes being arranged to be conductive when the associated diode of the diodes D1 and D4 is turned on. Resistors R2 and R3 are connected between the. Zener diode D5 and diodes
D2 and D3 and an electrolytic capacitor C2 shunt R3 and D5, so that a suitable operating current is supplied to D5.
The reference voltage appearing at the terminals of D5 is thus independent of the frequency and of the voltage of the input signal.
The suppression current thus established can be calculated so as to reduce to zero the current flowing in the load for a determined frequency. For example, in an instrument designed to operate at a frequency in the range of 45 to 55 cycles per second, the current would be reduced to zero at 45 cycles per second and at frequencies significantly below 45 cycles per second, l The needle of the instrument would be held against its zero stop, which is preferably located about 2 * of an arc below the first graduation of the scale.
The Zener diode D5 has, depending on the Zener voltage, a positive, negative or in some cases zero temperature coefficient for the voltage. In addition, Dl and D4, if it does not have silicon diodes, have a negative coefficient of resistance with respect to temperature. In addition, the output voltage of the transformer practically decreases. linearly with increasing temperature, partly because of its winding, but mainly because of its core.
These temperature effects, together with other effects which can be attributed to other elements of the circuit, can to a large extent be predicted and when added together they have been shown to cause a marked decrease in the output signal. for a temperature increase.
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In one described embodiment, compensation is achieved by providing that the suppression current decreases with temperature, resulting in an output signal which is independent of temperature to a large extent.
This is achieved by placing the copper RTC resistor coil in the path of the suppression current. Copper has a positive temperature coefficient for resistance and therefore will provide the required compensation.
In addition, if the measuring instrument comprises a copper voice coil having a positive temperature coefficient for the resistance, compensation for temperature variations can be achieved by connecting a resistance and a thermistor in parallel with each other. the other and in series with the instrument.
Although the output signal of the transformer secondary is not completely independent of the voltage of the input signal, it is almost so. In fact, as the input voltage increases, the output current passing through R7 will increase slightly. By connecting resistor R4 in series with Zener diode D5, the suppression current which otherwise would remain practically constant, will also increase with the input voltage due to a corresponding increase in the reference tendon. Resistor R4 can thus be chosen such that the device provides an output signal which is completely independent of variations in the input voltage.
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