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Verfahren zur Messung von Spannungsdifferenzen Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Messung von Spannungsdifferenzen.
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Eine in der Meßtechnik sehr häufig vorkommende Aufgabe ist die Bestimmung
von Differenzen verschiedener Meßgrößen. Sehr häufig kommt es bei derartigen Messungen
darauf an, relativ kleine Differenzen mit großer Genauigkeit zu bestimmen, was in
der Regel dann mit besonderen Schwierigkeiten verknüpft ist, wenn die Meßgrößen
selbst gegenüber der interessierenden Differenz sehr groß sind. Zu diesen grundsätzlichen
Schwierigkeiten kommen noch jene hinzu, die durch zeitliche Inkonstanz der Geräte
verursacht werden, da zwischen der Messung der beiden Meßgrößen, deren Differenz
bestimmt werden soll, ein gewisser Zeitunterschied in der Regel nicht zu vermeiden
ist. Das Ziel der Erfindung ist es, den störenden Einfluß einer derartigen Inkonstanz
auf das Meßergebnis weitgehend zu verringern und gleichzeitig die Messung selbst
zu vereinfachen und zu beschleunigen. Dabei wird unter anderem von der Erfahrung
ausgegangen, daß es mit erheblich größerer Genauigkeit möglich ist, die Differenz
Null ein zustellen, als eine endliche Differenz quantitativ zu bestimmen.
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Es ist bereits eine Meßanordnung zum Messen von Übertragungsvierpolen
bekanntgeworden, bei der die Meßspannung einmal über das Meßobjekt und einmal über
ein Vergleichsnormal durch einen elektronischen Schalter abwechselnd an die Meßplatten
eines Kathodenstrahloszillographen gelegt wird, so daß auf deren Bildschirm ein
direkter Vergleich möglich ist.
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Durch Einstellung des Vergleichsnormals wird die Vergleichsspannung
gleich der über das Meßobjekt laufenden Spannung gemacht und der zu bestimmende
Differenzwert aus der notwendigen Nachstellung des Vergleichsnormals abgelesen.
Mit einer derartigen Anordnung ist der Vergleich mehrerer Meßgrößen mit einem Vergleichsnormal
nicht möglich (britische Patentschrift 569 279).
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Es ist weiter für die Zwecke der Rauschmessung bereits bekannt, einen
Signal- oder Rauschgenerator mit tonfrequenten Rechteckimpulsen zu modulieren, diese
Rechteckspannung dem Meßobjekt zuzuführen und danach auf dem Schirm einer Kathodenstrahlröhre
zur Anzeige zu bringen. Hierbei wird nacheinander das Rauschen des Meßobjektes (bei
ausgetastetem Generator) und das Rauschen des Meßobjektes plus einem Vergleichssignal
(bei aufgetastetem Generator) an die Meßplatten des Kathodenstrahlrohres geschaltet.
Ein solcher Vergleich des Eigenrauschens mit der Summe von Eigenrauschen und Vergleichssignal
ist naturgemäß nicht auf den Vergleich mehrerer Meßgrößen mit einem Vergleichsnormal
anwendbar (RCA-Review, Juni 1951, S. 274/275).
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DieErfindung ermöglicht demgegenüber im Bedarfsfall den Vergleich
von mehreren Meßgrößen mit einem Vergleichsnormal und erlaubt damit die Durchführung
von Messungen, die mit den bisherigen Anordnungen nicht möglichSwaren.
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Die Erfindung geht ebenfalls von einem Verfahren aus, bei dem die
zu messende Spannung über getrennt regelbare Kanäle eines Meßvierpols mit gemeinsamen
Eingangs- und Ausgangsklenimen geleitet und nacheinander an das Anzeigeorgan angeschalfet
werden und bei dem die auf dem Anzeigeorgan erscheinenden Spannungsdifferenzen durch
Anderung der Verstärkung oder Dämpfung in den einzelnen, den verschiedenen Spannungen
zugeordneten Kanälen genau kompensiert werden, wobei die eingestellten Dämpfungswerte
das Maß für die Spannungsänderung darstellen.
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Nach dem Kennzeichen: der Erfindung können im Bedarfsfalle mehr als
zwei Kanäle in zyklischer Folge an das Anzeigeorgan angeschaltet werden, und es
wird synchron mit der Umschaltfrequenz eine Änderung der jeweils interessierenden,
die zu messende Spannung beeinflussenden Kenngrößen des Meßobjektes und/oder eines
dem Meßobjekt vorgeschalteten Generators derart vorgenommen, daß die geänderte Spannung
jeweils stets ein und denselben Kanal des Meßvierpols durchläuft.
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Das erfindungsgemäße Meßverfahren ist seiner Natur nach ein Verfahren
zur Messung von Spannungsdifferenzen, es kannx jedoch auch zur Messung
anderer
Meßgrößen und ihrer Differenzen herangezogen werden, soweit sich diese in elektrische
Spannungen oder Ströme umsetzen lassen. Demgemäß ist in der folgenden Erfindungsbeschreibung
- und in den Ansprüchen unter der Bezeichnung Spannung ganz allgemein die Größe
einer Gleich- oder Wechselspannung oder eines Wechselstromes zu verstehen ohne Rücksicht
darauf, ob diese Spannung oder dieser Strom schon selbst die Meßgröße darstellt
oder nur von ihr abgeleitet wird.
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Das erfindungsgemäße Meßverfahren möge am Beispiel einer Rauschmessung
an einer Mikrowellenverstärkerröhre, z. B. an einer Wanderfeldröhre, erläutert werden.
In Bild 1 ist die dazu erforderliche MeRanordnung im Blockschaltbild wiedergegeben.
Die Messung erfolgt nach dem bekannten Prinzip, daß mit Hilfe eines Rauschgenerators
eine zusätzlicheRauschleistung auf den Eingang der zu messenden Verstärkerröhre
gegeben wird, wodurch der Ausgangsrauschpegel dieser Röhre ein wenig erhöht wird.
Aus der Kenntnis der Spannungserhöhung einerseits und der Größe der zusätzlichen
Rauschleistung andererseits läßt sich dann der Rauschfaktor der untersuchten Röhre
in bekannter Weise berechnen.
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In Bild 1 kennzeichnet 1 das Meßobjekt, als z. B. die Wanderfeldröhre,
deren Rauschfaktor gemessen werden soll, 2 bezeichnet den Rauschgenerator, der z.
B., wie angedeutet, nach Art einer Rauschdiode arbeiten kann, während der erfindungsgemäße
Meßverstärker aus den Bauteilen3 bis 11 aufgebaut ist.
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Wie in der Mikrowellentechnik üblich, arbeitet dieser als Überlagerungsverstärker.
Demgemäß kennzeichnet 3 die Eingangsmischstufe in Verbindung mit dem ZF-Vorverstärker.
Hinter diesem spaltet sich der Verstärkungsweg in zwei parallele Kanäle auf, von
denen der eine durch die Eichleitung 4 und die ZF-VerstärkerstufeS gebildet wird,
während der andere Kanal durch das regelbare Dämpfungsglied 6 und die ZF-Verstärkerstufe7
gebildet wird. Hinter den beiden ZF-Verstärkerstufen5 und 7 vereinigen sich die
beiden Verstärkungswege wieder in dem ZF-Endverstärker8, von dem aus das ZF-Signal
zum Anzeigegleichrichter9 und von dort zum oszillographischen Anzeigegerät 10 geführt
wird. Die beiden ZF-Verstärkerstufen 5 und 7 sind nach Art der elektronischen Schalter
aufgebaut, so daß sie unter Verwendung des Rechteckspannungsgenerators 11 wechselweise
geöffnet bzw. gesperrt werden, und zwar sind die den beiden Verstärkerstufen 5 und
7 zugeführten Rechteckspannungen in ihrer Phase bzw. Polarität so gerichtet, daß
die Verstärkerstufe 5 dann geöffnet ist, wenn die Verstärkerstufe 7 gesperrt ist
und umgekehrt. Wenn die Verstärkungen in den beiden Verstärkungszweigen, die durch
die Eichleitung 4 in Stufen bzw. durch den Spannungsteiler 6 stetig regelbar ist,
gleich groß sind, dann ist auf dem Bildschirm 12 des oszillographischen Anzeigegerätes
der in Bild 2 mit 13 bezeichnete Kurvenverlauf zu beobachten, d. h., mit Ausnahme
der unter Umständen eintretenden geringfügigen Unstetigkeit im Moment der Umschaltung
der beiden Verstärkungskanäle, die in Bild 2 mit 15 bezeichnet ist, ist kein Unterschied
gegenüber einem herkömmlichen Meßverstärker erkennbar. Dabei ist vorausgesetzt daß
die Sägezahn-Zeitablenkung des Oszillographen 10 synchron mit der Rechteckspannung
in der Weise erfolgt, daß die Rechteckfrequenz gleich der Ablenkfrequenz ist. Das
wird sichergestellt durch die Leitung, welche den Oszillographen 10 mit dem Generator
11 verbindet und durch die der Oszillograph 10 die Synchronisierspannung erhält.
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Führt man nun, wie durch die zwischen dem Generator 11 und dem Rauschgenerator
2 bestehende Verbindung angedeutet ist, die Rechteckspannung des Generators 11 gleichzeitig
auch noch dem Rauschgenerator 2 zu, und zwar derart, daß der Rauschgenerator 2 während
der einen Halbperiode der Steuerschwingung eingeschaltet, während der anderen Halbperiode
aber ausgeschaltet ist, dann ergibt sich auf dem Bildschirm 12 des Oszillographen
10 der in Bild 3 mit 14 bezeichnete Kurvenverlauf. Die Höhe der auf dem Bildschirm
sichtbaren Sprungfunktion 14 ist dann das zunächst nur relative Maß für die Erhöhung
der Ausgangsrauschspannung durch die vom Rauschgenerator gelieferte Gesamtrauschleistung.
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Durch eine entsprechende Einstellung der Eichleitung4 ist es nun möglich,
diesen Sprung wieder zum Ver schwinden zu bringen, so daß auf dem Bildschirm wieder
die Kurve 13 (Bild 2) erscheint. Die dazu erforderliche Einstellung der Eichleitung
ist dann das absolute Maß für die Spannungserhöhung durch den Rauschgenerator.
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Eine andere Meßaufgabe, die durch das erfindungsgemäße Verfahren
wesentlich erleichtert wird, ist in dem folgenden Ausführungsbeispiel erläutert.
Dabei ist die Aufgabe zugrunde gelegt, eine große Anzahl von Meßobjekten, z. B.
Elektronenröhren, darauf zu untersuchen, wie stark ihre Kennlinien von dem Sollverlauf
abweichen. Bisher begnügte man sich bei derartigen Vergleichen, soweit es sich um
Elektronenröhren handelte, in der Regel damit, nur einen mittleren Arbeitspunkt
und die Steilheit in diesem Punkt festzulegen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren
wird es möglich, in einfacher und schneller Weise die Abweichungen der Kennlinie
von der Sollkennlinie in mehreren Punkten der Kennlinie quantitativ zu bestimmen.
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Die Zahl der erforderlichen parallelen Kanäle des Meßverstärkers
entspricht der Zahl der Punkte, in denen die Abweichungen der Kennlinie von der
Sollkennlinie bestimmt werden sollen. Dem Meßobjekt, in dem hier beschriebenen Fall
also der Elektronenröhre, wird gitterseitig eine sich stufenweise verändernde Vorspannung
zugeführt, durch die sich der Anodenstrom ebenfalls stufenweise in einem durch den
Verlauf der Kennlinie festgelegten Ausmaße verändert.
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Synchron mit der stufenweisen Veränderung der Gittervorspannung erfolgt
die zyklische Einschaltung der verschiedenen parallel und unabhängig voneinander
regelbaren Kanäle in den Signalweg. Dabei ist die Verstärkung bzw. die Dämpfung
der einzelnen Kanäle vorher so eingestellt, daß das Ausgangssignal des Meßvierpols
bzw. die ihm entsprechende Anzeige des Gerätes konstant bleibt, wenn die Kennlinie
der gerade untersuchten Röhre genau mit der Sollkennlinie übereinstimmt. Stimmt
sie dagegen nicht überein, dann ist auf dem Anzeigegerät, für das eine Braunsche
Röhrebesonders geeignet ist, eine mäanderförmige Kurve zu erkennen, wobei die Höhe
der einzelnen Mäander ein Maß für die Abweichung der Kennlinie vom Nullverlauf darstellt.
Zur Vereinfachung der Auswertung sind dabei zweckmäßig vor der Braunschen Röhre
feste oder verschiebbare Marken anzubringen, durch die der zulässige Toleranzbereich
angezeigt wird. Es ist aber natürlich auch möglich, durch Veränderung der Einstellung
der einzelnen Kanäle die bestehenden Differenzen wieder auszugleichen und die dazu
erforderlichen Veränderungen in der Grundeinstellung als Maß für die Abweichung
der Kennlinien vom Sollverlauf zu benutzen. Welcher der beiden. Wege der zweckmäßigere
ist, hängt im
wesentlichen davon ab, ob es darauf ankommt, dieAbweichungen
exakt zu messen oder nur darauf, die Einhaltung bestimmter Toleranzen zu kontrollieren.
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PATENTANSPROCHE: 1. Verfahren zur Messung von Spannungsdifferenzen,
bei dem die zu messende Spannung über getrennt regelbare Kanäle (4-5, 6-7) eines
Meßvierpols mit gemeinsamen Eingangs- und Ausgangsklemmen (3, 8) geleitet und nacheinander
an das Anzeigeorgan angeschaltet werden und bei dem die auf dem Anzeigeorgan erscheinenden
Spannungsdifferenzen durch Änderung der Verstärkung oder Dämpfung in den einzelnen,
den verschiedenen Spannungen zugeordneten Kanälen genau kompensiert (4) werden,
wobei die eingestellten Dämpfungswerte das Maß für die Spannungsänderung darstellen,
dadurch gekennzeichnet, daß im Bedarfsfalle mehr als zwei Kanäle in zyklischer Folge
an das Anzeigeorgan angeschaltet werden, daß synchron mit der Umschaltfrequenz eine
Änderung der jeweils interessierenden, die zu messende Spannung beeinflussenden
Kenngrößen des Meßobjektes und/oder eines dem Meßobjekt vorgeschalteten Generators
derart vorgenommen wird, daß die geänderte Spannung jeweils stets ein und denselben
Kanal des Meßvierpols durchläuft.