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Schaltungsanordnung zum selbsttätigen Abgleich einer Wechselstromschaltung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum selbsttätigen Abgleich
einer Wechselstromschaltung, z. B. einer Wechselstrombrücke, nach Betrag und Phase,
bei der ein die Wechselstromschaltung speisender Generator und insbesondere dekadisch
einstellbare Normalien Verwendung finden.
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Die Geräte zur Messung einer elektrischen Größe, z. B. einer Frequenz,
einer Spannung oder eines Widerstandes, lassen sich vom Standpunkt des Benutzers,
also nach der Art, wie das Meßergebnis angeboten wird, in zwei Haupttypen einteilen.
Die erste Art sind die direkt anzeigenden Geräte. Bei diesen kann man das Meßergebnis
unmittelbar ablesen, sohald das Meßobjekt angeschlossen ist, es zeigt z. B. ein
Frequenzzeiger unmittelbar die Meßfrequenz an.
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Die Form der Messung ist für den Benutzer die bequemste. Die zweite
Art von Meßgeräten verwenden Vergleichsverfahren, zu denen auch die Meßbrücken gehören.
Diese Geräte erfordern eine Bedienung, sie arbeiten deshalb nicht so rasch wie direkt
anzeigende, besonders dann, wenn der Benutzer wenig geübt in ihrer Handhabung ist.
Dafür wird bei mäßigem Aufwand eine hohe Meßgenauigkeit in großen Meßhereichen geboten.
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Die Entwicklung in neuerer Zeit geht dahin, genaue, direkt anzeigende
Meßgeräte zu schaffen, wobei man einen ziemlich großen Aufwand und entsprechende
Kosten in Kauf nimmt, z. B. bei den dekadischen Frequenzzählern, an denen man die
Frequenz bis auf 10-6 genau und unmittelbar als Zahl ablesen kann.
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Auch bei Widerstandsmessungen wäre es bequem, wenn man den Widerstand
nur anzuschließen brauchte und nach kurzer Zeit, rascher, als man von Hand abgleichen
kann, das Meßergebnis als Zahl - bei komplexen Widerständen in Form von zwei Zahlen
- ablesen kann. Ein Weg zu diesem Ziel führt, wie die vorliegende Erfindung zeigt,
über die selbstabgleichenden Meßbrücken.
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Der Selbstabgleich einer Brücke ist, wenn zum Abgleich nur ein einziges
Normal eingestellt werden muß, wie z. B. bei Gleichstrombrücken oder bei Kapazitätsbrücken,
sehr einfach und auch bekannt.
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Die Wirkungsweise des Selbstabgleiches sei an dem Beispiel einer Gleichstromwiderstandsbrücke,
wie sie die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 darstellt, erläutert.
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Die Gleichstromwiderstandsmeßbrücke weist die festen Widerstände
Rt und R2 auf. Sie mögen gleich groß sein, so daß die Brücke eine symmetrische ist.
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An den Klemmenpaaren 1, 2 wird die Brücke von der Gleichspannung U
gespeist. Zwischen den Klemmen 5 und 6 ist das zu prüfende Meßobjekt Rx einzuschalten.
Im vierten Brückenzweig liegt das ver-
änderbare Normal RN. Die an den Brückeneckpunkten
3 und 4 liegende Ausgangsspannung it, das ist die im Nullzweig herrschende Spannung,
wird einem Verstärkere zugeführt, dessen Ausgangsspannung UM einen Motor M betreibt.
Der Normalwiderstand RN kann durch den MotorM verstellt werden. Dabei dRN wird die
Stellgeschwindigkeit, das ist dt , in weiten Grenzen der verstärkten Brückenspannung
u, also UM proportional sein. Man kann zeigen, daß solch eine Brücke bei richtiger
Polung sich selbsttätig abgleicht.
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Um in einem großen Bereich genau einstellen zu können, wird das Normal
RN bei den meisten Brücken in Stufen geschaltet, die dekadisch gestaffelt sind.
Es muß dann für jede Messung der ganze Bereich des Norm.als von z. B. RN = 0 bis
RN = Rx durchlaufen werden.
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Bei Messungen komplexer Widerstände sind zwei Normalien für die Real-
und die Imaginärkomponente des Meßobjektes selbsttätig einzustellen. Bei einer bekannten
Schaltungsanordnung zum selbsttätigen Abgleich einer Wechselstrombrückenschaltung
nach Betrag und Phase sind für den Betrag- und Phasenabgleich Schrittschaltwerke
vorgesehen, die vom Nullstrom ohne Aufteilung des Nullstromes in Betrag und Phase
gesteuert werden und bei dem die Schrittschaltwerke bezüglich der Geschwindigkeit
und/oder der Kontaktzahl so aufeinander abgestimmt sind, daß der Reihe nach alle
Betriebseinstellwerte mit allen Phaseneinstellwerten durchlaufen werden; wenn also
beispielsweise das erste Schrittschaltwerk von der Ausgangslage um einen Schritt
weitergeschaltet
wird, muß das andere Schrittschaltwerk ganz durchlaufen
werden. Auf diese Weise ist ein Abgleich, der auf ein Durchprobieren sämtlicher
Kombinationsmöglichkeiten bis in die Nähe des Abgleichminimums hinausläuft, prinzipiell
möglich. Der Nullzweig zeigt dabei nur die Größe der Verstimmung an, ohne anzugeben,
welche der Größen, der Betrag oder die Phase, der größeren Änderung bedürfen. Solch
ein Verfahren ist sehr langwierig, und ein Abgleich dauert im Mittel etwa 2 Stunden;
nur dann, wenn eine geringe Genauigkeit benötigt wird, ist die maximale Einstellzeit
etwa in der Größenordnung von einer halben Minute.
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Fernerhin ist es bekannt, für die selbsttätige Einstellung der Normalien
für die Real- und die Imaginärkomponente des Meßobjektes die beiden Komponenten
der Brückenspannung it, bezogen auf die Speisespannung U, heranzuziehen. Zur Gewinnung
dieser Komponenten wären Ringmodulatorschaltungen (Gleichrichterbrücken) grundsätzlich
geeignet. Man kann die Brücke so bemessen, daß die Komponenten der Brückenspannung
tatsächlich für die Einstellung der Normalien unabhängig voneinander maßgebend sind.
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Dieses Verfahren ist aber nur für das Tonfrequenzgebiet etwa bis
100 kHz brauchbar. Über 1 MHz scheint es ziemlich schwierig, die hochfrequenten
Phasenverschiel)ungen und die Symmetrie der Gleichrichterbrücken genügend genau
zu beherrschen.
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Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Normalien so ausgebildet sind, daß sie um geringe Beträge, z. B. um ungefähr 1 0/0.
in der Größe ihrer elektrischen Werte periodisch veränderbar sind und die Frequenz
der periodischen Größenänderung der vorzugsweise die Realkomponente abgleichenden
Normalie gegenüber derjenigen der periodischen Größenänderung der vorzugsweise die
Imaginärkomponente abgleichenden Normalie einen unterschiedlichen Wert aufweist,
und daß die mit den beiden Wobbelfrequenzen modulierte Spannung des Nullzweiges
zum selbsttätigen Abgleich Verwendung findet.
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Zweckmäßigerweise wird die am Nullzweig auftretende Spannung gleichgerichtet
und nach eventueller Verstärkung zwei auf die Wobbelfrequenzen abgestimmten Resonanzkreisen
oder Filtern zugeführt.
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An jedem der beiden Resonanzkreise tritt dann eine Spannung der entsprechenden
Wobbelfrequenz auf, die je einer Gleichrichterbrücke zugeführt wird. Diese liefert
die Gleichspannung für das Antriebsorgan zur Änderung der mittleren Größe des zugehörigen
Normals. Zur Wobbelung der elektrischen Größen der Normale sind zwei Generatoren
vorgesehen, die Spannungen der beiden Wobbelfrequenzen liefern.
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Sie treiben einerseits die Wobbelvorrichtungen der Normale an, andererseits
speisen sie die beiden Gleichrichterbrücken. Bekanntlich hängt die Polarität der
von einer Gleichrichterbrücke gelieferten Gleichspannung von der Phase der beiden
an dieser Gleichrichterbrücke liegenden Spannungen zueinander ab. Die vom Brückenzweig
der Hauptbrücke herrührende Wechselspannung dreht nun ihre Phase um 1800, sobald
das zugehörige Normal durch die Nullabgleichstellung läuft, und diese Phasenumkehr
muß einer Umkehr der Polarität der Motorantriebs spannung entsprechen, wenn sich
die Brücke selbsttätig abgleichen soll.
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Zur Wobbelung der elektrischen Größen der Normale sieht eine Weiterbildung
der Erfindung vor, als Normal zum Abgleich der Realkomponente einen
Heißleiter zu
verwenden, dessen Widerstandswert durch Heizung von einem Regelverstärker gesteuert
wird. Man braucht dann nur die Frequenz J des Heizstromes so niedrig zu wählen,
daß die Größe des Widerstandes des Heißleiters durch Temperaturschwankungen im Takte
2J moduliert ist. Dabei genügt ein Modulationsgrad von etwa 10/o. Bei den ziemlich
wärmeträgen Heißleiterröhrchen der Hochfrequenzbrücken dürfte dieser Modulationsgrad
bei etwa 2f = 10... 20Hz erreicht werden.
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Die elektrische Größe des Normalkondensators wird am einfachsten
durch eine schwingende Blattfeder gewobbelt. Bei einer mittleren Größe des Kapazitätsnormals
von z. B. CN = 40 pF genügt ein Wobbelhub von etwa + 0,4 pF.
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In Weiterentwicklung der Erfindung ist vorgesehen, daß jede Dekade
der beiden Normale ein eigenes Antriebsorgan aufweist und die Einstellung der Dekaden
eines Normals entweder durch einen von einem Motor angetriebenen Drehschalter oder
durch einen Drehwähler erfolgt. Die Drehschalter bzw.
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Drehwähler mit Ausnahme des die höchste Dekade einstellenden, weisen
zwei Ein- und Ausschalter auf, von denen je einer bei Einstellung des Minimal- und
der andere hei Einstellung des Maximalwertes betätigt wird.
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Die von einer Gleichrichterbrücke abgegebene Steuerspannung treibt
das die niedrigste Dekade einstellende Antriebsorgan unmittelbar an, während feste
Gleichspannungen mit dem erforderlichen Drehsinn entsprechender Polarität die die
Dekaden einstellenden Antriebsorgane, mit Ausnahme des die niedrigste Dekade einstellenden,
antreiben. Der bei Einstellung des Maximalwertes einer Dekade betätigte Ein- und
Ausschalter legt solch eine Polarität an das Antriebsorgan der nächst höheren Dekade,
daß die in dieser Dekade eingeschalteten Widerstände von niedrigeren zu höheren
Werten durchlaufen werden, während der bei Einstellung des Maximalwertes einer Dekade
betätigte Ein- und Ausschalter solch eine Polarität an das Antriebsorgan der nächst
höheren Dekade legt, daß die in dieser Dekade eingeschalteten Widerstände von höheren
zu niedrigeren Werten durchlaufen werden.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung Fig. 2 bis 7 noch näher
erläutert.
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Die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 zeigt als Ausführungsbeispiel
eine schematisch dargestellte, selbstabgleichende Wechselstrommeßbrücke. Die festen
Widerstände R der Brücke sind gleich groß gewählt, so daß eine symmetrische Brücke
vorliegt. Die Widerstände können dabei beliebige Werte erhalten oder auch durch
Kondensatoren ersetzt werden.
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Zwischen den Klemmen 5 und 6 ist das Meßobjekt Yr anschließbar, während
zwischen den Brückeneckpunkten 2 und 4 die Normalien liegen, im Ausführungsbeispiel
ist es der Kondensator CN, dem der Widerstand CN parallel geschaltet ist. Die Brücke
erhält ihre hochfrequente Speisespannung U zwischen den Brückeneckpunkten 1 und
2 zugeführt, so daß sich der Nullzweig zwischen den Brückenpunkten 3 und 4 befindet.
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Die beiden Normale CN und GN werden gewobbelt, also um geringe Beträge,
z. B. um 1 0/o verkleinert und vergrößert, und zwar beide Normale mit verschiedenen
Wobbelfrequenzen, z. B. GN mit 30Hz und CN mit 50 Hz. Hierzu dienen die mit tr2
und Ü4 schematisch angedeuteten Wobbelvorrichtungen, die von den Wobbelgeneratoren
S1 und S2 gespeist werden. Die Brückendiagonale 3, 4 führt dann eine
modulierte
Hochfrequenzspannung UHF, die mittels des Ubertragers ü ausgekoppelt und einem Gleichrichter
Cl zugeführt wird. Verstärkt man diese Spannung in dem Verstärker V, so erhält man
am Ausgang dieses Verstärkers die Wobbelfrequenzen, die durch die auf die Wobbelfrequenzen
abgestimmten Resonanzkreise L1 C, und L2 C2 getrennt werden.
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Bei den weiteren Betrachtungen genügt die Betrachtung der Abstimmung
nur eines Normals, es sei hierfür der Kondensator CN gewählt, da die Abstimmung
des zweiten, also die des Widerstandes CN in gleicher Weise vorgenommen werden kann.
Es kommt nun offenbar auf die Phase der an dem Parallelresonanzkreis L1 C1 liegenden
Spannung Uc zu der entsprechenden, das Normal steuernden Spannung an. Wächst z.
B. die Brückenspannung konphas mit der Vergrößerung des Normals an. so muß dieses
nach kleineren Werten gesteuert werden. und umgekehrt. Man braucht also nur die
am Parallelresonanzkreis L1 C, liegende Spannung Uc einer die Gleichrichter Cl,
und Gl2 enthaltenden Gleichrichterbrücke zuzuführen, die vom Wohbelgenerator S,
über den Übertrager 23 ausgesteuert wird. Die Gleichrichterbrücke liefert dann eine
Gleichspannung UM1, die zur selbsttätigen Einstellung des Kondensators CN verwendet
werden kann, ganz analog dem Vorgang bei Gleichstromwiderstandsbrücken.
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Wegen mechanischer oder thermischer Trägheit des Normals ist die
vom GeneratorS, gelieferte Wobbelsteuerspannung Uwl mit der am Parallelresonanzkreis
L1 C1 liegenden Spannung Uc gleicher Frequenz nicht in Phase. Annähernde Phasengleichheit
ist aber notwendig, um die Gleichspannung UMI für den Motor M1 herzustellen; deshalb
ist der Phasenschieber P, vorgesehen. Die Gleichrichterbrücke wird mit der Wobbelsteuerspannung
Uw2, die gegenüber der Wobbelsteuerspannung UwI in der Phase verschoben ist, dagegen
mit der Spannung am Resonanzkreis L1 C, in Phase ist, nun mit einer solchen Polung
ausgesteuert, daß sie eine positive oder negative Gleichspannung UM1 liefert, je
nachdem ob die Brückendiagonalspannung gleich oder gegenphasig moduliert ist, also
je nachdem ob das entsprechende Normal zu groß oder zu klein ist. Der das Normal
CN steuernde Motor M muß so gepolt sein, daß er das Normal entsprechend verkleinert
bzw. vergrößert. Zweckmäßigerweise wird die an den Motor JII abzugebende Gleichspannung
UMT zuvor noch in dem Verstärker V1 verstärkt.
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Ebenso wie die beschriebene Steuerung des Normals CN erfolgt die
des Normals GN. Die Wobbelspannung wird über den Phasenschieber P2 und den Übertrager
25 der aus den Gleichrichtern Cl und Gl4 hestehenden Gleichrichterbrücke zugeführt.
um sie dort der aus dem Nullzweig der Meßbrücke abgeleiteten Spannung U, zu überlagern
und die den Motor MO, nach entsprechender Verstärkung in dem Verstärker V2, steuernde
Spannung UM2 zu gewinnen.
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In dem Diagramm nach Fig. 3 ist der zeitlicheVerlauf der Spannungen,
wie sie bei der Einstellung eines Normals, es sei hierfür wieder der Kondensator
CN gewählt, auftreten. Das Diagramm nach Fig. 3 a zeigt den zeitlichen Verlauf der
Wobbelsteuerspannung Uwl. die auf Grund oben angedeuteter Einflüsse mit der augenblicklichen
Größe des in dem Diagramm nach Fig. 3b zur Darstellung gelangten zeitlichen Verlaufes
der Größe des Normalkoudensators CN nicht in Phase ist. Die Phasendifferenz g wird
durch den Phasenschieber P1 nachgebildet, so daß die Gleichrichterbrücke mit einer
konphasen, in dem Diagramm
nach Fig. 3 c dargestellten WobbelsteuerspannungM,vS ausgesteuert
wird. In dem Diagramm nach Fig. 3 d ist der Verlauf der im Normalzweig liegenden
Spannung UHF oder die den gleichen Verlauf aufweisende, am Parallelresonanzkreis
L1 C, liegende Spannung Uc in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen, und zwar 4
für den Fall, daß CN gegenüber dem Meßobjekt zu groß und B für den Fall, daß CN
gegenüber dem Meßobjekt zu klein ist. Hieraus folgt dann der aus dem Diagramm nach
Fig. 3e ersichtliche Verlauf der Motorspannung UM,.
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Im folgenden sei die Frage der »Konvergenz« der Minimumeinstellung
behandelt, d. h. die Frage, ob überhaupt und wie rasch sich die Brücke auf Null
abgleicht.
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Das Velitordiagramm der unabgeglichenen Meßbrücke zeigt die Fig.
4, wobei Größe und Richtung der Spannungsvektoren UN und Ux von den eingestellten
Werten der Normale bzw. vom Meßobjekt abhängen. Die vektorielle Differenz zwischen
Ux und UN ist die an der Brückendiagonalen liegende Spannung ll.
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In dem Diagramm nach Fig. 5 sind die Ortskurven des Vektors UN eingezeichnet.
Die mit festen Werten von x bezeichneten Kurven der einen Schar gelten für konstante
Werte des Wirkleitwertes GN, wobei unter x der an einem für die Diagrammdarstellung
geeigneten Normierungswiderstand R normierte Wirkleitwert GN verstanden ist. Es
gilt also die Beziehung R x = = const. Die andere mit festen Werten von y GN bezeichnete
Kurvenschar gilt dementsprechend für konstante Werte des Blindleitwertes W CN, wobei
unter y der an demselben Normierungswiderstand R normierte Blindleitwert co CN verstanden
ist, so daß hier die Beziehung y = R O) CN = const gilt.
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Aus jeder der beiden Kurvenscharen für konstante Wirkleitwerte (x
= const) und konstante Blindleitwerte (y = const) ist in Fig.4 jeweils eine Kurve
strichliert angedeutet und mit GN = const und W CN = const bezeichnet. Wobbelt man
nun den Wirkleitwert GN, SO pendelt der Vektor UN auf der Kurve cr, CN = const,
beim Wobbeln der Normalkapazität CN bewegt er sich dagegen auf der Kurve GN = const.
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Wenn die Brücke nicht abgeglichen ist, kann zwar der Fall vorkommen,
daß das Wobbeln eines Normals die Brückenspannung nicht moduliert. nämlich dann,
wenn die Endpunkte der Vektoren Px und PN und der Mittelpunkt des x- oder y-Kreises,
auf dem sich PN bewegt, zufällig in einer Geraden liegen, da die x- und a-Kurven
aber überall orthogonal stehen, wird in diesem Fall das Wobbeln des anderen Normals
die Brückenspannung stark modulieren und eine Verstellung zunächst nur dieser anderen
Komponente veranlassen. Der selbsttätige Abgleich der Brücke ist dadurch immer gewährleistet.
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In dem Diagramm nach Fig. 5 ist noch der Verlauf des Brückenabgleiches
anschaulich gemacht. Als Ausgangspunkte der unabgeglichenen Brücke wurde z. B. für
das Meßobjekt Px = x+ jy = l +j und für das Normal PNO = -rtb' = 0 gewählt.
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Zunächst sei angenommen, daß abwechselnd CN I>zw. GN gewobbelt
und dadurch so lange verstellt wird. bis das Wobbeln dieser Komponente die Brükkenspannung
nicht mehr moduliert, dann möge die andere Komponente gewobbelt werden. Der stark
ausgezogene Linienzug gilt, wenn man zunächst CN verstellt, der gestrichelte Linienzug,
wenn man mit GN beginnt. Man erkennt. daß der Brückenabgleich in wenigen Schritten
erreichbar ist.
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In Wirklichkeit werden beide Normale gleichzeitig eingestellt, und
der Verlauf des Brückenabgleichs mag dann etwa der strichpunktierten Linie folgen.