DEV0009311MA - - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 6. August 1955 Bekanntgeniacht am 22. November 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Phasenmessung, bei dem die aus den beiden Meßspannungen gewonnenen Rechteckspannungen zwei Gitter einer Elektronenröhre zugeführt werden, deren Anodenstrom ein Maß für die Phasen-' verschiebung der beiden Meß spannungen ist.

Es sind zur Phasenmessung verschiedene Einrichtungen bekannt, die eine direkte Anzeige des Meßergebnisses ermöglichen.

So liefert beispielsweise die sogenannte Phasenmeßbrücke bei richtiger Dimensionierung einen Strom i für das Anzeigeinstrument, der proportional der Amplitude der. Meßspannung und dem Kosinus des. Phasenwinkels φ ist: i = U ■ cos φ. Hält man die Meßspannungsamplitude konstant, so ist die Anzeige nur vom Phasenwinkel abhängig. Da'die-Skalenteilung des Anzeigeinstrumentes der Kosinusfunktion gehorcht, ist die Anzeige nur von ο bis i8o° eindeutig. Es kann, also nicht zwischen φ und 360⁰—φ unterschieden wer- ao den. Ein weiterer Nachteil der einfachen Phasenmeßbrücke besteht darin, daß die Empfindlichkeit di/άφ proportional sin φ ist und damit bei φ = o° und φ = i8o° Null wird. Es ergibt sich also eine unerwünschte Skalendrängung am Anfang und am Ende der Skala des Anzeigeinstrumentes.

Zur wenigstens teilweisen Beseitigung der angeführten Nachteile sind verschiedene Methoden bekannt: So kann durch eine Phasendrehung der

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Vergleichsspannungen Um 90⁰ erreicht werden, daß der Anzeigestrom i der Funktion i = U ■ cos (90⁰ —φ) = U · sing? gehorcht, womit die Anzeige wenigstens zwischen —90 und + 90⁰ eindeutig wird. Die inkonstante Empfindlichkeit , di/άφ in Abhängigkeit von φ läßt sich durch Umformung der sinusförmigen Eingangsspannungen in Rechteckwellen beseitigen. Dieses Verfahren, welches Verfahren I genannt sei, wird so realisiert, daß Vergleichs- und Meßspannung je einen Begrenzer durchlaufen und durch die dadurch entstehenden Rechteckwellen eine Elektronenröhre an zwei Gittern so gesteuert wird, daß der Anodenstrom nur fließen kann, wenn an beiden Gittern die positiven Rechteckhalbwellen liegen, Dann ist bei einem Phasenunterschied φ der Eingahgsspannungen der mittlere Anodenstrom %_a proportional i8o° —I φ I mit -—i8o° ^ φ ^ + i8o°. und kann direkt zur Anzeige dienen. Die Skala, ist dann rückläufig, linear geteilt und eindeutig zwischen ο und i8o°. Die hier noch verbleibende Ununterscheidbarkeit von φ und 360⁰ —φ ist schließlich bei einem Verfahren beseitigt, welches im folgenr den Verfahren II genannt werden soll.

Hierbei werden nach der Rechteckwellenbildung durch Differentiation an der Stelle der positiven oder negativen Nulldurchgänge der Eingangsschwingungeni Impulse gewonnen, welche einen gleich- und wechselstromrückgekoppelten Kipp-Schwingungskreis so steuern, daß der Strom in einer der beiden Röhren dieses Kreises dem Phasenwinkelunterschied der Eingangsspannungen proportional ist. Da die Steuerimpulse in jedem Kanal nur alle 360⁰ entstehen;, ist die Anzeige im ganzen Phasenwinkelbereich von ο bis 360⁰ eindeutig. Fig. ι zeigt das Schaltbild des Anzeigekreises. Der Kreis hat zwei stabile Lagen und wird jedesmal von einer in die andere umgesteuert, wenn an einem der Gitter ein negativer Impuls eintrifft. Ist beispielsweise das rechte Röhrensystem, dessen Kathodenstrom zur Anzeige herangezogen wird, durch einen Impuls aus dem Kanal A leitend geworden, so bleibt dieser Zustand bis zum Eintreffen des nächsten Impulses aus dem Kanal B erhalten. Dies dauert bei einer Meß frequenz f_Hz (= Impulsfolgefrequenz in den Kanälen) T_sec = φ/'f · 360. Ist der volle Kathodenstrom i_k, so fließt damit im Mittel ein Strom * ⁼ h ' φ/3^ο. Kippschwingungskreise der beschriebenen Art haben nun infolge der endlichen Einschwingungsvorgänge eine höchstmögliche Umschaltfrequenz, die bei optimaler Dimensionierung in der Größenordnung von 10⁷Hz liegt. Da bei der genannten Anwendung die Umschaltimpulse in einen zeitlichen Abstand von T = φ/f · 360 auf-. einanderfolgen, so. ist beispielsweise bei einem Phasenwinkel von 3,6° und der Meßfrequenz 10⁵Hz schon der minimal mögliche Wert von T= ιo~~⁷sec erreicht. Kleinere Phasenwinkel bei dieser Frequenz oder dieser Phasenwinkel bei höheren Frequenzen lassen sich also wegen der begrenzten Umschaltgeschwindigkeit nicht mehr messen. In Wirklichkeit liegen die Verhältnisse noch um eine Größenordnung ungünstiger, da man den Kippschwingungskreis im Interesse genauerer Anzeige nicht bis in die Umsteuervorgänge hinein aussteuern darf. So ist das Verfahren II mit seinen Vorteilen (Linearität und Eindeutigkeit der Anzeige) nur im Tonfrequenzbereich und darüber hinaus bis etwa 100 kHz anwendbar.

Es wäre jedoch in der elektrischen Meßtechnik vorteilhaft, auch bei höheren Frequenzen Phasenwinkel schnell, sicher und eindeutig messen zu können. Verfahren, die mit einem Kathodenstrahloszillographen arbeiten, sind in der Auswertung meistens zu umständlich, während, wie geschildert, Phasenmeßbrücken nicht eindeutig und eindeutige Verfahren bisher nicht für höhere Frequenzen geeignet sind.

- Inhalt der Erfindung ist eine Einrichtung, die bis zu Frequenzen von einigen MHz die eindeutige Messung von beliebigen Phasenwinkeln zwischen ο und. 360⁰ bei direkter Anzeige des Meßergebnisses gestattet. .

Erfindungsgemäß werden die Frequenzen der beiden Rechteckspannungen in je einer Frequenzteilerstufe halbiert und die eine Frequenzteilerstufe über eine automatische Kontroll- und Korrektureinrichtung mit _xder anderen so gekoppelt, daß die Rechteckspannungen am Ausgang der einen Frequenzteilerstufe die andere Frequenzteilerstufe so steuern, daß der Anodenstrom der von beiden Ausgangsspannungen der Frequenzteilerstufen gesteuerten Elektronenröhre im gesamten Bereich einer Periode der Meßspannungen eindeutig linear vom Phasenunterschied der beiden Eingangsspannungen abhängt.

Das Verfahren wird im folgenden beschrieben:

Genau wie bei den Verfahren I und II werden die Meßspannungen an zwei Kanäle A und B geführt. In jedem Kanal befindet sich ein Begrenzer, der in bekannter Weise aus den Sinusschwingungen möglichst exakte Rechteckwellen formt. Die Anzahl der Stufen eines solchem Begrenzers und die Dimensionierung der Einzelstufen richten sich weitgehend nach der gewünschten oberen Frequenzgrenze der Anordnung und der zur Verfügung stehenden Eingangsamplitude. Aus den so gewonnenen Rechteckwellen werden nach einem bekannten Verfahren Impulse gebildet, die im Abstand einer vollen Periode aufeinanderfolgen. Eine mögliche Ausführungsform stellt eine Differenzierstufe nach Fig. 2 dar. Die Rechteckwelle wird an eine C-i?-Schaltung gelegt, und durch die nachfolgende, normalerweise gesperrte Röhre wird der an R auftretende positive Impuls in einen negativen an der Anode umgewandelt, während der negative Impuls an R unterdrückt wird. Die gebildeten negativen Impulse werden von der Anode an die Gitter einer bistabilen Untersetzerstufe geführt. Die Schaltung dieser bekannten Anordnung ist die gleiche wie die der Fig. 1, nur werden die Steuerimpulse immer gleichzeitig beiden Gittern zugeführt. Zur gegenseitigen Entkopplung der Gitter können dabei in ebenfalls bekannter Weise Widerstände oder Diodenstrecken

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eingeschaltet werden. Da je eine solche Untersetzerstufe in den beiden Kanälen, angeordnet ist, stehen' an den Ausgängen der Kanäle an jeweils einer Anode der Untersetzerstufen Rechteckwellen der halben Eingangsfrequenz zur Verfügung. Diese Rechteckwellen werden nun zur Steuerung einer Röhre mit mehreren Gittern (Modulatorröhre) genau wie bei dem beschriebenen Verfahren I herangezogen. Durch die Untersetzung im

ίο Verhältnis 1:2 ist jedoch der Anzeigebereich auf die vollen 360° des Phasenwinkels erweitert worden, während der Vorteil des Verfahrens I — der größere Frequenzbereich — erhalten bleibt. Die Untersetzerstufen haben dabei im Gegensatz zu dem Kippschwingungskreis des Verfahrens II nur auf die maximale Eingangsfrequenz anzusprechen, was sich durch entsprechende Dimensionierung dieser Stufen relativ leicht erreichen läßt.

Ohne weitere Hilfseinrichtung können jedoch diese Untersetzerstufen wegen der Gleichberechtigung der beiden Röhrensysteme bei einem Phasenwinkel von beispielsweise o° sowohl gleich- als auch gegensinnig umschalten. Es wird deshalb eine Hilfseinrichtung eingefügt, welche die Untersetzer in den richtigen Takt zwingt, der die Anzeige mit den eingangs liegenden Phasenwinkel unterschieden in volle Übereinstimmung bringt. Zur Vereinfachung der Beschreibung sei der Spezialfall herausgegriffen, daß die Meßspannungen sich um 90⁰ in der Phase unterscheiden. In Fig. 3 sind untereinander die an den verschiedenen Punkten der Schaltung auftretenden Spannungsformen aufgezeichnet. Die durchgezeichneten Kurvenformen entsprechen dabei dem Kanal A, die gestrichelt gezeichneten dem Kanal B. Wenn wir annehmen, daß die in Fig. 3 c gezeichneten negativen Impulse des Kanals A den Untersetzer des Kanals A in der in Fig. 3 d gezeichneten Weise umsteuern, so bleiben für den Kanal B die beiden aufgeführten Möglichkeiten der Umsteuerung. Wie man an Fig. 3 e erkennt, entsprechen die beiden Möglichkeiten einem Anzeigewert von entweder 90⁰ oder 360—90⁰ = 270°. Die Wahrscheinlichkeit für die Anzeige des richtigen Wertes beträgt somit ¹Z₂. Bevor auf die Hilfseinrichtung näher eingegangen wird, soll noch an Hand der Fig. 3 erklärt werden, wie die Rückläufigkeit der Anzeige beseitigt werden kann. Wie man erkennt, wird beim Kleinerwerden des Phasenwinkels von 90⁰ beim Eintreffen der ersten Möglichkeit (Fig. 3 e, 1) der Anzeigeinstrumentenausschlag größer (Rückläufigkeit der Skala), während beim Eintreffen der zweiten Möglichkeit (Fig. 3 e, 2) der Ausschlag wie gewünscht kleiner wird. Es muß also durch die Hilfseinrichtung erzwungen werden, daß immer diese zweite Möglichkeit eintritt.

Zu diesem Zweck wird an der Abnahmeanode des Untersetzers A (Fig. 5) eine Impulserzeugungsstufe, etwa nach Fig. 2, angeschaltet. Am Ausgang dieser Stufe tritt nun jedesmal dann ein negativer Impuls auf, wenn die Anodenspannung des Untersetzers nach positiven Werten geht, d. h.

zeitlich dann, wenn (Fig. 3 c, A) die Impulse 1, 3, 5 ... auftreten. Diese Impulse werden an das zur Abnahmeanode des Untersetzers B zugehörige Gitter geführt. Sie haben dann keine Wirkung, wenn dieser Untersetzer im gewünschten Takt kippt (Fig. 3 d, B₂), weil dann im Zeitpunkt ihres Auftreffens dieses Gitter sowieso seine stabile negative Vorspannung hat. Ist aus irgendeinem Grunde einmal dieser Untersetzer außer Takt geraten, etwa beim Einschalten des Gerätes oder bei Änderungen am Meßobjekt, so korrigieren die eintreffenden Impulse sofort den Fehler. Bildet man die Differenzierstufe nach der Fig. 4 aus, so hat man die Möglichkeit, durch Betätigung des Umschalters S die Spannungssprünge an der Anode des Untersetzers A sowohl nach positiven Werten (wie eben beschrieben) als auch nach negativen Werten zur Erzeugung der Kontroll- und Korrekturimpulse heranzuziehen. Die Verwendung des Spannungssprunges nach negativen Werten bedeutet eine umgekehrte Synchronisation des Untersetzers B, wie dies der ersten Möglichkeit in Fig. 3 d, B₁ entspricht.

Auf diese Weise kann mit dem Umschalter 6" (Fig. 4) wahlweise Vor- bzw. Rückläufigkeit der Skala eingestellt werden, was bedeutet, daß entweder der Phasenwinkel φ oder der zugehörige Komplementärwinkel 360⁰—φ zur Anzeige kommt. Eine solche Einrichtung hat den Vorteil, daß durch einen entsprechenden parallel zum Anzeigeinstrument geschalteten Widerstand immer ein niedrigerer Vollausschlag als 360⁰ bei der Messung eingestellt werden kann, was die Ablesegenauigkeit erhöht. So kann beispielsweise ein Phasenwinkel von 326⁰ nicht nur im relativ ungenauen Bereich mit 360⁰ Vollausschlag abgelesen werden, sondern kann durch Betätigen des Schalters^indeniKomplementärwinkelsoo—'3.26° = 34⁰ umgewandelt werden und ist damit in einem Bereich mit z. B. 45° Vollausschlag genauer zu messen. '

In Fig. 5 ist zusammenfassend ein vollständiges Blockschaltbild für den Erfindungsgedanken als Beispiel wiedergegeben.

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Verfahren zur Phasenmessung, bei dem die aus den beiden Meß spannungen gewonnenen Rechteckspannungen zwei Gitter einer Elektronenröhre zugeführt werden, deren Anodenstrom ein Maß für die Phasenverschiebung der beiden Meßspannungen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzen der beiden Rechteckspannungen in je einer Frequenzteilerstufe halbiert werden und daß die eine Frequenzteilerstufe über eine automatische Kontroll- und Korrektureinrichtung mit der anderen so gekoppelt ist, daß die Rechteckspannungen am Ausgang der einen Frequenzteilerstufe die andere Frequenzteilerstufe so steuern, daß der Anodenstrom der von beiden Ausgangsspannungen der Frequenzteilerstufen gesteuerten Elektronenröhre im gesamten Bereich

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   eine'r Periode der Meßspannungen eindeutig linear vom Phasenunterschied der beiden Eingangsspannungen abhängt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß durch wahlweise Phasenumkehr der am Ausgang der Kontroll- und Korrektureinrichtung vorhandenen und die zweite Frequenzteilerstufe steuernden Impulse der Anodenstrom der Elektronenröhre vor- oder rückläufig mit der Phasenverschiebung der beiden Meß spannungen einstellbar ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Britische Patentschrift Nr. 654 212.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen