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Verfahren zur Bestimmung der Ubertragungseigenschaften von Vierpolen
in Abhängigkeit von der Frequenz Die nachstehend beschriebene Erfindung bezieht
sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Übertragungseigenschaften von Vierpolen
in Abhängigkeit von der Frequenz. Hierzu gehören die Phasenverschiebung zwischen
der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung des Vierpols und Dämpfung der Ausgangsspannung
gegenüber der Eingangsspannung. Im allgemeinen werden diese Größen bei verschiedenen
Frequenzen unterschiedliche Werte haben. Ihre Kenntnis in Abhängigkeit von der Frequenz
ist insbesondere in Regelanordnungen von Wichtigkeit, in denen sie sowohl für die
einzelnen Ubertragungsglieder als auch für den aufgeschnittenen Regelkreis bestimmt
werden müssen.
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Zur Messung der Phasenverschiebung sind unter anderem Kompensationsverfahren
bekannt, bei denen von der Eingangsspannung des zu untersuchenden Gerätes eine Teilspannung
abgegriffen wird. Diese Teilspannung speist ein Potentiometer, das so eingestellt
wird, daß an ihm eine Hilfsspannung von der Größe der Ausgangsspannung auftritt.
Diese wird über einen Phasenschieber zu der Ausgangsspannung addiert. Mittels des
Phasenscihiebers wird dann die Phasenlage der Hilfsspannnng so verändert, daß die
Summenspannung verschwindet. Andere bekannte Verfahren arbeiten ähnlich.
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Zur Messung der Dämpfung wird das Verhältnis der Eingangs- und Ausgangsspannung
gebildet oder die Ausgangsspannung mit einer von der Eingangsspannung abgeleiteten
künstlich gedämpften Hilfsspannung verglichen. Bei diesen bekannten Verfahren treten
Schwierigkeiten auf, sobald die Messungen bei sich über einen großen Bereich erstreckenden
Frequenzen durchzuführen sind, da zumindest ein Teil der in der Meßanordnung notwendigen
Übertragungsglieder, insbesondere die Phasenschieber selbst, sehr frequenzabhängig
sind. Um die dadurch hervorgerufenen Meßfehler zu vermeiden, ist man bei einem der
bekannten Verfahren dazu übergegangen, mittels Modulatoren eine der Eingangsspannung
des Vierpols entsprechende Vergleicifsspannung und die Ausgangsspannung des Vierpols
in Spannungen mit konstanter Frequenz umzuwandeln und erst diese Spannungen den
Phasenschiebern, Dämpfungsgliedern und Meßgliedern zuzuführen. Da diese Glieder
somit nur noch von Spannungen mit konstanter Frequenz beaufschlagt werden, können
an ihnen auch keine frequenzabhängigen Fehler auftreten. Abgesehen von dem durch
die benötigten Modulatoren und einem Oszillator für die konstante Frequenz bedingten
zusätzlichen Aufwand weist dieses bekannte Verfahren als Nachteile auf, daß es nicht
anwendbar ist für Messungen bei Frequenzen, die in der Nähe der konstanten Frequenz
liegen, und bei sehr tiefen Frequenzen. Dadurch wird
es in seiner Anwendbarlçeit
wesentlich eingeschränkt.
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Für die Regelungstechnik ist aber gerade die Kenntnis der Übertragungseigenschaften
für Spannungen mit Frequenzen von Bruchteilen eines Hertz bis zu einigen Hertz von
besonderer Bedeutung. Für die l;Jmwandlung dieser Spannungen in Spannungen mit konstanter
Frequenz ist aber das bekannte Verfahren nicht geeignet. Bei diesem moduliieren
die Ausgangsspannung des Vierpols und die seiner Eingangsspannung entsprechende
Vergleichs spannung in den Modulatoren Spannungen mit einer der Summe aus der konstanten
Frequenz und. der Prüffrequenz entsprechenden Frequenz. Ist die Prüffrequenz klein
von höherer Ordnung ((10-S) gegenüber der Prüffrequenz, so ist dieAusgangsspannung
des Modulators kein getreues Abbild der modulierenden Spannung.
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Sind Prüffrequenz und konstante Frequenz von der gleichen Größenordnung,
so treten Schwebungsfrequenzen auf, die wiederum frequenzabhängige Fehler in die
Anordnung bringen. Andere elektromechanisch arbeitende Anordnungen sind wiederum
ausschließlich nur für sehr niedrige Frequenzen geeignet.
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Diese Nachteile bei den bekannten Anordnungen kommen bei einem Verfahren
zur Ermittlung der Obertragungsleigenschaften von Vierpolen in Abhängigkeit von
der Frequenz durch Speisung des zu untersuchenden Vierpols mit einer Spannung bekannter
Frequenz,
Phasenlage und Amplitude und Kompensation seiner Ausgangs spannung mit einer Spannung
gleicher Frequenz und einstellbarer Phasen lage und Amplitude naeh der Erfindung
dadurch in Fortfall, daß die kompensierende Spannung aus einer der Eingangsspannung
des Vierpols proportionalen Spannung und einer gegenüber dieser in der Phase um
900 verschobenen Spannung gleicher Frequenz zusammengesetzt und durch Veränderung
der Amplituden dieser beiden Spannungen um einen dem einzustellenden Phasenverschiebungswinkel
proportionalen Wert einer IÇreisfunktion, die gegenüber der den zeitabhängigen Verlauf
der jeweiligen Spannung bestimmenden Kreisfunktion um 900 verschoben ist, in ihrer
Phasenlage eingestellt wird.
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Die zur Durchführung dieses Verfahrens erforderlichen Geräte lassen
sich bei leichtem Gewicht betriebssicher und transportabel herstellen und so auslegen,
daß sie in einem großen Frequenzbereich mit gleicher Genauigkeit arbeiten. Darüber
hinaus fällt bei diesem Verfahren das Erfordernis einer besonderen Einstellung und
Eichung bei den verschiedenen Frequenzen weg.
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Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorteilhaft,
wenn jede der beiden Spannungen, die zusammengesetzt die kompensierende Spannung
bilden, zur Veränderung ihrer Amplitude um einen einer Kreisfunktion der einzustellenden
Phasenverschiebung proportionalen Wert in zwei in ihrer Phasenlage um 1800 verschiedene
Größen aufgespalten wird, die einem ringförmigen Potentiometer mit sinusförmig von
der Stellung des Abgriffes, die der eingestellten Phasenverschiebung entspricht,
abhängigen Widerstandswert an diametral entgegengesetzten Punkten zugeführt werden.
Die an den heiden Potentiometerabgriffen auftretenden Spannungen werden dann addiert
und über ein Glied mit einstellbarer Dämpfung einer Kompensationsschaltung zugeführt,
in die auch die Ausgangs spannung des zu prüfenden Vierpols eingeht. Die an den
Potentiometerabgriffen einstellbare Phasenverschiebung und die Dämpfung der kompensierenden
Spannung wird dann so lange verändert, bis ein Abgleich beider Spannungen erreicht
ist. Die dann an dem Dämpfungsglied und an den Potentiometerabgriffen abzulesenden
Werte entsprechen dann der Dämpfung und der Phasenverschiebung, die der Vierpol
bei der eingestellten Frequenz besitzt.
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Zur Aufspaltung der beiden Ausgangsspannungen des Oszillators in
zwei in ihrer Phase um 1800 entgegengesetzte Spannungen kann je eine Gegentaktschaltung
verwendet werden. Die dem Vierpol zugeführten und die seine Ausgangsspannung kompensierenden
Wechselspannungen können einem zwei Ausgangsspannungen einstellbarer Frequenz liefernden
Oszillator entnommen werden, von denen die eine dem Sinus und die andere dem Cosinus
der eingestellten Frequenz proportional ist.
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Ein besonderer Vorteil der vorgeschlagenen Anordnung besteht darin,
daß sie eine Phasenverschiebung über 3600 ermöglicht und daß die Einstellung unabhängig
von der Frequenz ist. Der Frequenzbereich, in dem die Anordnung arbeitet, ist im
wesentlichen nur von dem Frequenzbereich des Oszillators abhängig.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
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Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild einer die Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ermöglichenden Anordnung. Dabei ist angenommen. daß
die Übertragungseigenschaften
eines Vierpoles 11 zu suchen sind. Dem Vierpol 11 wird eine Wechselspannung von
einem Oszillator 13 zugeführt, dessen Frequenz einstellbar ist.
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Die eine beispielswei!se dem Sinus der eingestellten Frequenz proportionale
Ausgangsspannung des Oszillators wird über die Verbindung 17, gegebenenfalls über
Anpassungs- und Übertragungselemente 19 und 20, dem Eingang 12 des Vierpols zugeführt.
Sein Ausgang 14 ist an die Kompensationsanordnung 16 angeschlossen, die aus der
Kombination der Widerstände 25 und 26 und dem Anzeigegerät 27 besteht.
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Die dem Vierpol zugeführte Spannung wird gleichzeitig über die Verbindung
22 einer Anordnung zugeführt, die aus einem Gegentaktglied 31 besteht, dessen Ausgangsspannungen
über die Verbindungen 32 und 33 den Übertragungsgliedern 34 und 35 und über diese
einem Potentiometer 36 zugeführt werden.
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Einer in der gleichen Weise aufgebauten Anordnung wird auch die zweite
Ausgangsspannung des Oszillators, die dann dem Cosinus der eingestellten Frequenz
proportional ist, über die Verbindung 18 zugeleitet.
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Sie besteht wiederum aus einem Gegentaktglied 39, dessen Ausgänge
40 und 41 über die Übertragungsglieder 42 und 43 an das Potentiometer 44 angeschlossen
sind. Die Potentiometer 36 bzw. 44 sind ringförmig aufgebaut und besitzen einen
um ihren Mittelpunkt drehbaren Abgriff 37 bzw. 45. Beide Abgriffe können gemeinsam
durch Betätigung des Einstellorgans 28 verdreht werden. Der Anschluß der Potentiometer
erfolgt an zwei um 1800 entgegengesetzt liegenden Punkten. Ihr Aufbau in bezug auf
die Widerstandsänderung längs des Umfanges und auf - die Wahl des Nullpunktes ist
nun derart durchgeführt, daß die an dem Abgriff des einen Potentiometers auftretende
Größe dem Cosinus und die an dem anderen Potentiometer auftretende Größe dem Sinus
des Winkels zwischen der Nullstellung des Abgriffs und der eingestellten Lage proportional
ist.
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Setzt man also für die eine Ausgangsspannung des Oszillators die Beziehung
an A sinkt und für die andere A cos cot, so lassen sich die an den Abgriffen der
Potentiometer auftretenden Größen darstellen durch A (sinnt) (cosO) und S(coscot)
(sind), wo 0" der Winkel ist, um den der Abgriff gegenüber der Nullstellung verdreht
wurde. Diese Auslgangsspannungen der Potentiometer werden über die Verbindungen
38 und 46 einer Anordnung 47 zugeführt, in der sie addiert werden. Die Addition
beider Spannungen ergibt A (sin nt) (cos 0") +A (cos nt) (sind) = X (sin cst + 0"),
d. h. eine Spannung, deren Phasenlage gegenüber der dem zu prüfenden Vierpol zugeführten
Spannung um den Winkel 0" verschoben ist; über die Verbindung 23 wird sie einem
Dämpfungsglied 24 zugeführt, dessen Dämpfung an dem Einstellorgan 29 verändert werden
kann. Der Ausgang dieses Dämpfungsgliedes führt über die Zuleitung 15 an die Widerstandskombination
der Kompensationsanordnung 16.
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Fig. 2 zeigt das Ausführungsbeispiel eines Oszillators, wie er zur
Erzeugung einer dem Sinus und einer dem Cosinus der eingestellten Frequenz proportionalen
elektrischen Größe aufgebaut werden kann. Er besteht aus einer Oszillatorröhre 49,
die über Pufferrölhren 53 und 54 auf aus Widerständen und Kapazitäten aufgebaute
Netzwerke wirkt. Die Röhre arbeitet dabei in einer Rückkopplungsschaltung. Die in
ihrer Phasenlage um 900 gegeneinander verschobenen Ausgangsgrößen
können
über die Abgriffe 55 und 56 an den Kathodenwiderständen 57 und 58 abgegriffen werden.
Die Einstellung der Frequenz geschieht durch Änderung der Kapazitäten 60 und 61
bzw. 62 und 63 oder durch Anderung der Widerstände 64. Für die Änderung der Widerstände
ist der Einstellknopf 65 vorgesehen. Der einstellbare Widerstand 60 im Kathodenkreis
der Oszillatorröhre 49 hat dabei die Aufgabe, sicherzustellen, daß die Amplituden
der Ausgangsspannungen unabhängig von der eingestellten Frequenz sind.
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Ein Beispiel einer Anordnung zur Erzeugung einer in der Phase einstellbaren
Kompensationsspannung gibt die Fig. 3 wieder. Die Ausgangsspannungen des Oszillators
13 liegen über die Verbindungen 18 und 22 an den Gittern der Elektronenröhren 68
und 71. Diese Elelstronenröhren sind mit den Röhren 69 bzw. 72 in einer Gegentaktschaltung
vereinigt. Jede der beiden Gegentaktschaltungen liefert über die Ausgänge40 und
41 bzw. 32 und 33 zwei Spannungen, die in ihrer Phase um 1800 voneinander abweichen.
Diese Spannungen beaufschlagen die Gitter der Ausgangs röhren der nur symbolisch
angedeuteten Kathodenverstärker 34, 35 sowie 42 und 43. Die Ausgänge der Kathodenverstärker
sind an diametral gegenüberliegenden Punkten mit dien schon beschriebenen ringförmigen
Potentiometern 36 und 34 verbunden, deren über den Einstellknopf 28 verstellbare
Abgriffe 37 und 45 über die Verbindungen38 und 46, in denen die Widerstände 74 und
75 liegen, an das Gitter der Röhre 77 angeschlossen sind. In dieser Röhre werden
die beiden an den Abgriffen auftretenden Spannungen addiert.
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Die Ausgangsspannung dieser Röhre wird nach Verstärkung in der Röhre
78 über die Verbindung 23 dem in Fig. 1 dargestellten Dämpfungsglied 24 zugeführt.
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An Stelle der beschriebenen Schaltelemente können jedoch der Durchführung
des vorgeschlagenen Verfahrens auch andere Schaltungen zugrunde gelegt werden.
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PATENTANSPROCHE: 1. Verfahren zur Ermittlung der Ubertragungseigenschaften
von Vierpolen in Abhängigkeit von der Frequenz durch Speisung des zu untersuchenden
Vierpols mit einer Spannung bekannter Frequenz, Phasenlage und Amplitude und Kompensation
seiner Ausgangsspannung mit einer Spannung gleicher Frequenz und einstellbarer Phasenlage
und Amplitude, dadurch gekennzeichnet, daß die kompensierende Spannung aus einer
der
Eingangsspannung des Vierpols proportionalen Spannung und einer gegenüber dieser
in der Phase um 900 verschobenen Spannung gleicher Frequenz zusammengesetzt und
durch Veränderung der Amplituden dieser beiden Spannungen um einen dem einzustellenden
Phasenverschiebungswinkel proportionalen Wert einer Kreisfunktion, die gegenüber
der den zeitabhängigen Verlauf der jeweiligen Spannung bestimmenden Kreisfunktion
um 900 verschoben ist, in ihrer Phasenlage eingestellt wird.