DE2301090A1 - Direkt ablesbares phasenmessgeraet - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein direkt ablesbares Phasenmeßgerät zur Anzeige der Phasenverschiebung zwischen zwei sinusförmigen Signalen gleicher Frequenz.

Bei mechanischen Schwingungsuntersuchungen ist die Anzeige der Phasenverschiebung zwischen zwei elektrischen Signalen für die Abschätzung von Unwuchtermittlungen wichtig. Die gebräuchliche Technik zur indirekten Anzeige der Phasenverschiebung benutzt eine in Abhängigkeit eines Eingangssignals zyklisch gespeiste stroboskopische Lampe und die Ableitung eines weiteren Eingangssignals in Abhängigkeit der Unwucht eineo Rotors. Eine feste Markierung auf dem sich drehenden Körper scheint dann bei ihrer Beobachtung an einer bestimm-

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ten und der Phasenverschiebung zwischen den beiden. Signalen entsprechenden Phasenstellüng stillzustehen; vgl. US-PS 3 228 235·

Direkt ablesbare Phasenmeßgeräte benutzen zwei Bezizgssignale, von denen eines zyklisch als Referenzimpulssignal und das andere als sinusförmiges Schwingungssignal abgeleitet wird; vgl. die HS-PS 3 331 2^2. und 3 501 965· Das Referenzimpulssignal wird in ein synchrones sinusförmiges Referenzsignal umgewandelt, dessen Phase dann mit dem Schwingungssignal verglichen wird. Die zwei sinusförmigen Signale werden modifiziert und zur Ansteuerung eines 360 -Anzeigeinstruments .·; benutzt, um eine direkte Ablesung der Phasenverschiebung zu bewirken.

Eine andere Technik benutzt einen synchronen Sinusgenerator, , der ein Referenzsignal an die einen Eingänge eines Oszillographen gibt. Ein Schwingungssignal wird an die anderen Eingänge des Oszillographen gegeben, um eine sichtbare Darstellung der Phasenverschiebung auf dem Anzeigeschirm des Oszillographen zu bewirken; vgl. US-PS 3 077 781.

Diese bekannten Anzeigeanordnungen für Phasenverschiebungen haben jedoch verschiedene Nachteile. Die ein Stroboskop verwendende Technik erfordert die Auswertung der Beobachtungen durch eine Bedienungsperson und ergibt keinerlei positive Zahleninformationen, die automatisch aufgezeichnet werden könnten. Das direkt ablesbare Phasenmeßgerät mit einer kreisförmigen, 350 umfassenden Skala ist ziemlich teuer und erfordert relativ aufwendige Schaltungen zur Umwandlung der Eingangssignale in das Meßgerät steuernde Eingangssignale. Das Oszillographenverfahren ist ähnlich dem Str ob οskop-Verfahren, da es ebenfalls keine aufzeichenbare Werte zur Ver-

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fügung stellt und die Auswertung und Beobachtung durch eine Bedienungsperson erforderlich macht. Das Stroboskop-Verfahren erfordert außerdem noch ein relativ teures Stroboskop.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein neues, direkt ablesbares Phasenmeßgerät zu schaffen, das bei relativ einfachem Schaltungs- und Meßgeräteaufwand eine genaue numerische Anzeige der jeweiligen Phasenverschiebung erlaubt,, die ohnei-größei! , ^r:,v Aufwand auch automatisch aufzuzeichnen ist. .

Bei einem Phasenmeßgerät der genannten Art ist diese Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst durch eine erste Schaltung zur Erzeugung eines Gleichstroms mit einer Amplitude, die sich linear in eine Richtung mit einer zwischen O und 180 anwachsenden Phasenverschiebung zwischen den beiden Signalen ändert und sich linear in umgekehrter Sichtung mit einer zwischen 180° und 360° anwachsenden Phasenverschiebung zwischen den beiden Signalen ändert, durch ein Gleichspannungsvoltmeter> mit einer Anzeigefläche und zwei Skalen, von denen eine von 0 bis 180° in eine Richtung und die andere von 180 bis 360° in die andere Richtung reicht, durch eine zweite Schaltung zur Abgabe des Gleichstromsignals an das Voltmeter und durch auf die Phasenverschiebung zwischen den beiden Signalen ansprechende Anzeiger, die einen ersten Zustand bei einer Phasenverschiebung zwischen 0 und 180 undröinen zweiten Zustand bei einer Phasenverschiebung zwischen 180 und 360° anzeigen.

Das erfindungsgemäße Phasenmeßgerät weist ein direkt ablesbares Gleichspannungsvoltmeter mit zwei Skalen auf, wobei eine Anzeigeeinrichtung die jeweils geltende Skala angibt. Die Skalen reichen von 0 bis 180° in eine Richtung, z.B. im Uhrzeigersinn und von 180 bis 360 in der entgegengesetzten Richtung, z.B. gegen den Uhrzeigersinn bei dem angenommenen Beispiel. Dabei wird ein relativ billiges Gleichspanmmgs-

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Voltmeter benutzt. Die Meßgeräteanzeige gibt die Phasendifferenz zwischen zwei elektrischen Signalen gleicher Frequenz an. Obwohl das erfindungsgemäße Phasenmeßgerät besonders für mechanische Schwingungsuntersuchungen geeignet ist, ist es auch bei allen den Systemen zu benutzen, bei denen eine Anzeige der Phasendifferenz zwischen zwei elektrischen Signalen gleicher Frequenz gewünscht wird.

Die zwei Eingangssignale werden als Sinussignale in Rechtecksignale gleicher Frequenz umgewandelt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eines der beiden Signale invertiert. Das Rechtecksignal A und das invertierte Rechtecksignal B werden addiert und ihre Summe, eine positive Gleichspannung,wird zur Ansteuerung eines Gleichspannungsvoltmeters benutzt. Die Summe der beiden Signale ist O, wenn die beiden Signale phasengleich sind. Ihre Summe zeigt auf dem Voltmeter den Höchstausschlag, wenn die beiden Signale um 180 gegeneinander phasenverschoben sind. Die Summe ist auf der Mitte der Skala ablesbar, wenn die beiden Signale 90 ' oder 270 gegeneinander phasenverschoben sind. Mit Ausnahme der beiden an den Enden der Voltmeterskala angegebenen Werte sind also die Anzeigen des Voltmeters mehrdeutig. Die Mehrdeutigkeit wird bei dem erfindungsgemäßen Phasenmeßgerät dadurch unterbunden, indem ein Anzeiger optisch oder anders, wie z.B. akustisch oder elektrisch, einen Zustand angibt, wenn die beiden Eingangssignale gegenseitig zwischen 0 und 180 phasenverschoben sind, und einen anderen Zustand angibt, wenn die beiden Signale gegenseitig zwischen 180 und 360° phasenverschoben sind.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung unterbindet eine Schwellwert-Begrenzungsschaltung das Arbeiten des Phasen-

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meßgerätes so lange, bis eines der Eingangssignale eine vorbestimmte, minimale Amplitude hat. -

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf das erfindungsgemäße Phasenmeßgerät,

Pig. 2 einen Impulsplan verschiedener in dem erfindungsgemäßen Phasenmeßgerät auftretender elektrischer Signale,

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Spannungs-Phasendifferenz-Abhängigkeit, die bei der erfindungsgemäßen Schaltung benutzt wird,

Fig. 4 ein schematisches Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Schaltung,

Fig. 5 ein schematisöher Stromlaufplan der wichtigsten Teile der erfindungsgemäßen Schaltung, die als Blockschaltbild in Fig. 4 dargestellt ist,

Fig. 6 ein schematischer Stromlaufplan weiterer wichtiger Teile des in Fig. 4 gezeigten Blockschaltbilds, und

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Spannungs-Phasendifferenz-Abhängigkeit, die in der in Fig. 6 gezeigten Schaltung benutzt wird.

Eine ein Phasenmeßinstrument 10 betätigende Schaltung in einem Gehäuse 11 weist zwei Eingangsanschlüsse 12 und 15 und eine elektrische Speisequelle 14 auf, die Wechselspannung oder Gleichspannung abgeben kann. Das Phasenmeßgerät kann Jedoch

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auch mit Hilfe einer Batteriespeisung netzunabhängig sein. Das Phasenmeßinstrument 10 weist ein Gleichspannungsvoltmeter mit zwei Skalen 15 und 16 und einen Zeiger 17 auf. Die Skala 15 ist, wie gezeigt, von O bis 180° im Uhrzeigersinn unterteilt. Die Skala 16 ist von 180 bis 360° gegen den Uhrzeigersinn hin unterteilt. Dabei ergibt sich eine Mehrdeutigkeit, wenn der Zeiger 17 sich in der gezeigten Stellung befindet, d.h. entweder 40 oder 320 ablesbar sind. Um diese Mehrdeutigkeit aufzulösen, ist neben den Skalen 15 und 16 ein Paar von Anzeigelampen 18 und 19 vorgesehen. Die Skala 15 ist vorzugsweise in der gleichen Farbe gedruckt wie die Lampe 18, z.B. rot,und die Skala 16 vorzugsweise in der gleichen Farbe wie die Lampe 19» z.B. grün. Auf diese Weise liest die Bedienungsperson den angezeigten Wert durch den Zeiger 17 auf der Skala ab, die die gleiche Farbe hat wie eine der Lampen 18 und 19»die gerade aufleuchtet. Zu jeder Zeit leuchtet nur eine der Lampen 18 und 19 auf.

Das die Schaltung beinhaltende Gehäuse 11 weist außerdem einen Phaseneinstellknopf 20, der später beschrieben wird, und eine Anzahl von Potentiometer- oder Regelwiderstandsknöpfei 21,22, 23,24 und 25 auf.

Bei der normalen Anwendung des Phasenmeßgerätes wird an den Eingang 13 ein sinusförmiges Referenzsignal gegeben. Ein echwingungsabhängiges und ebenfalls sinusförmiges Signal der gleichen Frequenz wie das Referenzsignal wird an den Eingang 12 gegeben. Das Instrument 10 zeigt automatisch die Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen an.

In Fig. 2 ist ein typisches schwingungsabhängiges Signal mit A bezeichnet. Ein invertiertes Rechtecksignal B wird aus dem Signal A abgeleitet. Es ist zu erkennen, daß bei positivem

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Signal A das Signal B negativ ist. Ein ähnliches Referenzsignal ist mit C bezeichnet. Das Referenzsignal C eilt dem Referenzsignal A um etwa 60° nach. Das, Signal D ist ein aus dem Referenzsignal C abgeleitetes Rechtecksignal. Es ist zu erkennen, daß bei positivem Hechtecksignal D das Referenzsignal C positiv ist. Die Signale B und D haben die gleiche Amplitude.

Die Summe der beiden Rechtecksignale B und D ist unter E gezeigt. Die Amplitude des Signals E ist doppelt so groß wie die des Signals B oder D. Das Signal E ist während eines Sechstels einer Periode positiv, während ein.es Sechstels einer Periode negativ und nicht vorhanden oder O während 2/3 einer Periode.

Es ist ferner zu erkennen, daß , wenn das Schwingungssignal A und das Referenzsignal unmittelbar phasengleich wären, das invertierte Rechtecksignal, das dem Schwingungssignal A' entspricht, an allen Punkten gleich, und entgegengesetzt dem vom Referenzsignal abgeleiteten Rechtecksignal wäre, d.h. die Summe der beiden sich ergebenden Hechtecksignale würde gleich O Volt.

Als weiteres Beispiel ist das Referenzsignal F in Fig. 2 dargestellt. Das Referenzsignal F eilt dem Signal A um 1^0 nach. Ein dem Signal F entsprechendes Rechtecksignal ist unter G dargestellt. Die Summe des Rechtecksignals G und des invertierten Hechtecksignals B ist als Signal H dargestellt, das die doppelte Amplitude wie das Signal B oder G hat. Das Signal H ist während 5/12 einer Periode positiv, während 5/12 einer Periode negativ und während 1/6 einer Periode nicht vorhanden oder 0« :

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Schließlich ist zu erkennen, daß, wenn das Schwingungssignal A um Ί80 gegenüber dem Referenzsignal phasenverschoben wäre, das aus dem Referenzsignal abgeleitete Rechtecksignal mit dem invertierten Rechtecksignal aus dem Schwingungssignal koinzidieren würde. Das sich ergebende Summensignal würde während einer halben Periode positiv und während einer halben Periode negativ sein.

Bei Berücksichtigung allein der negativen Komponenten des Summensignals 2-E oder 2-H ist es möglich, die in Fig. 3 gezeigte Abhängigkeit abzuleiten, bei der die Gleichspannung, die schraffierten Teile der Signale 2-E und 2-H, von O aus linear anwächst, wenn die beiden Signale phasengleich sind, bis zu einem Maximum, wenn die beiden Signale um 180 gegenseitig phasenverschoben sind, und anschließend linear von dem maximalen Wert auf 0 absinkt, wenn die beiden Signale erneut phasengleich sind. Durch geeignete Skaleneinteilung eines Gleichspannungsvoltmeters gibt das Summensignal eine genaue Anzeige der Phasendifferenz zwischen den zwei Eingangssignalen an.

Die für das erfindungsgemäße Phasenmeßgerät benutzten Schaltungen sind in den Fig. 4,5 und 6 dargestellt. Wie in Fig. gezeigt, weist die Schaltung Eingangsanschlüsse 12,13, ein Gleichspannungsvoltmeter 10 und Anzeigelampen 18 und I9 auf. Der EingangsanSchluß 12 ist über einen invertierenden Begrenzer 26 mit einem MiseheranSchluß 27 verbunden. Der Eingangsanschluß 13 ist über eine Phaseneinstellschaltung 28, die gewöhnlich auf eine Nulleinstellung eingestellt ist, und über einen nicht-invertierenden Begrenzer 29 mit dem MiseheranSchluß 27 verbunden. Die Summe des Ausgangssignals

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des invertierenden Begrenzers 26 und des nicht-invertierenden Begrenzers 29 wird vom Miseheranschluß 27 über einen invertierenden Addierer 30 an das Voltmeter 10 gegeben. Der Anschluß 12 ist außerdem über eine Schwellwertschaltung 31 mit dem Miseheranschluß 27 verbunden, der ein positives Signal an den Miseheranschluß 27 gibt, solange das Eingangssignal am Anschluß 12 ein voreingestelltes Minimum übersteigt. Das positive Signal am Miseheranschluß 27 erzeugt ein Signal mit dem Pegel O am Ausgang des invertierenden Addierers 30.

Eine Null-Abgleichschaltung 32 erzeugt ein positives oder negatives Signal am Miseheranschluß 27, um irgendwelche Schaltungsinterne Abdrifteigenschaften des Addierers 30 zu kompensieren. Die Null-Abgleichschaltung 32 wird gewöhnlich bereits beim Hersteller aif die besonderen Eigenschaften der Schaltungselemente abgeglichen.

Das Ausgangssignal des invertierenden Addierers 30 ist ein elektrisches Signal mit einem Wert von 0, wenn die an die Anschlüsse 12 und 13 gegebenen Signale phasengleich sind, und hat einen maximalen Wert des vollen Skalenausschlages auf dem Voltmeter 10, wenn die Signale an den Anschlüssen 12 und 13 gegenseitig um 180° phasenverschoben sind. Auf diese Weise hat das Gleichspannungsvoltmeter 10 ein der in Fig. 3 gezeigten Kurve entsprechendes Ansprechverhalten.

Die Anzeigeschaltung für die Lampen weist ein Paar von Differenziergliedern 33 und 34· auf, die mit entgegengesetzten Anschlüssen eines Flip-Flop-Multivibrators 35 verbunden sind. Das Ausgangssignal des Flip—Flop-Multivibrators 35 wird über eine Mittelwertschaltung 36 an einen nicht-invertierenden Addierer 37 und schließlich über eine Lampenschaltung

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an die beiden Lampen 18 und 19 gegeben, die jeweils eine der beiden Lampen einschalten.

Das Ausgangssignal des invertierenden Begrenzers 26 ist ein Rechtecksignal, das über dasDifferenzier.glied 33 abgegeben wird, um einen Impuls für jeden Signalübergang vom Negativen zum Positiven zu erzeugen. In gleicher Weise wird das Ausgangssignal des nicht-invertierenden Begrenzers 29 an das Differenzierglied 34- gegeben, um einen Impuls bei jedem Signalübergang vom Negativen zum Positiven zu. erzeugen. Die Impulse von einem der Differenzierglieder veranlaßt den Multivibrator 35 zur Abgabe eines Ausgangssignals. Die Impulse des anderen Differenzierglieds dienen zur Abschaltung des Multivibrators 37* um ^an dessem Ausgang O-Signal zu.erzeugen. Sind die beiden Impulse der Differenzierglieder 33 und 34- 180° gegeneinander phasenverschoben, so ist der Multivibrator 35 während einer Halbwelle einer Einschaltperiode leitend und während der anderen Halbwelle der Einschaltperiode nicht leitend. Mit dem Wachsen der Verzögerungszeit von O aus von dem Ab schalt-Signalimpuls wächst die Einschaltperiode des Multivibrators 35 von O bis zu einem maximalen Wert, wenn die Verzögerungszeit 360° erreicht. Das Ausgangssignal des Multivibrators 35' ist daher ein unterbrochenes Gleichspannungssignal, aus dem in der Mittelwertschaltung 36 ein Mittelwert gebildet werden kann, um ein Gleichstromsignal zu erzeugen, das eine der Phasendifferenz zwischen den beiden Eingangssignalen zu den Differenziergliedern 33 und 34- entsprechende Amplitude hat. Dieses ist in Fig. 7 gezeigt, wo die Gleichspannung 39 linear mit der Phasendifferenz über den Bereich von O bis 360° wächst. Beträgt, wie in Fig. 7 gezeigt, der Wert für den vollen Skalenausschlag 10 Volt, so beträgt der Zwischenwert bei

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180° 5 Volt. Das in Fig. 7 mit dem Bezugszeichen 39 bezeichnete Signal ist das Ausgangssignal der Mittelwertschaltung 36. Eine positive Spannung von dem in Fig. 4 gezeigten Quellansehluß 40 wird so abgeleitet, daß sie exakt die Spannung des Zwischenwertes, d.h. in Fig. 7 5VoIt hat. Dieses Signal vom Anschluß 40 wird mit dem Ausgangssignal der Mittelwertschaltung 36 in dem nicht-invertierenden Addierer addiert, um das in Fig. 7 gezeigte Signal 41 zu erzeugen. Das Signal 41 besteht aus dem Signal 591 zu dem -5 Volt hinzüaddiert wurden. Es ist festzustellen, daß das Signal 41 den linearen Verlauf des Signals 39 hat, jedoch für alle Werte von 0 bis 180° Phasendifferenz hat das Signal

41 einen negativen Wert und für alle Werte von 180 bis 360° Phasendifferenz einen positiven Wert. Das Signal 41 wird an die Lampenschaltung 38 gegeben, die durch Aufleuchten der Lampe 18 bei negativem Signal 41 und durch Aufleuchten der Lampe 19 bei positivem Signal 41 reagiert. Auf diese Weise können die Lampen 18 und 19 der Phasenverschiebung der zwei Eingangssignale zugeordnet werden, um die Mehrdeutigkeit des mit zwei Skalen versehenen Voltmeters i0 zu beseitigen.

Die Schaltung wird in Verbindung mit Fig. 5 im einzelnen erläutert, wobei das sinusförmige Schwingungssignal an den Anschluß 12 gegeben wird und anschließend über einen Widerstand"

42 an den negativen Anschluß einer integrierten Schaltung 43 gegeben, die als invertierender Verstärker arbeitet. Der Widerstand 44 in Kombination mit dem Widerstand 42 bewirkt ein Ausgangssignal höher Verstärkung mit einem Verstärkungsfaktor von bis zu 100 am Ausgang 45.

Ein Paar Zenerdioden 46 und 47 sand mit ihren Anoden zu- ^: sammengeschaltet und dienen zur Begrenzung der Amplitude des verstärkten Signals am Anschluß 45. Gewöhnlich werden

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2enerdioden mit einer Durchbruchspannung von 5 Volt vorgesehen, so daß das Signal am Anschluß 45 nicht größer als 5 Volt sein kann, wodurch die verstärkte Sinuswelle am Anschluß 45 begrenzt und damit die Steilheit des sich ergebenden Rechtecksignals vergrößert wird. Das Rechtecksignal vom Anschluß 45 wird über ein Potentiometer 48, einen Koppelkondensator 49 und einen addierenden Widerstand 45 an den Mischanschluß 27 gegeben.

Eine gleiche Schaltung 29 ist für das Referenzsignal vorgesehen, das vom Eingang 13 für das Referenzsignal über einen Kondensator 51 an den positiven Anschluß einer integrierten Schaltung 52 gegeben wird, die als nicht-invertierender "Begrenzer arbeitet. Die Widerstände 53 und 54 bewirken die gleiche Verstärkung auch bei der integrierten Schaltung 52, wie dieses bei der integrierten Schaltung 53 der Pall war. Das sich am Anschluß 55 ergebende Signal wird auf eine konstante maximale Spannung durch die zwei Zenerdioden 56 und 57 begrenzt, die mit ihren Anoden zusammengeschaltet sind. Die Zenerdioden 56 und 57 haben die gleichen Eigenschaften wie die Zenerdioden 46 und 47- Die sich ergebende begrenzte und verstärkte Sinuswelle erscheint als Rechtecksignal am Aiisgang 55 und wird über einen Koppelkondensator 58 und einen addierenden Widerstand 59 an den Mischeranschluß 27 gegeben. Es ist zu erkennen, daß in dem nichtinvertierenden Begrenzer 29 kein Potentiometer vorhanden ist. Das Potentiometer 48 des invertierenden Begrenzers 26 erlaubt eine Einstellung des Ausgangssignals am Mi scheranSchluß 50 um an das Ausgangssignal des nicht-invertierenden Begrenzers 29 angepaßt zu werden. Das Potentiometer 48 wird bereits vom Hersteller mit einem geeigneten Stellknopf 21, vgl. Fig.1,

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abgeglichen. Der Abgleich stellt sicher, daß die Amplitude der zwei Rechtecksignale, 2-B und 2-D, oder 2-B und 2-G in Fig. 2, identisch ist.

Das Signal vom addierenden Widerstand 50 entspricht dem Signal B der Fig. 2, während das Signal am addierenden Widerstand 59 dem Signal D oder G entspricht. Diese zwei Signale v/erden am Mischeranschluß 27 addiert und an den negativen Eingang einer integrierten Schaltung 60 gegeben, die als invertierender Addierer arbeitet. Der negative Anschluß der integrierten Schaltung 60 ist mit deren Ausgang über eine Diode 61 verbunden. Der Ausgang der integrierten Schaltung 60 ist außerdem über eine Diode 62, einen Arbeitswiderstand 63 und einen Regelwiderstand 64 mit dem Voltmeter 10 verbunden. Ein Widerstand 65 ist parallel zu den beiden Dioden 61 und 62 geschaltet. Bei dieser Anordnung ergibt ein positives Signal am Mischeranschluß 27 eine Verstärkung von 0 durch die integrierte Schaltung 60, da die Diode 61 die integrierte Schaltung in diesem Fall überbrückt. Ist dagegen das an den Mischeranschluß 27 gegebene Signal negativ, so gibt die ingegrierte Schaltung 60 ein entsprechendes positives Signal als Ausgangssignal ab. Die integrierte Schaltung 60 hat einen Verstärkungsfaktor von 1. Der invertierende Addierer 30 unterdrückt daher alle positiven Signalkomponenten und überträgt alle negativen Signalkomponenten in invertierter, d.h. positiver Form. Das an den invertierenden. Addierer 30 gegebene Signal entspricht daher den Signalen 2-E oder 2-H der Fig. 2. Das Ausgangsöignal des invertierenden Addierers 30 entspricht der in Fig. 3 gezeigten Abhängigkeit. Die Amplitude des Ausgangssignals des invertierenden Addierers 30 wird mit Hilfe eines Rogelwiderstands 64 abgeglichen, der

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einen in Fig. 1 gezeigten Einstellknopf 22 aufweist, so daß eine Phasenverschiebung von 180° zwischen den beiden Eingangssignalen einen vollen Skalenausschlag auf dem Voltmeter 10 bewirkt. Der in Fig. 1 gezeigte Stellknopf 20 zur Phaseneinstellung kann dazu benutzt werden, die abgelesene Spannung auf dem Voltmeter 10 so groß wie möglich zu machen, während der Regelwiderstand 64· abgeglichen ist.

Da die integrierte Schaltung 60 bestimmte Drifteigenschaften hat. kann eine kleine Kompensationsspannung von der Null-Stellungsschaltung 32 erforderlich sein, um das Ausgangssignal des invertierenden Addierers 30 auf 0 abzugleichen, wenn die Signale der Begrenzer 26 und 29 gleich 0 sind. Eine geeignete Spannungsquelle wird daher vorgesehen, die ein Potentiometer aufweist, das zwischen einem positiven und negativen Anschluß 66a und 56b geschaltet ist und einen einstellbaren Abgriff 67 aufweist, der über einen Widerstand 68 mit dem MischeranSchluß 27 verbunden ist. Der Potentiometerabgriff 67 wird mit dem in Fig. 1 gezeigten Knopf 23 eingestellt. Damit das Voltmeter 10 keine sinnlosen Anzeigen an zeigt, wenn das an den Anschluß 12 gegebene Eingangssignal lediglich ein Stör- oder ungewolltes Signal ist, das eine Amplitude kleiner als ein vorbestimmter Wert hat, gibt die Schwellwertschaltung 31 gewöhnlich ein positives Signal ab, das über einen Leiter 69 an den Mischeranschluß 27 gegeben wird. Der Wert dieser positiven Spannung am Leiter 69 reicht aus, um die integrierte Schaltung 60 zu sättigen und damit unwirksam zu halten.

Die Schwellwerbschaltung 31 ist parallel mit dem invertierenden Begrenzer 26 zwischen den Eingangsanschluß 12 und den MiseheranSchluß 27 geschaltet. Eine negative Spannung wird

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an einem Anschluß 70 und damit über einen Widerstand 7^ und einen Regelwiderstand 72 an Erde gegeben, wodurch sich eine feste vorbestimmte negative Gleichspannung an dem dazwischenliegenden Schaltpunkt 73 ergibt. Die negative Spannung des Anschlusses 73 wird über einen Widerstand 74 an einen MischerenSchluß 75 gegeben. An diesen Mischeranschluß 75 gelangt außerdem das Signal vom Eingangsanschluß 12 über den Widerstand 76, die Diode 77 und den Widerstand 78- Solange die über den Widerstand 7^ an den Mischeranschluß 75 gegebene negative Spannung den Absolutwert der vom Anschluß 12 über den Widerstand 78 gegebenen Spannung übersteigt, gelangt ein negatives Summensignal an den negativen Eingang einer integrierten Schaltung 79» die als invertierender Verstärker geschaltet ist. Solange eine negative Spannung am negativen Eingang der integrierten Schaltung 79 ansteht, erscheint ein positives Signal am Ausgang 80, das über einen Rückkopplungswiderstand 81 an den positiven Eingang der integrierten Schaltung 79 zurückgeführt wird. Der Rückkopplungswiderstand 81 verriegelt das Ausgangssignal im positiven Zustand und gibt ein positives Signal über einen Widerstand 82 und eine Diode 83 an den Leiter 69· Ein positives Signal, das an den negativen Eingang der integrierten Schaltung 60 im invertierenden Addierer 30 gegeben wird, sättigt de integrierte Schaltung 60, so daß das Ausgangssignal des invertierenden Addierers 30 gleich O ist.

Gelangt ein Ilull-Signal an den Eingangsanschluß 12, das eine Amplitude großer als die vorbontimmte Schwellwertamplitude hat, so wirkt der Widerntand 76 und die Diode 77 als Gleichrichter, um die positiven Komponenten des Signals an den llischeranschluß 75 zu geben. Ein Kondensator

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glättet das gleichgerichtete Signal. Übersteigt der positive- Wert des über den Widerstand 78 gegebenen Signals den negativen Wert des über den Widerstand 74 gegebenen Signals, so wird der Mischerpunkt 75 positiv und ein positives Signal wird an den negativen Eingang der integrierten Schaltung 79 gegeben. Da die integrierte Schaltung 79 als invertierender verstärker geschaltet ist, erscheint das sich ergebende positive Eingangssignal als negatives Ausgangssignal am Anschluß 80. Das negative Signal wird von der Diode 83 gesperrt, so daß keine Spannung an den Leiter 69 gelangt, wenn das Eingangssignal''am Sin~ gangsanschluß 12 den vorbestimmten minimalen Wert übersteigt. Gewöhnlich ist der vorbestimmte minimale Wert etwa 5% äer Amplitude eines gewöhnlichen Einßangssignals. Der genaue Schwellwertpegel kann durch Änderung des negativen Potentials am Anschluß 73 durch Einstellung des Regelwiderstandes 72 mit Hilfe des in Fig. 1 gezeigten Einstellknopfes 24 be- - stimmt werden» Ein Flip-Flop-Multivibrator -Ir hat Eingangs- ; anschlüsse 85 und 86. Das Ausgan^ssignal vom invertierenden Begrenzer 26 wird über einen Kondensator 87 an den Eingangsanschluß 85 gegeben. Das Ausgangßsignal vom nicht-invertierenden Begrenzer 29 wird über einen Kondomsator 88 an den Eingangsanschluß 86 gegeben. Die Kondensatoren 8? und BB dienen als Differenzierglieder und erzeugen ein impulsförmiges Ausgangssignal jedesmal dann, wenn sich das zugeführte Hechtecksignal vom Hegafciven ins Positive ändert. Der Flip-Flop-Multivibrator weist ein Paar von Transistoren 89 und 90 auf, deren Kollektoren mit einer am Anschluß 91 über Widerstände ^; 92 und 93 zugeführtön positiven Spannung verbunden sind und deren Emitter geerdet sind. Die Basis des Transistors 89 ist über einen Widerstand ^4 mit dem Eingangsanschluß 85 verbunden. Die Basis des Transistors 90 ist über einen Widerstand 95 mit dem JSingangsanschluß 86 verbunden. Der Kollek-

am

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tor des Transistors 89 ist mit der Basis des Transistors 90 über einen Widerstand 96, dem parallel ein Kondensator 97 geschaltet ist, verbunden. Der Kollektor des Transistors 90 ist mit der Basis des Transistors 89 über einen Widerstand^w 98 verbunden., dem ein Kondensator 99 parallelgeschaltet ist. Die Basen der Transistoren 89 und 90 sind über Widerstände 100 und 101 mit einem Anschluß 102 verbunden, der mit einer negativen Spannung verbunden ist.

Wie sich aus Fig. 2 ergibt, erscheint das Ausgangssignal 2-B des invertierenden Begrenzers 26 nach seiner Differenzierung als Signal 2-1 am Anschluß 85. In gleicher Weise erscheint das Ausgangs.s4.gnal 2-C des nicht-invertierenden Begrenzers 29 nach seiner Differenzierung als Signal 2-J am Anschluß 86. Der Multivibrator -$φ- hat zwei stabile SchaItzustände.. Wenn die Impulse 104 des Signals 2-1 an die Basis des Transistors 89 gegeben werden, gibt der Multivibrator ·%ψ ein positives Ausgangssignal an seinem Ausgang 103 ab. Das positive Ausgangssignal liegt am Ausgang 103 solange an, bis ein Impuls 105 des Signals 2-J. an den Anschluß 86 und damit an die Basis des Transistors 90 gegeben wird. Dieses schaltet den Multivibrator -4? in seinen anderen Schaltzustand um und es erscheint kein Ausgangssignal am Ausgang 103. Das am Ausgang 103 infolge der Signale 2-1 und 2-J erscheinende Signal ist das Signal 2-K. Es ist zu erkennen, daß die Dauer der Arbeitsperiode im Signal 2-K eine Punktion der Zeit zwischen dem Anlegen eines Impulses 104 und eines Impulses 105 ist. Eilt der Impuls 104 dem Impuls 105 um etwa 1 vor, dann ist dan Signal 2-K für etwa 1 positiv und für etwa 359 der Arbeitnperiode gleich 0. Sind dagegen die Impulse 3Q4 und

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105 gegenseitig um 180° phasenverschoben, so ist das Signal 2-K während einer Halbwelle der Arbeitsperiode positiv und während der anderen Halbwelle gleich 0. Eilt der Impuls 105 dem Impuls 104 um etwa 1° vor, so ist das Signal 2-K für etwa 1° gleich 0 und für etwa 359° positiv . Das Ausgangssignal des Multivibrators wird nach seiner Glättung durch die als Puffer wirkende integrierte Schaltung 106 und nach dem Hindurchlaufen durch die Mittelwertschaltung 36 an den Ausgangsanschluß 107 als Gleichspannung gegeben, dessen Amplitude der Phasendifferenz zwischen den Impulsen 104 und 105 entspricht. Die Form des am Ausgang 107 erscheinenden Signals ist in Fig. 7 als Signal 39 zu erkennen. Die Mittelwertschaltung 36 besteht aus einem einfachen Tiefpaßfilter, das aus einem Paar von Widerständen und aus einem Paar von Kondensatoren gebildet ist.

Das am Anschluß 107 erscheinende Ausgangssignal wird an den nicht-invertierenden Addierer 7» der eine als nicht invertierender Verstärker geschaltete integrierte Schaltung 108 aufweist, und an die Lainpenschaltung 38 gegeben, die in Fig.6 gezeigt sind. Das Signal vom Anschluß 107 wird an den positiven Eingang der integrierten Schaltung 108 gegeben. Eine konstante Spannung wird an den invertierenden Eingang der integrierten Schaltung 108 über den Schaltpunkt 109 gegeben. Das invertierende Eingangssignal hat eine Amplitude, die der Spannung am Schaltpunkt 107 entspricht, die dann auftritt, wenn die zwei Eingangssignale an den Eingangsanschlüssen 12 und 13 ^gegejisgj^ig-um 180° phasenverschoben sind; vgl. 107a in Fig.7· Diese Spannung 107a wird aus einer an den Schaltpunkt 109 über eine aus den Widerständen 110, 111 und dem Potentiometer 112 bestehende Widersbandskette angelegten

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positiven Spannung abgeleitet, wobei der Abgriff des Potentiometers mit der Basis des Transistors Ϊ13 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors II3 ist mit dem Anschluß 109 und der Emitter über einen Widerstand 114 mit dem negativen Anschluß der integrierten Schaltung 108 und über einen Widerstand 114a mit Erde verbunden. Durch Einstellung des Abgriffs des Potentiometers 112 mit dem in Fig. 1 gezeigten Einstellknopf 25 kann die an den negativen Anschluß der integrierten Schaltung 108 gegebene Spannung 107a geeignet verändert werden. Tatsächlich wirkt der nicht-invertierende Addierer zur Änderung des an den Anschluß 107 gegebenen Signals 59» um am Ausgang II5 das Signal 41 zu bilden. Das Signal am Ausgang 115 ist daher positiv, vgl. 41 in Pig. 7» wenn die zwei Eingangsspannungen an den Eingangsanschlüssen 12 und 13 eine Phasenverschiebung von 180 bis 560° aufweisen, und die Spannung am Anschluß 115 ist negativ, vgl. 41 in Fig.7» wenn die zwei Eingangsspannungen eine Phasenverschiebung von 0 bis 180° aufweisen.

Die zwei Lampen 18 und 19 sind über den Anschluß 116 mit einer Wechselstromquelle und über gesteuerte Silizium- ' gleichrichter II7 und 118 mit Erde verbunden. Zwei Transistoren 119 und 120 sind über ihre Basen und über Widerstände 121 und 122 mit dem AusgangsanSchluß 115 verbunden. Der Emitter des Transistors II9 ist mit der Steuerelektrode des gesteuerten Siliziumgleichrichters 117 über einen Widerstand 123 verbunden. Der Emitter des Transistors 120 ist mit Erde verbunden* Der Kollektor des Transistors 120 ist über einen Widerstand 124 mit einer positiven Spantnrag am Anschluß 125, über einen Widerstand 127 »it Erde und außerdem mit der Steuerelektrode des gesteuerten Gleich-

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riehtera.118 verbunden.,Der Kollektor des (Transistor© 119-A;., ist mit de© positive Spannung führenden Anschluß 125 ver- _{;T v} bunden. . . . . = ·..;

Ist das Signal am Anschluß 115 positiv» so wird vom positive Spannung führenden Anschluß 125 ein Signal über den Transistor 119 und die Widerstände 123 und 126 an die Steuer« elektrode des gesteuerten Gleichrichters 117 gegeben, so daß die Lampe 18 über diesen eingeschaltet wird* Außerdem gelangt das positive Signal vom Anschluß 115 an die Basis des Transistors 20, der die Steuerelektrode des gesteuerten Gleichrichters 118 unmittelbar mit Erde verbindet, so daß dieser gesperrt ist und damit die Lampe 19 nicht eingeschal « tet werden kann.· · ■ . .

Wenn ein negatives Signal am Anschluß 11$ erscheint, so wird der entgegengesetzt vorgespannte Transistor 119 gesperrt und die Steuerelektrode des gesteuerten Gleichrichters 117 über den Widerstand 126 mit Erde verbunden. Damit erlischt die Lampe 18, Zur gleichen Zeit gibt die negative Spannung vom Anschluß 115 Sperrspannung an die Basis des Transistors 120, so daß der Transistor 120 ebenfalls gesperrt wird» Dadurch kann eine Spannung an die Steuerelektrode des gesteuerten Gleichrichters 118 über den Widerstand 127 gelangen, wodurch dieser leitend wird· In diesem Pail wird die Lampe 19 über den gesteuerten Gleichrichter 118 eingeschaltet. Das Potentiometer 112 wird durch Drehung des Knopfes 25 eingestellt, so daß die Lampen 18 und 19 genau bei einer al
tet werden.

bei einer abzulesenden Phasendifferenz von 180° umgeschal-

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, das einen invertierenden

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26 und einen nicht-invertierenden »29

benutzt, um die Ableitung genau anzeigender Signale"^ zu er--« leichtern, ist dem Fachmann sofort klar, daß die vorliegende Erfindung auch zwei identische 26 und 29 benutzen kann, die beide invertierende oder beide nicht-invertierende Verstärker sind. In diesem Fall würde das Gleichspannungsvoltmeter 10 in umgekehrter Weise angeschlossen, um die gewünschten Ablesungen zu gestatten.

Obwohl die beschriebenen Ausführungsbeispiele die in Fig.1 gezeigten Voltmeterskalen 15 und 16 mit Ablesungen von O bis 180° in einer Richtung und von 180 bis 360° in der entgegengesetzten Richtung zeigen, können selbstverständlich im Rahmen des Erfindungsgedankens auch andere Teilungen für die Skalen benutzt werden. So können die Skalen auch in Form von Badien oder Wellenlängen unterteilt werden, wobei jede Skala eine halbe Wellenlänge umfaßt. Die Skalen zeigen gewöhnlich zur Vereinfachung an ihrem einen Ende Phasenkoenzidenz und an ihrem anderen Ende entgegengesetzte Phasen an· Es können jedoch auch Skalen benutzt werden, die Phasenkoenzidenz und entgegengesetzte Phasen an irgendeiner anderen mittleren Skalenstelle anzeigen und eine bestimmte Phasendifferenz an den jeweiligen Enden der Skalen zeigen.

-* geändert gemäB Eingabe •Ingegongen am ....Ü:.<^

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Claims (8)

Pa t ent an sprüch e

1. Direkt ablesbares Phasenmeßgerät zur Anzeige der Phasenverschiebung zwischen zwei sinusförmigen Signalen gleicher Frequenz, gekennzeichnet durch eine erste Schaltung (26,27,29,30), zur Erzeugung eines Gleichstroms mit einer Amplitude, die sich linear in eine Richtung mit einer zwischen 0 und 180 anwachsenden Phasenverschiebung zwischen den beiden Signalen ändert und sich linear in umgekehrter Eichtung mit einer zwischen 180 und 3bO° anwachsenden Phasenverschiebung ändert, durch ein Gleichspannungsvoltmeter (10) mit einer Anzeigefläche und zwei Skalen (15» 16), von denen eine von O bis 180 in eine Richtung und die andere von 180 bis 360° in die andere Richtung reicht, durch eine zweite Schaltung (64) zur Abgabe des Gleichstrocsignals an das Voltmeter und durch auf die Phasenverschiebung zwischen den beiden Signalen ansprechende Anzeiger (18,19)» die einen ersten Zustand bei einer Phasenverschiebung zwischen 0 und 180° und einen zweiten Zustand bei einer Phasenverschiebung zwischen 180° und 360° anzeigen.

2. Phasenmeßgerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine dritte Schaltung (26,29) zur Umwandlung der zwei sinusförmigen Signale in Rechtecksignale gleicher Frequenz, durch eine vierte Schaltung (27) zum Addieren der Rechtecksignale zu einem Summensignal und durch eine fünfte Schaltung (30) zur Mittelwertbildung des Summensignals zur Erzeugung des Gleichstromsignals.

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3. Phasenmeßgerät nach Anspruch 2, gekenn» eichene t durch eine sechste Schaltung (26) zum Invertieren eines der zwei Rechteeksignale, bevor diese an die viert© Schaltung (27) gegeben sind.

4·. Phäsenmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 "bis 3,, g β k e η ü ζ e i c h tt e t durch eine SchweHwert'-Begr-eaaungs schal thing (31)» mit der Null-Spannung an tias voltmeter (10) gebbar ist, wenn die Amplitude eines wählten der beiden öinusförmigeB Signale kleiner als ein vor~ bestimmter Wert ist. ,

5. Phasenmeßgerät nach einem der Ansprüche-1 bis 4, g e -■■.... k e η η ζ e i c h η et durch eine siebte Schaltung (28), mit der die Phasenbeziehung des einen der sinusförmigen Signale zum anderen einstellbar ist.

6. Phasenmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5» g e -

k e η η ζ e i c h η e t durch eine achte Schaltung (26,37)t zur Erzeugung eines zweiten Gleichstromsignals, das sich linear von O bis zu einem maximalen Wert ändert* weon sich die Phasenverschiebung zwischen den zwei sinusförmigen Signalen von O bis 360° ändert, und durch eine neunte Schaltung (38), die auf das zweite Gleichstromsignal zur Einschaltung der Anzeiger (18,19) anspricht·

7. Phasenmeßgerät nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η.-ζ ei c h η et , daß mit der neunten Schaltung (38) ein positives Ausgangssignal, wenn die Phasenverschiebung .zwischen O und 180° liegt* und ein i£ gatives Ausgangssignal erzeugbar ist, wenn die Phasenverschiebung zwischen 180 -.; und 360° liegt.

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8. Phaaenmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 "bis 7» dadurch gekennzeichnet , daß die Phasenverschiebung über eine volle Wellenlänge der beiden sinusförmigen Signale angebbar ist, wobei die erste Schaltung (26,27,29,30)«, die beiden Skalen (15,16) des Gleichspannungsvoltmeters (10) und die Anzeiger (18,19) einmal auf eine Phasenverschiebung innerhalb der ersten Halbwelle und einmal auf eine Phasenverschiebung innerhalb der zweiten Halbwelle ansprechen.

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