DE2530723C2

DE2530723C2 - Einrichtung zur Messung der Phasenverschiebung in einer Anordnung gekoppelter Spulen

Info

Publication number: DE2530723C2
Application number: DE2530723A
Authority: DE
Inventors: Werner Basel Buser
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1975-06-16
Filing date: 1975-07-10
Publication date: 1986-11-06
Also published as: SE410903B; FR2315095A1; ATA436576A; FR2315095B1; DE2530723A1; US4078201A; GB1547259A; CH586397A5; SE7606657L

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung der Phasenverschicoung in einer Anordnung gekoppelter Spulen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Einricht. ng ist z. B. bekannt aus der US-PS 32 54 311.

Bei den meisten der bekannten Phasenmeßverfahren werden die Nulldurchgänge der zu vergleichenden Wechselspannungen zur Phasenwinkelmessung herangezogen. Gemessen wird dann die Zeit zwischen vergleichbaren Nulldurchgängen beider Spannungen. Als Beispiel dafür kann die F i g. 5.8/12 aus Steinbuchs »Taschenbuch der Nachrichtenverarbeitung«, Springer-Verlag, 1962, S. 765 angeführt werden.

Werden nur die Nulldurchgänge der zu vergleichenden Wechselspannungen zur Phasenwinkelmessung herangezogen, so können überlagerte Störspannungen die genaue Messung des Phasenwinkels unmöglich machen. Durch Vorschalten von geeigneten Filtern lassen sich die zu untersuchenden Wechselspannungen zwar weitgehend von Störspannungen befreien, doch ist die mit den Filtern verbundene zusätzliche Phasenverschiebung problematisch. An die Genauigkeit und Konstanz der Triggerschaltungen zur Erfassung der Nulldurchgänge werden zudem höchste Anforderungen gestellt.

Es ist weiterhin bekannt (Dissertation »Die Anwendung aktiver RC-Resonatorkreise zur Messung von Phase und Dämpfung an Vierpolen« von Paul Vogel, Univ. Basel, 1972), bei der Phasenwinkelmessung zwischen Ein- und Ausgangsklemmen eines Vierpols den Vierpol in die Rückkopplungsschleife eines aktiven RC-Resonatorkreises zu schalten und bei festgehaltener Eigenfrequenz des Kreises die Phasenverschiebung des Vierpols aus der Änderung eines Spannungsübertragungsfaktors (K)\n einer speziellen Rückführung zu bestimmen. Der schaltungstechnische Aufwand für den Aufbau eines solchen aktiven RC-Resonatorkreises ist bei hinreichend hoher Meßgenauigkeit erheblich.

Die eingangs erwähnte Einrichtung zur Phasenwinkelmtssung an einer Anordnung gekoppelter Spulen (US-PS 32 54 311) zeichnet sich demgegenüber durch einen vergleichsweise einfachen Aufbau aus und erreicht wegen der direkten Frequenzmessung dennoch eine hohe Genauigkeit Die Einrichtung besteht im wesentlichen aus einem regelbaren Verstärker, der über einen zweiteiligen Phasenschieber rückgekoppelt ist und einen Phasenschieberoszillator bildet Jede derTeilstufen des Phasenschiebers dreht das rückgekoppelte Signal um 90°. Die Anordnung gekoppelter Spulen koppelt das Ausgangssignal des Verstärkers über eine weitere Leitung auf einen Schaltungspunkt zwischen den Teilstufen des Phasenschieber zurück, wobei die Phasendrehung dieser Anordnung entweder 0° oder 180° beträgt und damit in Quadratur zum Ausgangssignal der ersten Teilstufe steht

Die Oberlagerung beider Signale führt zu einer Änderung der Eigenfrequenz des Oszillators, die mittels einer Frequenzmeßeinrichtung ausgewertet wird.

Da die Phasendrehung der Spulenanordnung aufgrund ihres speziellen Aufbaus (Differenzspulenanordnung) entweder 0° oder 180° beträgt, ergibt sich durch die Überlagerung der in Quadratur stehenden Signale eine ausreichende Meßgenauigkeit Nicht geeignet ist die bekannte Einrichtung dagegen für Anordnungen gekoppelter Spulen mit beliebiger Phasenverschiebung, weil in diesem Fall die Quadraturbedingung nicht gewährleistet ist und daher die Meßgenauigkeit großen Schwankungen unterworfen ist und im Allgemeinen nicht ausreicht

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Phasenwinkelmeßeinrichtung zu schaffen, bei der die Eigenfrequenz eines Phasenschieberoszillators durch die zu messende Spulenanordnung beeinflußt und die Phasenverschiebung über eine direkte Frequenzmessung bestimmt wird, und die für Spulenanordnungen mit beliebiger Phasenverschiebung geeignet ist und eine gleichmäßig hohe Meßgenauigkeit erreicht

Die Aufgabe wird bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art durch die Merkmaie aus dem Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst

Nachfolgend soll nun die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 den grundsätzlichen Aufbau eines Phasenschieberoszillators mit der erfindungsgemäßen Anordnung des unbekannten Vierpols; und
Fig.2 das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einrichtung.

F i g. 1 stellt den grundsätzlichen Aufbau der Schaltung dar. H(p) bzw. F(p) stellen die Übertragungsfunktionen eines unbekannten Vierpols — hier der Anordnung gekoppelter Spulen- bzw. eines Phasenschiebers dar. Der Verstärkungsfaktor A eines regelbaren Verstärkers wird so eingestellt, daß der Oszillatorkreis mit einer Eigenfrequenz schwingt. Dies ist der Fall, wenn die folgenden Schwingbedingungen erfüllt sind:

(1) φ)+Φ(ρ)=2η,η = 0,\,2,...
(2) \F(p)\-\H(p)\-A = \
mit den Größen

}ω,ω= Eigenfrequenz

Phasenverschiebung des unbekannten Vierpols

= Phasenverschiebung des Phasenschiebers = reeller Verstärkungsfaktor.

Im allgemeinen kann die Übertragungsfunktion F(p) des RC-Phasenschiebers durch verschiedene Netzwer- . ke realisiert werden, z. B. kann ein Allpaß mit der Übertragungsfunktion

w-Tiff

10

Verwendung finden.

Befindet sich aber in der Rückkopplungsschleife des Oszillators eine Spulenanordnung (z. B. Transformator), so können die bei den Eigenresonanzfrequenzen auftretenden Spannungsüberhöhnngen und Phasendrehungen ebenfalls zur Erfüllung der obigen Schwingungsbedingungen (J), (2) führe:n. Der Oszillator kann dadurch auf verschiedenen Frequenzen schwingen, wenn ein Allpaß als Phasenschieber verwendet wird.

Erfindungsgemäß werden bei Vorhandensein einer Spulenanordnung in der Oszillator- Rückk.opplungsschleife diese unerwünschten Schwingungen dadurch behoben, daß die Übertragungsfunktion F(p) durch ein Netzwerk in Gestalt eines 3gliedrigen, entkoppelten RC-Tiefpasses gemäß dem Ausdruck

Detektorspule ein? Quelle verwendet, die konrtanten Wechselstrom abgibt. Durch diese Maßnahme wird verhindert, daß temperaturbedingte Widerstandsänderungen der Detektorspulenwicklung und somit unerwünschte Schwankungen der Spulenzeitkonstante spürbar in Erscheinung treten.

Mit der beschriebenen Anordnung können auch Phasenwinkel zwischen mit Störungen behafteten Spannungen gemessen werden, und zwar mit großer Auflösung und Reproduzierbarkeit. Nach vorheriger Eichung können auch absolute Messungen vorgenommen werden. Zahlreiche Anwendungen in der berührungslosen Temperaturmessung sowie der Materialprüfung sind möglich.

Bei einem praktisch realisierten Gerät (entsprechend F i g. 2) wurde eine Empfindlichkeit von ~ 1 Hz/ 10-^ärad erreicht (/oxlOO). Die Meßfrequenz lag bei 1,6 kHz.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

F(p).

30

verkörpert wird, welcher Tiefpaß die bei den Resonanzfrequenzen der Spulenanordnung entstehenden Spannungsüberhöhungen so stark dämpft, daß bei diesen Frequenzen die obigen Schwingbedingungen (1) und (2) nicht erfüllt werden können.

F i g. 2 zeigt das Blockschaltbild eines Phasenwinkelmeßgeräies am Beispiel einer TemperaturmeBeinrichtung nach dem Wirbelstromprinzip. Die Impedanz der Detektorspule Si wird mit 1 an die Impedanz des 50 Ω-Kabels angepaßt. 2 stellt eine von Hand einstellbare Verstärkerstufe dar, während die Stufen 3, 4 und 5 den 3gliedrigen RC-Tiefpaß bilden. Eine eventuell vorhandene Gleichspannungskomponente wird durch das CR-Glied abgetrennt. Stufe 6 entkoppelt das CR-Glied vom Multiplikator 7, der zusammen mit dem Regler !3 für die Amplitudenbedingung nach (?) sorgt (Faktor A). Die Größe des mittels des Multiplikators eingestellten Verstärkungsfaktors wird am Instrument / angezeigt und kann gegebenenfalls durch Verändern des Verstärkungsfaktors von 2 (in -Stufen) auf einen geeigneten Wert gebracht werden. Der Istwert für den Regler wird durch den Verstärker 11 und Gleichrichter 12 geliefert. 8 ist ein weiterer Verstärker, während Stufe 9 als Leistungstreiber für das Koaxialkabel wirkt. 10 ist die Endstufe für die Spule S₂.15 und 16 bilden zusammen eine phasenstarre Regelschaltung (Phase-Locked-Loop-Schaltung = PLL-Schaltung), die die vom Oszillatorkreis (1 bis 10) erzeugte Frequenz f₀ verhundertfacht. Diese Schaltung ermöglicht bei der Messung der Frequenz nach der Frequenzzählmethode eine Verkürzung der Meßzeit um den Faktor 100 bei gleichbleibender relativer Meßgenauigkeit. Die PLL-Schaltung wirkt zudem als Gleichlauf-Filter (»Tracking Filter«) und eliminiert, bedingt durch die Filterzeitkonstante, etwaige von der Detektorspule aufgefangene Störspannungen. Die Prüfeinheit 14 ermöglicht über die Signallampe L festzustellen, ob die PLL-Schaltung mit der Oszillatorfrequenz synchron läuft. Mit Vorteil wird für die Speisung der

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Messung der Phasenverschiebung in einer Anordnung gekoppelter Spulen, welche Einrichtung einen Phasenschieberoszillator mit einem regelbaren Verstärker, einer vom Ausgang des regelbaren Verstärkers auf seinen Eingang führenden Rückkopplungsleitung und einem in die Rückkopplungsleitung eingefügten Phasenschieber umfaßt, und bei welcher Einrichtung die Eigenfrequenz des Phasenschieberoszillators durch die zu messende Phasenverschiebung beeinflußt und zur Auswertung einer Frequenzmeßeinrichtung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung gekoppelter Spulen (Si, S2) in die Rückkopplungsleitung geschaltet ist, und der Phasenschieber ein 3gliedriger, entkoppelter RC-Tiefpaß(3,4,5)ist

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet üaä zur Verkürzung der Meßzeit in der Frequenzmeßeinrichtung ein Frequenzvervielfacher in Gestalt einer phasenstarren Regelschaltung (15, 16) vorgesehen ist, welche die vom Phasenschieberoszillator abgegebene Eigenfrequenz mit einem Faktor π multipliziert