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Röhrenphasenmesser mit Dberlagerung rechteckförmiger, von der Eingangsamplitude
unabhängiger Stromstöße Um die Phasenlage zwischen Spannungen, Strömen oder zwischen
beiden zu blestimmen, verwendet man außer der bekannten Anordnung nach Bruger und
Thuma und dern Fterrarissystem von Hartmann & Braun, die im wesentlichen bei
Netzfrequenz von 50 Hz arbeiten, Röhrenanordnungen. Schon in einer der ersten Arbeiten
über die Verwendbarkeit von Elektronenröhren in der Meßtechnik (Dr.-Ing. Traut wein,
Dissertation Karlsruhe I92I) wird auch ein Röhrenphasenmesser beschrieben. In dieser
Arbeit erscheint zugleich als ein wesentliches Konstruktionselement von Röhrenphasenmessern
die Begrenzerschaltung. Mit ihrer Hilfe können sinusförmige Strom- oder Spannungsverläufe
verschiedener Amplitude in Strom- oder Spannungskurven annähernd rechteckigen Verlaufs
mit konstantem Scheitelwert übergeführt werden. Der einzige Zusammenhang mit den
sie erzeugenden Sinusverläufen besteht darin, daß die Existenz beider Ströme gleichzeitig
ist. Die Phasenmessung wird bei der bekannten Anordnung nun in der Weise durchgeführt,
daß dem Gitter einer Elektronenröhre dieRechteckstromstößeder einen, der Anode derselben
Elektronenröhre die Rechteckstromstöße der anderen Spannung zugeführt werden und
der Anodenstrom ein Maß für die Verschiebung zwischen den beiden Spannungen abgibt.
Der Zusammenhang zwischen dem Verschiebungswinkel ç und der Größe des Anodenstromes
wird durch eine Eichung dieses Phasenmessers gefunden. Wie sich zeigt, gehören im
allgemeinen zu einem Anodenstromia zwei verschiedene Winkel Sg und ', die zueinander
in einem nicht ohne weiteres erkennbaren Zusammenhang stehen.
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Die Messung ist also nicht eindeutig. Da weiterhin, wie schon erwähnt,
die Phasenwinkeleichung bei einem solchen Gerät auf der Gitterspannungs-Anodenstrom-Kennlinie
einer Elektronenröhre basiert, ist ersichtlich, daß alle Einflüsse auf diese Kennlinie
(Röhrenalterung, Betrieb,sspannungseinflüsse) die Eichung gefährden. Außerdem ist
es unverkennbar, daß die Anordnung infolge ihres unsymmetrischen Aufbaues und der
Röhrenkapazitäten bei Hochfrequenz eine andere Eichkurve haben wird als bei Tonfrequenz.
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Zur Phasenwinkelanzeige ist es ferner bekannt, eine Differentialschaltung
anzuwenden, wobei jede der zu vergleichenden elektrischen Größen zwei Röhren zugeführt
und anodenseitig
die Differenz gebildet wird; doch besteht auch
hier der Nachteil der Abhängigkeit von den Röhrendaten. In einer anderen bekannten
Anordnung zur Bestimmung der Phasenverschiebung zweier Spannungen ist von dem Gebrauch
einer Begrenzerschaltung und rechteckig verlaufender Ströme abgesehen.
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Hier gelingt die Phasenmessung mit Hilfe einer Brückenschaltung, in
deren Diagonale ein Röhrenvoltmeter liegt, durch Ermittlung der absoluten Beträge
dreier Sinusspannungen, aus denen der Phasenwinkel ç errechnet werden kann. Ein
grundsätzlicher Mangel dieser Schaltung liegt wohl darin, daß der Winkel Sg nicht
unmittelbar abgelesen werden kann, sondern erst als Ergebnis einer Rechnung, in
die drei Meßwerte eingehen, zugänglich wird.
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Diese drei Meßwerte basieren wiederum auf der Kennlinie des benutzten
Röhrenvoltmeters und sind somit durch die Röhrenalterung und die Betriebsspannungseinflüsse
gefährdet.
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Durch die Erfindung werden nun fast alle erwähnten Nachteile beseitigt
und eine Reihe neuer Eigenschaften des Röhrenphasenmessers gewonnen, die gemeinsam
keiner der bekannten Anordnungen zukommen. Im wesentlichen sind das I. Unabhängigkeit
von den Einflüssen der Röhrenalterung und der Betriebsspannungen, 2. weitestgehende
Unabhängigkeit der Phasenwinkel anzeige von der Betriebsfrequenz (symmetrische Anordnung
des Meßgerätes!, 3. direkte, eindeutigeAnzeige desVerschiebungswinkels ç ohne Notwendigkeit
einer Phasenwinkeleichung.
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Die erfindungsgemäße Schaltung bedient sich auch der bereits genannten
Überlagerung rechteckförmiger Stromstöße, die durch Begrenzerschaltungen erzeugt
werden, und ist gekennzeichnet durch die Überlagerung in eitler Brückenschaltung,
bei der zwei benachbarte Zweige durch die Begrenzungsröhren gebildet werden und
in deren Diagonale das Meßgerät liegt, dessen Anzeige dem Phasenwinkel proportional
ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung zeigt Abb.
I. Die beiden äußeren Röhren 1 und I' arbeiten in Richtverstärkerschaltung, wie
dies inAbib.2 grundsätzlich veranschaulicht ist. Diese Röhren sind direkt auf die
inneren Begrenzerelemente II und II' gekoppelt. Der Ruhestrom dieser inneren Röhren
wird im Betrieb während einer Halbperiode der zugehörigen, an E bzw. E' liegenden
Wechselspannungen auf den Wert Null gesteuert. Die Wirkungsweise dieser Röhren ist
in Abb. 3 schematisch dargestellt. Wie man leicht sieht, kann die Kurvenform dieses
Anodenstromes in II bzw. II' einem streng rechteckigen Verlauf beliebig weit angenähert
werden, indem man die Amplituden der Gitterwechselspannungen an den äußeren Röhren
1 und I' hinreichend groß macht. Hier ist nun ersichtlich, daß der Verlauf der Kennlinien
aller Röhren ohne Einfluß auf die Phasenmessung bleibt, weil diese Kennlinien nur
den Charakter der Flanken derRechteckströme in den inneren Begrenzerröhren II und
II' bestimmen. Aus Gründen der Meßgenauigkeit werden nun aber diese Fehlerströme
an den Flanken der Rechteckstromkurven so klein als möglich gehalten und somit praktisch
rechteckförmige Ströme erreicht. Damit ist aber der Kennlinieneinfluß zum Verschwinden
gebracht. Die Ermittlung des Verschiebungswinkels g, der beiden an E und E' liegenden
Wechselspannungen wird nun in einer Brückenschaltung durchgeführt, wobei die Brücke
aus den beiden inneren Begrenzerröhren II und II' und den zugehörigen Widerständen
Ra und Ra' besteht.
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Der zur Anzeige dienende Diagonalzweig kann verschieden gestaltet
sein. Beim Betrieb mit hohen Frequenzen wird man ein Thermo element verwenden, wie
es Abb. I zeigt. Das Maß für die Phasenverschiebung ç der Wechselspannungen an E
und E' liefert der Strom im Diagonalzweig der Brücke. Sorgt man dafür, daß die Scheitelwerte
der Ruheströme in den inneren Begrenzerröhren II und II' einander gleich sind, daß
Ra = Ra' ist, und beachtet man ferner, daß Thermoelemente Effektivwerte messen (ff),
so ergibt sich unter der erfül Ibaren Voranssetzung rechteckförmiger Ströme im Ausgangskreis
der Röhren II und II' für den Phasenwinkel:
Den größten Strom Jmax erhält man, wenn man für ç gleich 1l wählt. Daraus folgt,
daß durch eine einfache Festlegung eines einzigen Eichpunktes sofort die ganze Phasenwinkeleichung
gegeben ist. Hierzu kann die in Abb.4 gegebene Eichschaltung dienen, bei der ein
Ohmscher Widerstand an eine Wechselstromquelle angeschlossen ist, dessen Hälften
so an die Eingangsklemmen der Meßanordnung gelegt sind, daß die Punkte a, b, a'
und h' den gleichnamigen Punkten in Abb. 1 entsprechen. Da sich bei jeder beliebigen
Fre quenz eine solche Fixierung leicht vornehmen läßt, werden so auch die Einflüsse
der Röhren und Schaltkapazitäten weitestgehend unwirksam gemacht. Weiterhin sieht
man, daß die Anzeige des Winkels ç ganz eindeutig ist.
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Beim Betrieb im Tonfrequenzbereich ist die Anwendung eines anderen
Phasenwinkelindikators, einer bekannten Gleichrichteranordnung in Verbindung mit
einem Drehspulinstrument im Diagonalzweig der Brücke angehracht,
wie
dies Abb. 5 veranschaulicht. Da das hier verwendete Drehspulinstrument den arithmetischen
Mittelwert des durchfließenden Gleichstromes anzeigt, gilt unter den gleichen Voraussetzungen
wie vordem: Jmax Wie vorher ist die Phasenmessung eindeutig und der Winkel <p
direkt ablesbar. Ebenso ermittelt man Jmax mit Hilfe der Eichschaltung nach Abb.
4.