DE877046C - Substitution method for phase and amplitude measurement of alternating voltages - Google Patents

Description

Substitutionsverfahren zur Phasen- und Amplitudenmessung von Wechselspannungen In der Praxis begegnet man häufig der Aufgabe, Ävechselspannungen beliebiger gleicher oder in einem rationellen Verhältnis zueinander stehender Frequenzen und beliebiger Amplituden hinsichtlich ihrer Phase und Amplitude zu bestimmen, zu vergleichen bzw. vektoriell zusammenzusetzen. Hierbei kann es sich um Spannungen handeln, deren Amplituden entweder durch ihre Kleinheit oder durch ihre Größe unmittelbaren Meß- oder Vergleichszwecl;en unzugänglich sind. Es seien z. B. Empfangsspannungen von Richtantennen bzw. hohe Generatorspannungen erwähnt.Substitution method for phase and amplitude measurement of alternating voltages In in practice one often encounters the task of alternating voltages of any equal or frequencies in a rational relationship to one another and any Determine, compare, and / or compare amplitudes with regard to their phase and amplitude to assemble vectorially. These can be voltages, their amplitudes direct measurement or comparison purposes either by their small size or by their size are inaccessible. There are z. B. Receiving voltages from directional antennas or high Generator voltages mentioned.

Man wird daher Zwischenglieder vorsehen müssen, im ersten Fall Verstärker, im zweiten Abschwächer.Intermediate links will therefore have to be provided, in the first case amplifiers, in the second attenuator.

Beide, Verstärker und Abschwächer, unterliegen dabei meist hinsichtlich Amplitude und Phase einem Frequenzgang. Hinzu kommen zeitliche Veränderungen der Eichwerte, insbesondere z.B. bei Verstärkern.Both, amplifier and attenuator, are usually subject to Amplitude and phase one frequency response. In addition, there are temporal changes in the Calibration values, especially e.g. for amplifiers.

Sollen z. B. zwei Wechselspannungen in Phase und Amplitude nach Verstärkung miteinander verglichen werden, so müssen die beiden Verstärker auf Nullphase und Amplitude geeicht werden, wobei diese Eichung zeitlich inbonstant ist: Damit wird die Messung bei großem Aufwand zeitraubend und unsicher bzw. ungenau.Should z. B. two alternating voltages in phase and amplitude after amplification are compared with each other, the two amplifiers must be set to zero phase and Amplitude can be calibrated, whereby this calibration is temporally inconsistent: So becomes the measurement is time-consuming and uncertain or inaccurate with great effort.

Für reine Amplitudenmessungen bzw. -vergleiche hat man daher Substitutionsverfahren entwickelt, z. B. für Feldstärkemessungen. Hierbei wird nur ein Empfänger verwendet, der abwechselnd mit den Antennen bzw. geeichten Normalien verbunden wird, wobei die Amplitude meist nach Gleichrichtung am Ausgang des Empfängers gemessen werden kann. Durch die Verwendung eines einzigen, umschaltbaren Empfängers werden Abweichungen der oben gekennzeichneten Art vermieden, da sie sich auf die zu vergleichen- den Spannungen in gleicher Weise auswirken. Es versteht sich von selbst, daß bei einer Speicherung durch Gleichrichtung die Wechselspannungen selbst und damit ihre Phasenbeziehungen verlorengehen. Bei solchen Verfahren handelt es sich demnach um reine Amplitudenmessungen. Substitution methods are therefore used for pure amplitude measurements or comparisons developed e.g. B. for field strength measurements. Only one receiver is used here, which is alternately connected to the antennas or calibrated standards, whereby the amplitude can usually be measured after rectification at the output of the receiver can. By using a single, switchable receiver, deviations are avoided of the type identified above are avoided, as they relate to the the Tensions affect in the same way. It goes without saying that with a Storage by rectification of the alternating voltages themselves and thus their phase relationships get lost. Such methods are therefore pure amplitude measurements.

Umgekehrt sind auch Verfahren bekannt, bei denen durch Umschaltung Phasenmessungen möglich sind. Conversely, methods are also known in which by switching Phase measurements are possible.

Hier ist jedoch Amplitudengleichheit der zu vergleichenden Spannungen vorausgesetzt. Ist diese.nicht von vornherein gegeben, so muß sie durch besondere Maßnahmen (Regelspannungen) erst hergestellt werden. Diese Verfahren gestatten daher zwar Phasenmessungen, aber keine Amplitudenmessungen.Here, however, the amplitudes of the voltages to be compared are equal provided. If this is not given from the outset, it must be given by special Measures (control voltages) are only established. These procedures therefore permit phase measurements, but no amplitude measurements.

Gegenstand der Erfindung ist demgegenüber ein Substitutionsverfahren, das Phasen- und Amplitudenmessungen von Wechselspannungen erlaubt, somit beliebige Wechselspannungen als unabhängige Vektoren nach - Größe und Richtung darstellt. Dies bedeutet offenbar notwendig, daß abweichend von den obengenannten Verfahren die durch die-Umschaltung zerhackten oder modulierten Wechselspannungen nach der Umschaltung wieder in kontinuierliche (unmodulierte) Spannungen rückverwandelt werden oder auf gleiche Modulationsphase gebracht werden, Es ist ferner, z.B. für Peilzwecke, bereits vorgeschlagen worden, die signal- oder zwischenfrequenten Empfangsspannungen auf Resonanzkreise geringer Dämpfung zu geben, so daß die Modulation der Empfangsspannungen durch diese Resonanzkreise unterdrückt wird, ein Verfahren, das von der Mehrfachausnutzung von Leitungen her bekannt ist. In contrast, the invention relates to a substitution process, which allows phase and amplitude measurements of AC voltages, thus any AC voltages as independent vectors according to - magnitude and direction. This obviously means that in deviation from the above-mentioned procedure the alternating voltages chopped up or modulated by the switchover after the Switching can be converted back into continuous (unmodulated) voltages or be brought to the same modulation phase, It is also, e.g. for DF purposes, has already been proposed, the signal or intermediate frequency receive voltages to give low attenuation to resonance circuits, so that the modulation of the received voltages is suppressed by these resonance circles, a process that is avoided by multiple use is known from lines.

Dieses Verfahren stößt jedoch in der praktischen Anwendung auf erhebliche Schwierigkeiten infolge der dem gemeinsamen Empfänger zugemuteten extremen Bandbreite, die, wie ohne weiteres einzusehen ist, abgesehen von den technischen Schwierigkeiten in der Dimensionierung, den Verzicht auf Selektion und Empfindlichkeit des Peilverfahrens bedingt.However, this method meets with considerable practical application Difficulties due to the extreme bandwidth expected of the common receiver, which, as is readily apparent, apart from the technical difficulties in the dimensioning, the renouncement of selection and sensitivity of the DF method conditional.

Demgegenüber ist das in vorliegender Erfindung beschriebene Substitutionsverfahren zur Phasen- und Amplitudenmessung von Wechselspannungen dadurch gekennzeichnet, daß ein gemeinsames Zwischenglied (Verstärker oder Ab schwächer) eingangsseitig zwischen den Spannungsquellen und ausgangsseitig zwischen den zu vergleichenden Meßspannungen unter Einführung einer Frequenztransformation umgeschaltet wird. In contrast, the substitution process described in the present invention is for phase and amplitude measurement of alternating voltages characterized by that a common intermediate element (amplifier or from weaker) on the input side between the voltage sources and on the output side between the ones to be compared Measurement voltages is switched with the introduction of a frequency transformation.

Handelt es sich z. B. bei dem Zwischenglied um einen Empfänger üblicher Bandbreite, so können die hochfrequenten Antennenspannungen mittels Frequenztransformation in tonfrequente Meßspannungen verwandelt werden, so daß die z.B, tonfrequente Schaltmodulation innerhalb der Bandbreite des Empfängers liegt und somit von diesem durchgelassen wird. Die Wirkungen der Schaltmodulation können dann, wie unten angegeben, beseitigt werden. In Bild I bezeichnen Qa und Qb die beiden Spannungsquellen. Die hier angenommenen Spannungsquellen lauten: Qa = A sin (colt +(pa) und Qb= Bsin (wirt t- +b)' Durch den Umschalter U-U wird das Zwischenglied ZG im Eingang abwechselnd an die Spannungsquellen Qa und Qb gelegt, während der Ausgang abwechselnd die Meßspannungen Ma und M liefert: Ma = kA sin (w,t + po + pa) und Mb = kB sin (cv2l + f0 9b) Ma und Mb unterscheiden sich also von Qa und Qb durch den Amplitudenfaktor k (Verstärkung bzw. Is it z. B. more common in the intermediate link to a recipient Bandwidth, this is how the high-frequency antenna voltages can be determined by means of frequency transformation be converted into audio-frequency measurement voltages, so that the e.g. audio-frequency switching modulation is within the bandwidth of the receiver and is therefore allowed through by it will. The effects of the switching modulation can then be eliminated as indicated below will. In Figure I, Qa and Qb denote the two voltage sources. The ones assumed here Voltage sources are: Qa = A sin (colt + (pa) and Qb = Bsin (wirt t- + b) 'Av the switch U-U is the intermediate link ZG in the input alternately to the voltage sources Qa and Qb placed while the output alternately supplies the measuring voltages Ma and M: Ma = kA sin (w, t + po + pa) and Mb = kB sin (cv2l + f0 9b) differentiate between Ma and Mb thus differ from Qa and Qb by the amplitude factor k (gain or

Abschwächung) des Zwischengliedes und durch den Phasengangç70 des Zwischengliedes, der bei Bildung der Phasendifferenz herausfällt, so wie k verschwindet, wenn das Amplitudenverhältnis zwischen den Spannungen gebildet wird. Enthält das Zwischenglied lineare Glieder, so ist w1 = o,.Weakening) of the pontic and by the phase response 70 des Intermediate element, which falls out when the phase difference is formed, just as k disappears, when the amplitude ratio between the voltages is established. Contains that Intermediate link linear links, then w1 = o ,.

Mittels der Frequenztransformation kann durch entsprechende nichtlineare Glieder (Zwischenglied ZG) sowohl eine höhere als auch niedrigere Frequenz gewonnen werden. Von dem Hilfsgenerator HG kann dem Zwischenglied ZG eine derartige Hilfsfrequenz zugeführt werden, daß beispielsweise, wenn die Frequenz der Spannungsquelle w1 eine Hochfrequenz ist, die Hilfsfrequenz w0 ebenfalls eine solche ist, während die Differenzfrequenz cm ovo = w2 eine Tonfrequenz ist. Die Phase von w0-- = 2 ergibt sich bekanntlich aus den Phasen von Wo und ( . Da wo mit dem Zwischenglied ZG umgeschaltet wird, ist die Phase von w, durch die Phase m1 bestimmt. Die Phasendifferenz der Spannungsquellen bleibt somit zwischen M, und Mb erhalten. Ist ferner die Amplitude H der Hilfsfrequenz W0 größer als die Amplituden der zu messenden Spannungen, so bleibt auch das Amplitudenverhältnis gewahrt. By means of the frequency transformation, corresponding non-linear Links (intermediate link ZG) gained both a higher and a lower frequency will. Such an auxiliary frequency can be supplied to the intermediate element ZG by the auxiliary generator HG are supplied that, for example, when the frequency of the voltage source w1 a Is high frequency, the auxiliary frequency w0 is also such, while the difference frequency cm ovo = w2 is a tone frequency. The phase from w0-- = 2 results as is well known from the phases of Wo and (. Since where the intermediate link ZG is used, is the phase of w, determined by the phase m1. The phase difference of the voltage sources is thus retained between M 1 and Mb. Is also the amplitude H of the auxiliary frequency If W0 is greater than the amplitudes of the voltages to be measured, the amplitude ratio also remains preserved.

Ist die Schaltfrequenz des Zwischengliedes ZG größer als die Frequenz der Meßspannungen, so stellen letztere eine Modulation auf der Schaltfrequenz dar. If the switching frequency of the intermediate element ZG is greater than the frequency of the measured voltages, the latter represent a modulation on the switching frequency.

Nach Demodulation und gegebenenfalls Siebung stehen demnach die Meßspannungen amplituden- und phasentreu der Auswertung gleichzeitig zur Verfügung, sofern nur die Umschaltfrequenz höher als die Meßspannung ist.After demodulation and, if necessary, sieving, the measurement voltages are therefore available available at the same time for the evaluation with true amplitude and phase, if only the switching frequency is higher than the measuring voltage.

Ist die Umschaltfrequenz des Zwischengliedes kleiner als die Frequenz der Meßspannungen, so können letztere zwecks Phasenmessung nicht unmittelbar miteinander verglichen werden, da sie infolge der Umschaltung moduliert sind, wobei die Modulationsphasen verschieden sind (bei zwei Meßspannungen z.B. um I80"). Sieht man von der Verwendung eines besonderen Phasennormals, das die Existenz einer weiteren genau gleichfrequenten Spannungsquelle geeigneter Amplitude voraussetzt, ab, so läßt sich in Durchführung des Erfindungsgedankens die Messung der Phasendifferenzen auf verschiedene Weise erreichen, z, B. durch Verwendung von Speichermitteln bzw. Verzögerungsmitteln oder durch Unterdrückung der Umschaltmodulation. If the switching frequency of the link is lower than the frequency of the measuring voltages, the latter cannot be directly connected to one another for the purpose of phase measurement be compared, since they are modulated as a result of the switching, the modulation phases are different (with two measuring voltages e.g. around 180 "). One can see from the use of a special phase normal that indicates the existence of another with exactly the same frequency Assumes a voltage source of suitable amplitude, so can be carried out of the concept of the invention, the measurement of the phase differences in various ways achieve, for example, by using storage means or delay means or by suppressing the switching modulation.

Im ersteren Fall kann z. B. die Spannung Ma durch Speicherung und Wiedergabe gegenüber der Spannung Mb so verzögert werden, daß die Modulationsphasen sich ganz oder teilweise decken, d. h. M" wird z. 13. nach der Umschaltung zeitlich um 1/2 Schaltperiode verzögert (Zeit U/2 in Bild 2). Als bekannte Speicher-bzw. Verzögerungsmittel seien beispielshalber elektromagnetische Registrierung bzw. elektrische Ketten- glieder erwähnt. Hierbei kann es zweckmäßig sein, die Umschaltfrequenz in Beziehung zur Frequenz der Meßspannungen zu setzen zum Zwecke der Phasenkontinuität der Meßspannungen. In the former case, for. B. the voltage Ma by storage and Playback can be delayed with respect to the voltage Mb so that the modulation phases completely or partially coincide, d. H. M "is timed, for example, 13th after the switchover delayed by 1/2 switching period (time U / 2 in Figure 2). As a known memory or. Delay means are, for example, electromagnetic registration or electrical Chain members mentioned. It can be useful here to set the switching frequency related to the frequency of the measurement voltages for the purpose of phase continuity of the measuring voltages.

Andererseits kann der Phasen- und Amplitudenvergleich auch durch Unterdrückung der Umschaltmodulation erreicht werden. Hierzu kann folgender Weg eingeschlagen werden. Es sei als Zahlenbeispiel angenommen, daß 0>2 eine Tonfrequenz von I000 Hz sei. Die Umschaltung erfolge z.R. mit 200 Hz. On the other hand, the phase and amplitude comparison can also be carried out Suppression of the switching modulation can be achieved. This can be done in the following way be taken. As a numerical example, assume that 0> 2 is a tone frequency of 1000 Hz. The switchover takes place mainly with 200 Hz.

Die Meßspannungen sind demnach mit 200 Hz moduliert. Der Modulationszustand ist in Bild 3 dargestellt.The measurement voltages are accordingly modulated at 200 Hz. The modulation state is shown in Figure 3.

Außer der Tonfrequenz o, mit I000 Hz treten je nach Art des Schaltvorganges zwei oder mehrere Seitenfrequenzen auf im Abstand von je 200 Hz. In Bild 3 sind vier Seitenfrequenzen angenommen. Bild 3 gilt sinngemäß sowohl für Ma als auch für 1cm,, wobei die Modulationsphasen um I80" auseinanderliegen.In addition to the audio frequency o, I000 Hz occur depending on the type of switching process two or more side frequencies at a distance of 200 Hz each. In Figure 3 are four side frequencies assumed. Figure 3 applies mutatis mutandis to both Ma and to 1cm ,, whereby the modulation phases are 180 "apart.

Die Meßspannungen Ma und Mb mit I000 Hz sind also trotz Umschaltung dauernd vorhanden, sie interferieren jedoch mit den Seitenfrequenzen im Schalttakt.The measuring voltages Ma and Mb are 1000 Hz despite the switchover always present, but they interfere with the side frequencies in the switching cycle.

Durch Verwendung von SiebenS in Bild 1 und 3 können die Seitenfrequenzen ausgesperrt werden, so daß die beiden Meßspannungen 111a und Mb sowohl für die Zwecke der Amplituden- als auch der Phasenmessung unmittelbar zur Verfügung stehen.By using SiebenS in pictures 1 and 3, the side frequencies be locked out, so that the two measurement voltages 111a and Mb both for the purposes the amplitude as well as the phase measurement are immediately available.

Bei sehr schmalen Sieben kann zwecks Vermeidung des steilen Phasengangs wiederum von der oben beschriebenen Frequenztransformation -mittels Hilfsfrequenz und Schwebungsbildung Gebrauch gemacht werden, indem als Hilfsfrequenz im obigen Beispiel etwa 950 Hz gewählt werden kann. Bei eng benachbarten Frequenzen wird die Phase der Schwebung nicht mehr durch den Phasengang der Siebe beeinflußt, sie ist vielmehr, wie oben erwähnt, durch die Phasen der erzeugenden Frequenzen bestimmt. Die Meßspannungen llIa und Mb werden phasen- und amplitudentreu durch Demodulierung der Schwebung 1000 950 = 50 Hz gewonnen und können dann in bekannter Weise durch Anzeige aus dem Braunschen Rohr oder durch Phasenmesser ausgewertet werden. In the case of very narrow sieves, in order to avoid the steep phase response again from the frequency transformation described above using the auxiliary frequency and beat formation can be made use of as an auxiliary frequency in the above Example about 950 Hz can be chosen. If the frequencies are closely spaced, the The phase of the beat is no longer influenced by the phase response of the sieves, it is rather, as mentioned above, determined by the phases of the generating frequencies. The measurement voltages llIa and Mb are phase and amplitude true by demodulation of the beat 1000 950 = 50 Hz and can then be carried out in a known manner Display from the Braun tube or by phase meter can be evaluated.

Der Erfindungsgedanke ist nicht auf den Vergleich von zwei Spannungen begrenzt, sondern die Umschaltung kann zwischen mehreren Spannungen erfolgen. The idea of the invention is not based on the comparison of two voltages limited, but the switchover can take place between several voltages.

Claims (9)

PATENTANSPRÜCHE: I. Substitutionsverfahren zur Phasen- und Amplitudenmessung von Wechselspannungen, dadurch gekennzeichnet, daß ein gemeinsames Zwischenglied (Verstärker oder Abschwächer) eingangsseitig zwischen den Spannungsquellen und ausgangsseitig zwischen den zu vergleichenden Meßspannungen unter Einführung einer Frequenztransformation umgeschaltet wird. PATENT CLAIMS: I. Substitution method for phase and amplitude measurement of alternating voltages, characterized in that a common intermediate member (Amplifier or attenuator) on the input side between the voltage sources and on the output side between the measured voltages to be compared with the introduction of a frequency transformation is switched. 2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Frequenztransformation zu höheren oder niedrigeren Frequenzen im Zwischenglied nichtlineare Glieder vorgesehen sind. 2. The method according to claim I, characterized in that for the purpose Frequency transformation to higher or lower frequencies in the intermediate link nonlinear Links are provided. 3. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Frequenztransformation im Zwischenglied Summen- bzw. Differenzfrequenzen mittels einer oder mehrerer Hilfsfrequenzen gebildet werden, wobei die entstehenden Meßspannungen dieselben Phasen- und Amplitudenverhältnisse aufweisen wie die Spannungsquellen. 3. The method according to claim I, characterized in that for the purpose Frequency transformation in the intermediate element using sum or difference frequencies one or more auxiliary frequencies are formed, the resulting measurement voltages have the same phase and amplitude relationships as the voltage sources. 4. Verfahren nach Anspruch I oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltfrequenz höher als die Frequenz der Meßspannungen ist, wobei die Meßspannungen durch Demodulation und gegebenenfalls Siebung bzw. Glättung gewonnen werden. 4. The method according to claim I or the following, characterized in that that the switching frequency is higher than the frequency of the measuring voltages, the measuring voltages can be obtained by demodulation and, if necessary, sieving or smoothing. 5. Verfahren nach Anspruch I oder 2 bzw. 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichheit der Modulationsphasen der beiden durch Umschaltung des Zwischengliedes gewonnenen Meßspannungen durch Speicher- bzw. Verzögerungsmittel hergestellt wird. 5. The method according to claim I or 2 or 3, characterized in that that the equality of the modulation phases of the two by switching the intermediate element obtained measurement voltages is produced by storage or delay means. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltfrequenz zur Frequenz der Meßspannungen in feste Beziehung gesetzt wird. 6. The method according to claim 5, characterized in that the switching frequency is set in a fixed relationship to the frequency of the measuring voltages. 7. Verfahren nach Anspruch I oder 2 bzw. 3, dadurch gekennzeichnet, daß für Vergleichs- bzw. 7. The method according to claim I or 2 or 3, characterized in that that for comparison resp. Meßzwecke die durch die Umschaltung des Zwischengliedes entstehende Modulation der Meßspannungen unterdrückt wird. Measurement purposes resulting from the switching of the intermediate link Modulation of the measuring voltages is suppressed. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterdrückung der Modulation durch Siebe erfolgt. 8. The method according to claim 7, characterized in that the suppression the modulation takes place through sieves. 9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Vermeidung von Phasenfehlern der Meßspannungen in den Sieben mittels einer oder mehrerer Hilfsfrequenzen Schwebungen erzeugt und durch die Siebe geleitet werden, wobei nach anschließender Demodulation die Schwebungsspannungen als Meßspannungen zum Phasen- und Amplitudenvergleich verwendet werden. 9. The method according to claim 1 to 8, characterized in that for the purpose Avoidance of phase errors in the measuring voltages in the sieves by means of an or several auxiliary frequencies beats are generated and passed through the sieves, after subsequent demodulation, the beat voltages are used as measurement voltages can be used for phase and amplitude comparison. Angezogene Druckschriften: USA.-Patentschriften Nr. 2 408 122, 2 284 475; schweizerische Patentschrift Nr. 256 871. References: U.S. Patents No. 2,408,122, 2nd ed 284,475; Swiss patent specification No. 256 871.