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Verfahren zur Messung des Phasenwinkels zwischen zwei Wechselspannungen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Phasenmessung, bei dem die aus
den beiden Meßspannungen gewonnenen Rechteckspannungen zwei Gitter einer Elektronenröhre
zugeführt werden, deren Anodenstrom ein. Maß für die Phasenverschiebung der beiden
Meßspannungen ist.
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Es sind zur Phasenmessung verschiedene Einrichtungen bekannt, die
eine direkte Anzeige des Meßergebn.isses ermöglichen.
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So liefert beispielsweise die sogenannte Phasenmeßbrücke bei richtiger
Dimensionierung einen Strom i für das Anzeigeinstrument, der proportional der Amplitude-
der Meßspannung und dem Kosinus des Phasenwinkels 9p ist: i = U - cos
99.
Hält man. die Meßspannungsamplitude könstant, so ist die Anzeige nur vom
Phasenwinkel abhängig. Da die Skalenteilung des Anzeigeinstrumentes der Kosinusfunktion
gehorcht, ist die Anzeige nur von o bis i8o° eindeutig. Es kann, also nicht zwischen
99 und 36o° -(p unterschieden werden. Ein weiterer Nachteil der einfachen Phasen,
meßbrücke besteht darin, daß die Empfindlichkeit di/d cp proportional sin 99 ist
und damit bei 99 = o° und c) = i8o° Null wird. Es ergibt sich
also eine unerwünschte Skalendrängung am Anfang und am Ende der Skala des Anzeigeinstrumentes.
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Zur wenigstens teilweisen Beseitigung der an: geführten Nachteile
sind verschiedene Methoden bekannt: So kann durch eine Phasendrehung der
Vergleichsspannungen
um 9o° erreicht werden, daß der Anzeigestrom i der Funktion i = U
- cos (go° -9p) = U - sin (p gehorcht, womit die Anzeige wenigstens zwischen
-9o und -I- go° eindeutig wird. Die inkonstante Empfindlichkeit di/dcp in Abhängigkeit
von 99 läßt sich durch Umformung der sinusförmigen Eingangsspannungen in
Rechteckwellen beseitigen. Dieses Verfahren, welches Verfahren I genannt sei, wird;
so realisiert, daß Vergleichs- und Meßspannung je einen Begrenze- durchlaufen und
durch die dadurch entstehenden Rechteckwellen eine Elektronenröhre an zwei Gittern
so gesteuert wird, daß der Anodenstrom nur fließen kann, wenn an, beiden Gittern
die positiven Rechteckhalbwellen liegen. Dann ist bei einem Phasenunterschied (.
der Eingangsspannungen der mittlere Anodenstrom i" proportional 18o° --1g9 1 mit
-18o° _< (p < -1- i8o° und kann direkt zur Anzeige dienen. Die Skala ist dann
rückläufig, linear geteilt und eindeutig zwischen, o und i8o°. Die hier noch verbleibende
Ununterscheidbarkeit von (p und 36o° -g9 ist schließlich bei einem Verfahren beseitigt,
welches im folgenden Verfahren II genannt werden soll.
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Hierbei werden nach der Rechteckwellenbildung durch Differentiation
an der Stelle der positiven oder negativen Nulldurchgänge der Eingangsschwingungen
Impulse gewonnen, welche einen gleich- und wechselstromrückgekoppelten Kippschwingungskreis
so steuern, daß der Strom in einer der beiden Röhren dieses Kreises dem Phasenwinkelunterschied
der Eingangsspannungen proportional ist. Da die Steuerimpulse in jedem Kanal nur
alle 36o° entstehen, ist die Anzeige im ganzen Phasenwinkelbereich von o bis 36o°
eindeutig. Fig. i zeigt das Schaltbild des Anzeigekreises. Der Kreis hat zwei stabile
Lagen und wird jedesmal von einer in die andere umgesteuert, wenn an einem der Gitter
ein negativer Impuls eintrifft. Ist beispielsweise das rechte Röhrensystem, dessen
Kathodenstrom zur Anzeige herangezogen wird, durch einen Impuls aus dem Kanal A
leitend geworden, so bleibt dieser Zustand bis zum Eintreffen des nächsten Impulses
aus dem Kanal B erhalten. Dies dauert bei einer Meßfrequenz fHz (= Impulsfolgefrequenz
in den Kanälen) Tsec = 99/f ' 36o. Ist der volle Kathodenstrom ik,
so fließt damit im Mittel ein Strom i = ik - (p/36o. Kippschwingungskreise der beschriebenen
Art haben nun infolge der endlichen Einschwingungsvorgänge eine höchstmögliche Umschaltfrequenz,
die bei optimaler Dimensionierung in der Größenordnung von i07 Hz liegt. Da bei
der genannten Anwendung die Umschaltimpulse in einen zeitlichen Abstand von
T = 991f - 360 aufeinanderfolgen, so ist beispielsweise bei
einem Phasenwinkel von 3,6° und der Meßfrequenz i05 Hz schon der minimal mögliche
Wert von T = io 7 sec erreicht. Kleinere Phasenwinkel bei dieser Frequenz oder dieser
Phasenwinkel bei höheren Frequenzen lassen sich also wegen der begrenzten Umschaltgeschwindigkeit
nicht mehr messen. In Wirklichkeit liegen die Verhältnisse noch um eine Größenordnung
ungünstiger, da man den Kippschwingungskreis im Interesse genauerer Anzeige nicht
bis in die Urnsteuervorgänge hinein aussteuern darf. So ist das Verfahren II mit
seinen Vorteilen (Linearität und Eindeutigkeit der Anzeige) nur im Tonfrequenzbereich
und darüber hinaus bis etwa ioo kHz anwendbar.
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Es wäre jedoch in der elektrischen Meßtechnik vorteilhaft, auch bei
höheren Frequenzen Phasenwinkel schnell, sicher und eindeutig messen zu können.
Verfahren, die mit einem Kathodenstrahloszillographen arbeiten, sind in der Auswertung
meistens zu umständlich, während, wie geschildert, Phasenmeßbrücken nicht eindeutig
und eindeutige Verfahren bisher nicht für höhere Frequenzen geeignet sind.
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Inhalt der Erfindung ist eine Einrichtung, die bis zu Frequenzen von
einigen MHz die eindeutige Messung von beliebigen Phasenwinkeln zwischen o und 36o°
bei direkter Anzeige des Meßergebnisses gestattet.
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Erfindungsgemäß werden die Frequenzen der beiden Rechteckspannungen
in je einer Frequenzteilerstufe halbiert und die eine Frequenrzteilerstufe über
eine automatische Kontroll- und Korrektureinrichtung mit der anderen so gekoppelt,
daß die Rechteckspannungen am Ausgang der einen Frequenzteilerstufe die andere Frequenzteilerstufe
so steuern, daß der Anodenstrom der von beiden Ausgangsspannungen der Frequenzteilerstufen
gesteuerten Elektronenröhre im gesamten Bereich einer Periode der Meßspannungen
eindeutig linear vom Phasenunterschied der beiden Eingangsspannungen abhängt.
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Das Verfahren wird im folgenden beschrieben: Genau wie bei den Verfahren
I und II werden die Meßspannungen an zwei Kanäle A und B geführt. In jedem
Kanal befindet sich ein Begrenzer, der in bekannter Weise aus den Sinusschwingungen
möglichst exakte Rechteckwellen formt. Die Anzahl der Stufen eines solchem Begrenzers
und .die Dimensionierung der Einzelstufen richten sich weitgehend nach der gewünschten
oberen Frequenzgrenze der Anordnung und der zur Verfügung stehenden Eingangsamplitude.
Aus den so gewonnenen Rechteckwellen werden nach einem bekannten Verfahren Impulse
gebildet, die im Abstand einer vollen Periode aufeinanderfolgen. Eine mögliche Ausführungsform
stellt eine Differenzierstufe nach Fig.2 dar. Die Rechteckwelle wird an eine C-R-Schaltung
gelegt, und durch die nachfolgende, normalerweise gesperrte Röhre wird der an R
auftretende positive Impuls in einen negativen an der Anode umgewandelt, während
der negative Impuls an R unterdrückt wird. Die gebildeten negativen Impulse werden
von der Anode an die Gitter einer bistabilen Untersetzerstufe geführt. Die Schaltung
dieser bekannten Anordnung ist die gleiche wie die der Fig. i, nur werden die Steuerimpulse
immer gleichzeitig beiden Gittern zugeführt. Zur gegenseitigen Entkopplung der Gitter
können dabei in ebenfalls bekannter Weise Widerstände oder Diodenstrecken
eingeschaltet
werden. Da je eine solche Untersetzerstufe in den beiden Kanälen angeordnet ist,
stehen an den Ausgängen der Kanäle an jeweils einer Anode der Untersetzerstufen
Rechteckwellen der halben Eingangsfrequenz zur Verfügung. Diese Rechteckwellen werden
nun zur Steuerung einer Röhre mit mehreren Gittern (Modulatorröhre) genau wie bei
dem beschriebenen Verfahren I herangezogen. Durch die Untersetzung im Verhältnis
i : a ist jedoch der Anzeigebereich auf die vollen: 36o° des Phasenwinkels erweitert
worden, während der Vorteil des Verfahrens I - der größere Frequenzbereich - erhalten
bleibt. Die Untersetzerstufen haben dabei im Gegensatz zu dem Kippschwingungskreis
des Verfahrens II nur auf die maximale Eingangsfrequenz anzusprechen, was sich durch
entsprechende Dimensionierung dieser Stufen relativ leicht erreichen läßt.
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Ohne weitere Hilfseinrichtung können jedoch diese Untersetzerstufen
wegen der Gleichberechtigung der beiden Röhrensysteme bei einem Phasen-Winkel von
beispielsweise o° sowohl gleich- als auch gegensinnig umschalten. Es wird deshalb
eine Hilfseinrichtung eingefügt, welche die Untersetzer in den richtigen Takt zwingt,
der die Anzeige mit den, eingangs liegenden Phasenwinkelunterschieden in volle Übereinstimmung
bringt. Zur Vereinfachung der Beschreibung sei der Spezialfall herausgegriffen,
daß die Meßspannungen sich um 9o° in der Phase unterscheiden. In Fig. 3 sind untereinander
die an den verschiedenen Punkten der Schaltung auftretenden Spannungsformen aufgezeichnet.
Die durchgezeichneten Kurvenformen entsprechen dabei dem Kanal A, die gestrichelt
gezeichneten dem Kanal B. Wenn wir annehmen, daß die in Fig.S"c gezeichneten negativen
Impulse des Kanals A den. Untersetzer des Kanals A in der in Fig. 3 d gezeichneten
Weise umsteuern, so bleiben für den Kanal B die beiden aufgeführten Möglichkeiten
der Umsteuerung. Wie man an Fig. 3 e erkennt, entsprechen die beiden Möglichkeiten
einem Anzeigewert von entweder 9o° oder 36o -9o° = a70°. Die Wahrscheinlichkeit
für die Anzeige des richtigen Wertes beträgt somit 1/2. Bevor auf die Hilfseinrichtung
näher eingegangen wird, soll noch an Hand der Fig.3 erklärt werden, wie die Rückläufigkeit
der Anzeige beseitigt werden kann. Wie man erkennt, wird beim Kleinerwerden des
Phasenwinkels von 9o° beim Eintreffen der ersten Möglichkeit (Fig. 3 e, i) der Anzeigeinstrumentenausschlag
größer (Rückläufigkeit der Skala), während beim Eintreffen der zweiten Möglichkeit
(Fig. 3 e, a) der Ausschlag wie gewünscht kleiner wird. Es muß also durch die Hilfseinrichtung
erzwungen werden, daß immer diese zweite Möglichkeit eintritt.
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Zu diesem Zweck wird an der Abnahmeanode des Untersetzers A (Fig.
5) eine Impulserzeugungsstufe, etwa nach Fig. z, angeschaltet. Am Ausgang dieser
Stufe tritt nun jedesmal dann ein negativer Impuls auf, wenn die Anodenspannung
des Untersetzers nach, positiven Werten geht, d. h. zeitlich dann, wenn (Fig. 3
c, A) die Impulse i, 3, 5 ... auftreten. Diese Impulse werden an das zur Abnahmeanode
des Untersetzers B zugehörige Gitter geführt. Sie haben dann keine Wirkung, wenn
dieser Untersetzer im gewünschten Taktkippt (Fig. 3 d, B2), weil dann im Zeitpunkt
ihres Ruftreffens dieses Gitter sowieso seine stabile negative Vorspannung hat.
Ist aus irgendeinem Grunde einmal dieser Untersetzer außer Takt geraten, etwa beim
Einschalten des Gerätes oder bei Änderungen am Meßobjekt, so korrigieren die eintreffenden
Impulse sofort den Fehler. Bildet man die Differenzierstufe nach der Fig.4 aus,
so hat man die Möglichkeit, durch Betätigung des Umschalters S die Spannungssprünge
an der -Anode des Untersetzers A sowohl nach positiven Werter (wie eben beschrieben)
als auch nach negativen Werten zur Erzeugung der Kontroll- und Korrekturimpulse
heranzuziehen. Die Verwendung des Spannungssprunges nach negativen Werten bedeutet
eine umgekehrte Synchronisation des Untersetzers B, wie dies der ersten Möglichkeit
in Fig. 3 d, Bi entspricht.
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Auf diese Weise kann mit dem Umschalter S (Fig.4) wahlweise Vor- bzw.
Rückläufigkeit der Skala eingestellt werden, was bedeutet, daß entweder der Phasenwinkel
99 oder der zugehörige Komplementärwinkel 36o° -9p zur Anzeige kommt. Eine
solche Einrichtung hat den Vorteil, daß durch einen entsprechenden parallel zum
Anzeigeinstrument geschalteten Widerstand immer ein niedrigerer Vollausschlag als
36o° bei der Messung eingestellt werden kann, was die Ablesegenauigkeit erhöht.
So kann beispielsweise ein Phasenwinkel von 3z6° nicht nur im relativ ungenauen.
Bereich mit 36o° Vollausschlag abgelesen werden, sondern kann durch Betätigen des
Schaltors S in denKomplementärwinkel 36o - 3a6° = 34°
umgewandelt
werden und ist damit in einem Bereich mit z. B. 45° Vollausschlag genauer zu messen.
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In Fig. 5 ist zusammenfassend ein vollständiges Blockschaltbild für
den Erfindungsgedanken als 'Beispiel wiedergegeben.