DEV0009311MA - - Google Patents
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Description
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY
Tag der Anmeldung: 6. August 1955 Bekanntgeniacht am 22. November 1956Registration date: August 6, 1955 Announced on November 22, 1956
DEUTSCHES PATENTAMTGERMAN PATENT OFFICE
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 Phasen-' verschiebung der beiden Meß spannungen ist.The invention relates to a method for phase measurement, in which the from the two Measured voltages obtained from rectangular voltages are fed to two grids of an electron tube, whose anode current is a measure of the phase shift of the two measuring voltages.
Es sind zur Phasenmessung verschiedene Einrichtungen bekannt, die eine direkte Anzeige des Meßergebnisses ermöglichen.There are various devices known for phase measurement that provide a direct display of the Enable measurement result.
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 φ ist: i = U ■ cos φ. Hält man die Meßspannungsamplitude konstant, so ist die Anzeige nur vom Phasenwinkel abhängig. Da'die-Skalenteilung des Anzeigeinstrumentes der Kosinusfunktion gehorcht, ist die Anzeige nur von ο bis i8o° eindeutig. Es kann, also nicht zwischen φ und 3600—φ unterschieden wer- ao den. Ein weiterer Nachteil der einfachen Phasenmeßbrücke besteht darin, daß die Empfindlichkeit di/άφ proportional sin φ ist und damit bei φ = o° und φ = i8o° Null wird. Es ergibt sich also eine unerwünschte Skalendrängung am Anfang und am Ende der Skala des Anzeigeinstrumentes. For example, the so-called phase measuring bridge, when dimensioned correctly, supplies a current i for the display instrument which is proportional to the amplitude of the. Measurement voltage and the cosine of the phase angle φ is: i = U ■ cos φ. If the measurement voltage amplitude is kept constant, the display is only dependent on the phase angle. Since the scale division of the display instrument obeys the cosine function, the display is only unambiguous from ο to i8o °. It cannot be differentiated between φ and 360 0 - φ . Another disadvantage of the simple phase measuring bridge is that the sensitivity di / άφ is proportional to sin φ and thus becomes zero at φ = o ° and φ = i8o °. So there is an undesirable scale crowding at the beginning and at the end of the scale of the display instrument.
Zur wenigstens teilweisen Beseitigung der angeführten Nachteile sind verschiedene Methoden bekannt: So kann durch eine Phasendrehung derVarious methods are available for at least partially eliminating the disadvantages mentioned known: So by a phase shift the
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Vergleichsspannungen Um 900 erreicht werden, daß der Anzeigestrom i der Funktion i = U ■ cos (900 —φ) = U · sing? gehorcht, womit die Anzeige wenigstens zwischen —90 und + 900 eindeutig wird. Die inkonstante Empfindlichkeit , di/άφ in Abhängigkeit von φ 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 Begrenzer 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 φ der Eingahgsspannungen der mittlere Anodenstrom %a proportional i8o° —I φ I mit -—i8o° ^ φ ^ + i8o°. und kann direkt zur Anzeige dienen. Die Skala, ist dann rückläufig, linear geteilt und eindeutig zwischen ο und i8o°. Die hier noch verbleibende Ununterscheidbarkeit von φ und 3600 —φ ist schließlich bei einem Verfahren beseitigt, welches im folgenr den Verfahren II genannt werden soll.Comparison voltages around 90 0 can be achieved that the display current i of the function i = U ■ cos (90 0 - φ) = U · sing? obeys, with which the display is unambiguous at least between -90 and + 90 0. The inconsistent sensitivity, di / άφ as a function of φ can be eliminated by converting the sinusoidal input voltages into square waves. This method, which is called method I, is implemented in such a way that the reference and measurement voltage each pass through a limiter and the resulting square waves control an electron tube on two grids in such a way that the anode current can only flow if the positive ones on both grids Then with a phase difference φ of the input voltages, the mean anode current % a is proportional to i8o ° —I φ I with -i8o ° ^ φ ^ + i8o °. and can be used directly for display. The scale is then declining, linearly divided and clearly between ο and i8o °. The indistinguishability of φ and 360 0 - φ , which still remains here, is finally eliminated in a method, which will be called method II in the following.
Hierbei werden nach der Rechteckwellenbildung durch Differentiation an der Stelle der positiven oder negativen Nulldurchgänge der Eingangsschwingungeni Impulse gewonnen, welche einen gleich- und wechselstromrückgekoppelten Kipp-Schwingungskreis 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 3600 entstehen;, ist die Anzeige im ganzen Phasenwinkelbereich von ο bis 3600 eindeutig. Fig. ι 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 Meß frequenz fHz (= Impulsfolgefrequenz in den Kanälen) Tsec = φ/'f · 360. Ist der volle Kathodenstrom ik, so fließt damit im Mittel ein Strom * = h ' φ/3^ο. Kippschwingungskreise der beschriebenen Art haben nun infolge der endlichen Einschwingungsvorgänge eine höchstmögliche Umschaltfrequenz, die bei optimaler Dimensionierung in der Größenordnung von 107Hz liegt. Da bei der genannten Anwendung die Umschaltimpulse in einen zeitlichen Abstand von T = φ/f · 360 auf-. einanderfolgen, so. ist beispielsweise bei einem Phasenwinkel von 3,6° und der Meßfrequenz 105Hz schon der minimal mögliche Wert von T= ιo~~7sec 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 Umsteuervorgänge hinein aussteuern darf. So ist das Verfahren II mit seinen Vorteilen (Linearität und Eindeutigkeit der Anzeige) nur im Tonfrequenzbereich und darüber hinaus bis etwa 100 kHz anwendbar.Here, after the square wave formation by differentiation at the point of the positive or negative zero crossings of the input vibrations, pulses are obtained which control a DC and AC feedback oscillating circuit so that the current in one of the two tubes of this circuit is proportional to the phase angle difference of the input voltages. Since the control pulses in each channel only occur every 360 0 ; the display is clear in the entire phase angle range from ο to 360 0. Fig. Ι shows the circuit diagram of the display circuit. The circle has two stable positions and is reversed from one to the other whenever a negative impulse arrives at one of the grids. If, for example, the right tube system, the cathode current of which is used for display, has become conductive due to a pulse from channel A , this state remains until the next pulse from channel B arrives. This lasts at a measuring frequency f Hz (= pulse repetition frequency in the channels) T sec = φ / 'f · 360. If the full cathode current i k , then a current * = h' φ / 3 ^ ο flows on average. As a result of the finite oscillation processes, relaxation circuits of the type described now have a highest possible switching frequency which, with optimal dimensioning, is of the order of magnitude of 10 7 Hz. Since, in the application mentioned, the switching pulses occur at a time interval of T = φ / f · 360. follow one another, so. For example, at a phase angle of 3.6 ° and the measuring frequency 10 5 Hz, the minimum possible value of T = ιo ~~ 7 sec is already reached. Smaller phase angles at this frequency or this phase angle at higher frequencies can no longer be measured because of the limited switching speed. In reality, the situation is still an order of magnitude less favorable, since in the interest of a more precise display, the tilting oscillation circuit must not be controlled into the reversing processes. Method II with its advantages (linearity and unambiguity of the display) can only be used in the audio frequency range and beyond up to about 100 kHz.
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.However, it would be advantageous in electrical measurement technology, even at higher frequencies, phase angle to be able to measure quickly, safely and clearly. Procedure performed with a cathode ray oscillograph work are usually too cumbersome in the evaluation, while, as described, Phase measuring bridges are not unambiguous and unambiguous methods are not yet suitable for higher frequencies are.
- Inhalt der Erfindung ist eine Einrichtung, die bis zu Frequenzen von einigen MHz die eindeutige Messung von beliebigen Phasenwinkeln zwischen ο und. 3600 bei direkter Anzeige des Meßergebnisses gestattet. .- The content of the invention is a device that allows the unambiguous measurement of any phase angles between ο and up to frequencies of a few MHz. 360 0 is permitted with direct display of the measurement result. .
Erfindungsgemäß werden die Frequenzen der beiden Rechteckspannungen in je einer Frequenzteilerstufe halbiert und die eine Frequenzteilerstufe über eine automatische Kontroll- und Korrektureinrichtung mit xder 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.According to the invention the frequencies of the two square wave voltages are halved in each of a frequency divider stage and the frequency divider stage with an automatic monitoring and correcting means with x of the other coupled to the square wave voltages at the output of a frequency divider stage control the other frequency divider stage so that the anode current of both Output voltages of the frequency divider stages controlled electron tube in the entire range of a period of the measurement voltages is clearly linearly dependent on the phase difference between the two input voltages.
Das Verfahren wird im folgenden beschrieben:The procedure is described below:
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-i?-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. 1, nur werden die Steuerimpulse immer gleichzeitig beiden Gittern zugeführt. Zur gegenseitigen Entkopplung der Gitter können dabei in ebenfalls bekannter Weise Widerstände oder DiodenstreckenAs with methods I and II, the measuring voltages are fed to two channels A and B. In each channel there is a limiter which, in a known manner, forms square waves that are as exact as possible from the sinusoidal oscillations. The number of stages of such a limiter and the dimensioning of the individual stages largely depend on the desired upper frequency limit of the arrangement and the available input amplitude. From the square waves obtained in this way, pulses are formed according to a known method, which follow one another at an interval of a full period. A possible embodiment is a differentiating stage according to FIG. 2. The square wave is applied to a Ci? Circuit, and the subsequent, normally blocked tube, the positive pulse occurring at R is converted into a negative one at the anode, while the negative pulse at R is suppressed. The negative impulses formed are fed from the anode to the grid of a bistable reduction stage. The circuit of this known arrangement is the same as that of FIG. 1, only the control pulses are always fed to both grids at the same time. For mutual decoupling of the grids, resistors or diode sections can also be used in a known manner
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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 imbe switched on. Since such a reduction stage is arranged in each of the two channels, are 'square waves at the outputs of the channels on one anode of the reduction stages half the input frequency is available. These square waves are now used to control a tube with several grids (modulator tube) exactly as in the method described I used. The reduction in the
ίο Verhältnis 1:2 ist jedoch der Anzeigebereich auf die vollen 360° 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.ίο ratio 1: 2 is however the display area on the full 360 ° of the phase angle has been expanded, while the advantage of method I - the larger frequency range - is retained. The coaster stages have in contrast to to respond to the relaxation circuit of method II only to the maximum input frequency, which can be achieved relatively easily by appropriately dimensioning these stages.
Ohne weitere Hilfseinrichtung können jedoch diese Untersetzerstufen wegen der Gleichberechtigung der beiden Röhrensysteme bei einem Phasenwinkel 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 Phasenwinkel unterschieden in volle Übereinstimmung bringt. Zur Vereinfachung der Beschreibung sei der Spezialfall herausgegriffen, daß die Meßspannungen sich um 900 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. 3 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 900 oder 360—900 = 270°. Die Wahrscheinlichkeit für die Anzeige des richtigen Wertes beträgt somit 1Z2. 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 900 beim Eintreffen der ersten Möglichkeit (Fig. 3 e, 1) der Anzeigeinstrumentenausschlag größer (Rückläufigkeit der Skala), während beim Eintreffen der zweiten Möglichkeit (Fig. 3 e, 2) der Ausschlag wie gewünscht kleiner wird. Es muß also durch die Hilfseinrichtung erzwungen werden, daß immer diese zweite Möglichkeit eintritt. Without further auxiliary equipment, however, because of the equality of the two tube systems, these reduction stages can switch both in the same direction as well as in opposite directions at a phase angle of, for example, o °. An auxiliary device is therefore inserted, which forces the coasters into the correct cycle, which brings the display into full correspondence with the phase angle at the beginning. To simplify the description of the special case is picked out, that the measured voltages differ by 90 0 in phase. In FIG. 3, the voltage forms occurring at the various points in the circuit are plotted against one another. The curve shapes drawn through correspond to channel A, those drawn with dashed lines correspond to channel B. If we assume that the negative pulses of channel A shown in FIG. 3c reverse the reducer of channel A in the manner shown in FIG For channel B, the two listed reversing options remain. As can be seen from Fig. 3e, the two possibilities correspond to a display value of either 90 0 or 360-90 0 = 270 °. The probability of displaying the correct value is therefore 1 Z 2 . Before the auxiliary device is dealt with in more detail, it should be explained with reference to FIG. 3 how the retrograde of the display can be eliminated. As can be seen, while becomes smaller is the phase angle of 90 0 upon arrival of the first option (Fig. 3 e, 1) of the display instrument rash larger (retrograde scale), while the arrival of the second possibility (Fig. 3 e, 2) the eruption becomes smaller as desired. It must therefore be enforced by the auxiliary device that this second possibility always occurs.
Zu diesem Zweck wird an der Abnahmeanode des Untersetzers A (Fig. 5) eine Impulserzeugungsstufe, etwa nach Fig. 2, angeschaltet. Am Ausgang dieser Stufe tritt nun jedesmal dann ein negativer Impuls auf, wenn die Anodenspannung des Untersetzers nach positiven Werten geht, d. h.For this purpose, a pulse generation stage, for example according to FIG. 2, is switched on at the take-off anode of the reducer A (FIG. 5). A negative pulse occurs at the output of this stage every time the anode voltage of the reducer goes towards positive values, ie
zeitlich dann, wenn (Fig. 3 c, A) die Impulse 1, 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 Takt kippt (Fig. 3 d, B2), weil dann im Zeitpunkt ihres Auftreffens 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 Werten (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, B1 entspricht.temporally when (Fig. 3 c, A) the pulses 1, 3, 5 ... occur. These pulses are fed to the grid belonging to the pick-up anode of the reducer B. They then have no effect if this coaster tilts in the desired cycle (Fig. 3 d, B 2 ), because then this grid has its stable negative bias anyway at the time of their impact. If for any reason this coaster gets out of step, for example when switching on the device or when making changes to the test object, the incoming pulses correct the error immediately. If one forms the differentiating stage according to FIG. 4, then one has the possibility, by actuating the switch S, the voltage jumps at the anode of the reducer A according to both positive values (as just described) and negative values to generate the control and To use correction impulses. The use of the voltage jump after negative values means reverse synchronization of the reducer B, as corresponds to the first possibility in FIGS. 3 d, B 1.
Auf diese Weise kann mit dem Umschalter 6" (Fig. 4) wahlweise Vor- bzw. Rückläufigkeit der Skala eingestellt werden, was bedeutet, daß entweder der Phasenwinkel φ oder der zugehörige Komplementärwinkel 3600—φ zur Anzeige kommt. Eine solche Einrichtung hat den Vorteil, daß durch einen entsprechenden parallel zum Anzeigeinstrument geschalteten Widerstand immer ein niedrigerer Vollausschlag als 3600 bei der Messung eingestellt werden kann, was die Ablesegenauigkeit erhöht. So kann beispielsweise ein Phasenwinkel von 3260 nicht nur im relativ ungenauen Bereich mit 3600 Vollausschlag abgelesen werden, sondern kann durch Betätigen des Schalters^indeniKomplementärwinkelsoo—'3.26° = 340 umgewandelt werden und ist damit in einem Bereich mit z. B. 45° Vollausschlag genauer zu messen. 'In this way, the switch 6 ″ (FIG. 4) can be used to selectively set the forward or reverse direction of the scale, which means that either the phase angle φ or the associated complementary angle 360 0 - φ is displayed advantage that always a lower full scale can be set as 360 0 in the measurement by a respective switched in parallel with the display instrument resistance, which increases the reading accuracy. Thus, a phase angle of 326 0 can not be read only in the relatively inaccurate range of 360 0 full scale, for example, but the switch can be converted ^ indeniKomplementärwinkelsoo-'3.26 ° = 34 0 and is therefore to be measured in a range where z. B. 45 ° full scale in more detail by pressing. '
In Fig. 5 ist zusammenfassend ein vollständiges Blockschaltbild für den Erfindungsgedanken als Beispiel wiedergegeben.In Fig. 5 is a complete block diagram for the inventive concept as a summary Example reproduced.
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