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Einrichtung zum Messen des Gütefaktors von elektrischen
Schwingungskreisen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Messen des Gütefaktors (der Gütezahl) von elektrischen Schwingungskreisen.
Wie bekannt, stellt die genaue Messung der Gütezahl von elektrischen Schwingungskreisen, insbesondere von Mikrowellenhohlraumresonatoren eine ziemlich schwierige Aufgabe dar. Am einfachsten kann die Gütezahl aus der Resonanzfrequenz und aus der Differenz von um 3 dB unterhalb des Scheitels der Resonanzkurve liegenden Punkten zugeordneten Frequenzen gemäss der Formel Q=f,/ (f, *-f) errechnet werden, wo Q die Gütezahl oder den Gütefaktor, fo die Resonanzfrequenz des Schwingungskreises, schliesslich fl und f die beiden den um 3 dB unterhalb des Scheitels der Resonanzkurveliegenden Punkten zugeordneten Frequenzen bedeutet. Zwecks Bestimmung der Gütezahl oder des Gütefaktors müssen demnach prinzipiell drei Frequenzen und zwei Leistungspegel, d. h. insgesamt fünf Grössen gemessen werden.
Wie bekannt, besteht die genaueste Methode der Gütezahlermittlung in einem Vergleich des zu untersuchenden Schwingungskreises mit einem Schwingungskreis von bekannter Gütezahl in der Weise, dass die Reso" nanzkurve des Schwingungskreises mit unbekanntem Gütefaktor und die Resonanzkurve eines Schwiagungtkreises mit veränderlicher aber geeichter Gütezahl am Schirm einer Kathodenstrahlröhre sichtbar gemacht und die Gütezahl des geeichten Schwingungskreises so lange geändert wird, bis die beiden Kurven sichtlich genau identisch werden, da dann die gesuchte Gütezahl dem geeichten Gütefaktor gleich ist. Die Messgenauigkeit ist dabei durch die Dicke der am Schirm der Kathodenstrahlröhre erscheinenden Linien und durch die subjektive Urteilsfähigkeit der die Messung durchführenden Person beschränkt.
Der Gütefaktor eines Schwingungskreises kann dabei bekanntlich durch Erhöhung seiner Verluste ge- ändert werden. Bei aus konzentrierten Elementen aufgebauten Schwingungskreisen kann zu diesem Zweck in an sich bekannter Weise ein veränderlicher Widerstand parallelgeschaltet werden.
Eine wesentlich höhere Genauigkeit kann erreicht und der Vergleich kann verhältnismässig bequemer durchgeführt werden, wenn die Gleichheit der Gütezahl des zu untersuchenden Schwingungskreises und des Gütefaktors des geeichten Schwingungskreises durch Anzeigegeräte angezeigt wird. Dies ist durch die Erfindung ermöglicht. Dabei wird zwecks Ermittlung der Gütezahl nicht die Übereinstimmung der Formen von am Schirm einer Kathodenstrahlröhre erscheinenden Resonanzkurven beurteilt, sondern die Gleichheit von zwei skalaren Grössen an einem Anzeigeinstrument festgestellt.
Es kann gezeigt werden, dass die Gütezahl oder der Gütefaktor eines Schwingungskreises gemäss folgender Form errechnet werden kann :
EMI1.1
EMI1.2
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die Resonanzkurve beschreibenden Frequenzfunktion y von e bis co, d. h. eine zwischen der die Funktion y2 darstellenden Kurve und der Frequenzachse liegende Fläche bedeutet.
Diese Formel kann aus der Gleichung der Resonanzkurve eines Schwingungskreises abgeleitet werden, der aus einem Widerstand, aus einer Induktanz und aus einer Kapazitanz besteht, wobei die Gleichung selbst folgendermassen lautet :
EMI2.1
Hier ist U die Spannung zwischen den Klemmen des Schwingungskreises, L die Induktivität, C die Kapazität und R der Verlustwiderstand des Schwingungskreises. Die Gleichung (2) kann bei Einführung des Wer-
EMI2.2
umsatzes in die Gleichung (1) umgestaltet werden.
Es genügt demnach den zu untersuchenden Schwingungskreis und einen Schwingungskreis mit geeich- ter Gütezahl auf dieselbe Resonanzfrequenz fl) abzustimmen und die dem Quadrat der die Resonanzkurven der beiden Schwingungskreise beschreibenden Funktion entsprechenden veränderlichen Spannungen herzustellen, da durch einen Vergleich der Scheitelwerte dieser Spannungen und ihrer auf ein endliches Intervall bezogenen Mittelwerte die Übereinstimmung der Gütezahlen oder Gütefaktoren bereits eindeutig festgestellt werden kann.
Bei der erfindungsgemässen Einrichtung wird im zu untersuchenden Schwingungskreis und einem Schwingungskreis mit geeichter Gütezahl durch einen frequenzmodulierten Schwingungserzeuger oder Oszillator Schwingungen erregt und die auf diese Weise erhaltenen Schwingungen über einen Quadratgleichrichter je einem Verstärker mit veränderlicher Verstärkung zugeführt. Die Resonanzfrequenzen der beiden Schwingungskreise und die mittlere Frequenz des frequenzmodulierten Schwingungserzeugers oder Oszillators wird auf denselben Wert eingestellt bzw. abgestimmt, wobei die Modulation derart gewählt wird, dass der Frequenzhub grösser ist als die zu erwartende Bandbreite.
In diesem Fall entstehen in den Schwingungskreisen Schwingungen, deren Amplitudenkurve (Umhüllungskurve) der Resonanzkurve entspricht, wobei am Ausgang des Quadratgleichrichters eine sich mit dem Quadrat der die Resonanzkurve beschreibenden Funktion ändernde Spannung erhalten wird. Wie bekannt, ist das Ausgangssignal eines quadratischen Gleichrichters dem Quadrat des Eingangssignals proportional, wobei bei kleinen Eingangssignalen die bekannten Gleichrichter praktisch ausnahmslos einen quadratischen Charakter aufweisen. Die beiden erhaltenen Spannungen werden nach Verstärkung einem Spitzendifferenzvoltmeter und einem Differenzvoltmeter für Mittelwerte zugeführt.
Die Erfindung bezieht sich demnach auf eine Einrichtung zum Messen des Gütefaktors eines elektri- schen Schwingungskreises durch Vergleich mit einem Schwingungskreis von bekanntem Gütefaktor und besteht darin, dass der zu untersuchende Schwingungskreis und der Schwingungskreis mit bekanntem Gütefaktor durch lose Kopplung einerseits an einen frequenzmodulierten Schwingungserzeuger, anderseits an je einen quadratischen Gleichrichter angeschlossen sind, wobei die Ausgänge der beiden quadratischen Gleichrichter über je einen Verstärker an ein Spitzendifferenzröhrenvoltmeter und an ein Differenzvoltmeter für Durchschnittswerte angeschlossen sind.
Die Messung selbst erfolgt in der Weise, dass nach gegenseitiger Abstimmung der Schwingungskreise und des Schwingungserzeugers (Oszillators) bzw. nach Einstellung des Frequenzhubes einerseits die Verstärkung der beiden Verstärker, anderseits die Gütezahl (der Gütefaktor) des geeichten Schwingungskreises so lange abgeändert wird, bis die beiden Differenzvoltmeter einen Null-Ausschlag anzeigen. Dann sind die an den Ausgängen der beiden Verstärker auftretenden Spannungen sowohl bezüglich des Spitzenwertes als auch des Mittelwertes einander gleich, so dass gemäss der Gleichung (1) auch die Gütezahlen (Gütefaktoren) der Schwingungskreise einander gleich sind. Die Gütezahl (der Gütefaktor) des untersuchten Schwingungskreises kann dabei auf der dem Gütezahlregelknopf des geeichten Schwingungskreises zugeordneten Skala unmittelbar abgelesen werden.
Die Einrichtung ist zum Ermitteln der Gütezahlen sowohl von aus konzentrierten Induktivitäten und Kapazitäten bestehenden Schwingungskreisen, als auch von Mikrowellenhohlraumresonatoren geeignet.
Die zum Modulieren des Schwingungserzeugers (Oszillators) verwendete Spannung kann eine beliebige Form aufweisen, da es sich um Vergleichsmessungen handelt, so dass die Messung durch die Spannungsform nicht beeinflusst wird.
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Eine beispielsweise Ausführungsform der erfindungsgemässen Messeinrichtung ist in der Zeichnung dargestellt.
Der Ausgang eines frequenzmodulierten Schwingungserzeugers (Oszillators) 1 ist mit einem zu unter-
EMI3.1
lose gekoppelt, wobei seine mittlere Frequenz auf die gemeinsame Resonanzfrequenz der Schwingungskreise abgestimmt iM. Die ausdenSchwingungskreisen 2,3 ausgekoppelten und durch quadratische Gleichrichter 4,5 gleichgerichteten, sodann mittels Verstärker 6, 7 verstärkten Spannungen ändern sich proportional zum Quadrat der die entsprechenden Resonanzkurven beschreibenden Funktionen. Die Differenz der Spitzenwerte dieser beiden Spannungen wird durch einSpitzendifferenzröhrenvoltmeter 8 und die Differenz ihrerDurchschnittswerte durch ein fürDurchschnittswerte empfindlichesDifferenzröhrenvoltmeter 9 gemessen.
Zwecks Messung muss die Verstärkung der Verstärker 6 und 7 derart eingestellt werden, dass das Spitzendifferenzröhrenvoltmeter 8 eine Differenz von Null anzeigt, wobei die Gütezahl des bekannten Schwingungskreises so lange geändert werden muss, bis auch das für Durchschnittswerte empfindliche Differenzröhrenvoltmeter 9 sich auf einen Ausschlag von Null einstellt. Dann sind die Gütezahlen (Gütefaktoren) der beiden Schwingungskreise gleichwertig, wobei die zu ermittelnde Gütezahl auf der dem Gütezahlregler des bekannten Schwingungskreises zugeordneten Skala unmittelbar abgelesen werden kann.
Wie aus obigem hervorgeht, weist die erfindungsgemässe Einrichtung den grossen Vorteil auf, dass die Messgenauigkeit durch die mangelnde Frequenz-und AmplitudenstabilitSt des zur Messung verwendeten Generators nicht beeinflusst wird, da es sich um eine Vergleichsmessung handelt. Durch die Anwendung einer Nullmethode kann die Eichung der Röhrenvoltmeter wegfallen, wobei die Messgenauigkeit durch die Abänderung ihrer Empfindlichkeit nicht beeinträchtigt wird. Die Messung kann sehr schnell durchgeführt werden, so dass Kenngrössen des Versuchshohlraumes sich z. B. infolge von Temperaturschwankungen während der kurzen Messdauer nicht ändern.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Einstellungen mechanisch durchgeführt werden können, wobei bei Regelung der Verstärkung lediglich der Ausschlag des Röhrenvoltmeters 8 und während der Abänderung der Gütezahl (des Gütefaktors) lediglich der Ausschlag des Röhrenvoltmeters 9 beobachtet werden muss. Die Anwendung der Differenzmethode ermöglicht ausserdem mittels der Erhöhung der Verstärkung eine wesentliche Zunahme der Empfindlichkeit der Einrichtung, die weder kostspielig ist. noch einen Indikator mit Kathodenstrahlröhre erfordert.