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Diskriminator
Die Erfindung betrifft einen Diskriminator mit einem Eingangsstromkreis und einem Ausgangsstrom- kreis, die derart durch einen mechanischen Schwinger miteinander gekoppelt sind, dass eine elektrische
Wechselspannung im Eingangsstromkreis den Schwinger anregt und dieser dadurch eine Wechselspannung im Ausgangsstromkreis erzeugt, wobei des weiteren elektrische Schaltelemente für eine elektrische Ein- kopplung einer konstanten Wechselspannung definierter Phasenlage in den Ausgangsstromkreis vorhanden sind, die aus einer glockenförmigen Resonanzkurve des mechanischen Schwingers die Diskriminatorkenn- linie erzeugen.
Es ist bekannt, Vierpole aus üblichen Bauelementen der Elektrotechnik, wie Spulen, Kondensatoren,
Widerständen, Verstärkerröhren, Transistoren u. dgl., so aufzubauen, dass der Verstärkungsfaktor in einem vorgegebenen begrenzten Frequenzbereich mehr oder weniger genau linear von der Frequenz der Ein- gangsspannung abhängt. Vierpole mit dieser Eigenschaft nennt man Diskriminatoren.
Die bisher bekannten Ausführungen von Diskriminatoren haben den Nachteil, dass sie nicht anwendbar sind, wenn in einem sehr kleinen Frequenzbereich, beispielsweise im Bereich zwischen 170,000 Hz 4 Hz, eine sehr grosse Steilheit erforderlich ist, d. h. wenn in diesem Bereich das Verhältnis zwischen der Änderung der Ausgangsspannung zur Änderung der Eingangsfrequenz sehr gross sein soll.
Der Grund hiefür liegt in der verhältnismässig hohen Verlustleistung der Eisenkernspulen.
Es ist zwar bekannt, wegen ihrer geringen Verlustleistung elektromechanische Filter mit mechanischen Schwingern, z. B. Stäben oder Scheiben aus Quarz oder Metall, an Stelle von Schwingkreisen aus Spulen und Kondensatoren anzuwenden. Bisher ist jedoch noch kein technisch brauchbares Verfahren bekanntgeworden, bei dem sich ein mechanischer Schwinger als wesentliches Bauelement für einen Diskriminator derart verwenden lässt, dass sich die Diskriminatorkennlinie aus der geringen Schwingungsdämp- fung des mechanischen Schwingers unmittelbar ableitet und der mechanische Schwinger nicht bloss zur "Versteilerung" der Kennlinie einer bekannten Diskriminatorschaltung eingesetzt wird. Es ist beispielsweise äusserst schwierig, einwandfreie Diskriminatorkurven mit grösserem Hub mit einem Quarzresonator herzustellen.
Es ist dabei zumindest eine zusätzliche Bedämpfung der Anordnung durch ohm'sche Widerstände erforderlich, was erfahrungsgemäss zu einer Einschränkung des linearen Teiles der Diskriminatorkennlinie und zu einem unsymmetrischen Verlauf dieser Kurve führt.
Die Erfindung beseitigt diese Nachteile dadurch, dass der mechanische Schwinger ein ferromagnetischer Schwinger ist. Es wird dabei durch Ausnützung der natürlichen Dämpfungseigenschaften ferromagnetischer Werkstoffe Diskriminatorkennlinien mit guter Symmetrie und Linearität erzielt, dieeinen Frequenzhub von 100 Hz (statt nur 4 Hz bei Quarz) ermöglichen.
Zusätzlich können Unterbrecher in der elektrischen Rückkopplung vom Ausgangsstromkreis in den Eingangsstromkreis vorhanden sein, damit sich das so ausgerüstete Gerät wahlweise als Diskriminator oder als elektromechanisches Filter verwenden lässt.
Die Erfindung steht im Zusammenhang mit bekannten Erfindungen auf dem Gebiet der elektromechanischen Bandfilter (vgl. USA-Patentschrift Nr. 2, 615,981 und brit. Patentschrift Nr. 722, 664). Diese Erfindungen sind hier insbesondere wegen des erforderlichen kleinen Temperaturkoeffizienten des Elastizitätsmoduls des mechanischen Schwingers von Interesse, damit auf die Verwendung eines Thermosta-
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ten zur Konstanthaltung der Umgebungstemperatur des Schwingers verzichtet werden kann.
Ein solcher Diskriminator hat gegenüber den bekannten Diskriminatoren nicht nur alle Vorteile der einfachen Konstruktion voraus, sondern er lässt sich zudem noch als Schmalbanddiskriminator mit grosser
Steilheit der Kennlinie ausgestalten. Ein Schmalbanddiskriminator ist ein Diskriminator, dessen Linear- tätsbereich das Intervall von : 0, 2elm der Bandmittenfrequenz oder weniger umfasst.
Nachfolgend werden an Hand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel sowie weitere Einzelheiten der
Erfindung und einige Varianten davon erläutert.
In der Zeichnung zeigt die Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch ein Ausführungsbeispiel, bei welchem als mechanischer Schwinger eine kreisförmige Platte verwendet wird, die Fig. 2 das dazugehörige elek- trische Schaltbild, die Fig. 3 ein vergrössertes Detail aus der Fig. 1 und die Fig. 4 das Blockschaltbild der Messanordnung, mit welcher die in der Fig. 5 als Funktion der Eingangsfrequenz dargestellten Aus- gangsspannungen des als Diskriminator und als Filter geschalteten Gerätes gemessen wurden.
Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsbeispiel besitzt ein als Ganzes mit 1 bezeichnetes Metallgehäuse, das beispielsweise aus Cu bestehen kann und das zwei durch eine Trennwand 2 voneinan- der abgeschirmte Räume 3 und 4 enthält. Es weist einen wegnehmbaren Boden 5 und einen wegnehmba- ren Deckel- 6 auf. Auf dem Boden 5 ist ein Träger 7 für den zylinderförmigen Magneten 8 angebracht.
Dieser dient dazu, im Feld der auf dem Ferritkern 9 aufgewickeltenEingangsspule10 die nötige Vormagne- tisierung zu erzeugen. Der Ferritkern 9 kann-z. B. einen Durchmesser von 2,3 mm und eine Länge von
30 mm haben und aus dem Material Hyperox D1 der Firma Krupp bestehen. Er ist zusammen mit der
Eingangsspule 10 am Magneten 8 befestigt. Die Anpassung der Eingangsspule an die HF-Quelle kann in irgendeiner an sich bekannten Art und Weise erfolgen ; im dargestellten Ausführungsbeispiel wird sie durch einen in Serie geschalteten, aus einem Widerstand 11 und einem Kondensator 12 gebildeten Reso- nanzkreis vorgenommen, dessen Bandbreite sehr gross ist gegen die des mechanischen Schwingers 13.
Dieser mechanische Schwinger 13 wird hier durch eine kreisförmige Scheibe aus ferromagnetischem
Material gebildet, die auf drei gehärteten Stahlspitzen 14 aufliegt, von denen jede in einem am Ring 15 befestigten Halter 16 verschiebbar gelagert ist. Dieser Schwinger 13 ist nun so angeordnet, dass er von der Stirnfläche der Eingangsspule 10 einen Abstand von zirka 0,5 mm aufweist. Wie man aus der Fig. 1 der Zeichnung ersehen kann, befindet sich der mechanische Schwinger 13 in einer entsprechenden Bohrung 17 der Trennwand 2, die den im Raum 3 untergebrachten Eingangsstromkreis von dem im Raum 4 untergebrachten Ausgangsstromkreis abschirmt.
Oberhalb des mechanischen Schwingers 13 befindet sich die Ausgangsspule 18, die auf einem Ferritschalenkern 19 sitzt. In der Mitte dieses Schalenkerns 19 steckt ein Vormagnetisierungsmagnet 20. Auf dem zylindrischen Aussenmantel des Schalenkerns 19 ist eine weitere Sekundärwicklung 21 aufgebracht, deren eines Ende am Gehäuse und deren anderes Ende über einen veränderlichen Kondensator 22 und einen Unterbrecher 23 an die Eingangsspeiseleitung angeschlossen ist. Durch das Verändern dieses Kondensators 22 kann die Symmetrie der Diskriminatorkennlinie eingestellt und bei Verschlechterung ihrer Güte nachgetrimmt werden.
Durch die der Eingangsspule 10 zugeführte HF-Energie der Spannung V1 wird der mechanische Schwing ger 13 nach dem Prinzip des Magnettelephons zu Querschwingungen angeregt, die ihrerseits in der oberhalb des Schwingers angeordneten Ausgangsspule 18 eine Wechselspannung erzeugen. Zweckmässigerweise wird, wie man aus der Fig. 3 ersehen kann, als Schwingungsmodus des kreisplattenförmigen Schwingers 13 diejenige Resonanzfrequenz gewählt, bei der zwei konzentrisch angeordnete Knotenkreise auftreten. Natürlich ist auch die Verwendung anderer Schwingungsmodi möglich. Ihre Wahl richtet sich nach der Arbeitsfrequenz des Diskriminators.
Es empfiehlt sich, die geometrischen Abmessungen des Ferritschalenkerns und des Schwingers so zu wählen, dass die konphas schwingenden Flächenelemente des mechanischen Schwingers für eine möglichst grosse Änderung des Flusses der Vormagnetisierung ausgenützt werden können, wie das in der Fig. 3 dargestellt ist, wodurch sich eine gegenüber andern Anordnungen erhöhte Ausgangsspannung V, erzielen lässt.
Ohne diese Sekundärwicklung 21, d. h. bei geöffnetem Unterbrecher 23 erhält man im Ausgangsstromkreis bekanntlich eine Spannung, deren Abhängigkeit von der Eingangsfrequenz durch eine glockenförmige Resonanzkurve wiedergegeben werden kann. Die Sekundärwicklung 21 hat nun die Aufgabe, dass der Ausgangsstromkreis so mit dem Eingangsstromkreis gekoppelt wird, dass. bei richtiger Phasenlage an Stelle der Resonanzkurve eine Diskriminatorkennlinie entsteht.
Als Schaltelement für diese elektrische Kopplung muss jedoch nicht notwendigerweise eine Sekundärwicklung 21 verwendet werden, es lassen sich auch andere Hilfsmittel benützen : so ist es möglich, den mechanischen Schwinger, der im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel geerdet ist, nicht zu
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erden, sondern ihn auf HF-Potential zu legen und so den Eingangsstromkreis mit dem Ausgangsstromkreis kapazitiv zu koppeln.
Des weitern ist es auch möglich, die elektrische Kopplung zwischen den beiden Stromkreisen dadurch zu erhalten, dass bei geeigneter Betriebsfrequenz und entsprechender Ausgestaltung des Luftspaltes zwischen dem mechanischen Schwinger 13 und der Trennwand 2 durch sogenannte Schlitzkopplung die beiden Stromkreise derart miteinander phasenrichtig elektrisch gekoppelt werden, dass das Gerät als Diskriminator arbeitet.
Es lassen sich auch andere Änderungen am vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel vornehmen : So muss z. B. der mechanische Schwinger nicht notwendigerweise auf drei Spitzen frei aufliegen, er kann auch eingespannt werden ; es ist dabei allerdings darauf zu achten, dass die Einspannstelle sich auf einer
Knotenlinie befindet. Abgesehen davon muss der mechanische Schwinger auch nicht die Form einer Platte haben : es lassen sich auch Schwinger in der Form einer Stimmgabel, eines Zungenschwingers oder eines Schwingers verwenden, der Torsionsschwingungen, Scherschwingungen, Dickenscherschwingungen oder Longitudinalschwingungen oder Kombinationen dieser Schwingungen ausführt.
Wenn das Material des Schwingers einen Elastizitäts- bzw. Torsionsmodul besitzt, dessen Temperatmabhängigkeit so gross ist, dass bei den üblichen Temperaturschwankungen störende Frequenzbeeinflussungen auftreten, so ist es nötig, das ganze Gerät in einem thermisch isolierten Schrank unterzubringen und dort die Temperatur mit Hilfe von Heiz-oder Kühlelementen, die durch einen Thermostaten gesteuert werden, konstant zu halten. Es lassen sich aber auch Legierungen mit sehr kleinem thermoelastischen Koeffizienten verwenden, wie z. B. die aus der Schweizer Patentschrift Nr. 227628, der deutschen Patentschrift Nr. 754955, der franz. Patentschrift Nr. 901. 724, der brit. Patentschrift Nr. 578,559, der USA-Patentschrift Nr. 2,466, 285, bekannten Legierung.
Auch kann die Erzeugung der im Ausgangsstromkreis induzierten Spannung magnetisch, magnetostriktiv, elektrodynamisch, ferroelektrisch, piezoelektrisch sowie mittels Kombinationen davon erhalten werden. Der Schwinger selbst mu3 dafür also nicht unbedingt ferromagnetisch sein, es lassen sich auch Schwinger aus ferroelektrischen oder piezoelektrischen Materialien, z. B. Schwinger aus keramischen Stoffen, Quarz usw. verwenden.
Die Fig. 4 zeigt die Messanordnung, mit welcher die in der Fig. 5 als Funktion der Eingangsfrequenz dargestellten Ausgangsspannungen gemessen wurden. Mit 24 ist eine dekadische Frequenzmessanlage bezeichnet, mit 25 ein für das Frequenzgebiet von 50 kHz bis 500 kHz geeigneter Verstärker. dessen Ausgangsspannung zur Kontrolle, dass sie wirklich konstant bleibt, mit einem Röhrenvoltmeter 26 gemessen wurde. Mit 27 ist der vorstehend an Hand der Fig. 1 und 2 beschriebene Diskriminator bezeichnet, der in einem mit Heizelementen und/oder Kühlelementen ausgerüsteten wärmeisolierten Gehäuse 28 untergebracht ist, dessen Innentemperatur durch einen Thermostaten 29 konstantgehalten wurde.
Als mechanischer Schwinger diente eine Kreisscheibe von 21 mm Durchmesser und 3,42 mm Dicke, die durch drei Stahlspitzen abgestützt war, welche am äusseren Knotenkreis (Durchmesser 17,7 mm) angeordnet waren, wie das aus der Fig. 3 ersichtlich ist. Als Material wurde eine Legierung mit zirka 6 7% Ni und 22% Cu verwendet. Am Ausgang des Diskriminators ist ein Resonanzverstärker 30 für das Frequenzgebiet von 45 kHz bis 600 kHz angeschlossen, dessen Ausgangsspannung mit Hilfe eines Röhrenvoltmeters 31 gemessen und als Funktion der Eingangsfrequenz in der Fig. 5 dargestellt wurde. Die Messungen erfolgten bei konstanter Temperatur von 200 C.
Bei geöffnetem Unterbrecher 23 erhielt man die mit 32 bezeichnete Resonanzkurve und bei geschlossenem Unterbrecher die mit 33 bezeichnete Diskriminatorkennlinie, die, wie man sieht, im Arbeitsbereich eine gute Linearität aufweist.
PATENTANSPRÜCHE :
EMI3.1