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Verfahren und Einrichtung zur Messung oder Anzeige des Oberwellengehaltes
einer periodischen elektrischen Größe Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
und eine Einrichtung zur Messung oder Anzeige des Oberwellengehaltes einer periodischen
elektrischen Größe.
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Die Kenntnis des Oberwellengehaltes bzw. der Werte des Klirrfaktors
oder des Klirrgrades einer periodischen elektrischen Größe ist für viele Aufgaben
der Elektrotechnik wesentlich, z. B. in der Schwachstromtechnik zur Feststellung
der Linearität oder Nichtlinearität eines Netzwerkes. Die in der Praxis verwendeten
Verfahren zur Messung des Klirrfaktors sind seiner Definition nachgebildet, d.h.,
es wird der Effektivwert einerseits sämtlicher Oberwellen allein und anderseits
derjenige der Grundwelle plus den Oberwellen gemessen. Der Quotient dieser beiden
Meßwerte ergibt dann den Klirrfaktor. Meist wird dazu die Klirrfaktormeßbrücke verwendet,
bei der drei Brückenzweige aus je einem Ohmschen Widerstand bestehen, während der
vierte Brückenzweig einen Spannungsresonanzkreis enthält, mit dem die Brücke auf
die Grundwelle der zu untersuchenden Wechselspannung abgestimmt wird. In der Diagonale
der Brücke treten dann nur die Oberwellen auf, weil die Brücke für die Grundwelle
im Gleichgewicht ist.
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Es sind auch andere Schaltungen bekanntgeworden, mit denen eine Kompensation
oder Aussiebung lediglich der Grundwelle erreicht wird, so daß der nur von den Oberwellen
herrührende Anteil. leicht gemessen werden kann. Diese bekannten Verfahren zur Klirrfaktormessung
geben jedoch keinerlei Aufschluß über den Anteil einer bestimmten Oberwelle am Oberwellengehalt
der untersuchten periodischen elektrischen Größe. Zur Messung der absoluten Größe
jeder einzelnen Oberwelle werden in der Praxis andere Verfahren angewendet, die
sich im Prinzip auf zwei Grund typen zurückführen lassen, wenn man von der graphischen
harmonischen Analyse absieht, die nur dort angewendet werden kann, wo der zeitliche
Verlauf der periodischen Größen selbst bekannt ist.
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Bei der einen der vorerwähnten Verfahrensarten werden Filterkreise
verwendet, die nur eine bestimmte Frequenz durchlassen, die dann mit gewöhnlichen
Meßinstrumenten gemessen wird, während bei der anderen Art, dem sogenannten Suchtenverfahren,
eine Hilfsschwingung veränderbarer Frequenz verwendet wird, die mit der zu analysierenden
Frequenz synchronisiert wird und dabei eine maximale Wirkung auf ein Anzeigeinstrument
hervorbringt. Aus den so gemessenen absoluten Größen der Grundwelle und jeder einzelnen
Oberwelle muß dann der prozentuale Anteil der Oberwellen im Verhältnis zur Grundwelle
sowie der Klirrfaktor und der Klirrgrad berechnet werden.
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Auch bei der Messung mit Filtern oder Resonanzkreisen ergeben sich
lediglich die absoluten Werte der
Amplituden der Grundwelle und der einzelnen Oberwellen,
so daß der prozentuale Anteil der Oberwellen zur Grundwelle erst errechnet werden
muß. Außerdem ist die dabei erforderliche Abstimmung durch kontinuierliche Änderung
der Resonanzfrequenz bzw. des Frequenzdurchlaßbereiches des Filters sowohl auf die
Grundwelle als auch auf jede einzelne Oherwelle umständlich und zeitraubend.
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Es ist weiter ein Bandfilter zur Klanganalyse bekanntgeworden, dessen
Elemente stufenweise, und zwar nach Oktaven, gestaffelt veränderbar sind. Mit einem
derartigen Sandfilter können lediglich die Oberwellen einer Grundwelle vorgegebener
Frequenz untersucht werden. Die Untersuchung eines Frequenzgemisches mit unbekannter
Frequenz der Grundwelle ist mit dieser bekannten Einrichtung nicht möglich, weil
eine Abstimmung des Filters auf eine andere als die vorgegebene Grundfrequenz nicht
vorgesehen ist.
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Diese genannten Nachteile werden erfindungsgemäß durch die Kombination
folgender Verfahrensschritte vermieden: 1. Zuführung der Grundwelle zum Anzeigeorgan
durch eine an sich bekannte kontinuierliche Verschiebung des Frequenzdurchlaßbereicbes
eines Filters; 2. Normierung dieser Grundwelle; 3. Zuführung der Oberwellen zum
Anzeigeorgan durch eine an sich bekannte Umschaltung des die
Grundwelle
durchlassenden Filters auf einen Durchlaßbereich der zwei-, drei- . . . n-fachen
Frequenz.
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Als Wert zur Normierung der Grundwelle wird z. B. zweckmäßig lOO<>/@
100°/ gewählt, gewählt, so daß sich Verhältniswerte der einzelnen Oberwellen sofort
in Prozent der Grundwelle ergeben. Durch diese Kombination gemäß der Erfindung ergeben
sich verschiedene sehr wesentliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Es
ist die Untersuchung jedes beliebigen Frequenzgemisches auch mit unbekannter Frequenz
der Grundwelle möglich; es ist dabei nur eine einmalige Abstimmung des Durchlaßbereiches
des Filters, nämlich auf die Grundwelle, erforderlich. Die richtige Einstellung
auf die Oberwellen ergibt sich durch Umschaltung der Abstimmittel des Filters ohne
komplizierte eigene Abstimmung. Das Verfahren gemäß der Erfindung zeichnet sich
infolgedessen gegenüber den bekannten Verfahren durch einfache und rasche Durchführbarkeit
aus. Die Anwendung der Grundwellennormierung bei diesen gemäß der Erfindung kombinierten
Verfahrensschritten bewirkt weiter, daß das prozentuale Verhältnis der Amplituden
jeder einzelnen Oberwelle zur Amplitude der Grundwelle direkt angezeigt wird, so
daß sich der Meßtechniker unmittelbar aus den Meßwerten ein Bild über die Zusammensetzung
der untersuchten periodischen Größe und z. B. auch über die Ursache der Entstehung
der einzelnen Oberwellen machen kann. Gerade diese Werte mußten aber bisher immer
erst berechnet werden. Aus den nach dem Verfahren gemäß der Erfindung erhaltenen
Meßwerten können umgekehrt die interessierenden Größen des Klirrgrades und damit
des Klirrfaktors oder auch die absoluten Werte der Grundwelle sowie der einzelnen
Oberwellen leicht berechnet werden. Zur Berechnung der Absolutwerte aus den nach
dem Verfahren gemäß der Erfindung gemessenen Werten ist lediglich die Eichung der
die Regelung der Einwirkung der Grundwelle auf das Anzeigeorgan bewirkenden Schaltelemente
nötig.
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Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung können z. B. Filterkreise,
die jeweils nur einen bestimmten wählbaren Frequenzbereich bzw. eine bestimmte wählbare
Frequenz durchlassen, die dann einem Anzeigeorgan zugeführt wird, in Verbindung
mit einem Regler verwendet werden, wobei diese Filter neben kontinuierlich veränderbaren
Widerständen auch stufenweise regelbare Widerstände enthalten.
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Mit besonderem Vorteil wird jedoch, wie an sich bekannt, ein Seiektivverstärker
mit regelbarem Verstärkungsgrad verwendet, bei dem alle Frequenzen bis auf einen
einstellbaren Frequenzbereich bzw. bis auf eine einstellbare Frequenz gegengekoppelt
sind.
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Bei einem solchen Selektivverstärker ist zur Durchführung des Verfahrens
gemäß der Erfindung ein Teil der Abstimmittel im Gegenkopplungsnetzwerk, wie an
sich bekannt, kontinuierlich und ein anderer Teil im Gegensatz zum Bekannten zugleich
stufenweise veränderbar, z. B. bei RC-Filtern als Gegenkopplungsnetzwerk in einem
ganzzahligen Größenverhältnis umschaltbar ausgebildet. Die Regelung des Verstärkungsgrades
kann am Verstärkereingang oder am Verstärkerausgang z. B. auch derart erfolgen,
daß am Verstärkereingang eine Grobregelung und am Verstärkerausgang eine Feinregelung
vorgesehen ist.
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Diese Schaltmittel zur Regeiung des Verstärkungsgrades sind mit Vorteil
in einem zur Messung der Amplitude der elektrischen Größe geeigneten Maßstab geeicht.
Ebenso ist eine Eichung der Abstimmittel im Gegenkopplungsnetzwerk im Frequenzmaßstab
von Vorteil. Mit einer solchen Einrichtung kann aus den
Meßwerten, die das Verhältnis
der einzelnen Oberwellen zur Grundwelle direkt ergeben, der absolute Wert der Amplitude
der Grundwelle und der einzelnen Oberwellen ohne Schwierigkeiten errechnet werden,
wobei zugleich auch eine Frequenzmessung im Zusammenhang mit der harmonischen Analyse
möglich ist.
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Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles
näher erläutert. In Fig. 1 ist ein einpolig gezeichnetes Blockschema einer Einrichtung
gemäß der Erfindung, an der das Verfahren nach der Erfindung auseinandergesetzt
wird, und in Fig. 2 ein Teil dieser Einrichtung dargestellt.
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In Fig. 1 ist mit 1 ein Netzwerk bezeichnet, dessen Linearität bzw.
Verzerrung gemessen werden soll. Zu diesem Zweck wird eine vom Generator 2 gelieferte
sinusförmige Wechselspannung dem zu prüfenden Netzwerk 1 zugeführt und die von ihm
abgehende Wechselspannung auf ihren Oberwellengehalt geprüft. Die Einrichtung dazu
besteht gemäß der Erfindung aus einem Verstärker 3 mit z. B. durch Regler 4 bzw.
5 regelbarem Verstärkungsgrad, der einen wählbaren Frequenzbereich bzw. eine wählbare
Frequenz selektiv verstärkt, und einem Anzeigeorgan 6. Der Verstärker ist weiter
mit einem an sich bekannten Rückkopplungsnetzwerk 7 versehen, das alle Frequenzen
bis auf einen wählbaren Frequenzbereich bzw. bis auf eine wählbare Frequenz vom
Verstärkerausgang zum Verstärkereingang gegenphasig zurückführt, so daß sich alle
Frequenzen am Verstärkereingang bis au!f die nicht gegengekoppelte gegenseitig schwächen
bzw. aufheben.
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Im weiteren Verlauf der Messung wird das Gegenkopplungsnetzwerk auf
die Grundwelle des dem Verstärker zugeführten Frequenzgemisches abgestimmt, so daß
zunächst lediglich die Grundwelle der zu untersuchenden periodischen elektrischen
Größe auf das. Anzeigeorgan 6 einwirkt, das z. B. ein spitzenanzeigendes oder ein
den Effektivwert anzeigendes Röhrenvoltmeter ist. Diese Einwirkung der Grundwelle
wird mittels eines Reglers, der vor dem Verstärkereingang (Regler 4) oder nach dem
Verstärkerausgang (Regler 5) angeordnet sein kann, auf einen vorgegebenen Normalwert
eingeregelt. Dieser Normalwert ist zweckmäßig der Skalenendwert des Anzeigeorgans.
Es kann auch eine Grobregelung durch den Regler 4 und eine Feinregelung durch den
Regler 5 vorgesehen sein. Hierauf wird die Selektivität des Verstärkers durch Änderung
der Einstellung der Schaltmittel des Gegenkopplungsnetzwerkes sprunghaft auf den
doppelten, dreifachen.... n-fachen Wert der Frequenz der eingestellten Grundwelle
geändert, also auf die Oberwellen der Grundwelle eingestellt, wobei die Stellung
der Regler nicht verändert wird. Das Anzeigeorgan zeigt dann jeweils direkt das
Verhältnis der zweiten, dritten . . . n-ten Oberwelle zur Grundwelle an. Die quadratische
Summe dieser Verhältnisse ergibt den Klirrgrad, aus dem dann weiter der Klirrfaktor
berechnet werden kann.
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Ein Schaltbeispiel eines bezüglich der rückgekoppelten Frequenz selektiv
wirkenden Rückkopplungsnetzwerkes, das auf einen beliebigen Frequenzbereich bzw.
auf eine beliebige Frequenz abgestimmt und dessen Abstimmung dann auf die einzelnen
Oberwellen dieser gewählten Frequenz sprunghaft geändert werden kann, zeigt Fig.
2. Dieses Netzwerk besteht aus R- und C-Gliedern und ist für alle Frequenzen durchlässig,
bis auf diesen Frequenzbereich bzw. auf diese Frequenz, für die es im Gleichgewicht
ist.
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Während zur Abstimmung des Netzwerkes auf die Grundwelle der zu untersuchenden
periodischen elektrischen Größe die Werte der Kapazitäten C1, C2 und C, die zweckmäßig
auf einer gemeinsamen Welle angeordnete Drehkondensatoren sind, kontinuierlich veränderbar
sind, können die Werte der im Netzwerk vorgesehenen Widerstände R durch Umschaltung
sprunghaft verändert werden. Die vorteilhaft gleichzeitig zu betätigenden Umschalter
S1, S2, S8 schalten in ihren Stellungen I, II und III verschiedene Gruppen von Widerständen
in das Rückkopplungsnetzwerk, wobei die in der Stellung I eingeschalteten Widerstände
R1, R1' und R1,, doppelt so groß sind wie die in der Stellung II angeordneten Widerstände
R2, R2, und R2." bzw. dreimal so groß wie die in der Stellung III der Umschalter
eingeschalteten Widerstände R3, R3' und Rstto In der Stellung I der Umschalter wird
das Netzwerk mittels der Kondensatoren auf die Grundwelle des zu untersuchenden
Frequenzgemisches abgestimmt und hierauf die Abstimmung sprunghaft durch Umschaltung
in die Stellung II auf die zweite Harmonische und weiter durch Umschaltung in die
Stellung III der Umschalter auf die dritte Harmonische der ursprünglich gewählten
Frequenz geändert. Es genügt in den meisten Fällen, die Messung bis zur dritten
Harmonischen vorzunehmen. Sollte jedoch die Feststellung des Anteiles höherer Harmonischer
erwünscht sein, so können ohne weiteres weitere Widerstandsgruppen ins Netzwerk
zuschaltbar vorgesehen sein, deren Größen den vierten, fünften, sechsten usw. Teil
der in der Stellung I vorgeschalteten Widerstände betragen müssen. Es wäre auch
die kontinuierliche Änderung der Widerstände und die sprunghafte Änderung der Kapazitäten
denkbar; ebenso könnte das Rückkopplungsnetzwerk in geeigneter Schaltung auch Induktivitäten
enthalten, wobei z. B. die Widerstände und Kondensatoren zur Auswahl der Grundfrequenzen
regelbar und die Größe der Induktivitäten sprunghaft veränderbar sind.
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Es ist für gewisse Anwendungsfälle von Vorteil, wenn die Schaltmittel
zur Abstimmung des Rückkopplungsnetzwerkes vor allem auf die Grundwelle (im Ausführungsbeispiel
etwa die Kondensatoren C1, C2, C3 bei eingeschalteten Widerständen R1, R1,, R1")
im Frequenzmaßstab geeicht sind, wodurch dieFrequenzmessung gleichzeitig mit der
Messung des Oberwellenanteiles oder auch eine Frequenzmessung an sich möglich ist.
Ebenso kann die Richtung der Regler 4 bzw. 5 von Vorteil sein, um im Bedarfsfalle
aus den gemessenen Prozentwerten die absoluten Größen der
Grundwelle und jeder einzelnen
Oberwelle berechnen zu können.
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PATENTANSPROCHE 1. Verfahren zur Messung oder Anzeige des Oberwellengehaltes
einer periodischen elektrischen Größe, gekennzeichnet durch die Kombination folgender
Verfahrensschritte; 1. Zuführung der Grundwelle zum Anzeigeorgan durch eine an sich
bekannte kontinuierliche Verschiebung des Frequenzdurchlaßbereiches eines Filters;
2. Normierung dieser Grundwelle; 3. Zuführung der Oberwellen zum Anzeigeorgan durch
eine an sich bekannte Umschaltung des die Grundwelle durchlassenden Filters auf
einen Durchlaßbereich der zwei-, drei- . . n-fachen Frequenz.