DE1025983B

DE1025983B - Messvorrichtung, bei der eine Wechselspannung entsprechend einer sich aendernden Groesse moduliert wird

Info

Publication number: DE1025983B
Application number: DEN12186A
Authority: DE
Inventors: Frank De Jager
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1955-05-04
Filing date: 1956-04-30
Publication date: 1958-03-13
Also published as: US2854633A; NL102003C; CH340528A; NL197010A

Description

Es sind Meßvorrichtungen bekannt, bei denen eine Wechselspannung (Hilfswechselspannung) entsprechend einer zu messenden Größe, z. B. einer Gleichspannung oder einer Wechselspannung niedrigerer Frequenz, moduliert und die modulierte Wechselspannung einem Verstärker zugeführt wird, worauf die verstärkte Wechselspannung zur Erzielung eimer der genannten Große etwa proportionalen Spannung demoduliert wird. Die letztgenannte Spannung wird mit einem Gleichstromgerät gemessen.

Eine solche zum Messen von kleinen Gleichspannungen bestimmte Vorrichtung ist schematisch in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt. An den Klemmen 1 liegt die zu verstärkende Gleichspannung, die im Modulator 2 mit einer im Oszillator 5 erzeugten Hilfswechselspannung moduliert wird. Die modulierte Wechselspannung wird dem Wechselspannungsverstärker 3 zugeführt, der mindestens einen auf die Frequenz der Hilfswechselspannung abgestimmten Kreis besitzt; die verstärkte Spannung wird in der Vorrichtung 4 demoduliert, so daß an den Ausgangsklemmen 6 eine verstärkte Gleichspannung entsteht, die sich entsprechend der Spannung an den Klemmen 1 ändert und mit einem Gleichstromgerät gemessen werden kann. Derartige Meßvorrichtungen sind nicht mit Signal vor richtungen zu vergleichen, die z. B. für Flugzeuge bestimmt sind und bei denen besondere Signale ausgesandt werden, die in einem Gebiet als Punkte und in einem anderen Gebiet als damit komplementäre Striche empfangen werden. Bei dieser Modulation handelt es sich um eine gewöhnliche HF-Modulation für längere und kürzere Zeichen, wobei die Differenz der Modulationsinhalte zwischen den kürzeren und längeren Zeichen zur Anzeige dient und Anordnungen Verwendung finden, die eine einfache Unterscheidung dieser Signale ermöglichen.

Den bekannten Meßvorrichtungen haftet die Schwierigkeit an, daß besondere Mittel erforderlich sind, um zu bewirken-, daß die Ausgangsspannung die gleiche Polarität wie die zu messende Spannung hat. Die Vorrichtung ist im allgemeinen derart ausgebildet, daß bei einem Wechsel der Polarität der an 1 liegenden Spannung die Phase der Ausgangsspannung des Modulators 2 sich ebenfalls umkehrt. Ohne besondere Maßnahmen bleibt aber die Polarität der Ausgangsspannung die gleiche. Um diesem Übelstand abzuhelfen, ist es bei den bekannten Vorrichtungen notwendig, in dem Demodulator 4 eine Demodulation zu bewirken, die von der Phase der Eingangsspannung abhängig ist. Zu diesem Zweck wird der Hilfswechselspannungsquelle über die Leitungen 7 eine Vergleichsspannung entnommen und dem Demodulator 4 zugeführt. Der Demodulator kann, wie an sich bekannt, zwei gesteuerte Entladungssysteme enthalten, deren

Meßvorrichtung,

bei der eine Wechselspannung

entsprechend einer sich ändernden Größe

moduliert wird

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter: Dr. rer. nat. P. Roßbach, Patentanwalt,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Beanspruchte Priorität:
Niederlande vom 4. Mai 1955

Frank de Jager, Eindhoven (Niederlande),
ist als Erfinder genannt worden

Gittern eine der Spannungen gegenphasig und deren Anoden die andere Spannung gleichphasig zugeführt wird, zwischen den Anoden kann der Gleichspannungsmesser angeschlossen werden.

Jn Fig. 2 ist schematisdh eine sich selbst abgleichende Meßschaltung dargestellt, bei der sich eine ähnliche Aufgabe ergibt. Die dargestellte Schaltung wird aus einer an die Klemme 5 angeschlossenen Wechselspannungsquelle, z. B. dem Netz, gespeist und enthält eine Brückenschaltung, die aus den Widerständen 8, 9 und 10 besteht, von denen der letztgenannte als Potentiometer ausgebildet ist. Dabei sei angenommen, daß der Widerstand 9 sich entsprechend einer zu messenden Größe ändert. Handelt es sich um eine Temperatur, so kann der Widerstand 9 z. B. ein Element mit hohem Temperaturkoeffizientera sein, das die zu messende Temperatur aufweist, handelt es sich um eine mechanische Spannung, so kann der Widerstand 9 ein sogenannter Dehnungsmeßstreifen sein. Befindet sich die Brücke bei einem bestimmten Wert der zu messenden Größe im Gleichgewicht, so wird das Gleichgewicht gestört, wenn sich durch eine Änderung'der zu messenden Größe der Widerstand 9 ändert. Am Gleitkontakt 11 des Potentiometers 10 tritt dann eine Spannung auf, die dem Verstärker 3 zugeführt wird. Die ver-

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stärkte Spannung ist an den Klemmen eines Motors 12 wirksam, der den Gleitkontakt 11 derart verstellt, daß das Brückengleichgewicht wiederhergestellt wird. Die Stellung des Gleitkontaktes 11 ist dann ein Maß für die unbekannte Größe.

Naturgemäß soll der Motor 12 phasenempfindlich sein, d. h. daß er in der einen oder in der anderen Richtung läuft, je nachdem die Spannung am Gleitkontakt 11 eine bestimmte Phase oder eine um 180° hiervon verschiedene Phase hat. Als Motor kann daher ein Zweiphaseninduktionsmotor verwendet werden, dessen eine Wicklung durch die Ausgangsspannung des Verstärkers 3 und dessen andere Wicklung über die Leitungen 13 mit einer in der Vorrichtung 32 erzeugten Phasenverschiebung von 90° gespeist wird. Wenn der Gleichgewichtspunkt der Meßschaltung überschritten wird, erfährt die vom Verstärker gelieferte Spannung eine Phasenverschiebung von 180°, wodurch sich der Drehsinn des Motors umkehrt.

Die geschilderten Vorrichtungen haben den Vorteil, daß keine Vorverstärker verwendet zu werden brauchen, die bekanntlich oft unstabil sind. Demgegenüber steht, daß der Demodulator ziemlich verwickelt ist und er nicht nur mit dem Ausgang des Verstärkers, sondern auch mit der Bezugsspannungsquelle über Leitungen verbunden werden muß, die bei Fernmessungen eine große Länge haben können.

Die Erfindung bezieht sich auf eine solche Meßvorrichtung, bei der eine Wechselspannung entsprechend einer sich ändernden Meßgröße moduliert, die modulierte Spannung in einem Wechselspannungsverstärker verstärkt und die verstärkte Wechselspannung demoduliert wird. Nach der Erfindung werden die geschilderten Nachteile dadurch vermieden, daß die Hilfswechselspannung eine stark unsymmetrische Wellenform hat, der Wechselspannungsverstärker nicht nur die Grundwelle, sondern auch wenigstens einen Teil der Harmonischen ohne Phasenänderung verstärkt und das der Demodulator zwei Reihenschaltungen je mit einem Gleichrichter und einem Kondensator enthält, wobei die Gleichrichter entgegengesetzt hinsichtlich der modulierten Schwingung geschaltet sind und überdies die Kondensatoren entgegengesetzt bezüglich der erhaltenen Gleichspannung in einem Gleichstromkreis liegen, derartig, daß die Meßspannung in bezug auf ihre Polarität dem Vorzeichen der zu messenden Größe entspricht.

Die Spannungsamplitude einer jeden positiven Halbwelle der Ausgangsspannung des Modulators ist hierbei, wenigstens wenn die veränderliche Größe einen von Null verschiedenen Wert hat, beträchtlich verschieden von der Spannungsamplitude einer jeden negativen Halbwelle. Dies kann in bestimmten Fällen dadurch erreicht werden, daß auch der Hilfswechselspannung eine Wellenform gegeben wird, bei der die Amplitude einer jeden positiven Halbwelle wesentlich verschieden ist von der einer jeden negativen Halbwelle. In anderen Fällen reicht dies nicht aus, und die Hilfswechselspannung muß aus einer Aufeinanderfolge von Spitzen bestehen, wobei außerdem die Dauer einer jeden Spitze klein gegen den zeitlichen Abstand zweier Spitzen ist. Die am besten geeignete Form der Hilfswechselspannung steht, wie aus folgendem hervorgeht, mit der Modulationsart im Zusammenhang.

Es ist möglich, die Hilfswechselspannung auf mechanischem Wege mittels eines zwischen zwei festen Kontakten schwingenden Kontaktes zu erzeugen, dessen Schließungsdauer auf der einen Seite langer als auf der anderen ist. Ein solcher Kontakt kann bei einer Vorrichtung nach Fig. 1 direkt in den Kreis der zu messenden Spannung aufgenommen \verden.

Eine geeignete Wellenform für die Hilfswechselspannung ist in Fig. 3 A dargestellt. Die Hilfswechselspannung besteht aus einer Aufeinanderfolge von rechteckigen Impulsen α und Zwischenräumen b; in den letzteren ist der Absolutwert der Spannung viel kleiner. In Fig. 3 B ist für diesen Fall die Grundwerte (erste Harmonische), in Fig. 3 C die zweite Harmonische dargestellt. Der Verstärker 3 der Vorrichtungen nach den Fig. 1 und 2 ist dabei derart einzurichten, daß neben der Grundwelle mindestens eine höhere Harmonische der zu verstärkenden Spannung durchgelassen wird.

Bei der Vorrichtung nach der Erfindung braucht nur ein Leitungspaar zwischen dem Demodulator und dem übrigen Teil der Vorrichtung vorhanden zu sein; der Demodulator 4 kann verhältnismäßig einfach ausgebildet sein.

Bei Anwendung der Erfindung in einer Vorrichtung nach Fig. 2 kann der Motor ein Gleichstrommotor sein, dessen Drehsinn von der Polarität der angelegten Spannung abhängig ist.

In den Fig. 4, 5 und 6 sind Ausführungen von Modulatoren abgebildet, die bei der Vorrichtung nach der Erfindung zur Anwendung kommen können. Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 4, die als Ringmodulator bekannt ist, sind vier Gleichrichterelemente 14, 15, 16 und 17 vorhanden. An den Klemmen 1 liegt die Eingangsgleichspannung; über den Transformator 20 wird die Hilfswechselspannung zugeführt. Die Sekundärwicklung dieses Transformators ist zwischen^ dem gemeinsamen Punkt zweier in Reihe an die Eingangsklemmen geschalteter Kondensatoren 18,19 und der Mitte der Primärwicklung des Ausgangstransformators 21 angeschlossen. An den Klemmen 5 ist eine Spannung entsprechend Fig. 3 A wirksam. Wenn die Eingangsspannung eine bestimmte Polarität hat, so kann die Ausgangsspannung des Modulators hierbei nach Verstärkung in einem normalen Wechselspannungsverstärker eine Kurvenform haben, die etwa Fig. 7 A entspricht. Wenn die Eingangsspannung ihre Polarität umkehrt, entsteht die Wellenform nach Fig. 7B. Die Amplitude der Hilfsspannung hat nur einen geringen Einfluß auf die Ausgangsspannung.

Solche Ausgangsspannungen entstehen auch bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 5, bei der die vier Gleichrichter zu einer Brücke vereint sind, an deren einer Diagonale die Spannung der Sekundärwicklung des an den Oszillator angeschlossenen Transformators 20 liegt. Die andere Diagonale befindet sich zwischen einer der Klemmen der Ausgangsimpedanz 22 und einer der Eingangsklemmen. Diese Schaltungsanordnungen entsprechen einem mechanischen Schalter, mit dem die Eingangsspannung periodisch von den Ausgangsklemmen abgeschaltet wird, derart, daß die Schließungsdauer des Schalters kurz oder lang gegenüber der Öffnungszeit ist.

Ein vorzugsweise verwendeter Modulator ist in Fig. 6 dargestellt; als unsymmetrisch leitende Elemente kommen in den Schaltungsanordnungen nach den Fig. 4, 5 und 6 zweckmäßig Trockengleichrichter zur Verwendung. Bei den Schaltungsanordnungen nach Fig. 6 bewirken die Widerstände 31 und 32, daß in einem günstigen Teil der Gleichrichtercharakteristik gearbeitet wird. Die an den gesperrten Gleichrichtern wirksame Spannung kann hier nämlich in absolutem Sinne größer als die gewählt werden, die

an den durchlässigen· Gleichrichtern' wirksam ist, und zwar wegen: des Spannungsverlustes, der an: dem im stromführenden Zweig des Modulators liegenden Widerstand auftritt.

Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines bei der Vorrichtung nach der Erfindung geeigneten Demodulators. Die vom Verstärker gelieferte Spannung wird hierbei der Primärwicklung eines Transformators 23 zugeführt, an dessen Sekundärwicklung eine erste Reihenschaltung eines Gleichrichters 24 und eines Kondensators 26 und eine zweite Reihenschaltung eines Gleichrichters 25 und eines Kondensators 27 angeschlossen sind. Die Gleichrichter sind entgegengesetzt geschaltet, so daß die Kondensatoren beim Auftreten einer Spannung an der Sekundärtransformatorwicklung mit entgegengesetzter Polarität aufgeladen werden. Der gemeinsame Punkt der einen Gleichrichter-Kondensator-Reihenschaltung ist mit dem gemeinsamen Punkt der anderen Reihenschaltung über zwei gleiche Widerstände28 und 29 verbunden; zwischen dem gemeinsamen Punkt dieser Widerstände und dem gemeinsamen Punkt der Kondensatoren liegt ein Meßgerät 30, daß bei einer Schaltungsanordnung nach Fig. 2 durch einen Motor oder ein polarisiertes Relais ersetzt werden kann, das den Stromkreis eines Motors betätigt. Liegt bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 8 an dem Transformator 23 eine Spannung entsprechend Fig. 7 A, so wird der eine Kondensator bis zur Amplitude + F₁ des positiven Teiles der Wechselspannung, der andere Kondensator bis zur Amplitude — V₀ des negativen Teiles aufgeladen. An der oberen Klemme des Meßgerätes ist dann z. B. eine Spannung V₃, entsprechend 1/2 (V₁-V₂), wirksam. Weil V₁ größer als V₂ angenommen wurde, ist dieser Wert positiv. Weist die Meßgröße bzw. die Eingangsspannung das andere Vorzeichen auf, so läßt sich die Eingangsspannung des Demodulators durch die Kurve nach Fig. 7 B darstellen ; in diesem Fall übersteigt die Spannung V₂ die Spannung V₁, so daß die an der oberen Klemme des Meßgerätes wirksame V₃ entsprechende Spannung negativ ist.

Fig. 9 zeigt schematisch die Anwendung der Erfindung bei einer sich selbstabgleichenden Meßbrücke. Diese Schaltungsanordnung unterscheidet sich von der nach Fig. 2 darin, daß die Leitungen 13 weggelassen sind und ein Demodulator 32 gemäß Fig. 8 vorhanden ist. Den Eingangsklemmen wird eine unsymmetrische Spannung, wie z. B. nach Fig. 3, zugeführt.

Die Ausgangsspannung des Demodulators einer Vorrichtung nach der Erfindung eignet sich vorzüglich zur Herstellung einer Gegenkopplung auf den Eingang des Modulators. Eine solche Schaltungsanordnung ist in Fig. 10 dargestellt. Entsprechende Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 1 bis 8 versehen. Die Ausgangsspannung wird über Leitungen 31, von denen eine einen Widerstand R enthält, den Klemmen eines Reihenwiderstandes r im Eingang des Verstärkers 2 zugeleitet.

Diese Schaltungsanordnung ist besonders vorteilhaft, wenn sich die Wellenform der Hilfsweehselspannung und damit die Impulsweite ändert, was eine entsprechende Änderung der erzeugten Gleichspannung zur Folge hätte.

Claims

Patentansprüche:

1. Meß vorrichtung, bei der eine Wechselspannung (Hilfswechselspannung) entsprechend einer veränderlichen Meßgröße, insbesondere einer Gleichspannung oder einer Wechselspannung niedrigerer Frequenz, moduliert, die modulierte Spannung einem Wechselspannungsverstärker zugeführt und die verstärkte Wechselspannung zur Erzielung einer der genannten Größe nahezu

ίο proportionalen Spannung demoduliert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfswechselspannung eine stark unsymmetrische Wellenform hat, der Wechselspannungsverstärker nicht nur die Grundwelle, sondern auch wenigstens einen Teil der höheren Harmonischen ohne Phasenänderung verstärkt, und daß der Demodulator zwei Reihenschaltungen je mit einem Gleichrichter und einem Kondensator enthält, wobei die Gleichrichter entgegengesetzt hinsichtlich der modulierten Schwingung geschaltet sind und überdies die Kondensatoren entgegengesetzt bezüglich der erhaltenen Gleichspannung in einem Gleichstrommeßkreis liegen, derartig, daß die Meßspannung in bezug auf ihre Polarität dem Vorzeichen der zu messenden Größe entspricht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfswechselspannung aus einer Aufeinanderfolge von Perioden kurzer Dauer und hoher Spannung und Perioden längerer Dauer und entsprechend niedrigerer Spannung besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Modulation eine Schaltungsanordnung mit Trockengleichrichtern dient, die durch die Hilfsspannung periodisch abwechselnd leitend und nichtleitend gemacht werden, wobei die Dauer der leitenden Periode sehr verschieden ist von der Dauer der nichtleitenden Periode.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation dadurch erfolgt, daß eine veränderliche zu messende Größe die Impedanz eines Netzwerkes beeinflußt, an der die Hilfswechselspannung wirksam ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Demodulator eine Spannung abgeleitet wird, die dem Amplitudenunterschied der positiven und negativen Halbwellen der Spannung im Ausgangskreis des Verstärkers proportional ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltungen von je einem Gleichrichter und Kondensator an die Ausgangskreise des Verstärkers angeschlossen sind und daß ein Anzeigegerät zwischen dem gemeinsamen Punkt der Kondensatoren und einem Punkt, vorzugsweise dem Mittelpunkt, eines zwischen den anderen Elektroden der Kondensatoren liegenden Widerstandes angeschlossen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 623 274. 706 204;
USA.-Patentschrift Nr. 2 447 232;
Zeitschrift »Archiv für technisches Messen«,

Blatt Z 634-10.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen