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Verfahren zur Ausmessung von elektrischen Vier- bzw. Zweipolen Es
ist ein Verfahren zur Ausmessung von elektrischen Vier- bzw. Zweipolen bekannt,
bei dem aus einem Meßsender der veränderbaren Frequenz f und einem Hilfssender der
festen Frequenz foX insbesondere fO f, in einer ersten Modulationseinrichtung eine
zur Speisung des Prüflings dienende modulierte Speisespannung erzeugt wird. Die
am Ausgang des Vierpols auftretende modulierte Meßspannung wird in einer zweiten
Modulationseinrichtung mit der Spannung der Frequenz f auf eine Spannung der festen
Frequenz le umgesetzt und von einem auf die Frequenz fo abgestimmten Meßempfänger
angezeigt. In der ersten Modulationseinrichtung entstehen dabei die beiden Seitenbänder
f t fo und f - f0.
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Würden diese beiden Seitenbänder dem Meßobjekt zugeführt, so könnte
dies unter Umständen zur Folge haben, daß die Empfangsspannung der Frequenz fo ausgelöscht
wird, ohne daß die Meßspannung am Ausgang des Prüflings Null ist. Bei dem bekannten
Verfahren wird dieser Übelstand durch Unterdrückung eines Seitenbandes, z.B. f -
foJ beseitigt. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß zwei amplitudengleiche,
um 90° in der Phase verschobene Spannungen der Frequenz f mit zwei amplitudengleichen,
ebenfalls um 90° in der Phase gegeneinander verschobenen Spannungen der Hilfsfrequenz
lo moduliert und addiert werden. Eine über größere Frequenzbereiche praktisch fr
equenzunabhängige Phasendrehung um 900 bereitet aber bei hohen Frequenzen außerordentlich
große Schwierigkeiten.
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Durch die Erfindung, die sich auf ein Verfahren der vorstehend beschriebenen
Art bezieht, sind diese Schwierigkeiten behoben. Die Erfindung besteht darin, daß
die der zweiten Modulationseinrichtung zugeführte Spannung der Frequenz f zur Verhinderung
einer sonst möglichen ungewollten Auslöschung der aus den Anteilen 1 + und f - fo
demodulierten Spannung der Frequenz fo in einem vorzugsweise inWinkelgraden für
die Frequenz f geeichten Phasenschieber in ihrer Phase gedreht wird, wobei als Modulationseinrichtungen
an sich bekannte Modulatoren vorgesehen sind, die die ihnen zugeführten Frequenzen
unterdrücken. Als Modulationseinrichtungen kommen beispielsweise Gegentakt- oder
Doppelgegentakt-, insbesondere Ringmodulatoren in Betracht. Dem Meßobjekt werden
dann Spannungen der Frequenzen f + fo und f f f0 und Kombinationsfrequenzen höherer
Ordnung zugeführt. Die die Messung nicht beeinflussenden Kombinationsfrequenzen
höherer Ordnung werden unter anderem durch die Selektivität des Meßempfängers unterdrückt.
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In der Fig. 1 ist das Schemabild einer Meßanordnung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens zwecks Ausmessung eines Vierpols dargestellt, dem
weitere Einzelheiten der Erfindung entnommen werden können. Der erste Sender S1
erzeugt eine Wechselspannung der veränderbaren Frequenz f. Diese Wechsel-
spannung
wird in der ersten Modulationseinrichtung M1 mit der Wechselspannung konstanter
Frequenz fo ( fo < fl, welche vom Sender S2 erzeugt wird, moduliert. Die am Ausgang
der Modulationseinrichtung M1 abgenommene Spannung UXE wird dem Eingang des auszumessenden
Vierpols X zugeführt und nach dem Durchlaufen des Vierpols als Spannung UxA in der
zweiten Modulationseinrichtung M2 mit der Wechselspannung der Frequenz f des Senders
S1 moduliert, so daß die dem MeßempfängerE zugeführte Meßspannung UA die Frequenz
wo hat und der Spannung UXA proportional ist. Mittels des Phasenschiebers Ph1 kann
dabei der Phasenwinkel der der Modulationseinrichtung M2 zugeführten Wechselspannung
des Senders S1 gegenüber der der ModulationseinrichtungHl zugeführten Wechselspannung
des Senders S1 beliebig eingestellt werden. Der Phasenschieber Phl kann auch zwischen
dem Sender S1 und der ersten Modulationseinrichtung M1 oder zwischen dem Sender
S1 und der zweiten Modulationseinrichtung M2 angeordnet werden.
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Die Modulationseinrichtungen M1 und M2 unterdrücken die ihnen zugeführten
Frequenzen und können beispielsweise Gegentakt- oder Doppelgegentaktmodulatoren,
vorzugsweise Ringmodulatoren, sein, so daß dem auszumessenden Vierpol X Spannungen
der Frequenzen f + fo, 1 Io und Kombinationsfrequenzen höherer Ordnung zugeführt
werden.
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Diese für die Messung nicht interessierenden Kombinationsfrequenzen,
welche bei der weiteren Modulation nicht wieder die Frequenz fo ergeben können,
werden beispielsweise durch geeignete Wahl des Amplitudenverhältnisses der der Modulationseinrichtung
M1 zugeführten Spannungen unterdrückt oder durch die Selektivität des Meßempfängers
E ausgesiebt, so daß sie nicht weiter berücksichtigt zu werden brauchen. Die am
Eingang
des Vierpols X stehende Spannung hat dann die Form: UXE = sin 2# (f + f0) t + sin
2# (f - f0) t.
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Nimmt man an, daß der auszumessende Vierpol X für
die Wechselspannung
der Frequenz f + lo eine Phasendrehung um #1 und eine Amplitudendämpfung a1, für
die Wechselspannung der Frequenz f - f0 eine Phasendrehung um #2 und eine Amplitudendämpfung
a2 bewirkt, so steht am Ausgang des Vierpols X die Spannung UXA = a1 sin [2# (f
+ f0) t + #1] + a2 sin [2# (f - f0) t + #2].
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Diese Spannung wird in der Modulationseinrichtung M2 mit der vom
Sender S1 herrührenden, gegebenenfalls in der Phase um den Winkel #@ gedrehten Wechselspannung
der
Frequenz f beispielsweise mittels eines Ringmodulators derart moduliert, daß am
Ausgang der Modulationseinrichtung M2 die Meßspannung UA = a1 cos (2# f0t + #1 -
#) + a2 cos (2# f0t - #2 + #) steht. Die bt-i dieser Modulation entstehenden Kombinationsfrequenzen
höherer Ordnung werden beispielsweise durch die Selektivität des Meßempfängers E
unterdrückt, so daß sie nicht berücksichtigt zu werden brauchen. Der obige Ausdruck
für die Spannung UA läßt sich umformen zu
Für die Messung interessiert nur die Amplitude A dieser Spannung. Der mittels des
Phasenschiebers Ph einstellbare Phasenwinkel g läßt sich derart wählen, daß die
Amplitude A einen extremen Wert annimmt.
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Für # = #1 + #2 + k# (k = 0, # 1, # 2, # ...) 2 hat A den Maximalwert
Amax = a1 + a2.
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Für # = #1 + #2 + 2 k + 1 # 2 2 hat A den Minimalwert Amin = @a1-a2@.
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Wird also der Phasenschieber Ph1 so lange gedreht, bis die Amplitude
A einen Maximahrert annimmt, so ist der Phasenwinkel bis auf ganzzahlige Vielfache
von # gleich dem Mittelwert der beiden Phasenwinkel 1 und 2, während die Amplitude
A dem Mittelwert der beiden Dämpfungsfaktoren a1 und a2 proportional ist. Wegen
des sehr kleinen Unterschiedes der Frequenzen f + f0 und 1- fo ist es von vornherein
sehr unwahrscheinlich, daß die Phasenwinkel #1 und #2 voneinander abweichen.
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Bei einer doch noch vorhandenen Abweichung wird die Phasenverdrehung
des Vierpols um so strenger proporfinal der Frequenz sein, je größer die Frequenz
f gegenüber der Frequenz fo wird. Dann entspricht der arithmetische Mittelwert (P
mit gleicher Strenge der Phasendrehung des Vierpols für die Frequenz f. Praktisch
wird stets #1 = #2 = #12 und a1 = a2 sein, so daß # = 0.
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Wird also der Phasenwinkel # des Phasenschiebers so eingestellt,
daß die Amplitude der Meßspannung einen maximalen Wert annimmt, so hat man durch
die Anzeige des Meßempfängers ein Maß für die Dämpfung und durch die Einstellung
dcs Phasenwinkels # ein Maß für die Winkeldrehung des Prüflings gcwonnen. Bei der
Ab-
stimmung des Meßempfängers auf Nullanzeige differiert der am Phasenschieber abgelesene
Winkel (p von dem Phasendrehwinkel #12 des Prüflings um 90° el. Durch die Abstimmung
des Meßempfängers auf Maximalanzeige kann also das Dämpfungs- und das Phasenmaß
des Meßvierpoles unmittelbar gemessen werden. Gleichzeitig hiermit ist die Möglichkeit
zur Darstellung der Ausgangsspannung am Prüfling in Polarkoordinaten gegeben.
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Mit dem Verfahren gemäß der Erfindung ist es ferner möglich, die
Ausgangsspannung am Prüfling in zwei kartesische Komponenten, vorzugsweise in die
Wirk- und Blindkomponente, zu zerlegen. Dies ergibt sich unmittelbar aus der Amplitudendarstellung
A der vom Meßempfänger angezeigten Spannung UA, wenn - wie oben - die Phasendrehungen
01 und #2 einander gleich #12 und die Amplitudendämpfungen al und a2 einander gleich
a gesetzt werden. Dies führt zu der Darstellung A = 2 a cos (#12 - #), wobei qs
der jeweilig eingestellte Phasenwinkel des geeichten Phasenschiebers bedeutet. Sollen
beispielsweise die Wirkkomponente ( a cos (P12) und die Blindkomponente (# a sin
#12) der Ausgangsspannung am Prüfling gemessen werden, so wird zur Anzeige der Wirkkomponente
der geeichte Phasenschieber auf den Wert 0° el. und zur Anzeige der Blindkomponente
auf den Wert 90° el. eingestellt.
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Die Komponentenzerlegung der Ausgangsspannung am Prüfling hat besonders
dann Bedeutung, wenn als Prüfling eine Brückenschaltung vorliegt mit Abgleichorganen,
deren Verstimmungen bei einer Darstellung der Ausgangsspannungen in der komplexen
Zahlenebene aufeinander senkrechte Richtungen haben. Der Phasenwinkel # kann dann
so eingestellt werden, daß eine dies Brückenverstimmungen voll und die andere gar
nicht angezeigt wird.
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Allerdings ergibt eine Änderung des Winkelmaßes um # oder ganzzahlige
Vielfache davon keine Unterschiede in der Anzeige. Entsprechendes gilt bei Zweipolmessungen
für Betrag und Winkel.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird im Meßempfänger
eine doppelt gespeiste Gleichrichterbrücke, welche von der Wechselspannung der Frequenz
fO gesteuert wird, angeordnet. Im Schemabild der Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel
einer derartigen Meßanordnung angezeigt. Hierbei besteht der Meßempfänger E aus
dem selektiven Verstärker V, der doppelt gespeisten Gleichrichterbrücke Gb und dem
Gleichstromanzeigeinstrument Ga. Die dem Meßempfänger E @zugeführte Spannung UA
wird durch den selektiven Verstärker 1 verstärkt und dem einen Eingang der doppelt
gespeisten Gleichrichterbrücke Gb zugeführt. Dem anderen Eingang der doppelt gespeisten
Gleichrichterbrücke Gb wird eine dem Sender S entnommene Wechselspannuilg der Frequenz
io zugeführt, welche durch den Phasenschieber Ph2
gegenüber der
der Modulationseinrichtung M1 zugeführten Spannung um den Phasenwinkel #0 gedreht
ist.
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Am Ausgang der doppelt gespeisten GleichrichterbrüclceGb wird dann
die Gleichspannung U« abgenommen, deren Größe der Amplitude A der Spannung UA und
dem Cosinus des Phasenwinkels zwischen den beiden der doppelt gespeisten Gleichrichterbrücke
Gb zugeführten Spannungen proportional ist, also UG # A cos (#0 - #) also gemäß
den obigen Ausführungen UG # A A cos Die Verwendung einer doppelt gespeisten Gleichrichterbrücke
im Meßempfänger E bietet also die Möglichkeit, die Mehrdeutigkeit der Phasendrehung
des Vierpols X von ganzzahligen Vielfachen von 1800 auf ganzzahlige Vielfache von
360° zu beschränken.
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Die Praxis hat gezeigt, daß eine Winkeldrehung bei Frequenzen oberhalb
von etwa 400 MHz auch bei variabler Frequenz um so leichter wird, je höher die Frequenz
ansteigt. Bei Frequenzen unterhalb von etwa 400 MHz kann die Phasendrehung der Wechselspannung
der veränderbaren Frequenz f von 0 bis 1800 innerhalb des gesamten Frequenzbereiches
Schwierigkeiten bereiten. Um diese Schwierigkeiten zu umgehen, wivorgeschlagen,
die Phasendrehung der Wechselspannung der veränderbaren Frequenz f auf die Phasendrehung
der von einem dritten Sender abgegebenen Wechselspannung der konstanten Frequenz
f1 zurückzuführen. Hierzu kann die Wechselspannung der Frequenz f mit der Wechselspannung
der Frequenz f1 in weiteren Modulationseinrichtungen moduliert und wieder demoduliert
werden, wobei der gewünschte Phasenwinkel zwischen den den weiteren Modulationseinrichtungen
zugeführten Spannungen der Frequenz fi besteht.
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Ein Beispiel einer Meßanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens
ist im Schemabild der Fig. 3 wiedergegeben. Statt des Phasenschiebers Ph1 der Fig.
1 ist hierbei die aus den weiteren Modulationseinrichtungen M2 und M4, dem Hochpaß
HP, dem Tiefpaß TP, dem eine Wechselspannung der konstanten Frequenz f1 erzeugenden
Sender S3 und dem Phasenschieber Ph2 bestehende Einrichtung vorgesehen. Die weiteren
Modulationseinrichtungen M3 und M4 sind zweckmäßig Gegentakt-oder Doppelgegentaktmodulatoren,
vorzugsweise Ringmodulatoren.
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Im folgenden sei die Wirkungsweise dieser Einrichtung beschrieben.
In der Modulationseinrichtung M3 werden die Wechselspannungen der veränderbaren
Frequenz f und der konstanten Frequenz f1 derart miteinander moduliert, daß am Ausgang
der Modulationseinrichtung M3 Wechselspannungen der Seitenbandfrequenzen f + f1
und f - f1 abgenommen werden. Von diesen Wechselspannungen wird im Hochpaß HP, welcher
die Phasendrehung #H hervorruft, die Wechselspannung der Frequenz f + f1 durchgelassen,
so daß diese dem einen Eingang der Modulationseinrichtung M4 zugeführt wird. Dem
anderen Eingang der Modulationseinrichtung M4 wird die Wechselspannung der Frequenz
f1 über den veränderbaren Phasenschieber PA3 zugeführt, so daß diese Spannung gegenüber
der der Modulationseinrichtung M3 zugeführten Spannung der Frequenz f1 den veränderbaren
Phasenwinkel #3 aufweist. Die beiden der Modulationseinrichtung llI4 zugeführten
Spannungen werden nun derart moduliert, daß am Ausgang der Modulationseinrichtung
M4 im wesentlichen Wechselspannungen der Frequenzen f und f + 2f1 abgenommen werden
können.
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Von diesen Spannungen wird die Spannung der Frequenz f im Tiefpaß
TP durchgelassen. Da der Tiefpaß TP die konstante Phasendrehung f T hervorruft,
ist die der Modulationseinrichtung ílÇl zugeführte Spannung der Frequenz f gegenüber
der der hIodulationseinrichtungllI2 zugeführten Spannung der Frequenz f um die Summe
aus den konstanten Phasenwinkeln #H und 9ST und dem variablen Phasenwinkel #2 gedreht.
Damit ist also gezeigt, daß die Phasendrehung der Wechselspannung der veränderbaren
Frequenz f auf die Phasendrehung einer von einem dritten Sender abgegebenen Wechselspannung
der konstanten Frequenz Ii zurückgeführt werden kann.
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PATENTANSPRUCEIE: 1. Verfahren zur Ausmessung von elektrischen Vier-bzw.
Zweipolen mit einem Meßsender der veränderbaren Frequenz f und einem Hilfssender
der festen Frequenz f0, insbesondere lo f, 1 wobei aus den beiden Sendern in einer
ersten Modulationseinrichtung eine zur Speisung des Vierpols dienende modulierte
Speisespannung erzeugt wird und die am Ausgang des Vierpols auftretende modulierte
Meßspannung in einer zweiten Modulationseinrichtung mit der Spannung der Frequenz
f auf eine Spannung der festen Frequenz lo umgesetzt und von einem auf die Frequenz
lo abgestimmten Meßempfänger angezeigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die der
zweiten Modulationseinrichtung zugeführte Spannung der Frequenz f zur Verhinderung
einer sonst möglichen ungewollten Auslöschung der aus den Anteilen f + lo und 1-
lo demodulierten Spannung der Frequenz lo in einem vorzugsweise in Winkelgraden
für die Frequenz f geeichten Phasenschieber in ihrer Phase gedreht wird, wobei als
Modulationseinrichtungen an sich bekannte Modulatoren vorgesehen sind, die die ihnen
zugeführten Frequenzen unterdrücken.