DE1095935B

DE1095935B - Device for harmonic analysis

Info

Publication number: DE1095935B
Application number: DEG27770A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Karl Homilius
Original assignee: P Gossen and Co GmbH
Current assignee: P Gossen and Co GmbH
Priority date: 1959-08-21
Filing date: 1959-08-21
Publication date: 1960-12-29

Description

Einrichtung zur Oberwellenanalyse Es ist bekannt, zur Bestimmung der Teilschwingungen oder Oberwellen eines Frequenzgemisches ein Verfahren zu verwenden, bei dem der zu untersuchenden Wechselspannung eine zweite, sinusförmige Spannung veränderbarer Frequenz überlagert wird. Die aus der Frequenz der eingespeisten Spannung und der Frequenz einer Oberwelle gleicher Schwingungszahl entstehende Schwebung dient dann zur Bestimmung der gesuchten Größe.Device for harmonic analysis It is known to determine the To use a method for partial oscillations or harmonics of a frequency mixture, at which the alternating voltage to be examined has a second, sinusoidal voltage variable frequency is superimposed. The one from the frequency of the fed-in voltage and the frequency of a harmonic with the same number of vibrations is then used to determine the size you are looking for.

Bei den bekannten Verfahren wird die tSberlagerung von eingespeister Spannung und zu analysierender Oberwelle in einer Multiplikatorstufe durchgeführt, z. B. mittels Dynamometer oder Hallgenerator. In the known methods, the superposition of is fed in Voltage and harmonic to be analyzed carried out in a multiplier stage, z. B. by means of a dynamometer or Hall generator.

Die bei Frequenzgleichheit entstehende Anzeige ist daher sowohl von der Amplitude der Oberwelle als auch von der Amplitude der eingespeisten Spannung selbst abhängig. Letztere muß daher entweder konstant gehalten werden oder aber im Einzelfall bekannt sein. Weiterhin ist nachteilig, daß eventuelle Oberwellen der eingespeisten Spannung zusammen mit entsprechenden Frequenzen des zu analysierenden Frequenzgemisches zu Fehlmessungen führen können.The display resulting from the same frequency is therefore of both the amplitude of the harmonic as well as the amplitude of the voltage fed in self dependent. The latter must therefore either be kept constant or else be known in individual cases. Another disadvantage is that possible harmonics the fed-in voltage together with the corresponding frequencies of the to be analyzed Mixed frequencies can lead to incorrect measurements.

Zur Vermeidung der Abhängigkeit von der Amplitude der eingespeisten Spannung ist es bekannt, als meßwertbildendes Glied eine Brückenschaltung fremdgesteuerter Gleichrichter zu verwenden. Dies erfordert aber einen sorgfältigen Abgleich der Gleichrichterbrücke und die Summen- und Differenzbildung von eingespeister Spannung und Frequenzgemisch. Außerdem erzeugen die ungeradzahligen Oberwellen des Frequenzgemisches einen Anzeigefehler, da sie mit einem ihrer Ordnungszahl umgekehrt proportionalen Faktor zur Anzeige beitragen. Weiterhin ist störend, daß die gesteuerten Gleichrichter fiir die Meßspannungsquelle keine konstante Belastung darstellen. To avoid the dependence on the amplitude of the fed Voltage is known to be an externally controlled bridge circuit as a measured value forming element Use rectifier. However, this requires a careful comparison of the Rectifier bridge and the formation of the sum and difference of the supplied voltage and frequency mix. In addition, the odd harmonics generate the frequency mixture a display error, as it is inversely proportional to one of its ordinal number Contribute factor to the display. It is also annoying that the controlled rectifier do not represent a constant load for the measuring voltage source.

Eine andere bekannte Anordnung zur Bestimmung der Wellenform einer Wechselstromgröße benutzt einen mechanischen Kontaktgleichrichter nach Art eines Kommutators, der von einem Synchronmotor angetrieben wird. Dieser wird mit der Frequenz der zu untersuchenden Spannung gespeist. Auf der Antriebswelle des Motors befindet sich der Kommutator, dessen zwei Bürstenpaare um 900 gegeneinander versetzt sind; dadurch ergibt sich eine doppelte Zweiwegegleichrichtung, deren Eingangsgrößen um 90° phasenverschoben sind. Die gleichgerichteten Werte werden jeweils einzeln von einem Galvanometer angezeigt. Bei Vollausschlag des einen Anzeigegerätes zeigt das andere Gerät Null an. Durch Verdrehung der Bürstenpaare kann aus den bei verschiedenen Stellungen sich ergebenden Ausscblägen der beiden Meßgeräte die Kurvenform der zu untersuchenden Wechselspannung rekonstruiert werden. Soll eine harmonische Oberwelle dieser Spannung direkt bestimmt werden, beispielsweise die dritte Oberwelle, so muß der Antriebsmotor demgemäß mit der dreifachen Geschwindigkeit laufen, oder es muß der Kommutator die dreifache Segmentzahl aufweisen. Außerdem muß durch zusätzliche Siebglieder dafür gesorgt werden, daß nur diese Oberwelle den mechanischen Gleichrichtern zugeführt wird. Eine einfache Bestimmung der einzelnen Oberwellen ist mit diesem aufwendigen Verfahren daher nicht möglich. Die mechanischen Kontaktgleichrichter beschränken den Anwendungsbereich auf niedrige Frequenzen und Oberwellen kleiner Ordnungszahl. Another known arrangement for determining the waveform of a AC magnitude uses a mechanical contact rectifier of the type Commutator driven by a synchronous motor. This becomes with the frequency the voltage to be investigated. Located on the drive shaft of the engine the commutator, whose two pairs of brushes are offset from one another by 900; this results in a double two-way rectification, the input variables of which by Are 90 ° out of phase. The rectified values are each individually from displayed on a galvanometer. When one display device is fully deflected, this shows other device to zero. By rotating the pairs of brushes, the different Positions resulting deflections of the two measuring devices the curve shape of the to investigating alternating voltage can be reconstructed. Should be a harmonic harmonic this voltage is determined directly be, for example the third harmonic, so must the drive motor accordingly run at three times the speed, or it must the commutator have three times the number of segments. In addition, additional Filter elements ensure that only these harmonics pass the mechanical rectifiers is fed. A simple determination of the individual harmonics is possible with this complex procedures are therefore not possible. The mechanical contact rectifier limit the scope to low frequencies and lower harmonics Atomic number.

Im Gegensatz dazu bezieht sich die im folgenden näher beschriebene Erfindung auf eine Einrichtung zur Oberwellenanalyse, bei der als Anzeigegröße der arithmetische Mittelwert eines Stromes dient, der von einem fremdgesteuerten Schalter geschaltet wird, dessen Schaltstrecke an die Meßgröße mit dem zu analysierenden Frequenzgemisch angeschlossen ist und der im Takt einer Steuerspannung geschaltet wird, deren Frequenz auf die Frequenz der zu messenden Oberwelle einstellbar ist, und die in der Hauptsache dadurch gekennzeichnet ist, daß als Schalter ein Transistor dient und daß parallel zu dessen Schaltstrecke die eines zweiten Transistors gleicher Art liegt, die gegenphasig zur ersten Schaltstrecke gesteuert wird. In contrast, the one described in more detail below relates to this Invention to a device for harmonic analysis, in which the display size of the arithmetic mean value of a current is used by an externally controlled switch is switched, whose switching path is connected to the measured variable with the to be analyzed Frequency mixture is connected and switched in time with a control voltage whose frequency can be adjusted to the frequency of the harmonic to be measured, and which is mainly characterized in that the switch is a transistor serves and that parallel to its switching path that of a second transistor is the same Type, which is controlled in phase opposition to the first switching path.

Die erfindungsgemäße Oberwellenmeßeinrichtung wird an Hand der Abb. 1 bis 3 erläutert. The harmonic measuring device according to the invention is illustrated in Fig. 1 to 3 explained.

Das meßwertbildende Glied ist in Abb. 1 dargestellt. The element producing the measured value is shown in Fig. 1.

Der Widerstand der Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors 1 ist abhängig von der Polarität der an der Basis und dem Kollektor angelegten Steuerspannung Ust, jedoch unabhängig von der Polarität der Emitter-Kollektor-Spannung entweder sehr groß (> 106 Ohm) oder sehr klein (1 Ohm). Der Transistor 1 kann daher als durch die Basis-Kollektor-Spannung steuerbarer Schalter verwendet werden. Für die Steuerspannung ist ein rechteckförmiger Verlauf zweckmäßig, die t)ffnungs- und Schließungszeit des Transistorschalters ist dann unmittelbar vom Verhältnis der Rechteckbreiten der Steuerspannung abhängig.The resistance of the emitter-collector path of a transistor 1 is depending on the polarity of the control voltage applied to the base and the collector Ust, however, regardless of the polarity of the emitter-collector voltage either very large (> 106 Ohm) or very small (1 Ohm). The transistor 1 can therefore as Switches controllable by the base-collector voltage can be used. For the Control voltage, a rectangular curve is appropriate, the t) opening and closing times of Transistor switch is then directly from the ratio of Rectangular widths dependent on the control voltage.

Wird an die Klemmen 2 und 3 die zu analysierende Spannung über einen ohmschen Widerstand 4 und einen Strommesser 5 an den Transistorschalter gelegt, so ergibt sich bei gleicher Öffnungs- und Schließungszeit ein arithmetischer Mittelwert des durch das Meßinstrument fließenden Stromes nur bei Frequenzgleichheit von Steuerspannung Ust und der zu erfassenden Oberwelle. Dieser arithmetische Mittelwert ist nun praktisch lediglich von der Amplitude der betreffenden Oberwelle abhängig, nicht aber von der Amplitude der Steuerspannung des Transistorscbalters. If the voltage to be analyzed is applied to terminals 2 and 3 via a ohmic resistor 4 and an ammeter 5 placed on the transistor switch, this results in an arithmetic mean with the same opening and closing times of the current flowing through the measuring instrument only if the frequency of the control voltage is the same Ust and the harmonic to be recorded. This arithmetic mean is now useful depends only on the amplitude of the harmonic in question, but not on the amplitude of the control voltage of the transistor switch.

Als Meßinstrument 5 dient in einfacher Weise ein Drehspulinstrument. Es ist auch möglich, an Stelle der gezeichneten direkten, Strommessung eine Messung des Spannungsabfalls am Widerstand 4 vorzunehmen. In diesem Fall kann zur Glättung des pulsierenden Gleichstromes in die Zuleitung zum Meßinstrument noch eine Drossel eingeschaltet werden.A moving-coil instrument is used as the measuring instrument 5 in a simple manner. It is also possible to take a measurement instead of the direct current measurement shown of the voltage drop across resistor 4. In this case it can be used for smoothing of the pulsating direct current in the supply line to the measuring instrument still a throttle be switched on.

In Abb. 2 ist zu der in der Abb. 1 gezeigten Schalteranordnung eine zweite ebensolche Schalteranordnung 6, 7 parallel geschaltet. In Fig. 2 to the switch arrangement shown in Fig. 1 is a second switch arrangement 6, 7 of the same type connected in parallel.

Dadurch wird erreicht, daß an denKlemmen2 und3 für die zu analysierende Spannung eine zeitlich konstante Belastung vorliegt. Mit dieser Anordnung kann somit auch eine unmittelbare Untersuchung von Wechsel strömen stattfinden. This ensures that at terminals 2 and 3 for the to be analyzed Voltage is a constant load over time. With this arrangement can thus an immediate investigation of alternating currents can also take place.

Die Umschaltzeiten der Transistorschalter sind bei Verwendung geeigneter Exemplare und zweckmäßiger Dimensionierung sehr kurz, beispielsweise in der Größenordnung einer Mikrosekunde und weniger, so daß die beschriebene Schalteinrichtung auch noch für Frequenzen verwendet werden kann, die weit über dem Tonfrequenzbereich liegen. The switching times of the transistor switches are more suitable when used Specimens and appropriate dimensioning very short, for example in the order of magnitude a microsecond and less, so that the switching device described also can be used for frequencies that are well above the audio frequency range.

In Abb. 3 ist die Schaltung eines kompletten Oberwellenmeßgerätes nach der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die zu untersuchende Größe, beispielsweise die Spannung eines Lichtnetzes, wird wieder an die Klemmen 2 und 3 gelegt, hinter diesen jedoch durch einen Spannungsteiler, 8 9 oder auch einen Wandler auf einen für die Schalttransistoren 1 und 6 geeigneten Wert gebracht. In Fig. 3 is the circuit of a complete harmonic meter illustrated according to the present invention. The size to be examined, for example the voltage of a lighting network is again applied to terminals 2 and 3, behind However, this through a voltage divider, 8 9 or a converter to one brought suitable value for the switching transistors 1 and 6.

Die zur Steuerung der Schalttransistoren benötigte Rechteckspannung wird hier auf einfachste Weise in einem neben Transistoren nur Kondensatoren und ohmsche Widerstände als Schaltelemente aufweisenden Multivibrator erzeugt und den Schalttransistoren über Anpassungswiderstände 10 und 11 zugeführt. The square wave voltage required to control the switching transistors is here in the simplest way in a next to transistors only capacitors and Generated ohmic resistances as switching elements having multivibrator and the Switching transistors via matching resistors 10 and 11 are supplied.

Der Multivibrator ist in der üblichen Weise geschaltet und besteht aus Transistoren 12 und 13, Arbeitswiderständen 14 und 15, Basisvorwiderständen 16 und 17 sowie Stabilisierungswiderständen 18 und 19 und Kondensatorengruppen 20, 21, 22 und 23, 24, 25.The multivibrator is connected and consists in the usual way from transistors 12 and 13, load resistors 14 and 15, base series resistors 16 and 17 as well as stabilizing resistors 18 and 19 and capacitor groups 20, 21, 22 and 23, 24, 25.

Letztere können mit einem Schalter 26 zur Frequenzwahl umgeschaltet werden. In den Basiszuleitungen ist weiterhin ein gemeinsamer Einstellwiderstand 27 vorgesehen,mit dem eine Feineinstellung derSchv.ingfrequenz vorgenommen wird. Somit können auch kleinere Abweichungen der Meßspannung von der ursprünglichen Nennfrequenz sowie die Temperaturabhängigkeit der Multivibratorfrequenz ausgeglichen werden. Zwei Transistoren 28 und 29 dienen als Emitterfolgestufen in bekannter Weise zur Impedanztransformation; an ihren Emitterwiderständen 30 und 31 wird die Rechteck-Steuerspannung ausgekoppelt. Ein Justierwiderstand 32 ist zur einmaligen Einstellung einer für sauberes Arbeiten der Schalterstufen hinreichenden Ansteuerung vorgesehen. Das Gerät wird von einer Spannungsquelle 33 gespeist und mit einem Schalter 34 eingeschaltet. Ein Drehwiderstand 35 in der ersten Schaltstufe dient zur Einstellung der Instrumentenempfindlichkeit beim Meßvorgang.The latter can be switched with a switch 26 for frequency selection will. There is still a common setting resistor in the base leads 27 is provided, with which a fine adjustment of the vibration frequency is carried out. This means that even smaller deviations of the measuring voltage from the original nominal frequency can occur as well as the temperature dependence of the multivibrator frequency can be compensated. Two transistors 28 and 29 are used as emitter follower stages in a known manner Impedance transformation; the square-wave control voltage is applied to their emitter resistors 30 and 31 decoupled. An adjustment resistor 32 is for a one-time setting for clean working of the switch stages sufficient control provided. The device is fed from a voltage source 33 and with a Switch 34 turned on. A rotary resistor 35 in the first switching stage is used to adjust the instrument sensitivity during the measuring process.

Die Arbeitsweise des Gerätes ist einfach. Nachdem die zu untersuchende Spannung an die Klemmen 2 und 3 angeschlossen und das Gerät mit dem Schalter 34 eingeschaltet worden ist, wird die Schwingfrequenz des Multivibrators durch Einschalten der Kondensatoren 20 und 23 und anschließender Feinregulierung mit dem Drehwiderstand 27 auf die Grundfrequenz des zu untersuchenden Spannungsgemisches eingestellt. Man läßt zweckmäßig noch einen geringeren Frequenzunterschied (<0,1 Hz) zu, so daß der Zeiger des Drehspulgerätes eine langsame Schwingung ausfährt. Der maximale Ausschlag kann dann direkt auf einen in der betreffenden Einheit, beispielsweise in Volt, geeichten Skala als Meßwert ahgelesen werden. Sodann wird die Schwingfrequenz mit demSchalter 26 durch Einschalten der Rückkopplungskondensatoren 21 und 24 grob und durch Betätigen des Widerstandes 27 fein auf die erste Harmonische der Grundfrequenz eingestellt. Der dann auftretende maximale Ausschlag gibt die Größe dieser Oberwelle an. The operation of the device is simple. After the under investigation Voltage connected to terminals 2 and 3 and the device with switch 34 has been switched on, the oscillation frequency of the multivibrator is increased by switching on of the capacitors 20 and 23 and subsequent fine adjustment with the rotary resistor 27 set to the fundamental frequency of the voltage mixture to be examined. Man expediently allows a smaller frequency difference (<0.1 Hz), so that the pointer of the moving coil device oscillates slowly. The maximum deflection can then directly to one in the relevant unit, for example in volts, calibrated scale can be read as a measured value. Then the oscillation frequency becomes with the switch 26 by turning on the feedback capacitors 21 and 24 coarse and by operating the resistor 27 fine to the first harmonic of the fundamental frequency set. The then occurring maximum deflection gives the size of this harmonic at.

Zum anderen besteht die Möglichkeit, in der Stellung »Grundwelle« mit dem Drehwiderstand 35 den Ausschlag auf Vollausschlag einer 0 . . . 1000/o beschrifteten Skala einzustellen. In Stellung »Oberwelle« gibt dann der sich einstellende maximale Ausschlag unmittelbar das prozentuale Amplitudenverhältnis der Oberwelle zur Grundwelle an. Durch Einschalten der Kondensatoren 22 und 25 kann auf dieselbe Weise der prozentuale Anteil einer anderen Oberwelle ermittelt werden. Von besonderem Vorteil ist, daß für die Messung einer zusätzlichen Oberwelle jeweils nur zwei weitere und billige Rückkopplungskapazitäten erforderlich sind. On the other hand, there is the option of using the »fundamental wave« position with the rotary resistance 35 the deflection to full deflection of a 0. . . 1000 / o labeled Adjust the scale. In the "harmonic" position there is the maximum Immediate deflection is the percentage amplitude ratio of the harmonic to the fundamental at. By switching on the capacitors 22 and 25, the percentage Part of another harmonic can be determined. It is of particular advantage that for the measurement of an additional harmonic only two more and cheap Feedback capacities are required.

Beträgt die Kontaktzeit tK> bezogen auf die Grundwelle, 1800, so kann bei der Grundwellenmessung, besonders bei großem Oberwellengehalt, stören, daß die ungeradzahligen Oberwellen ebenfalls einen ihrer Ordnungszahl umgekehrt proportionalen und im Vorzeichen alternierenden arithmetischen Mittelwert ergeben. Diesen systematisch bedingten Fehler kann man verringern, indem man die Kontaktzeit des Transistors 1 nicht zu 1800, sondern nur zu 1200 wählt, wodurch die im allgemeinen besonders starke dritte Harmonische eliminiert wird. Der Oppositionstransistor 6 wird in diesem Fall mit einer Kontaktzeit von 2400 betrieben, so daß über die ganze Periode wieder konstante Belastung vorliegt. Die unterschiedlichen Schaltzeiten können leicht durch entsprechende Wahl der Rückkopplungskapazitäten im Multivibrator erreicht werden. If the contact time tK> related to the fundamental wave, 1800, this can interfere with the fundamental wave measurement, especially with high harmonic content, that the odd harmonics also reverse one of their ordinal numbers proportional and alternating arithmetic mean. This systematic error can be reduced by reducing the contact time of transistor 1 selects not to 1800, but only to 1200, whereby the in general particularly strong third harmonic is eliminated. The opposition transistor 6 is operated in this case with a contact time of 2400, so that over the whole Period is constant load again. The different switching times can easily be achieved by selecting the feedback capacitances in the multivibrator accordingly can be achieved.

Claims

PATENT CLAIM: 1. Device for harmonic analysis, in which as Display variable the arithmetic mean value of a current or a value proportional to it Voltage drop that is switched by an externally controlled switch, whose switching path is connected to the measured variable with the frequency mixture to be analyzed and which is switched in time with a control voltage whose frequency is set to the Frequency of the harmonic to be measured is adjustable, thereby gcketinzeidimt that a transistor serves as a switch and that the switching path is parallel to its switching path of a second transistor of the same type, the out of phase to the first switching path is controlled.

2. Device according to claim 1, characterized in that the control voltage for the transistor switch in a switchable to the fundamental frequency and its harmonics Multivibrator is generated with transistors.

3. Device according to claim 1 and 2, characterized in that a setting resistor for fine adjustment of the oscillation frequency of the multivibrator serves, which is common to the two base potential supply lines.

4. Device according to claim 1 to 3, characterized in that the contact time to avoid the influence of the third harmonic on the display one switching path, based on the control voltage, 1200 and that of the one in phase opposition controlled switching path is 2400.

Documents considered: German Patent No. 970 035; U.S. Patent No. 2,082,997; "FTZ", 5 (1952), pages 31 to 38; »Funkschau« (1955), no. 7, pp.17 to 20.