DE1169032B

DE1169032B - Phase angle meter with phase-sensitive rectifier bridge and moving-coil measuring mechanism

Info

Publication number: DE1169032B
Application number: DEG30443A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Michael Sangl; Horst Loesch
Original assignee: P Gossen and Co GmbH
Current assignee: P Gossen and Co GmbH
Priority date: 1960-09-07
Filing date: 1960-09-07
Publication date: 1964-04-30

Description

Phasenwinkelmesser mit phasenempfindlicher Gleichrichterbrücke und Drehspulmeßwerk In Fortentwicklung der von C. H. W alte r (Z. f. T. Phys., 13, 1932, S. 363) erstmals angegebenen fremdgesteuerten Gleichrichtung zur J cos Messung sind eine Reihe weiterer Gleichrichterbrücken bekanntgeworden. Als vorteilhaft erwiesen sich Gleichrichterbrücken mit vier nach Art eines Ringmodulators angeordneten Halbleiterdioden. Diese Gleichrichterbrücken können nun unterschiedlich gesteuert werden, und zwar einmal so, daß während einer Halbperiode im Ring hintereinanderliegende Gleichrichter ausgesteuert werden (ATM Z 52-7/8), und zum anderen, daß jeweils zwei im Ring sich gegenüberliegende Gleichrichter geöffnet und geschlossen sind (ATM V 3631-9, Bild 7). Von entscheidender Wichtigkeit für die Leistungsfähigkeit der Brücke ist aber die Art und Weise, wie die Steuer-und Meßgrößen in die Gleichrichterbrücke eingespeist werden und wie das Meßergebnis entnommen wird.Phase angle meter with phase sensitive rectifier bridge and Moving coil measuring mechanism In further development of the C. H. W old r (Z. f. T. Phys., 13, 1932, P. 363) for the first time specified externally controlled rectification for J cos measurement a number of other rectifier bridges became known. Proven to be beneficial rectifier bridges with four semiconductor diodes arranged like a ring modulator. These rectifier bridges can now be controlled in different ways, namely once so that during a half period in the ring one behind the other rectifier are controlled (ATM Z 52-7 / 8), and on the other hand, that two in each ring opposing rectifiers are open and closed (ATM V 3631-9, Fig 7). However, it is of decisive importance for the performance of the bridge the way in which the control and measured variables are fed into the rectifier bridge and how the measurement result is taken.

Sowohl die Steuer- als auch die Meßgrößen werden beispielsweise über je zwei gleich große und zur Brücke parallel liegende Widerstände oder identisch über zwei gleiche Wandler-Sekundärwicklungen eingespeist, und das Meßergebnis wird zwischen den Symmetriepunkten der Widerstände oder der Sekundärwicklungen abgegriffen. Derartige Schaltungen haben den Nachteil, daß die praktisch stets unsymmetrischen Gleichrichterdurchlaßwiderstände der jeweils geöffneten Gleichrichter beträchtliche Meßfehler hervorrufen. Dies ist leicht einzusehen, wenn man bei einer der bekannten Schaltungen (ATM Z 52-7, Bild 6) die Steuerstromwege je Halbwelle betrachtet. Both the control and the measured variables are, for example, via two resistors of the same size and parallel to the bridge or identical fed in via two identical transformer secondary windings, and the measurement result is tapped between the symmetry points of the resistors or the secondary windings. Such circuits have the disadvantage that the practically always asymmetrical Rectifier forward resistances of the respectively opened rectifier are considerable Cause measurement errors. This is easy to see if you look at one of the well-known Circuits (ATM Z 52-7, Fig. 6) consider the control current paths per half-wave.

Gemäß Fig. 1 stellt das Ersatzschaltbild für eine Steuerhalbwelle eine Art Wheatstonesche Brücke mit den unsymmetrischen, variablen Durchlaßwiderständen als Brückenwiderstände dar. According to FIG. 1, the equivalent circuit diagram for a control half-wave a kind of Wheatstone bridge with asymmetrical, variable forward resistances as bridge resistances.

Es braucht nicht besonders hervorgehoben zu werden, daß bei unsymmetrischen Gleichrichterdurchlaßwiderständen ein vom Steuerstrom herrührender und das Meßergebnis verfälschender Au sgleichs strom über das Anzeigeinstrument fließt. Um diese Fehler einigermaßen in Grenzen zu halten, ist in einem bekannten Fall (ATM Z 52-7, Bild 7) der Nullsteller Ro vorgesehen. Needless to say, in the case of unbalanced Rectifier forward resistances are a result of the control current and the measurement result falsifying balancing current flows through the display instrument. To these mistakes In one known case (ATM Z 52-7, Fig 7) the zero adjuster Ro is provided.

Die weiterentwickelte Schaltung (ATM V 3631-9, Bild 7) ist bereits so verbessert, daß kein Nullsteller mehr benötigt wird. Das Ersatzschaltbild je Steuerhalbwelle dieser Summen-Differenz-Schaltung ist in Fig.2 dargestellt. Um den Unterschied zur Schaltung nach F i g. 1 zu verdeutlichen, sind hier an Stelle der bifilaren Stromwandler-Sekundärwicklungen gemäß ATM V 3631-9, Bild 7, nunmehr ohmsche Widerstände eingezeichnet worden. The further developed circuit (ATM V 3631-9, Fig. 7) is already so improved that a zero setter is no longer required. The equivalent circuit ever Control half-wave of this sum-difference circuit is shown in Fig.2. To the Difference to the circuit according to FIG. 1 are used here instead of the bifilar current transformer secondary windings according to ATM V 3631-9, Figure 7, now ohmic Resistances have been drawn in.

Da es sich hierbei um einen Stromwandler mit aufgezwungenem Primärstrom handelt, sind die Widerstände 1 und 2 als hochohmig anzusetzen, so daß der Steuerstrom den jeweiligen Gleichrichtern praktisch aufgezwungen wird. Das heißt aber mit anderen Worten, daß die Widerstände der einzelnen Brückenzweige nahezu konstant und damit auch die Ausgleichsströme über das Meßwerk genügend klein bleiben. Since this is a current transformer with a forced primary current acts, the resistors 1 and 2 are to be set as high-resistance, so that the control current is practically imposed on the respective rectifiers. But that means with others Words that the resistances of the individual bridge branches are almost constant and thus the equalizing currents through the measuring mechanism also remain sufficiently small.

Gegenüber diesen bislang bekannten Grundschaltungen stellt die im folgenden näher beschriebene Erfindung, deren Prinzipschaltung in Fig. 3 dargestellt ist, einen wesentlichen Fortschritt dar, und zwar handelt es sich dabei um einen Phasenwinkelmesser, der aus einer phasenempfindlichen Gleichrichterbrücke nach Art eines Ringmodulators besteht, bei der zwei gegensinnig in Reihe geschaltete Zenerdioden zusammen mit einem Vorwiderstand die Meßspannung stabilisieren und zwei gleich große Widerstände in den Diagonalen liegen und bei der die Meßspannung über die Symmetriepunkte dieser Widerstände und die Steuerspannung über zwei korrespondierende Diagonalpunkte eingespeist werden und das Meßergebnis zwischen den beiden anderen Diagonalpunkten abgegriffen wird. Er ist dadurch gekennzeichnet, daß zwei der Diagonalwiderstände im Vergleich zu den Gleichrichterdurchlaßwiderständen sehr hoch und zugleich so bemessen sind, daß bei der zur Verfügung stehenden Zenerspannung ein aufgezwungener und durch das Verhältnis Steuerstrom zu Meßstrom definierter Stromfluß entsteht. Compared to these previously known basic circuits, the im following invention described in more detail, the basic circuit of which is shown in FIG is, represents a major advance, and indeed it is one Phase angle meter, which consists of a phase-sensitive rectifier bridge according to Art a ring modulator consists of two Zener diodes connected in series in opposite directions together with a series resistor, stabilize the measuring voltage and two of the same size Resistances are in the diagonals and the measuring voltage is across the symmetry points these resistors and the control voltage via two corresponding diagonal points are fed in and the measurement result between the two other diagonal points is tapped. It is characterized in that two of the diagonal resistances Compared to the rectifier forward resistances, very high and at the same time so are dimensioned that with the available Zener voltage an imposed and the current flow defined by the ratio of control current to measurement current is created.

Die nach Art eines Ringmoduiators geschalteten Gleichrichter 3 bis 6 werden durch den aufgezwungenen Steuerstrom iSt so gesteuert, daß sich der Stromkreis während der positiven Halbwelle über die Gleichrichter 3 und 4 und während der negativen Halbwelle über die Gleichrichter 5 und 6 schließt. The rectifier 3 bis connected in the manner of a ring modulator 6 are controlled by the imposed control current iSt so that the circuit during the positive half-wave via the rectifiers 3 and 4 and during the negative Half wave via the rectifier 5 and 6 closes.

Die jeweils geöffneten Gleichrichter sind über die Widerstände 7 und 8, die sehr hochohmig sind, nur ganz gering nebengeschlossen. Der erfindungsgemäße Fortschritt wird offensichtlich, wenn man das in Fig. 4 gezeigte Ersatzschaltbild je Steuerhalbwelle betrachtet. Im Gegensatz zu den bekannten Schaltungen ist hier dem Steuerstrom der Weg über das Meßwerk durch die davorliegende und sperrende Diode 5 stets verwehrt. Auf diese Weise ist es möglich, die Gleichrichter mit hohen Strömen auszusteuern, d. h., die üblichen Meßfehler können dadurch sehr gering gehalten werden.The rectifier opened in each case are via the resistors 7 and 8, which are very high resistance, only very slightly shunted. The inventive Progress is evident when one looks at the equivalent circuit shown in FIG considered per control half-wave. In contrast to the known circuits here is the path of the control current via the measuring mechanism through the blocking diode in front of it 5 always denied. In this way it is possible to use the rectifier with high currents to control, d. This means that the usual measurement errors can be kept very low will.

Weiterhin sind, wie bereits oben erwähnt, die Widerstände 7 und 8 gemäß der Erfindung im Vergleich zu den Durchlaßwiderständen der Gleichrichter sehr hoch gewählt, so daß der Steuerstrom den Gleichrichtern praktisch aufgezwungen wird; diese Tatsache bedingt ebenfalls eine Verminderung der üblichen Meßfehler. Furthermore, as already mentioned above, the resistors 7 and 8 according to the invention compared to the forward resistances of the rectifier very much chosen high so that the control current is practically imposed on the rectifiers; this fact also causes a reduction in the usual measurement errors.

Diese neue Schaltung zeichnet sich nicht nur durch ihre hohe Meßgenauigkeit aus, sondern vor allen Dingen auch durch ihre hohe Ausgangsleistung. Sie ist gegenüber den bekannten Schaltungen bei gleichen Eingangsdaten mindestens doppelt so groß. Diese Überlegenheit ist im Vergleich mit der Schaltung nach ATM Z 52-7, Bild 6, in den F i g. 5 und 6 dargestellt. This new circuit is not only characterized by its high measurement accuracy but above all because of their high output power. She is opposite the known circuits with the same input data at least twice as large. This superiority is in comparison with the circuit according to ATM Z 52-7, Figure 6, in Figs. 5 and 6 shown.

Die Fig. 5 entspricht dabei der erfindungsgemäßen Schaltung nach F i g. 3 in etwas anderer Darstellung.FIG. 5 corresponds to the circuit according to the invention according to FIG i g. 3 in a slightly different representation.

Zur Erläuterung genügt die Betrachtung des Verlaufes von Steuer- und Meßstrom während der positiven Halbwelle bei einem Phasenwinkel von S' 0 Sowohl in der Schaltung nach F i g. 5 wie auch in der nach Fig. 6 sind während der positiven Steuerhalbwelle die Gleichrichter 3 und 4 geöffnet. In beiden Schaltungen dienen die Spannungsabfälle an den Gleichrichtern 3 bzw. 4 als Sperrspannungen für die Gleichrichter 5 bzw. 6. In Fig. 5 fließt die positive Halbwelle von im über die parallelen Zweige Widerstand 7, Gleichrichter 3 bzw. Widerstand 8, Gleichrichter 4 und über den Widerstand 9. Der Spannungsabfall der Meßhaibwelle am Widerstand 9, d. h. die EMK an den Punkten a und b, darf maximal gleich oder kleiner als die Sperrspannung am Gleichrichter 6 sein. wenn dieser Gleichrichter keinen Parallelschluß zum Widertand 9 darstellen soll. Der Gleichrichter 4 ist in diesem Moment geöffnet. Der Ausgangs-Innenwiderstand ist hier gleich der Summe der Widerstände 9 und 10 und kann praktisch ohne Einfluß auf die Meßbrücke dem Anzeigeinstrument angepaßt werden. For an explanation, it is sufficient to consider the course of tax and measuring current during the positive half-wave at a phase angle of S '0 both in the circuit according to FIG. 5 as well as that of FIG. 6 are during the positive Control half-wave the rectifiers 3 and 4 open. Serve in both circuits the voltage drops at the rectifiers 3 and 4 as blocking voltages for the Rectifier 5 or 6. In Fig. 5, the positive half-wave flows from im via the parallel branches resistor 7, rectifier 3 and resistor 8, rectifier 4 and across the resistor 9. The voltage drop of the measuring shaft across the resistor 9, d. H. the EMF at points a and b, may be a maximum of equal to or less than the Reverse voltage at the rectifier 6. if this rectifier does not have a parallel connection to represent the resistance 9. The rectifier 4 is open at this moment. The output internal resistance is here equal to the sum of resistors 9 and 10 and can be adapted to the display instrument with practically no influence on the measuring bridge will.

In der Schaltung nach Fig. 6 fließt die positive Halbwelle über den Widerstand 9 und zugleich über die parallelen Zweige Gleichrichter 3, Widerstand 7 bzw. Gleichrichter 4, Widerstand 8, über das Meßwerk und weiter über den Widerstand 10 zurück. Die EMK an den Punkten a und b kann hier nur gleich oder kleiner als die Spannung am Widerstand 9 bzw. gleich oder kleiner als die Hälfte der Sperrspannung am Gleichrichter 6 werden. Dies resultiert aus der Tatsache, daß der gesamte Meßspannungsabfall an den Widerständen 9 und 10 die Sperrspannung am Gleichrichter 6 nicht überschreiten darf, wenn über diesen Gleichrichter kein Parallelschluß entstehen soll. In the circuit of FIG. 6, the positive half-wave flows over the Resistor 9 and at the same time via the parallel branches rectifier 3, resistor 7 or rectifier 4, resistor 8, via the measuring mechanism and further via the resistor 10 back. The EMF at points a and b can only be equal to or less than the voltage across the resistor 9 or equal to or less than half the reverse voltage at the rectifier 6. This results from the fact that the entire measurement voltage drop Do not exceed the reverse voltage at the rectifier 6 at the resistors 9 and 10 may, if no parallel connection is to arise via this rectifier.

Man wird aber sowohl bei der Schaltung nach Fig. 5 wie auch bei der nach Fig. 6 mit der EMK niemals an die theoretisch mögliche Grenze gehen, da für Phasenwinkel 0 noch andere Gesichtspunkte berücksichtigt werden müssen. But you will both in the circuit of FIG. 5 as well as in the According to Fig. 6, never go to the theoretically possible limit with the EMF, Therefore Phase angle 0 still other considerations must be taken into account.

In der Schaltung nach Fig. 6 setzt sich der Ausgangs-lnnenwiderstand, wenn man die Durchlaßwiderstände der geöffneten Gleichrichter vernachlässigt, zusammen aus Rj = -- R7 R8 R, 4 Wenn R7 = R8, wird Ri = Rg - R,i9. In the circuit according to FIG. 6, the output internal resistance is set, if one neglects the forward resistance of the opened rectifier, together from Rj = - R7 R8 R, 4 If R7 = R8, Ri = Rg - R, i9.

Im Gegensatz zur Schaltung nach Fig. 5 müssen hier die Widerstände 7 und 8 relativ niedrig bleiben, damit die Spannung an den Punkten a und b nicht auf einen Bruchteil der EMK absinkt. Diese Tatsache bedeutet, daß in der Schaltung nach Fig. 6 der Steuerstrom den Gleichrichtern nicht aufgezwungen werden kann. Ein wesentlicher Nachteil dieser Schaltung ist gegenüber der nach Fig. 5 auch darin zu sehen, daß der Meßstrom m den gesteuerten Gleichrichtern nicht aufgezwungen wird. Als äquivalente Meßgröße dient hier lediglich der Spannungsabfall am Widerstand 9. Dieser Nachteil wird klar, wenn man bedenkt, daß der Widerstand der geöffneten Gleichrichter vom Grad ihrer Aussteuerung abhängt, sich also stark ändert und so das Meßergebnis beeinflußt. In contrast to the circuit according to FIG. 5, the resistors must here 7 and 8 remain relatively low so that the tension at points a and b does not drops to a fraction of the EMF. This fact means that in the circuit According to FIG. 6, the control current cannot be imposed on the rectifiers. A A major disadvantage of this circuit compared to that according to FIG. 5 is also therein to see that the measuring current m is not imposed on the controlled rectifiers. The only equivalent measured variable here is the voltage drop across the resistor 9. This disadvantage becomes clear when you consider the resistance of the open Rectifier depends on the degree of their modulation, so changes a lot and so on influences the measurement result.

Auf Grund der geschilderten erfinderischen Überlegungen wurden die Voraussetzungen für einen Phasenwinkelmesser mit Halbleiterdioden und Drehspulmeßwerk geschaffen. Die bisher bekannten Gleichrichter-Brückenschaltungen, auch die nach Fig. 5, messen lediglich J cos rt bzw. U cos , . Es sind zwar Schaltungen bekannt, die nach Voreinstellung von J bzw. U auf eine konstante Größe den cos g zu messen gestatten (ATM 3631-9, Bild 7). On the basis of the inventive considerations outlined, the Requirements for a phase angle meter with semiconductor diodes and moving coil measuring mechanism created. The previously known rectifier bridge circuits, including those after 5, only measure J cos rt and U cos,. Circuits are known to measure the cos g after presetting J or U to a constant value (ATM 3631-9, Figure 7).

Derartige Schaltungen eignen sich aber nur für tragbare Instrumente und weisen Oberwellenfehler auf.Such circuits are only suitable for portable instruments and have harmonic errors.

Die selbsttätige Konstanthaltung von J bzw. U mit den bisher üblichen Wechselstrom- bzw. Spannungskonstanthaltern konnte bisher zu keinem zufriedenstellenden Ergebnis führen, da einmal eine zuverlässige GrundschaItung fehlte und da zum anderen die Konstanz nicht ausreichte bzw. im Konstanthalter Phasenverschiebungen auftraten.The automatic keeping of J and U constant with the previously usual AC current or voltage stabilizers could not be satisfactory so far Leading result because on the one hand a reliable basic circuit was missing and there on the other the constancy was not sufficient or phase shifts occurred in the stabilizer.

Die erfindungsgemäße Grundschaltung nach Fig. 5, die als sehr wichtiges Merkmal nur ohmsche Glieder aufweist, erlaubt nunmehr eine Kombination mit der an sich seit kurzem bekannten »Back-on-back«-Zenerdiodenanordnung bei der die Zenerdioden gegeneinander und in Reihe liegen. Die Gesamtanordnung des neuen Phasenwinkelmessers ist in F i g. 7 dargestellt. The basic circuit according to the invention according to FIG. 5, which is considered to be very important Feature has only ohmic members, now allows a combination with the recently known "back-on-back" Zener diode arrangement in which the Zener diodes against each other and in a row. The overall arrangement of the new phase angle meter is in Fig. 7 shown.

In dieser Schaltung erzeugt der Wechselstromi7! an den Zenerdioden 11 und 12 eine konstante Wechselspannung rechteckiger Kurvenform. Dies wiederum bedingt einen konstanten Rechteckstrom im', der nun über die hohen Widerstände 7 und 8 jeweils die Schaltungsteile durchläuft. die durch den Steuerstrom geöffnet sind. Sind abwechselnd die Gleichrichter 3 und 4 bzw. 5 und 6 geöffnet. so wird der Meßpfad einmal über den Widerstand 9. zum anderen über den Widerstand 10 geschlossen. Es entstehen dadurch an Widerständen 9 und 10 Spannungsabfälle mit einer Gleichstromkomponente. die nur von der Phasenverschiebung zwischen Steuer- und Meßgröße abhängt, und zwar in linearer Funktion. In this circuit, the alternating current i7! on the Zener diodes 11 and 12 a constant alternating voltage of rectangular waveform. this in turn causes a constant square-wave current im ', which now flows through the high resistances 7 and 8 each runs through the circuit parts. which are opened by the control current are. The rectifiers 3 and 4 or 5 and 6 are alternately open. so will the measuring path is closed once via the resistor 9 and the other via the resistor 10. This creates voltage drops with a direct current component at resistors 9 and 10. which only depends on the phase shift between the control and the measured variable, namely in linear function.

Beim Anschluß an die Klemmen 13 und 15 wird vom Drehspulmeßwerk eine Ausgangsspannung erfaßt, die dem Phasenwinkel 900 - proportional ist. Dreht man in bekannter Weise die Phase des Steuerstroms um 900 durch kapazitive oder induktive Bauelemente, indem man an die Klemmen 14 und 15 anschließt, so wird der Winkel r/l direkt angezeigt. Bei positivem Phasenwinkel schlägt der Zeiger eines Instrumentes mit dem Nullpunkt in der Mitte nach der einen Seite und bei negativem nach der anderen Seite aus. When connected to terminals 13 and 15, the moving-coil measuring mechanism is a Output voltage detected, which is proportional to the phase angle 900. One turns in a known way the phase of the control current by 900 by capacitive or inductive Components by connecting to terminals 14 and 15, the angle r / l displayed directly. If the phase angle is positive, the pointer of an instrument strikes with the zero point in the middle to one side and with a negative to the other Side off.

Durch die beschriebene Verwendung der Zenerdioden wird weiterhin der Einfluß der Oberwellen auf das Meßergebnis fast gänzlich eliminiert, und zwar um so mehr, je größer der Steuerstrom gegenüber dem Meßstrom gewählt wird. Das heißt mit anderen Worten, daß der erfindungsgemäße Phasenwinkelmesser den Winkel t zwischen den Nulldurchgängen von Steuer- und Meßgröße erfaßt. Außerdem sind die Zenerdioden in bekannter Weise so gewählt, daß der positive Temperaturgang der Zenerspannung durch den negativen Temperaturgang in der Durchlaßrichtung weitgehend kompensiert wird. The described use of the Zener diodes will continue the influence of the harmonics on the measurement result is almost completely eliminated the more, the larger the control current is selected compared to the measuring current. This means in other words that the phase angle meter according to the invention the angle t between the zero crossings of the control and measured variable recorded. Also, the zener diodes chosen in a known manner so that the positive temperature response of the Zener voltage largely compensated for by the negative temperature drift in the forward direction will.

Um das neue Gerät als cos r/-Messer verwenden zu können, braucht lediglich die Instrumentenskala in cos (,-Werten geeicht zu werden. In order to be able to use the new device as a cos r / knife, only the instrument scale needs to be calibrated in cos (, values.

Claims

Claims: 1. Phase angle meter, which consists of a phase-sensitive There is a rectifier bridge in the manner of a ring modulator, with two in opposite directions Zener diodes connected in series together with a series resistor provide the measuring voltage stabilize and two equal resistances are in the diagonals and are included the measuring voltage via the symmetry points of these resistors and the control voltage are fed in via two corresponding diagonal points and the measurement result tapped between the two other diagonal points, d u r c h g e - indicates that two of the diagonal resistors (7, 8) compared to the rectifier forward resistances are very high and at the same time dimensioned so that with the available Zener voltage an imposed and defined by the ratio of control current to measuring current Current flow arises.

2. phase angle meter according to claim 1, characterized in that in a manner known per se, the control current for determining positive and negative Phase angle is shifted by 900.

3. phase angle meter according to claim 1, characterized in that in a manner known per se, the control voltage to prevent harmonic waves is very large compared to the measuring voltage and that the Zener diodes in a known manner are designed so that the positive temperature drift of the Zener voltage through the negative Temperature drift in the forward direction is largely compensated.

Documents considered: German Patent No. 1 069 284; ATM Z 52-7, Fig. 6; From the magazine »Funkschau«, issue 13, 1960, »radio technical worksheets«, HJ 60, p.700, image 15; »Telecommunications Journal «, 1957, H.

4, pp. 195 to 199; Electronic industries, February 1959, pp. 78 to 83.