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Verfahren zur elektronischen wattmetrischen Messung elektrischer Ströme
und/oder Spannungen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur elektronischen
wattmetrischen Messung beliebiger elektrischer Ströme und/oder Spannungen in Fouriertorm
durch Bildung des zeitlichen Mittelwertes des Produktes der Momentanwerte.
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Es ist bekannt, für die Messung der Effektivwerte elektrischer Größen
die quadratisch abhängige Verschiebung des Anodenruhestromes einer Diode oder bei
Steuerung eines Röhrengitters den quadratischen Kennlinienbereich bei kleinem oder
dynamisch (kapazitiv) kurzgcschlossenem Arbeits- bzw. Anodenwiderstand auszunutzen.
Für derartige Messungen werden im allgemeinen nichtgesteuerte Röhrensysteme zu Brücken
schaltungen ausgebaut, bei denen durch Nullstrom-Kompensation eine von Null ausgehende
Anzeige sowie eine weitgehende Kompensation der Hilfs-(Anoden-) und Heizspannungsschwankungen
erreichbar ist. Bei allen diesen Schaltungen ist aber die Ruheanzeige bzw. der Nullpunkt
der Anzeige und damit die Anzeige überhaupt vom Ruhestrom der Rohrensysteme und
somit auch von statistischen Emissionsschwankungen sowie von langzeitigen Änderungen
mitbestimmt. Da gleichzeitig wegen des beschränkten Bereiches, in dem hinreichend
genaue quadratische Kennlinieneigenschaften vorliegen, die Größenordnung des Meßeffektes
sich nicht hinreichend von derjenigen der vorgenannten Schwankungen abhebt, erschweren
Nullpunktkorrektionen, Nacheichungen usw. mehr oder weniger die Anwendung der bekannten
Effektivwertmesser bzw. schließen langfristige Eichstabilitäten praktisch aus.
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Es ist weiterhin ein effektiv anzeigendes Röhrenvoltmeter bekannt,
bei dem die zu messende Spannung im Gegentakt einem im quadratischen Kennlinienbereich
arbeitenden Röhrenzwilling zugeführt und eine reine Quadratfunktion als Summe der
Wechselstrom anteile beider Anodenströme abgeleitet wird.
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Die Schaltung dieses Röhrenvoltmeters entspricht einer Gegentaktanordnung
mit vorgeschalteter Phasenumkehrstufe, wobei die Gegentaktröhren zur geforderten
Addition beider Gesamtströme mit einem gemeinsamen Anodenwiderstand arbeiten. Als
Gegentaktröhren wurden hierbei Doppeltrioden gewählt.
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Die Addition der neiden Anodenströme der Zwillingsschaltung liefert
also bei Funktionsgleichheit der Systeme die Quadratfunktion der Eingangsspannung,
während diese selbst, d. h. also alle dazu amplitudenmäßig weit größeren Anteile
der Einzelröhre, sich in der Gegentaktschaltung aufheben. Die reine Quadratfunktion
tritt an einem gemeinsamen Kathodenwiderstand des Zwillings als positiv gerichtete
Span-
nung, an einem gemeinsamen Anodenwiderstand als negativ gerichtete Spannung
auf.
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Die an sich bekannte dynamische Funktionsquadrierung wird nun nach
einem Grundgedanken der Erfindung unter Anwendung eines rechnerisch einfachen, elektronisch
jedoch bisher nur unter impulstechnischen Gesichtspunkten beschriebenen Zusammenhanges
zur äußerst genauen wattmetrischen Produktmessung angewendet. Im Gegensatz zu den
bisher angewendeten Mehrgittermultiplikationen zur wattmetrischen Produktmessnng
werden hierbei insbesondere alle Linearitäts-, Frequenz-, Nullpunkts-, Eich- und
Abgleichsschwierigkeiten vermieden.
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Es ist außerdem ein elektronisch arbeitender Wirkleistungsmesser
bekannt, der im wesentlichen aus zwei Elektronenröhren in Brückenschaltung besteht,
wobei dem Steuergitter der einen Röhre die Summe aus einer dem Strom des Strompfades
proportionalen Spannung und der Spannung des Spannungspfades und dem Steuergitter
der anderen Röhre die Differenz dieser beiden Spannungskomponenten zugeführt wird.
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Jede Röhre arbeitet bei diesem Wirkleistungsmesser wie ein normaler
Effektivwertmesser, d. h., für die Quadrierung der Summen- und Differenzspannungen
wird in jeder Röhre für sich der quadratische Kennlinienbereich ausgenutzt. Demzufolge
treten bei diesem Wirkleistungsmesser die Summen- und Differenzquadrate nur als
Verzerrungsanteile der linearen Formen auf. Bei diesem elektronischen Wirkleistungsmesser
treten somit die gleichen Schwierigkeiten auf wie bei den vorstehend erwähnten Effektivwertmessern,
die auf der Ausnutzung der quadratischen Kennlinieneigenschaften einer Elektronenröhre
beruhen.
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Zur Vermeidung der vorgenannten Nachteile werden bei einem Verfahren
zur elektronischen wattmetrischen Messung beliebiger elektrischer Ströme und/oder
Spannungen, bei dem eine der beiden Faktorenspannungen stromproportional über einen
ohmschen
Widerstand abgenommen wird und aus den beiden Faktorenspannungen
zunächst Summen- und Differenzspannungen gebildet werden, gemäß der Erfindung, die
Summenspannungen und die Differenzspannungen der Meßwerte gleichzeitig in gleichartigen
Kanälen einmal phasentirsprünglich und einmal in entgegengesetzter Phasenlage je
einem an sich bekannten Röhrenzwilling zugeführt, danach die am Ausgang der Röhrenzwillinge
entstehenden reinen Quadratfunktionen der Summen- und Differenzspannungen in zwei
gleichartigen elektronischen Analogkanälen als homopolare Spannungswerte abgeleitet,
und es wird anschließend die Differenz dieser Werte gebildet.
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In weiterer Ausbildung des Verfahrens gemäß der Erfindung wird die
Quadratfunktion am Ausgang des Röhrenzwillings als Wechselspannungsabfall entweder
an einem gemeinsamen Kathodenwiderstand als positiv gerichtete Spannung oder an
einem gemeinsamen Anodenwiderstand als negativ gerichtete Spannung kapazitiv ausgekoppelt.
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Die prinzipiellen Zusammenhänge des Verfahrens zur elektronischen
wattmetrischen Messung werden nachfolgend an Hand einer mathematischen Ableitung
erläutert.
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Sind UC1 und #2 die beiden - beliebig oberwelligen grundfrequenzgleichen,
jedoch beliebig phasenbezogenen - Faktorenspannungen, deren eine stromproportional
über einen Widerstand Rv abfällt etwa 22 = I - Rv RV, so läßt sich elektronisch
in bekannter Weise praktisch ohne Phasenfehler die aufende Summe und Differenz durch
rein additive
Mischung der einen mit einmal der phasenursprünglichen und einmal der
- amplitudengleich - phasenumgekehrten anderen biIden.
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Werden diese beiden Mischspalmungen der Funktionsquadrierung in einem
Röhrenzwilling zugeführt, so entsteht - zunächst formal bei anschließender Differenzbildung
Die Quadratfnnktionen beider Mischspannungen liegen je nach Auskopplung aus den
Quadrierstufen und je nach Anzahl nachfolgender phasenumkehrender Verstärkerstufen
positiv oder negativ zu einem zunächst nicht mehr vorhandenen, aber in dargestellter
Weise wiederherstellbaren Bezugspegel. Ihre Flächenmittelwelte sind dann wieder
pulsierende Gleichspannungen und mittelbar ihre Effektivwerte: Mit
folgt daraus wieder:
(Pegel-Anteil) (Oszillations-Anteil) (3) und analog dazu
(Pegel-Anteil) (Oszillations-Anteil). (4) Dann liefert die Differenz beider Effektivwerte:
also die bekannte Produktfunktion.
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Außer den aus diesen rechnerischen Prinzipzusammenhängen hervorgehenden
Faktoren 112, 2, 4 usw. treten gegebenenfalls noch weitere durch die reinen Verstärkungseigenschaften
und -funktionen der einzelnen Röhrenstufen sowie auch der unter Umständen mehrstufigen
Nachverstärkung der Q uadratfunlction in bekannter Weise als ebenfalls lineare Faktoren
auf.
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Sie bestimmen zusammengefaßt - und für die beiden Kanäle der Multiplikation
mit notwendigerweise gleichen Werten - die Meßverstärkung v, d. h. die Meßempfindlichkeit.
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Für ihre Erfassung, Demensionierung und Stabilisierung sowie den
Bereich ihrer Amplituden-, Frequenz- und Phasenkorrektheit gelten die bekannten
elektronischen Gesichtspunkte und Maßnahmen ebenso wie für die fast völlige Unabhängigkeit
von Eichungen gegenüber Auswechseln einzelner Stufen oder ganzer Funktionskomplexe.
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Wenn eine der beiden Eingangsspannungen über einem ohmschen Widerstand
R den Strom repräsentiert, so folgt allgemein die wattmetrische Eichung: #1 oder
#2 = J . R; #1 oder #2 = #,
| U . J = Ueff . Jeff = k . α = N # Watt # |
| R R Ohm |
| (6) |
bzw. für R = 1 Ohm direkt UeffJeff = Jew = k . α = N[Watt], (7) worin die
Wattmeterkonstante
insbesondere - umgekehrt proportional - die »Verstärkung über alles« des Gerätes
enthält.
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Für beliebige Werte von R folgt schließlich mit der Eichung in oUe,
k N -- . [Wattj, (9) R R d. h. die wattmetrische Empfindlichkeit ist proportional
R.
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Den technischen Fortschritt gegenüber bisherigen Meßeinrichtungen
zeigen insbesondere folgende Datenvergleiche: a) Empfindlichste Dreheiseninstrumente
(Lichtzeiger-Spannband) haben bei Meßbereichen um Ohm 0,5 Voll Innenwiderstände
von etwa 1000 Volt mit etwa 1,5 10-3 Watt Eigenleistungsverbrauch und einem Frequenzbereich
von etwa 10 bis zu einigen hundert Hertz oder höheren Spezialbe reichen knapp über
103 Hz; b) Thermoinstrumente sind zwar anwendbar bis über 106 Hz, haben aber bei
ähnlichen Empfind-Ohm lichkeiten nur noch einige hundert Volt und entsprechend Leistungsaufnahmen
von ebenfalls etwa 1.0-3 Watt; c) Wattmeter-Dynamometer Bei Frequenzbereich ähnlich
den Dreheiseninstrumenten gilt der Endausschlag für wenigstens etwa 10 Watt, mit
einem Spannungspfad-Widerstand von meist 103 Ohm. Die Wattmeterkonstante bei 100
Skt. Vollausschlag ist folglich (auf letzteren bezogen): k -~Watt ~ 10-4 Skt. Ohm
Lichtzeiger-Dynamometer mit getrennten Skalen, etwa 1 m Abstand, erreichen bestenfalls
10-7 - Watt Skt. Olim' einzelne Spezialausführungen Frequenzbereich von 10 bis zu
einigen tausend Hertz bei geringerer Empfindlichkeit.
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Bei a) und c) muß der Einfluß magnetischer Fremd-Streufelder ausgeschaltet
werden.
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Die elektronischen Geräte gemäß vorstehend beschriebener Erfindung
erreichen bereits ohne elektronische Spezialmaßnahmen einen durchgehenden Frequenzbereich
von 1.0 bis etwa 106 Hz. Praktische Ausführungen erreichten Empfindlichkeiten von
0,001 Vefr (Skalenteilung streng quadratisch) oder 0,001 Watt für Vollausschlag
eines 10-Volt-Drehspul-Anzeigeinstrumentes. Bei 100teiliger Skala also 10-5 Verf
bzw. Watt pro Skt.
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Darüber hinaus sind alle Eingangswiderstände 107 Ohm, so daß mit
Anschlußwerten von 10-11 bis 10-12 Vcff ~ bzw Watt Skt. Ohm Skt. Ohm genleistungsverbrauch
gemessen wird.
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Die Anlieferung der Resultate erfolgt in Form proportionaler Gleichspannungen,
die mit robusten Instrumenten gemessen oder weiterverwendet werden können.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand zeichnerisch dargestellter
Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt
F i g. 1 eine schematische
Darstellung der Gegentaktsteuerung eines Quadrierungszwillings und seiner Funktion,
F i g. 2 eine Abwandlung der Schaltung nach Fig. 1, F i g. 3 die positive bzw. negative
Pegelwiederherstellung, F i g. 4 eine Prinzipschaltung für die elektronische Summen-
und Differenzbildung der beiden Eingangsspannungen und F i g. 5 eine Prinzipschaltung
zur Gewinnung des Resultatwertes.
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Wird nach F i g. 1 beispielsweise eine symmetrische Dreiecksspannungl
nach der Phasenumkehrröhre2, hier eine Kathodenstufe, den Gittern eines durch gemeinsamen
hohen Kathodenwiderstand 9 im quadratischen Bereich arbeitenden Röhrenzwillings
zugeführt, so liefert 5 die quadratisch verzerrte Stromkurve 7 und 6 entsprechend
8. Deren Summe ist dann die zum Ruhepegel 13 positiv gerichtete Quadratfunktion
10 der Eingangsdreiecksspannung, und zwar bei dieser vorzugsweise für Triodenzwillinge
geeigneten Kathodenauskopplung im ebenfalls positiven Sinne als Spannungsverlauf,
d. h. mit positivem Strom- bzw. Spannungsfiächenmittelwert. Hinter dem Koppelkondensator
11 liegt die Quadratfunktion 12 flächensymmetrisch zu einem Pegel 14, der gleich
dem bei 15 zugeführten Potential ist.
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Wird dagegen nach F i g. 2 -unter Beibehaltung der Ziffern 1 bis
8 die Quadratfunktion (nach F i g. 2 vorzugsweise bei Mehrgitterzwillingen) anodenseitig
abgenommen, so folgt mit der gleichen Stromsumme für den Spannungsabfall im gemeinsamen
Anodenwiderstand 16 die negative, d. h. um 1800 gedrehte Phasenlage der Summe und
damit die Quadratfunktion 17. Die Flächensymmetrie hinter der Koppelkapazität 11
liegt dann gemäß 18 ebenfalls umgekehrt.
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Der anodenseitig ausgekoppelte Quadrierzwilling ist also hinsichtlich
der abgegebenen Wechselspannung zugleich eine phasenumkehrende Verstärkerstufe im
gewohnten Sinne.
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Ist somit einschließlich der Quadrierung die Gesamtzahl der elektronisch
phasenumkehrenden Stufen Null bzw. gerade, so muß hinter ein oder mehreren Koppelkapazitäten
die einseitig positive Flächenlage der Quadratfunktion, bei ungerader Anzahl muß
eine negative Lage bezüglich eines an sich beliebigen Null-Pegels wiederhergestellt
werden.
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In weitgehender Übereinstimmung mit der Pegelwiederherstellung des
Fernsehbildsignals in Abhängigkeit von Modulation, Gleichrichterpolung, Videoverstärkerstufen
und Steuerung der Bildröhre (s. Fachliteratur) gilt also für die hier beispielsweise
besonders vorteilhafte Pegelwiederherstellung mit Dioden (Fig. 3) bei 2 m phasenumkehrenden
Stufen 19, Quadrierung einschließlich nachfolgender Verstärkung, die positive Polung
der Diode 20, d. h. mit positiv wiederhergestelltem Flächenwert 21, bei (2m t 1)
phasenumkehrenden Stufen 22 die negative Polung der Diode 23, d. h. mit negativ
wiederhergestelltem Flächenwert 24, wobei m = 0, 1, 2...
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Bei 25 wird das Potential des jeweils gewünschten Bezugs-Null-Pegels
zugeführt, 26 und 27 sind gegebenenfalls jeweils umgekehrt zu den Dioden 20 und
23 gepolte Linearisierungsdioden. Auf jeden Fall sollen die bei den Dioden 20 bzw.
23 wirksamen Amplituden bereits hinreichend groß gegenüber nichtlinearen
Bereichen
der Dioden 20 bzw. 23 seinf z. B. größer als 1 Volt.
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Ein vorzugsweises einfaches Beispiel für die breitbandige Herstellung
der Summen- und Differenzspannung zur elektronischen Ableitung des Produkt mittelwertes
zeigt F i g. 4.
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Einer Kathodyne-Phasenumkehrstufe wie in Fig. 1 wird bei 28 1t1 und
bei 29 einem Kathodenfolger 31 112 zugeführt. Die Kathodynestufe führt nach zwei
Kathodenfolgern 30 111 einmal phasenursprünglich und einmal phasenumgekehrt über
das gegebenenfalls phasenkorrigierte Netzwerk33 symmetrisch zusammen mit der von
31 gelieferten Spannung 29. Summen- und Differenzspannung werden dann von den mit
32 genau abgeglichenen Symmetriepunkten des Netzwerks über Kathodenfolger niederohmig
bei 34 und 35 in zwei Quadrierungsverstärlterkanäle gemäß F i g. 3 weitergeleitet.
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-F i g. 5 zeigt dann eine vorzugsweise Differenzbildung der Summen-
und Differenzquadrate, und zwar bei negativer Diodenpolung.
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Nach Pegelwiederherstellung der nach Summen-und Differenzbildung
36 von den gleichartigen Kanälen 22 hinreichend verstärkt gelieferten Mischquadrate
werden diese bei 37 und 38 zwei Kathodyne-Phasenumkehrstufen und von dort über das
vornehmlich hochohmige Netzwerk 39 der doppelten Kathodenfolger-Anzeigestufe 40
zugeführt (Literatur Otto L i m a n, Röhrenvoltmeter).
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Zwischen dessen beiden Kathoden wird über den Null-Ab gleich 41 und
den Polwender 42 das zweckmäßigerweise linear arbeitende Instrument 43 zur Messung
der mittleren Differenzspannung, d. h. des zeitlichen Produktmittelwertes angeschlossen.
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Ein beispielsweise derartiger oder ähnlicher unter Umständen auch
einfacherer symmetrischer Anzeigeteil für die Messung der Differenzspannung wird
auch vorzugsweise für die einfache Effektivwertmessung nach Fig. 3 benutzt, wobei
einer der beiden Anschlüsse 37 oder 38 die zum wiederhergestellten Pegel sinngemäß
liegende Quadratfuniction erhält, der andere fest auf dem Bezugspotential 25 liegt.
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Patentansprüche: 1. Verfahren zur elektronischen wattmetrischen Messung
beliebiger elektrischer Ströme und/oder Spannungen in Fourierform durch Bildung
des zeitlichen Mittelwertes des Produktes der Momentanwerte, bei dem eine der beiden
Faktorenspannungen stromproportional über einen ohmschen Widerstand anfällt und
aus diesen Spannungen zunächst Summen- und Differenzspannungen gebildet werden,
dadurch gekennzeichnet, daß die Summenspannungen (U1 Q UD und die Differenzspannungen
(Ui - U2) der Meßwerte gleichzeitig in gleichartigen Kanälen einmal phasenursprünglich
und einmal in entgegengesetzter Phasenlage je einem an sich bekannten Röhrenzwilling
zugeführt werden, danach die am Ausgang der Röhrenzwillinge entstehenden reinen
Quadratfunktionen (U1 + U2v)2 und (U1V;)2 der Summen- und Differenzspannungen in
zwei gleichartigen elektronischen Analogkanälen als homopolare Spannungswerte abgeleitet
werden und daß anschließend die Differenz dieser Werte gebildet wird.