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Verfahren und Schaltung zum Messen einer Phasendifferenz Die Erfindung
betrifft ein Verfahren und eine Schaltung zum Messen der Phasendifferenz zwischen
zwei Eingangs schwingungen unter Vergleich mit einer Bezugsschwingung einstell-
und ablesbarer Phase durch Einstellen der Bezugsschwingungsphase auf Gleichheit
mit der Phase der ersten Eingangsschwingung und danach mit der der zweiten Eingangsschwingung.
Die gesuchte Phasendifferenz entspricht dann dem Unterschied zwischen den beiden
eingestellten Bezugsschwingungsphasen.
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Eine bekannte Schaltung zum Durchführen dieses Verfahrens umfaßt
eine Bezugsschwingungsquelle, deren Schwingung über einen einstell- und ablesbaren
Phasendreher am einen Eingang eines Phasenvergleichers liegt. Der andere Eingang
des Phasenvergleichers ist zum Empfang einer der beiden Eingangs schwingungen vorgesehen.
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Ein Nachteil des bekannten Verfahrens und der bekannten Schaltung
liegt darin, daß die Phasenablesung mit einem Fehler behaftet sein kann, der eine
periodische Funktion des abgelesenen Phasenwerts ist.
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Durch die Erfindung wird dieser Nachteil dadurch beseitigt, daß der
genannte Meßvorgang durch zumindest einen zusätzlichen
Meßvorgang
ergänzt wird, in dessen Verlauf die beiden Eingangsschwingungen einer gleich großen
Phasendrehung ausgesetzt sind, wonach zwischen den durch die verschiedenen Meßvorgänge
erhaltenen Phasendifferenzwerten der Mittelwert gebildet wird.
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Die Schaltung zur Durchführung des Verfahrens ist nach der Erfindung
gekennzeichnet durch einen an den anderen Eingang des Phasenvergleichers angeschlossenen
Phasenschalter, dessen Phasenverschiebung zwischen vorbestimmten Werten umschaltbar
ist.
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Eine Ausführungsforn der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel für den Verlauf des periodischen Phasenfehlers;
Fig. 2 eine Meßschaltung nach der Erfindung, und Fig. 3a und 3b Zeigerdiagramme
zur Erläuterung der Wirkungsweise des Phasenvergleichers.
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Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform besitzt ein Phase sendreher
3 zwei zueinander senkrecht angeordnete feste Spulen 32 und 33, an denen die Bezugsschwingung
mit einem Phasenunterm schied von 900 liegt. Eine in der Phase gedrehte Schwingung
wird einer im Feld der festen Spulen 32, 33 drehbaren Spule 31 entnommen. Der Phasenfehler
Y einer soichen Anordnung hat etwa den in Fige 1 gezeigten Verlauf in Abhängigkeit
von dem-Drehungswinkel α der beweglichen Spule.
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Ein Phasenfehler dieser Art kann dadurch entstehen, daß das Feld
der einen festen Spule im Vergleich zu den der anderen
etwas schwächer
ist. Der Fehler ergibt sich dann aus der Gleichung γ = α - arotg (K
# tg α) (1) Aus der Gleichung (1) ergibt sich annähernd γ = γ
0 # sin 2α (2) Es werden folgende Bezeichnungen eingeführt: α1 und α2
die Phasendifferenz zwischen der einen bzw, der anderen Eingangsschwingung und der
Bezugsschwingung, ß 1 und ß 2 die Phasendifferenz einschließlich des Meßfehlers
zwischen der einen bzw. der anderen Eingangs schwingung und der Bezugsschwingung,
ß11 und ß22 die ß1 bzw. ß2 entsprechenden Werte, nachdem die Eingangsschwingung
eine Phasendrehung von 90° erfahren hat, und 0 = dem Mittelwert zwischen den beiden
gemessenen Phasendifferenzen.
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Unter den obengenannten Bedingungen ergeben sich folgende Gleichungen:
1 1 1 + γ0 # sin 2 α1 (3a) ß2 = α + γ0 # sin 2 α2
(3b) ß11 = α1 + 90° + γ0 # sin 2 (α1+90°) (4a) ß22 = α2
+ 90° + γ0 # sin 2 (α2+90°) (4b) # = ½ (ß1 - ß2 + ß11 - ß22) (5) Durch
Einsetzung der Werte aus den Gleichungen (3a ... 4b) in Gleichung (5) ergibt sich:
2#=α1
+ γ0 sin2 α1 - α2 - γ0 sin2α2 + α1 + 90° + +γ0
# sin2(α1 + 90°) - α2 - 90° - γ0 sin2(α2 + 90°) (6) Die
Durchführung der Rechnungen ergibt: # = α1 1 2 ( ) Die in Fig. 2 dargestellte
Ausführungsform umfaßt einen Phasenvergleicher 1 mit einem Transformator, dessen
Primärwicklung 11 einen Eingang 16 bildet, dem Eingangsschwingungen M über einen
Phasenschalter 2 zugeführt werden. Die Sekundärwicklung 12 des Transformators besitzt
zwei Teile V und H, mit deren Verbindungspunkt der eine Pol eines anderen Eingangs
17 verbunden ist.
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Der andere Pol des Eingangs 17 ist an den Verbindungspunkt zweier
Widerstände 14 angeschlossen. Die anderen Anschlüsse der Widerstände 14 sind über
je einen Gleichrichter 13 mit der Sekundärwicklung 12 verbunden. Über die Reihenschaltung
der Widerstände 14 liegt an Anschlüssen 15 ein Nullinstrument 0.
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Der Phasenschalter 2 besitzt ein Paar Zweige 21 und 22, die wahlweise
durch einen Umschalter 23 an den Eingang 16 angeschlossen werden können, wodurch
sich zwei wahlweise einstellbare Phasenverschiebungen mit einem Unterschied von
900 ergeben.
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An den Eingang 17 gelangt eine Bezugs schwingung R, welche als Speisespannung
einer Bezugsschwingungsquelle 4 zugeführt wird, die einen Phasenaufteiler umfaßt,
dessen beide Ausgangsschwingungen eine gegenseitige Phasendifferenz von 900 aufweisen.
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Die so erzeugten Bezugsschwingungskomponenten gelangen zu den beiden
festen Spulen 32 und 33 des Phasendrehers 3, welche
in bekannter
Weise zueinander senkrecht stehen, während die im Feld der festen Spulen drehbare
Spule 31 durch passende Einstellung eine Bezugs schwingung beliebiger Phasenlage
abgeben kann.
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Die Ausgangs schwingung der drehbaren Spule gelangt über einen Verstärker
5 zum Eingang 17 des Phasenvergleichers 1.
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Der Meßvorgang zur Feststellung der Phasendifferenz zwischen zwei
Eingangsschwingungen besteht darin, daß eine Eingangsschwingung M angelegt wird.
Sie gelangt über die Primärwicklung 11 zur Sekundärwicklung 12 und erzeugt darin
Teilspannungen MV und MH (Fig. 3a). Die Bezugsschwingung R gelangt zum Eingang 17
und erzeugt Teilspannungen Rv und RH in der Sekundärwicklung 12.
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Das Nullinstrument 0 wird durch den Unterschied zwischen den beiden
Summenspannungen SV und SH in bekannter Weise beeinflußt.
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Durch Einstellung der drehbaren Spule 31 kann der Ausschlag des Nullinstruments
auf Null gebracht werden. Danach wird die erste Eingangs schwingung abgeschaltet
und die andere Eingangsschwingung angelegt und durch erneute Drehung der Spule 31
der Ausschlag auf Null reduziert. Die hierzu erforderliche Drehung der Spule 31
entspricht der Phasendifferenz zwischen der ersten und der zweiten Eingangsschwingung.
Fig. 3b veranschaulicht die Spannungsverhältnisse bei unrichtiger Einstellung der
drehbaren Spule 31. Das Nullinstrument wird dann dem Unterschied zwischen den Beträgen
der beiden Spannungen SV und SH ausgesetzt und schlägt in einer oder der anderen
Richtung aus.
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Wfe anhand der Gleichungen erläutert wurde, kann der in dem beschriebenen
Meßvorgang ermittelte Phasendifferenzwert mit einem Fehler behaftet sein. Wie anhand
der Fig. 1 ersichtlich, würde dieser Fehler verschwinden, wenn die gesuchte Phasendifferenz
1800 beträgt, weil sich dann zwei Einstellungen der drehbaren Spule 31 ergeben würden,
die mit dem gleichen Fehler behaftet sind. Sollte die gesuchte Phasendifferenz andererseits
etwa
900 betragen, ist aus Fig. 1 ersichtlich, daß der Fehler seinen größten Wert erreichen
würde.
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Zur Beseitigung dieses Fehlers wird ein zweiter Meßvorgang durchgeführt,
nachdem der Umschalter 23 betätigt worden ist, wodurch sowohl die erste we die zweite
Eingangsschwingung mit 90° Phasenverschiebung zum Phasenvergleicher 1 gelangen.
Dementsprechend ergeben sich Einstellungen der drehbaren Spule 31, die auch gegenüber
den vorhergehenden Einstellungen um 90° verschoben sind. Der Fehler wird dadurch
ausgeglichen, wie anhang der Gleichungen erläutert wurde.
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Patentansprüche: