DE1903146C3

DE1903146C3 - Wechselstromvorrichtung zum Erzielen einer 90 Grad Phasenverschiebung

Info

Publication number: DE1903146C3
Application number: DE1903146A
Authority: DE
Inventors: Robert Southampton Yorke (Grossbritannien)
Original assignee: Jj Lloyd Instruments Ltd Southampton (grossbritannien)
Current assignee: Jj Lloyd Instruments Ltd Southampton (grossbritannien)
Priority date: 1968-01-22
Filing date: 1969-01-22
Publication date: 1974-01-17
Also published as: US3568045A; DE1903146B2; DE1903146A1; GB1222441A

Description

ist ±lOO°/o, wobei L₂ die Induktivität der zweiten Spule, R., der Widerstand des »in Phase liegenden« Potentiometers, R₂ der Widerstand der zweiten Spule und R₄ der Widerstand des »um-90° phasenverschobenen« Potentiometers ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Widerstand (R₀) im Nebenschluß parallel zu dem »in Phase liegenden« Potentiometer (R.,) geschaltet ist, derart, daß dadurch die Gegeninduktivität beschränkt wird, welche erforderlich ist zum Speisen des »um 90° phasenverschobenen« Potentiometers (K₄).

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Induktivität (L₂) konstant ist.

2. Sie können nur bei einer Frequenz verwendet werden, oder, in alternativer Weise, muß die Frequenz sehr genau bekannt sein und genaue Einstellungen an dem Potentiometer durch-

geführt weiden, um Phasenfehler auszugleichen vor der Verwendung.

3. Die Einstellungen, welche durchgeführt werden müssen zum Ausgleich der Phase, sind voneinander abhängig sowohl von der Frequenz wie

auch dem tatsächlichen Strom, der durch das Potentiometer hindurchgeht, und aus diesem Grunde ist es schwierig und zeitraubend, das Potentiometer zu eichen und zu benutzen, is Außerdem erfordert eine kleine Änderung in der Frequenz während der Durchführung einer Messung häufig eine zeitraubende Wiedereinstellung sowohl des Stromes wie auch des Phasenausgleichs,
ao

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Wechselstromvorrichtung zur Durchführung einer 90°-Phasenverschiebung zwischen den Strömen in zwei Widerständen, nämlich einem »Inas phase-«Wechselstrompotentiometer und einem »um 90° phasenverschobenen« Potentiometer, bei dem keine Einstellung erforderlich ist, um Phasenfehler in dem »um 90° phasenverschobenen« Potentiometer zu berichtigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das »in Phase liegende« Potentiometer in Reihe mit einer ersten Induktivität oder Spule geschaltet ist, daß das »um 90° phasenverschobene« Potentiometer in Reihe mit einer zweiten Induktivitat oder Spule geschaltet ist, daß ein Kondensator im Nebenschluß zu dem »in Phase liegenden« Potentiometer geschaltet ist, daß die erste Induktivität oder Spule die Primärwicklung und die zweite Induktivität oder Spule die Sekundärwicklung einer variablen Gegeninduktivität bilden und daß die Kapazität des Kondensators derart gewählt ist, daß der Phasenfehler korrigiert wird, der in dem »um 90° verschobenen« Potentiometer hervorgerufen wird durch den Spannungsabfall in der Induktivität der zweiten Spule, wenn ein Wechselstrom dem »in Phase liegenden« Potentiometer und der ersten Spule zugeführt wird.

Die Kapazität C des Kondensators ist gleich

Die Erfindung betrifft Wechselstromvorrichtungen zur Durchführung einer 90° Phasenverschiebung. Die Erfindung ist anwendbar auf Vorrichtungen mit Wechselstrompotentiometern, welche so eingerichtet sein können, daß sie in einem breiten Frequenzbereich arbeiten.

Verschiedene bekannte Vorrichtungen mit Wechselstrompotentiometern haben einen oder mehrere der folgenden Nachteile:

1. Ihre Eichung hängt ab von der Eichung und anschließenden Stabilität einer Präzisions-Gegeninduktivität oder Phasenverschiebungseinrichtung.

R₃(R,+R₄)

dabei ist L₂ die Induktivität der zweiten Spule, R₁₁ der Widerstand des »in Phase liegenden« Potentiometers, R₂ der Widerstand der zweiten Spule und R₄ der Widerstand des »um 90° phasenverschobenen« Potentiometers. Es ist ein Vorteil der Erfindung, daß eine Änderung in dem Wert der Kapazität C eine sehr kleine Änderung bzw. einen sehr kleinen Fehler in der Phasenverschiebung ergibt. Es wurde beispielsweise festgestellt, daß eine 10°/o-Änderung in dem Wert der Kapazität eine Änderung oder einen Fehler in der Phasenverschiebung von weniger als 1 "/ο hervorruft. Für die meisten praktischen Zwecke kann daher der genaue Wert der Kapazität C variiert werden in den Grenzen von ± 10%.

Ein zusätzlicher Widerstand kann getrennt in

Nebenschlußsehaltiiiij; zu dem »in Phase liegenden« Potentiometer geschaltet sein, um den maximalen Wert der Gej>enindukiiviiät zu beschränken, weiche erforderlich ist, um das »um 90° phasenverschobene« Potentiometer zu speisen.

Eine Ausfiiimmgsform der !"irfindung wird im folgenden beispielsweise an Hand der Zeichnung beschrieben.

Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung ist ein Koordinateiikompensalor und weist ein »in Phase liegendes« Potentiometer R, und ein »um 'JO ' phasenvcrschobeiiesÄ Potentiometer R₄ auf. Das Potentiometer R._t ist in Reihe mit einer Spule geschaltet, welche eine Induktivität L₁ und einen Widerstand A₁ hat, und das Potentiometer R₄ ist in Reihe mit einer zweiten Spule geschaltet, welche eine Induktivität L₂ und einen Widerstand R, hat. Die Induktivität L₁ bildet die Primärwicklung, und die Induktivität L., bildet die Sekundärwicklung einer \ ariablen GegenindukliviJät.

Das Potentiometer Λ., ist an eine Wechselstromluielle V angeschlossen, beispielsweise einen Lei-Mungsoszillator oder eine Netzstromversorgung. Die Speisung des Potentiometers R₄ geschieht mittels der variablen Gegeninduktivität L₁, L.,. Zu dem Potentiometer /?_s liegt im Nebenschluß getrennt ein Widerstand R₀ und ein Kondensator mit der Kapazität C.

Die Potentiometer R₃ und R₄ haben niedrige Restwerte, und die Versorgung füi das Potentiometer R₄ ist selbstabgleichend für die Phase, so daß beim Betrieb keine Einstellung oder Abgleichung für die Phase erforderlich ist in dem Frequenzbereich, wie es noch beschrieben wird. Die Induktivität L., ist konstant.

Der wahlweise Widerstand A₆ ist vorgesehen zur Begrenzung des maximalen Wertes der Gegeninduktivität, welche erforderlich ist zum Speisen des Potentiometers R₄. Der Wert der Kapazität C wird ^ so gewählt, daß er automatisch den Phasenfehler korrigiert, der hervorgerufen wird durch den Spannungsabfall in der Induktivität L.,. Es wird angenommen, daß die Nebenschlußkapazität des Potentiometers R₄ vernachiässigbar ist, welches erreicht wird durch eine sorgfältige Auslegung.

Der Wert der Kapazität C wird abgeleitet durch die folgende mathematische Analyse, welche durch ausgedehnte Laborversuche betätigt werden.

Die Gleichungen für die drei Maschenströme /,, /., und /.,, wie sie durch die Pfeile in der Zeichnung angezeigt sind, unter Nichtbeachtung des Vorhandenseins des Widerstandes R₀, sind

I₁(R₁ +/ω L₁)-/

/■ic

.· Λ

rj

=0

ja Ml*.

dabei ist V die Spannung der Wechselstromversorgung für das Potentiometer /?.,, M ist die Gegeninduktivität der Spule, L₁, L., und ω ist die Winkelfrequenz.

I₃(R₄ + R₂

(III).

Um I₁ zu eliminieren und /., als Funktion von I₃ zu erhalten, entnehmen wir den Wert von I₁ aus der Gleichung (I) und substituieren ihn in die Gleichung (III), so daß

+ j(„r'L.,MCR_:i) +

Damit I₁ und /., um 90° phasenverschoben sind, wie es erforderlich ist, muß der reelle Teil von y Null sein, so daß

R., + R₄)
oder L₂ = CR._t(R, + R₄).

Folglich ist der Wert für Cfür die Phasenkorrektur

C =

, +R₄)

welcher unter Voraussetzung der vorerwähnten Annahmen unabhängig von der Frequenz ist.

Wenn der Widerstand R₀ vorgesehen ist, wird der Wert von R₃ ersetzt durch den kombinierten effektiven Wert der Widerstände R₀ und /?₃ in Parallelschaltung.

Bei einer praktischen Ausführungsform ist das Wechselstrompotentiometer so ausgelegt, daß es in einem Frequenzbereich bis zu wenigstens 5 kHz und möglicherweise bis zu 1OkHz arbeitet und, wie es bereits erwähnt wurde, ist es nicht erforderlich, die Frequenz des Meßkreises oder Prüfkreises zu erkennen.

Das »in Phase liegende« Potentiometer /?₃ wird wie üblich geeicht auf Gleichstrom gegen eine Standardzelle, und der Strom wird an einem üblichen Meßgerät mit gleichzeitiger Ablesung für Wechselstrom und. Gleichstrom überwacht. Eine Wechselstromquelle wird dann substituiert, und ihre Spannung wird eingestellt, bis derselbe Strom an dem Meßgerät mit gleichzeitiger Ablesung für Wechselstrom und Gleichstrom angezeigt wird. Das Meßgerät wird anschließend in den um 90° phasenverschobenen Kreis geschaltet, dessen Strom eingestellt wird mittels der Gegeninduktivität L₁, L₂.

Der Grundbereich der praktischen Xusführungsform ist 0 bis 1,8 Volt an jedem Potentiometer, und ein eingebautes Hochfrequenz-Spannungs-Verhältnis-Gerät dehnt diesen bis 720 V aus. Es wird erwartet, daß eine Spannungsgenauigkeit erreichbar sein wird, die besser ist als ±0,1% oder +VimV. Die Eigenphasenfehler des Instruments überschreiten nicht 6 Minuten innerhalb seines. Arbeitsfrequenzbereiches.

Die hohe Induktivität des »gleichphasigen« Kreises beschränkt beträchtlich den Anteil an Harmonischen (Oberwellengehalt) » der Potentiometerspannung, welche es folglich gestattet, einen nicht abgestimmten Detektor, wie z. B. ein Oszilloskop mittlerer Empfindlichkeit, zu verwenden.

Die Potentiometereinheiten und die Zusatzausrüstung, einschließlich der Gegeninduktivität, des Meßgeräts mit gleichzeitiger Ablesung für Wechselstrom und Gleichstrom, des Wechselstromdetektors

und des Spannungsverhältniskästchens sind alle in einem einzigen Gehäuse untergebracht, obgleich Einrichtungen vorgesehen sind zur Verwendung eines äußeren Detektors, falls es erforderlich ist.

Bei typischen Anwendungen wird die Vorrichtung gemäß der Erfindung benutzt zum Messen der Spannung und Phasenverschiebung, welche sich entwikkeln oder auftreten parallel an einer Standardgegeninduktivität mit Luftkern bei verschiedenen Frequenzen, und zum Messen der Bewegungsimpedanz eines trichterlosen Schwingspulenlautsprechers bei verschiedenen Frequenzen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

374?

Claims

Patentansprüche:

1. Wechselstromvorrichtung zum Erzielen einer 90°-Phasenverschiebung mit einem »in Phase liegenden« Potentiometer und einem »um 90° phasenverschobenen« Potentiometer, dadurch gekennzeichnet, daß das »in Phase liegende« Potentiometer (R₁) in Reihe mit einer ersten Induktivität oder Spule (L₁) geschaltet ist, das das »um 90° phasenverschobene« Potentiometer (R₄) in Reihe mit einer zweiten Induktivität oder Spule (L.,) geschaltet ist, daß ein Kondensator (C) im Nebenschluß parallel zu dem »in Phase liegenden« Potentiometer (R.,) geschaltet ist, daß die erste Induktivität oder Spule (L₁) die Primärwicklung und die zweite Induktivität oder Spule (L.,) die Sekundärwicklung einer variablen Gcgeninduktivitüt (M) bilden und daß die Kapazität des Kondensators so gewählt wird, daß sie den Phasenfehler korrigiert, der hervorgerufen wird in dem »um 90ⁿ phasenverschobenen« Potentiometer (R₄) durch den Spannungsabfall in der Induktivität der zweiten Spule (L.,), wenn ein Wechselstrom dem »in Phase liegenden« Potentiometer (/?.,) und der ersten Spule (L,) zugeführt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des Kondensators

L.,