DE2432591A1

DE2432591A1 - Anordnung zur ermittlung des phasenverschiebungswinkels zwischen zwei gleichfrequenten elektrischen wechselgroessen

Info

Publication number: DE2432591A1
Application number: DE19742432591
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Eichel; Hermann Saur
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1974-07-06
Filing date: 1974-07-06
Publication date: 1976-01-22
Also published as: FR2277346B1; GB1507323A; FR2277346A1; IT1039615B

Description

LICENTIA

Patent-Ver-waltungs-GmbH

6000 Frankfurt (Main) 7O₅ Theodor-Stern-Kai 1

Ulm, 5. Juli 1974-PT-UL/Dr.Gk/hä UL 72/115

"Anordnung zur Ermittlung des Phasenverschiebungswinkels zwischen zwei gleichfrequenten elektrischen

Wechselgroßen"

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ermittlung des Phasenverschiebungswinkels zwischen zwei gleichfrequenten elektrischen Wechselgrößen (Wechselspannungen, Wechselströmen). Eine derartige Anordnung läßt sich beispielsweise bei Peilanlagen verwenden, die nach der Phasenmeßmethode arbeiten. Bei solchen Anlagen wird der Peilwinkel durch das Ausmessen der Phasendifferenz zwischen zwei NF-Spannungen bestimmt. Allerdings kommt hierbei wegen der Trägheit der Anzeigegeräte nicht der jeweilige Augenblickswert zur Anzeige, sondern ein aus mehreren aufeinanderfolgenden Meßwerten gebildeter Mittelwert. Liegt der zu messende Winkel nahe bei 0 , so kann diese Mittelwertbildung zu Fehlern bis zu 18O führen, wie aus Fig. 1 a her-

vorgeht. Der tatsächliche Peilwinkel möge hier 0 betragen,

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der erste Meßwert σ möge in den ersten Phasenquadranten fallen, der zweite Meßwert 360° - ein den vierten Quadranten. Als Mittelwert ergibt sich dann ein Peilwinkel von

+ 360° - ^ = 180°

d. h. der Fehler "beträgt 180°. Dieser Fehler ist darauf zurückzuführen, daß die Phase zwischen 360 und O eine Unstetigkeitsstelle hat, da sie hier von 360° auf 0° springt.

Zur Vermeidung solcher Fehler verwendet man, falls die zu messende Phasendifferenz nahe "bei 0° liegt, eine z. B. um 180 verschobene Bezugsspannung. Wie Fig. 1 "b zeigt, bekommt man dann für einen tatsächlichen Einfallswinkel von 0° zwar zunächst ebenfalls einen Mittelwert von 180°, da die Bezugsphase aber um 180° verschoben worden ist, müssen von diesem Mittelwert noch 180° subtrahiert werden, so daß in diesem Falle der tatsächliche Peilwinkel von 0° zur Anzeige kommt.

Es ist bekannt ( DT-OS 2 046 787), in einer ersten Anordnung die Phase der Eingangsspannung mit der Phase der unverschobenen Bezugsspannung zu vergleichen, gleichzeitig in einer zweiten Anordnung die Phasendifferenz zwischen der Eingangsspannung sowie der um 180 verschobenen Bezugsspannung zu messen und dann im Falle, daß der Peilwinkel in dem Intervall zwischen

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Φ und 36Ο -"■■=- Φ liegt, das Ergebnis der ersten Anordnung auf das Anzeigegerät zu geben, falls dagegen der Peilwinkel in das komplementäre Intervall zwischen 36Ο - Φ und Φ fällt,

d. h. in den Bereich mit der Unstetigkeitsstelle bei 0 , das Ergebnis der zweiten Anordnung zur Anzeige kommen zu lassen·

Nachteilig an dieser bekannten Anordnung ist die Tatsache, daß hier zwei bis auf einen Phasenschieber identische Meßeinrichtungen parallel betrieben werden, während für die Anzeige doch nur jeweils eine der beiden Einrichtungen herangezogen wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, die bei gleichem Wirkungsgrad mit nur einer Meßeinrichtung auskommt, so daß der apparative Aufwand erheblich verringert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, mit deren Hilfe einerseits festgestellt wird, ob die Phasendifferenz zwischen Eingangs- und Bezugsspannung in dem Winkel intervall zwischen 36Ο - Φ und φ liegt oder in dem dazu komplementären Intervall zwischen 36Ο - φ und Φ, und die andererseits, falls die Phasendifferenz in den Bereich zwischen 36Ο - Φ und Φ fällt, bewirkt, daß zum

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einen die Phase der Bezugsspannung un einen Winkel Δ derart verschoben wird, daß die Phasendifferenz zwischen den beiden elektrischen Wechselgrößen in das Intervall zwischen ψ und 36Ο - Φ zu liegen kommt, und daß zum anderen zu bzw. von der dann gemessenen Phasendifferenz der Winkel Δ addiert bzw. substrahiert wird je nachdem, ob die Phase der Bezugsspannung um den Winkel + Δ oder - Δ verschoben worden ist.

In einer ersten zweckmäßigen Ausgestaltung enthält die vorgesehene Einrichtung neben einem Impulserzeuger, der Rechteckimpulse erzeugt, deren Breite der Phasendifferenz zwischen einer ersten Wechselspannung, die an einem ersten Eigang des Impulserzeugers anliegt, und einer gleichfrequenten Bezugsspannung, die an einem zweiten Eingang des Impulserzeugers anliegt, entspricht, einen Zähltaktgenerator und einen digitalen Zähler, mit deren Hilfe die Breite der Rechteckimpulse bestimmt wird, ferner einen Steuerteil und einen logischen Bauteil, die im Falle, daß die Phasendifferenz im Bereich zwischen 36Ο - Φ und Φ liegt über ein Gatter und ein Flipflpp veranlassen, daß zum einen vermittels eines Umschalters eine um den Winkel Δ phasenverschobene Bezugsspannung auf den zweiten Eingang des Impulserzeugers gegeben wird und daß zum anderen zu bzw. von der im digitalen Zähler ermittelten Phasendifferenz der Winkel Δ addiert bzw. subtrahiert wird je nachdem, in welcher Richtung die Phase der Bezugsspannung verschoben worden ist.

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In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Anordnung wird die Phase der Bezugsspannung um einen Winkel Δ = l80 verschoben. Es hat sich auch als günstig erwiesen, für den Winkel ψ k5 zu wählen«

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Anordnung. Am Eingang 1 eines Impulserzeugers 3 liegt ein Eingangssignal, dessen Phasenverschiebung gegenüber einer gleichfrequenten Bezugsspannung, die am Eingang 2 des Impulserzeugers anliegt, gemessen werden soll. Die Bezugsspannung wird von einem Taktgeber geliefert, der aus einem Zähltaktgenerator k und einem Frequenzteiler 5 besteht Die Phase der Bezugsspannung kann mit Hilfe eines Phasenschiebers 6 und eines Umschalters 7 um l80 verschoben werden.

Am Ausgang des Impulserzeugers 3 erhält man pro Schwingung der Bezugsspannung je einen Rechteckimpuls, dessen Breite gerade der Phasendifferenz zwischen Eingangs- und Bezugsspannung entspricht. Ein Gatter 8 läßt in der Zeit, in der ein solcher Rechteckimpuls an ihm anliegt, die aus dem Zählgenerator k kommenden Zählimpulse hindurch. Falls der Frequenzteiler 5 beispielsweise im Verhältnis 1 : 3 &00 teilt, dann ist die Frequenz des Zähltaktes 3 600 χ so hoch wie die Frequenz der Bezugsspannung. Es werden dann

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bei einer Phasendifferenz von z. B. l8O pro Rechteckimpuls 1 800 Zählimpulse hindurchgelassen, was einer Zählgenauigkeit von 0,1 entspricht.

Das Gatter 8 läßt die Zählimpulse allerdings nur dann passieren, wenn an ihm gleichzeitig mit dem Rechteckimpuls ein Impuls eines Steuerteils 9 anliegt. Die Aufgabe des Steuerteils wird später erläutert.

Falls das Gatter vom Steuerteil freigegeben ist, erhält man an seinem Ausgang für jede Schwingung der Eingangs- bzw. Bezugsspannung eine Gruppe von Zählimpulsen. Die Anzahl der Zählimpulse pro Gruppe wird durch die Breite der Rechteckimpulse bestimmt und entspricht somit der Phasendifferenz zwischen Eingangs- und Bezugsspannung. In einem digitalen Zähler 10 werden die Gruppen ausgezählt und die Ergebnisse der Zählungen gespeichert.

Im folgenden soll die Funktion des Steuerteils 9 näher erläutert werden. Zu diesem Zweck nehmen wir an, daß das Eingangssignal am Eingang 1 beispielsweise aus einer Peilanordnung stammt, die nach der Phasenmeßmethode arbeitet. Eine solche Peilanlage ist z. B. in der DT-PS l 766 68O beschrieben. Es werden beispielsweise zwei gekreuzte Rahmenantennen und eine Hilfsantenne mit Rundumcharakteristik verwendet. Die Hochfrequenzspannungen der beiden Rahmen—

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antennen -werden mit 90 -Phasenverschiebung im Takt der Bezugsspannung umgetastet und anschließend der Hochfrequenzspannung der Hilfsantenne additiv überlagert. Auf diese Weise erhält man ein amplitudenmoduliertes Hochfrequenzsignal. Aus diesem wird durch Verstärken, Demodulation und Aussieben der Modulationsfrequenz eine NF-Spannung gewonnen, deren Frequenz mit der Frequenz der Bezugsspannung übereinstimmt und deren Phasenverschiebung gegenüber der Phase der Bezugsspannung ein Maß für den Peilwinkel darstellt. Um den Peilwinkel zu bestimmen, wird also die durch Aussieben gewonnene NF- Spannung auf den Eingang 1 der erfindungsgemäßen Anordnung gegeben, während die Bezugsspannung am Eingang 2 anliegt.

Der Steuerteil 9 enthält einen Programmzähler mit l6 Zählzuständen 0, 1, 2, ... 15, die er im Takt der Bezugsspannung zyklisch durchläuft. Der Zustand "2" entspricht der Ausgangsstellung. Im Zustand "4" veranlaßt der Steuerteil über einen Ausgang 11, daß die eine Hälfte der im digitalen Zähler 10 gespeicherten Werte gelöscht wird, um Platz für die folgenden 8 Meßwerte zu schaffen. In den Stellungen "2" bis "7" wird das Gatter 8 vom Steuerteil über einen Ausgang 12 gesperrt, so daß in dieser Zeit keine Messung der Phasendifferenz möglich ist. Diese Zeit ist für Einschwingvorgänge vorgesehen, auf deren Ursache später eingegangen wird. Zu

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Beginn des Zustandes "8" öffnet der Steuerteil über den Ausgang 12 das Gatter 8. Das Gatter bleibt bis zum Ende des Zustandes "15" geöffnet. In der Zeit, die den Zuständen "8" bis "15" entspricht, wird im digitalen Zähler die Phasendifferenz von 8 aufeinanderfolgenden Schwingungen ausgezählt und gespeichert.

Am Ende des Zustandes "8" veranlaßt der Steuerteil über einen Ausgang 13 eine Winkelsektorabfrage» Zu diesem Zeitpunkt hat der digitale Zähler 10 gerade die Phasendifferenz für eine Schwingung ausgezählt und gespeichert. Das Ergebnis der Zählung wird einem logischen Baustein l4 mitgeteilt, der feststellt, ob die Phasendifferenz in dem Winkelbereich zwischen 315 und 45 oder in dem Bereich zwischen 45 und 315 liegt. Beträgt die Phasendifferenz 45 his 315 » so gibt der logische Baustein keinen Impuls ab und die Messung läuft normal weiter, bis der Programmzähler im Steuerteil das Ende des Zustandes "15" erreicht. Sobald der Programmzähler vom Zustand "15" in, den Zustand "0" übergeht, wird das Gatter 8 vom Steuerteil über den Ausgang 12 gesperrt. Im Zustand "1" veranlaßt der Steuerteil, daß der Umlaufsinn der Antennencharakteristik umgekehrt wird. Falls sich die Antennencharakteristik in den zurückliegenden l6 Umdrehungen im Uhrzeigersinn gedreht hat, so rotiert sie nun l6 Umdrehungen lang im Gegenuhrzeigersinn.

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Nach der Umschaltung muß das Eingangssignal erst einschwingen. Aus diesem Grund sperrt, wie oben bereits erwähnt, der Steuerteil das Gatter 8 bis zum Ende der Stellung "7"t so daß in der Einschwingzeit keine Messung durchgeführt wird.

Mit dem Zustand "2" erreicht der Programmzähler wieder seine Ausgangsstellung und der oben geschilderte Programmablauf beginnt von vorn.

Fällt die Phasendifferenz jedoch nicht in das Intervall zwischen 45 und 315 ι sondern in den dazu komplementären Bereich von +_ 45 um die Unstetigkeitsstelle bei 0 , so gibt der logische Bauteil l4 einen Impuls auf einen ersten Eingang eines Gatters 15·

Sobald nun der Steuerteil 9 bei seiner Winkelsektorabfrage am Ende des Zustandes "8" über den Ausgang 13 einen Impuls auf einen zweiten Eingang des Gatters 15 gibt, wird vom Gatter ein Flipflop i6 aktiviert, das nun drei verschiedene Maßnahmen auslöst.

Zunächst bewirkt es über einen Eingang 17 des Steuerteils 9» daß der Progranimzähler des Steuerteils auf den Anfang des Zustandes ^M8" zurückgesetzt wird, damit die Meßreihe von vorn beginnen kann.

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Jo

Gleichzeitig schaltet das Flipflop 16 einen Umschalter so um, daß jetzt am Eingang 2 des Impulserzeugers 3 eine um l80 phasenverschobene Bezugsspannung anliegt. Durch diese Umschaltung wird die Phasendifferenz zwischen Eingangsund Bezugsspannung um l80 in den unproblematischen Bereich zwischen 45 und 315 verschoben.

Als dritte Maßnahme veranlaßt das Flipflop über einen Eingang l8 des digitalen Zählers lO eine Addition bzw. Subtraktion von l80 zu dem für die Phasendifferenz errechneten Wert, um damit den durch die Verschiebung der Bezugsspannungsphase gemachten Fehler zu korrigieren.

Nach Beendigung eine Meßzyklus, der aus je l6 Umdrehungen der Antennencharakteristik im Uhrzeiger- und Gegenuhrzeigersinn besteht, sind im Speicher des digitalen Zählers 10 insgesamt l6 Meßwerte gespeichert. Aus diesen Werten wird der Mittelwert gebildet und über einen Ausgang 19 entweder direkt auf einen Digitalwertanzeiger oder über einen Digital/ Analog-Wandler auf einen Analogwertanzeiger gegeben.

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Claims

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Patentansprüche

(Λ.) Anordnung zur Ermittlung des Phasenverschiebungswinkels zwischen zwei gleichfrequenten elektrischen Wechselgrößen (Wechselspannungen, Wechselströmen), dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, mit deren Hilfe einerseits festgestellt wird, o"b die Phasendifferenz in dem Winkelintervall zwischen 360° - Φ und φ liegt oder in dem dazu komplementären Intervall zwischen ψ und 360° - Φ, und die andererseits, falls die Phasendifferenz in den Bereich zwischen 360° - Φ und Φ fällt, bewirkt, daß zum einen die Phase der Bezugsspannung um einen Winkel Δ derart verschoben wird, daß die Phasendifferenz zwischen den beiden elektrischen Wechselgrößen in das Intervall zwischen Φ und 360° - Φ zu liegen kommt, und daß zum andern zu bzw. von der dann gemessenen Phasendifferenz der Winkel δ addiert bzw. subtrahiert wird je nachdem, ob die Phase der Bezugsspannung um den Winkel + δ oder - Δ verschoben worden ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgesehene Einrichtung neben einem Impulserzeuger (3)i der Rechteckimpulse erzeugt, deren Breite der Phasendifferenz

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zwischen einer ersten Wechselspannung, die an einem ersten Eingang (1) des Impulserzeugers anliegt, und einer gleichfrequenten Bezugsspannung, die an einem zweiten Eingang (2) des Impulserzeugers anliegt, entspricht, einen Zähltaktge-

enthält nerator (4-) und einen, digitalen Zahler (10X mit deren Hilfe die Breite der Bechteckimpulse bestimmt wird, daß sie ferner einen Steuerteil (9) und einen logischen Baustein (14) aufweist, die im Falle, daß die Phasendifferenz im Bereich zwischen 360° - Ψ und φ liegt, über ein Gatter (15) und ein FlipfLop (16) veranlassen, daß zum einen vermittels eines Umschalters (7) eine um den Winkel Δ phasenverschobene Bezugsspannung auf den Eingang (2) des Impulserzeugers gegeben wird und daß zum andern zu bzw. von der im digitalen Zähler (10) ermittelten Phasendifferenz der Winkel Δ addiert bzw. subtrahiert wird ^e nachdem, in welcher Richtung die Phase der Bezugsspannung verschoben worden ist (Figur 2).

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel Δ * 180° ist.

4-, Anordnung nach Anspruch 1,2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel Φ * 45° ist.

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