DE2530723A1 - Messeinrichtung zur messung von phasenverschiebungen an elektrischen vierpolen - Google Patents

Messeinrichtung zur messung von phasenverschiebungen an elektrischen vierpolen

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DE2530723A1
DE2530723A1 DE19752530723 DE2530723A DE2530723A1 DE 2530723 A1 DE2530723 A1 DE 2530723A1 DE 19752530723 DE19752530723 DE 19752530723 DE 2530723 A DE2530723 A DE 2530723A DE 2530723 A1 DE2530723 A1 DE 2530723A1
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Description

86/75 m/ho
BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)
Messeinrichtung zur Messung von Phasenverschiebungen an elektrischen Vierpolen.
Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zur Messung von Phasenverschiebungen an elektrischen Vierpolen, wobei der zu messende Vierpol in die Rückkopplungsschleife eines RC - Phasenschieberoszillators geschaltet wird und die erzeugte Frequenz von der Phasenverschiebung des Vierpols und des RC-Phasenschiebers abhängt und wobei die Schaltung so bemessen ist, dass folgende Schwingbedingungen erfüllt sind:
(uO) + «5 = (T (oder ganzzahlige Vielfache von 2 )f (D P (Uj )| * |h| · A =1 (2)
wo έ = Phasenverschiebung des zu messenden Vierpols (to)= Phasenverschiebung des RC-Phasenschiebers
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- 2 - 86/75
P (tv ) = Dämpfung des RC-Phasenschiebers
H = Dämpfung des zu messenden Vierpols.
A = reeller Verstärkungsfaktor,
wobei ferner H(p) bzw. F(p) die Uebertragungsfunktion des unbekannten Vierpols bzw. des RC-Phasenschiebers darstellen und A
durch eine Regelung so eingestellt wird, dass Gleichung (2) erfüllt ist, und wobei schliesslich der in der Rückkopplungsschleife befindliche Vierpol H(p) eine Spulenanordnung bzw.
ein Transformator ist.
Bei den meisten der bekannten Phasenmessverfahren werden die
Nulldurchgänge der zu vergleichenden Wechselspannungen zur Phasenwinkelmessung herangezogen. Gemessen wird dann die Zeit
zwischen den Nulldurchgängen der zu messenden Spannungen. Als
Beispiel kann angeführt werden die Figur 5-8/12 aus Steinbuchs "Taschenbuch der Nachrichtenverarbeitung", Springer 1962, S.765.
Werden nur die Nulldurchgänge der zu vergleichenden Wechselspannungen zur Phasenwinkelmessung herangezogen , so können überlagerte Störspannungen die genaue Messung des Phasenwinkels unmöglich machen. Durch Vorschalten von geeigneten Filtern können
die zu untersuchenden Wechselspannungen wohl weitgehend von
Störspannungen befreit werden, doch ist die damit.verbundene zusätzliche Phasenverschiebung problematisch. An die Genauigkeit
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·:■·:· - 3 ... 86/75
und Konstanz der Triggerschaltung zur Erfassung der Nulldurchgänge werden höchste Anforderungen gestellt.
Die Erfindung setzt sich zum Ziel, die Nachteile, des bekannten Standes der Technik namentlich bei der Phasenwinkelmessung zwischen Ein- und Ausgangsklemmen eines induktiven Vierpols weitgehend zu beheben. Es wurde bereits vorgeschlagen (Dissertation "Die Anwendung·aktiver Resonanzkreise zur Messung von Phase und Dämpfung" von Paul Vogel, Uni Basel 1972), den zu messenden Vierpol in die Rückkopplungsschleife z.B. eines RC-Phasenschieberoszillators zu schalten (wobei die erzeugte Frequenz von der Phasenverschiebung des Vierpols und des RC-Phasenschiebers abhängt) und die Schaltung so anzulegen, dass gewisse, oben substantiierte Schwingbedingungen erfüllt sind.
Im allgemeinen kann die Uebertragungsfunktion F(p) des RC-Phasenschiebers durch verschiedene Netzwerke realisiert werden, z.B. kann ein Allpass mit der Uebertragungsfunktion
(ρ,
1 + pT
Verwendung finden.
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- 1^ - . . 86/75
<■ . ■
Befindet sich aber in der Rückköpplungsschleife des Oszillators eine Spulenanordnung (z.B. Transformator), so können die bei ,den Eigenresonanzfrequenzen auftretenden Spannungsüberhöhungen und Phasendrehungen ebenfalls zur Erfüllung der obigen Schwingungsbedingungen (1), (2) führen. Der Oszillator kann dadurch auf verschiedenen Frequenzen schwingen, wenn ein Allpass als Phasenschieber verwendet wird.
Erfindungsgemäss werden bei Vorhandensein einer Spulenanordnung in der Oszillator-Rückkopplungsschleife diese unerwünschten Schwingungen dadurch behoben, dass die übertragungsfunktion P(p) durch ein Netzwerk in Gestalt eines 3~gÜedrigen, entkoppelten RC-Tiefpasses gemäss dem Ausdrück
F(P) = λ
(1 + pT)3 .
verkörpert wird, ,welcher Tiefpass-die bei den Resonanzfrequenzen der Spulenanordnung entstehenden Spannungsüberhöhungen so stark dämpft, dass bei diesen Frequenzen die obigen Schwingbedingungen (1) und (2) nicht erfüllt werden können.
Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau der Schaltung.H(p) bzw. F(p) stellen die üeber.tragungsf unkt ionen des unbekannten τ hier induktiven - Vierpols bzw. des RC-Phasenschiebers dar. A wird durch eine Regelung so eingestellt, dass Gleichung (2) erfüllt
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■ 5 " · ■ 86/75
wird. Die Punktion F(p) ist hier durch einen 3-gliedrigen, entkoppelten RC-Tiefpass realisiert (entsprechend P(p) =
•γζ φΤ3' 3·°·). Bedingt durch die zunehmende Dämpfung mit
steigender Frequenz, wird hier dank der Verwendung des Tiefpassfilters eine Oszillation bei den Eigenresonanzfrequenzen der Spulen verhindert.
Fig. 2 z;eigt das Blockschaltbild eines Phasenwinkelmessgerätes am Beispiel einer Temperaturmesseinrichtung nach dem Wirbelstromprinzip. Die Impedanz der Detektorspule S, wird mit 1 an die Impedanz des 503i-Kabels angepasst. 2 stellt eine von Hand einstellbare Verstärkerstufe dar, während die Stufen 3, 4 und '5 den 3-gliedrigen RC-Tiefpass bilden. Eine eventuell vorhandene Gleichspannungskomponente wird durch das CR-Glied abgetrennt. Stufe 6 entkoppelt das CR-Glied vom Multiplikator 7, der zusammen mit dem Regler 13 für die Amplitudenbedingung nach (2) sorgt (Faktor A). Die Grosse des mittels des Multiplikators eingestellten Verstärkungsfaktors wird am Instrument I angezeigt und kann gegebenenfalls durch Verändern des Verstärkungsfaktors von 2 (in Stufen) auf einen geeigneten Wert gebracht werden. Der Istwert für den Regler wird durch den Verstärker 11 und Gleichrichter 12 geliefert. 8 ist ein weiterer Verstärker, während Stufe 9 als Leistungstreiber für das
Koaxialkabel wirkt. 10 ist die Endstufe für die Spule S2. 15 und 16 bilden zusammen eine phasenstarre Regelschaltung
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- 6 - ' 86/75
(Phase-Locked-Loqp-Schaltung = PLL-Schaltung),.die die vom Oszillatorkreis (1 bis 10) erzeugte Frequenz f verhundertfacht. Diese Schaltung ermöglicht bei der Messung der Frequenz nach der Frequenzzählmethode eine Verkürzung der Messzeit um den Faktor 100 bei gleichbleibender relativer Messgenauigkeit. Die PLL-Schaltung wirkt zudem als GIeichlauf-Filter ("Tracking Filter") und eliminiert, bedingt durch die Filterzeitkonstante, etwaige von der Detektorspule aufgefangene Störspannungen. Die Prüfeinheit 14 ermöglicht über die Signallampe L festzustellen, ob die PLL-Schaltung mit der Oszillatorfrequenz synchron läuft. Mit Vorteil wird für die Speisung der Detektorspule eine Quelle verwendet, die konstanten Wechselstrom abgibt. Durch diese Massnahme wird verhindert, dass temperaturbedingte Widerstandsänderungen der Detektorspulenwicklung und somit unerwünschte Schwankungen der Spulenzeitkonstante spürbar in Erscheinung treten.
Mit der beschriebenen Anordnung können auch Phasenwinkel zwischen mit Störungen behafteten Spannungen gemessen werden, und zwar mit grosser Auflösung und Reproduzierbarkeit. Nach vorheriger Eichung können auch absolute Messungen vorgenommen werden. Zahlreiche Anwendungen in der berührungslosen Temperaturmessung sowie der Materialprüfung sind möglich.
Bei einem praktisch realisierten Gerät (entsprechend Fig. 2)
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86/75
wurde eine Empfindlichkeit von^l Hz/10 rad erreicht (fQ χ 100). Die Messfrequenz lag bei 1,6 kHz.
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Claims (7)

  1. - 8 - 86/75
    Patentanspruch e
    ·.· Messeinrichtung zur Messung von Phasenverschiebungen an elektrischen Vierpolen, wobei der zu messende Vierpol in die Rückkopplungsschleife eines RC-Phaserischieberoszillators geschaltet wird und die erzeugte Frequenz von der-Phasenverschiebung des Vierpols und des RC-Phasenschiebers abhängt und wobei die Schaltung so bemessen ist, dass folgende Schwingbedingungen
    erfüllt sind: " ■ ■ .
    1P (to) +«5=0 (oder ganzzahlige Vielfache von 2 )( (1)
    I- A=I (27
    wo φ - Phasenverschiebung des zu messenden Vierpols
    LP (to)= Phasenverschiebung des RC-Phasenschiebers
    f (to)= Dämpfung des RC-Phasenschiebers
    H = Dämpfung des zu messenden Vierpols
    A = reeller Verstärkungsfaktor
    wobei ferner H(p) bzw. F(p) die Uebertragungsfunktionen des unbekannten Vierpols bzw. des RC-Phasenschiebers darstellen und A durch eine Regelung so eingestellt wird, dass Gleichung (2) erfüllt ist, und wobei schliesslich der in der Rückkopplungsschleife befindliche Vierpol H(p) eine Spulenanordnung bzw. ein
    609 8 8 2/0999
    -- - 9 - 86/75
    Transformator ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Uebertragungsfunktion 1 F(p)| durch ein Netzwerk in Gestalt eines 3-gliedrigen, entkoppelten RC-Tiefpasses gemäss dem Ausdruck
    FfP) =
    (1 + pT)3
    verkörpert wird, welcher Tiefpass die bei den Resonanzfrequenzen der Spulenanordnung entstehenden Spannungsüberhöhungen so stark dämpft, dass bei diesen "Frequenzen die obigen Schwingbedingungen (1) und (2) nicht erfüllt werden können.
  2. 2. Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verkürzung der Messzeit ein Frequenzvervielfacher in Gestalt einer phasenstarren Regelschaltung (PLL-Schaltung 15, 16) vorgesehen ist, welche die vom Oszillatorkreis (1-10, Fig.2) gelieferte Frequenz (fQ) mit einem Faktor η multipliziert.
  3. 3. Messeinrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Faktor η = 100 ist.
  4. 4.· Anwendung der Messeinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass der unbekannte Vierpol eine Spulenanordnung mit mindestens einer Spule ist, welche zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit von Metallen mittels
    609882/09 99
    - 10 - - 86/75
    Wirbelströmen eingesetzt wird und der Vierpol von dem zu
    messenden Metall beeinflusst wird.
  5. 5. Anwendung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Speisung·der Primärspule der Spulenanordnung eine Quelle verwendet wird, die konstanten Wechselstrom abgibt.
  6. 6. Anwendung nach den Ansprüchen 4 und 54 dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur berührungslosen Temperaturmessung dient.
  7. 7. Anwendung nach den Ansprüchen 4 und 5, gekennzeichnet durch Einsatz der Messeinrichtung für berührungslose Materialprüfung. . ' _ ·'.■'■ . .'
    BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & CIe.
    609882/0"9 99
    AA
    Leerseite
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