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Verfahren zur Messung des Modulationsgrads von Wechselströmen. Von
den verschiedenen bekannten Methoden, welche den Modulationsgrad von. Hochfrequenzströmen,
wie z. B. des Hochfrequenzstromes eines Telephoniesenders, zu messen gestatten,
ist das Verfahren, welches sich auf die -mittels der Braunschen Röhre gewonnenen
Oszillogramme gründet, theoretisch wohl am vollkommensten. Doch erfordert dies Verfahren,
ebenso wie die anderen bekannten oszillographischen Methoden, die Anwendung einer
ziemlich komplizierten Apparatur. Auch erlauben diese oszillographischen Methoden
keine direkte Ablesung des Modulationsgrades. Es sind wohl auch andere Methoden
zur
Messung des Modulationsgrades angegeben, doch, soviel man aus der Literatur ersehen
kann, erlauben auch diese Methoden keine direkte Ablesung des Modulationsgrades,
oder aber, wenn eine entsprechende spezielle Eichung möglich ist, so gilt dieselbe
nur für die jeweül@ge spezielle Anordnung.
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Den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet ein Verfahren zur
Messung des Modulationsgrades von Hochfrequenzströmen, welches den Modulationsgrad
direkt anzugeben erlaubt. Dieses Verfahren beruht auf folgenden überlegungen.
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Bekanntlich kann man einen modulierten Hochfrequenzstrom i von der
einfachsten Art durch die Funktion i-A(x+ksin2t)coswt darstellen. Praktisch erhält
man, wie bekannt, einen solchen modulierten Hochfrequenzstrom, indem man z. B. auf
das Mikrophon eines gut eingestellten Telephoniesenders (Frequenz c» mit einem reinen
akustischen Ton von der Frequenz 52 einwirkt.
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Da man unter dem Modulationsgrad wohl allgemein die Größe
versteht und &, in Prozenten mißt, wobei Jmax bzw. ,jmin den maximalen bzw.
minimalen Wert der Amplitude des Hochfrequenzstromes bedeutet, so erhält man in
diesem einfachsten Fall, wie leicht zu sehen ist
Man kann nun zur Bestimmung von k (und folglich auch #t) folgendermaßen vorgehen.
Man bestimmt gleichzeitig Jmax und ieff und bildet das Verhältnis von J2" ax und
i2eff: Dieses Verhältnis ergibt sich, wie eine einfache Rechnung zeigt, gleich
also gleich einer Funktion, die lediglich von k (oder dem Modulationsgrade) abhängig
ist. Ist man nun in der Lage,
zu messen, so kann man also daraus h ermitteln.
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Zu ganz ähnlichen Beziehungen gelangt man, wenn man an Stelle der
Ströme die Spannungen zwischen irgend zwei Punkten eines von dem modulierten Strom
durchflossenen Hochfrequenzwiderstandes betrachtet.
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Wir kommen somit zum Schluss.e, daß ein Instrument, dessen Angaben
(Ablenkungen) nur von dem Verhältnis des Maximalwertes der Strom- oder Spannungsamplitude
zu dem Effektivwerte desselben Stromes oder Spannung abhängen, gleichzeitig ein
Instrument darstellt, dessen Angaben eine Funktion lediglich von h (oder &,)
sind, und welches folglich direkt als Modulationsgradmesser geeicht werden kann.
Zu betonen ist, daß die Angaben eines solchen Instrumentes, insbesondere weder von
der Frequenz des Hochfrequenzstromes, noch von der Frequenz des akustischen Tones,
noch von der absoluten Amplitude des . Hochfrequenzstromes bzw. Spannung abhängig
sind. Sie sind abhängig nur von der Form der Amplitudenkurve des Hochfrequenzstromes.
Dies Resultat erlaubt eine Erweiterung des Verfahrens auf kompliziertere Arten der
Modulation.
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Das beschriebene Prinzip der Messung des Verhältnisses des Maximalwertes
der Amplitude des modulierten Hochfreqwenzstromes oder Spannung zu dem Effektivwerte
des gleichen Stromes oder Spannung bildet nun die Grundlage des neuen Verfahrens
zur Bestimmung des Modulationsgrades, welches den Gegenstand der vorliegenden Erfindung
bildet.
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Zur Erläuterung einer der möglichen Ausführungsarten dieses Verfahrens
wollen wir etwas genauer das folgende Schema (Abb. i) betrachten. Hier bedeutet
i eine Spule, welche induktiv (oder direkt) mit einer Spule z gekoppelt ist, die
von dem zu messenden modulierten Strom durchflossen wird. Die Enden der Spule z
werden verbunden einerseits direkt mit den Belegungen eines Kondensators 3 von bestimmter
Kapazität, anderseits aber über einen Gleichrichter 4 (in der Abbildung ist beispielsweise
ein Thermoelektronengleichrichter angegeben, der durch eine beliebige gleichrichtende
Vorrichtung ersetzt werden kann) mit den Belegungen eines zweiten Kondensators 5.
Während nun an der Kapazität 3 eine Hochfre; quenzspannung V1 herrscht, welche von
der in der Spule z induzierten EMK abhängig ist, läßt sich durch entsprechende Wahl
von 5 erreichen, daß, auf die Kapazität 5 eine wesentlich konstante Spannung V2
wirkt, welche praktisch gleich dem Maximalwert Vh,ax der auf 3 wirkenden Spannung
ist. Verbindet man nun mit 3 und 5 je ein Elektrometer (oder statisches Voltmeter),
so werden auf die beweglichen Systeme (Nadel) jedes Elektrometers mechanische Kräfte
F1 bzw- F2 wirken, welche bekanntlich proportional dem Quadrat der effektiven Größe
der Spannungen sind, die an 3 und 5 herrschen, und somit gleich zu setzen sind:
F1 =u1 V12e@ bzw. F2 =:UIY22ef- ü2V12rnax . Dabei sind a1 bzw. a2 Größen, welche
von der relativen Lage der beweglichen Teile der
Elektrometer zu
den festen Teilen abhängig sind. Sie sind folglich Funktionen des' Größe der Ablenkung.
Verbindet man nun die beweglichen Teile beider Elektrometer mechanisch miteinander
so, daß die Kräfte Ft und F2 gegeneinander wirken, und sorgt dafür, daß auf das
gemeinsame bewegliche System keine anderen Kräfte, außer F, und F2, wie z. B. von
der Schwerkraft, oder der Elastizität der Aufhängung o. dgl. leerrührende wirken,
so daß das System bei Abwesenheit der obenerwähnten Kräfte F1 und F2 in jeder Stellung
im indifferenten Gleichgewicht sich befindet, so wird bei Einwirkung von F1 und
172 das System nur dann im Gleichgewicht sein, wenn die Bedingung erfüllt
wird F1 - F2 oder a1 V12,- 12 V12max'' woraus folgt:
Da, wie oben ausgeführt,
für jedes Instrument nur von der Lage des beweglichen Systems relativ zu den festen
Teilen des Instrumentes, also nur von der Zeigerstellung (Angaben) des Instrumentes,
abhängig ist, so stellt ein nach diesem Prinzip konstruiertes Instrument tatsächlich
ein Instrument zum Messen der Verhältnisse von Effektivwerten der Spannungen und
in der Anordnung der Abb.2 ein Instrument zur Messung des Verhältnisses zwischen
dem Maximal- und dem Effektivwerte einer Spannung dar. Es sei bemerkt, daß die Angaben
des Instrumentes bei der beschriebenen Anordnung unabhängig sind von dem Kopplungsgrad
zwischen i und 2.
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Die Angaben eines nach den oben angegebenen Prinzipien konstruierten
und geschalteten Instrumentes sind somit Funktion nur von der Form der modulierten
Spannung (oder des modulierten Stromes), und-das Instrument läßt sich infolgedessen
direkt als Modulationsgradmesser eichen.
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Es ist nicht immer notwendig, spezielle Kapazitäten einzuführen, da
man u. U. mit den Eigenkapazitäten des kombinierten Doppelelektrometers auskommen
kann, wie dies z. B. auf Abb. 2 angegeben ist. 3 und 5 bedeuten hier die entsprechenden
Teile des Doppelelektrometers.
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Auch ist es manchmal zweckmäßig, parallel zu dem Gleichrichter ¢ (oder
der Kapazität 5) einen sehr großen Ableitungswiderstand 6 einzuschalten.
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An Stelle eines nach den oben ausgeführten Prinzipien konstruierten
Doppelelektrometers mit einem Zeiger und ohne eigene Direktionskraft kann man in
der Schaltung der Abb. i und 2 zwei Elektrometer mit mechanisch voneinander unabhängigen
beweglichen Systemen verwenden, deren Zeiger nach dem Prinzip des Ferrie-Wellenmessers
über eine gemeinsame speziell geeichte Skala streichen.
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Sowohl in diesem Falle wie auch in dem erst betrachteten empfiehlt
es sich, den beweglichen Teilen der Elektrometer zwecks Erlangung einer gleichförmigen
Skala eine für diesen Zweck geeignete Form zu geben.
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Wir wollen noch eine von den -möglichen Ausführungsarten des Erfindungsgedankens
betrachten, bei welcher das Verhältnis des Maximalwertes des modulierten Stromes
zu seinem Effektivwerte benutzt wird, um die Modulation zu messen. Das Schaltungsschema
für diesen Fall ist in der Abb.3 dargestellt. In dem Stromkreis, der von der Feldspule
7 des Elektrodynamometers vom Ohmschen Widerstand 9 und von der Kopplungsspule 2
gebildet wird, soll der Strom i durch Induktion auf 2 erzeugt sein.
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Der Strom ii wirkt auf die bewegliche (Kurzschluß-) Spule $ des Elektrodynamometers
mit einer Kraft F1 = (31 l21 @@, wo ßl von der Beschaffenheit des Dynamometers (Dimensionen
der Spulen, Windungszahl usw.) und der relativen Lage der beweglichen Spule zu den
festen Spulen abhängig ist. Anderseits ist die Spannung V2, welche auf das Elektrometer
5 wirkt, das über den Gleichrichter 4. mit den Enden des Ohmschen Widerstandes 9
verbunden ist, wesentlich konstant und angenähert gleich dem Maximalwert der Spannung,
welche zwischen den Enden des Widerstandes herrscht, d. h. V2 = Rim", wenn f2 der
Widerstand von 9 ist. Es wirkt somit auf das bewegliche System des Elektrometers
die Kraft F2-.`r-.#2R2Z2 ma:i-- w!'3'2 22
mass wo ß', - (%R 2 außer
von R nurvon der B eschaffenheit des Elektrometers und von der relativen Lage der
beweglichen und der festen Teile desselben abhängt. Sind nun die beweglichen Teile
des Dynamometers und des Elektrometers miteinander entsprechend verbunden und wirken
auf das gemeinsame bewegliche System keine anderen Direktionskräfte außer den obenerwähnten
F1 und F2, so erhalten wir auch in diesem Falle, wie oben, für die Gleichgewichtslage
die Bedingung F1 = F2,
woraus folgt
wo nur von der
Beschaffenheit des Instrumentes und von seinen Angaben abhängig ist. Das so beschaffene
Instrument erlaubt somit in der in der Abbildung angegebenen Schaltung die Messung
des Verhältnisses zwischen
dem Maximalwert der Amplitude des modu=
lierten Stromes und dem Effektivwerte desselben und eignet sich infolgedessen zur
direkten Messung des Modulationsgrades.
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Es sei bemerkt, daß man auch in diesem Falle, an Stelle- des eben
beschriebenen Instrumentes, welches aus einer speziellen Kombination eines Dynamometers
mit einem Elektrometer ohne eigene Direktionskraft und mit einem gemeinsamen Zeiger
besteht, eine Kombination eines Dynamometers mit einem Elektrometer nach dem bereits
erwähnten Prinzip des Ferrie-Wellenmessers verwenden kann.
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Zum Schluß sei noch eine Ausführungsart des Erfindungsgegenstandes
erwähnt, bei welcher zwei Instrumente, welche die Effektivwerte der Ströme anzeigen,
in einer Kombination verwandt werden, welche ebenfalls auf der Anwendung des Ferrie-Wellenm:esis-erprinzips
beruht. Das in diesem Fall zu verwendende Schaltungsschema ist in der Abb. ¢ dargestellt.
Hier bedeutet i o einen Strommesser, dessen Angaben ij (oder i2,ff) proportional
sind. Das zweite Instrument i i, das ebenfalls Effektivwerte anzeigt, wird in Serie
mit einem sehr großen Widerstand 12 parallel zu einem Kondensator 5 von entsprechender
Kapazität C2 geschaltet. Der Kondensator liegt seinerseits in Serie mit einem Gleichrichter
q. im Nebenschluß zu dem Ohmschen Widerstande 9 von der Größe R. Da der Kondensator
5 sich wesentlich auf die Maximalspannung Ri""" auflädt, so werden die Angaben von
i i bei entsprechender Wahl von 5 und 12 wesentlich proportional i""1 (oder i2ma,)
Die Kombination der beiden Strommesser nach dem Prinzip des Ferrie-Wellenmessers
erlaubt somit das Verhältnis
und infolgedessen auch den Modulationsgrad zu messen.