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Einrichtung zur Frequenzanalyse mittels Suchspannung unter Verwendung
einer Gleichrichterschaltung Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Frequenzanalyse
unter Verwendung einer bereits für die Messung von Wechselspannungen vorgeschlagenen
Gleichrichteranordnung.
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Zur Ermittlung der Frequenz und Amplitude der Teilschwingungen eines
Frequenzgemisches bediente man sich bisher neben den umständlichen Resonanzmethoden
vorzugsweise der Analyse mittels Suchton. Hierbei wird der zu analysierenden Wechselspannung
bzw. der in eine entsprechende Wechselspannung umgeformten andersartigen Schwingung
eine zweite Spannung von kontinuierlich veränderbarer Frequenz überlagert. Die aus
der Frequenz des Suchtones und einer Teilschwingung des Gemisches entstehende Schwebung
wird in verschiedener Weise zur Ermittlung der gesuchten Größen verwendet.
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So ist bekannt geworden, das durch die Überlagerung entstandene Frequenzgemisch
gleichzurichten und einem elektrischen Siebglied zuzuführen, welches nur gewisse
Differenztöne in einem kleinen Frequenzbereich hindurchläßt. Wenn die veränderliche
Frequenz der Überlagerungsspannung der Frequenz eines Teiltones genügend angenähert
ist, entsteht ein Differenzton von so geringer Frequenz, daß er von dem elektrischen
Siebglied durchgelassen wird. Die durchgelassenen Schwingungen werden gegebenenfalls
über einen Verstärker einem Oszillographen zugeführt. Auf dem Oszillogramm bilden
die Ausschläge ein Maß der Amplitude der Teilschwingung und die Lage der Ausschläge
ein Maß für die Frequenz.
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Es ist auch bekannt, die zu untersuchende Wechselspannung und die
Hilfsspannung unmittelbar an ein auf elektrostatische Kräfte ansprechendes Instrument,
z. B. an ein Einfadenelektromotor, zu legen, wobei aus dem Ausschlag des Elektrometerfadens
sowie aus der Momentanfrequenz der Suchspannung auf die Frequenz und die Amplitude
der betreffenden Teilschwingungen des zu untersuchenden Frequenzgemisches geschlossen
wird. Es ist auch noch eine Gegentaktmodulations- und Gleichrichterschaltung, die
im quadratischen Kennlinienbereich arbeitet, bekannt geworden.
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Weil bei den bekannten Methoden. eine Produktbildung aus Suchton und
Teilton zugrunde
liegt, haftet ihnen der Nachteil an, daß die Anzeige
nicht nur der Amplitude des Teiltons, sondern auch der des Suchtons proportional
ist, die also, um Rechnungen zu vermeiden, über das ganze Frequenzbereich sorgfältig
konstant gehalten werden muß. Außerdem sind durchweg komplizierte Apparaturen, wie
in der Amplitude hochkonstante Schwebungssummer, Filter u. dgl., oder teure und
sehr empfindliche Instrumente, wie Saitenelektrometer u. ä., erforderlich.
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Vorliegende Erfindung vermeidet die genannten Mängel unter Verwendung
einer bereits vorgeschlagenen Gleichrichteranordnung. Gemäß der Erfindung werden
den Gleichrichterkreisen einer Brückenschaltung, welche im Arbeitsgebiet eine im
wesentlichen geradlinige Kennlinie besitzen, die zu untersuchende Spannung und eine
in der Frequenz stetig veränderbare gegenüber der zu untersuchenden Spannung große
Suchspannung (Hilfsspannung) derart zugeführt, daß im einen Zweig die Summe, im
anderen Zweig die Differenz beider Spannungen gleichgerichtet wird und die Differenz
der gleichgerichteten Ströme auf das Anzeigeinstrument wirkt.
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Die Wirkungsweise der Anordnung sei im folgenden an Hand eines Schaltbildes
(Fig. i) und eines Vektor.diagramms (Fig.2) erläutert.
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In Fig. i wird Zweig I der Gleichrichterbrücke durch den Gleichrichter
Dl und den Widerstand Ral und Zweig II durch den Gleichrichter D2 und den Widerstand
Rat gebildet. Durch Verstellung des Abgriffes des zweckmäßig als Drehwiderstand
ausgebildeten Widerstandes Ra, Rat kann der Abgleich der Brückenanordnung
in sich herbeigeführt werden. In geeigneter Weise, z. B. durch einen Übertrager
U, wird in beiden Gleichrichterzweigen je eine gleich große, aber in bezug auf die
Durchlaßrichtung der Gleichrichter gegenphasige Hilfsspannung Eh (Suchspannung)
induziert. Die in bezug auf ihre Frequenz und Amplitude zu untersuchende Spannung
Eb wird beispielsweise .durch einen Übertrager beiden - Gleichrichterzweigen gleichphasig
zugeführt.
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Fig.2 zeigt das Vektordiagramm der Gleichrichterbrücke. Es sei zunächst
angenommen, daß zwischen Hilfsspannung (2h und der zu untersuchenden Spannung eb
Synchronismus herrscht. Die Phasenverschiebung zwischen (gh und eb sei 99. Im Zweig
1 der Gleichrichterbrücke wirkt dann die Spannuni Cl = Clc t" (gb und in
Zweig II e2 - (ih - eb. Wie aus dem Diagramm leicht ersichtlich ist,
kann bei großer Hilfsspannung eh gegenüber kleiner zu untersuchender Spannung (gib
für die Beträge der Vektoren gesetzt werden Ei =Ei, + Eb ' cos q@
E2 = Eh - Eb - cos @.
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Es ergibt sich dann für den Ausschlag a des Galvanometers a = (Ei
- E2) ==:2 Eb - cos@g9.
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Wird nun der Phasenwinkel 99 zwischen Eh
und Eb gleich Null,
so ist .der Ausschlag a. des Anzeigeinstrumentes G proportional der Größe und dem
Vorzeichen der zu untersuchenden Spannung, wird 99 .= 9o°, so ist der Galvanometerausschlag
gleich Null.
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Voraussetzung für die Richtigkeit obiger Ausführungen, d. h. proportionaler
Ausschlag des Galvanometers bei entsprechendem Phasenwinkel in Abhängigkeit von
der zu untersuchenden Spannung und Unabhängigkeit des Ausschlages von der Hilfsspannung,
ist eine im wesentlichen geradlinige Kennlinie im Arbeitsbereich der beiden Stromzweige
der Gleichrichterbrücke, wie eine solche bei Verwendung von Trockengleichrichtern
in Verbindung mit entsprechenden Belastungswiderständen leicht erreichbar ist.
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Es sei nun wieder angenommen, daß Eh
und EI, .Spannungen
gleicher Frequenz seien, die aber miteinander einen sich stetig ändernden Phasenwinkel
rp einschließen.
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Es ist dann Eb - Ebo - sin u@ t und Eh = EI,6 - sin
(co t + 99). .
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,Aus dem Vektordiagramm (Fig.2) geht mit Rücksicht auf die Gleichung
a = (Ei - E2) hervor, daß der Zeiger des Anzeigeinstrumentes einen vollen Cyclus
zwischen einem positiven und negativen Maximalausschlag durchläuft, wenn sich
99 stetig um 36o° än-. dert. Der Maximalausschlag, der bei 99==o eintritt,
ist dabei proportional Eb lind unabhängig von Eh. Je schneller der Vektor
Eh um die Spitze von -f- Eh bzw. -EI, rotiert, -um so schneller geht
der Zeiger des Instrumentes hin und her, bis er schließlich nicht mehr folgen kann.
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Da eine kontinuierliche Änderung von q7 einer Frequenzänderung gleichkommt,
geht aus dem Gesagten das Verhalten der Gleichrichteranordnung für den Fall, daß
Eh und Eb nicht die gleiche Frequenz haben, ohne weiteres hervor.
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Ist D der Frequenzunterschied zwischen
gh und -pb,
so ändert sich (p linear mit der Zeit nach der Gleichung g@ = S@
t,
und man erhält durch Einsetzender Gleichung gp - S2 t in
die Gleichung Eh - Eh. sin (to t -j- 9p) Eh - Eh, sin
(co + S2) t.
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Ist Eh die Spannung des Suchtones, Eb die des Frequenzgemisches,
so wird der Instrumentzeiger mit der Frequenz .f2 schwingen, sobald er zu folgen
vermag. Ist S2 infolge weiterer Annäherung der .Suchfrequenz an die Teilfrequenz
genügend klein geworden, so ist die Amplitude des Teiltones dem betreffenden Maximalausschlag
proportional. Durch die Trägheit des zweckmäßig zu verwendenden Drehspuleninstrumentes
werden ohne Verwendung eines Filters Schwingungen höherer Frequenz, z. B. die Schwebungen
des Suchtones mit einem anderen Teilton, unwirksam gemacht. Die Frequenzanalyse
geschieht also in der Weise, daß die Suchfrequenz stetig geändert wird, bis der
Zeiger des Instrumentes mit kleiner werdendem SZ immer langsamer werdende Bewegungen
ausführt. Die Amplitude der Teilfrequenz kann aus dem maximalen Zeigerausschlag
abgelesen werden, sobald klein genug gegenüber der Einstelldauer des Instrumentes
geworden ist. Bei Zeigerstillstand stimmt die bekannte Suchfrequenz mit der betreffenden
Teilfrequenz überein.
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Läßt man durch geeignete Regulierung die Amplitude eines Teiltons
(Grundwelle) Vollausschlag erzielen, so kann bei geeigneter Skaleneinteilung die
Amplitude jedes anderen Teiltones in °/o der ersteren abgelesen werden.
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In manchen Fällen kann es zweckmäßig sein, einen Zweig der Gleichrichteranordnung
abschaltbar oder eine bestimmte Unsymmetrie einschaltbar zu machen, um ein absolutes
Maß für die Größe von Eh und Eb allein zu gewinnen oder um z. B. das Intensitätsverhältnis
einer in beschriebener Weise festgestellten Teilfrequenz zum ganzen Gemisch festzustellen.