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Frequenzüberwachungsanordnung Die Erfindung betrifft gine Einrichtung
zum Messen oder Regeln von Frequenzen unter Benützung einer Differentialmethode.
Ein Frequenzmemer gemäß der Erfindung zeigt.nioht nur Frequenzänderungen von der
Größenanordnung eines Hunderttausendstels oder sogar noch weniger an, sondern bildet
auch das Grundelement eines Reglers von großer Genauigkeit, indem er durch seine
Anzeigen den Generator selbst steuert, dessen Frequenz man regeln will.
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Die heute üblichen Wellenmesser enthalten einen Resonanzkreis, :den
man auf die zu messende Frequenz abstimmt, wobei die Resonanz in dem Meßkreis durch
das Ablesen eines Intensitätsmaximums angezeigt wird. Eine solche Arbeitsweise ist
an sich wenig genau, weil die Stromamplitude in der Nähe der Resonanz sich wenig
ändert.
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Es sind ferner bereits Anordnungen bekannt, um Phasenänderungen anzuzeigen,
mit welchen man die von einem abgestimmten und einem aperiodischen Kreis abgenommenen
Wechselspannungen einander überlagert. Sobald die zu überwachende Frequenz von der
Resonanzfrequenz des abgestimmten Kreises abweicht, ändert sich die Phasenlage der
resultierenden Spannung. Die erfindungsgemäße Anordnung gestattet dieselbe Operation,
welche eben für Spannungen beschrieben wurde, auch mit Strömen auszuführen, und
dadurch, insbesondere bei einer Anwendung von kurzen Wellen, besondere praktische
Vorteile zu erzielen.
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Man gelangt so zu einer symmetrischen Anordung mit einer geringeren
Anzahl von induktiven Kopplungen, wodurch seinerseits die Genauigkeit der üb.erwachungundandererseits
die Empfindlichkeit der Anordnung verbessert wird. Schließlich ist eine gemäß vorliegender
Erfindung beschaffene Einrichtung äußerst einfach und ermöglicht auch bei sehr kurzen
Wellen einen symmetrischen Aufbau.
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Bei der Ausführungsform gemäß Abb. a sind zwei zweckmäßig gleiche
Spulen i und z im Nebenschluß zu einem Kondensator 3 geschaltet. Das ganze System
wird durch eine Spule q. erregt, die mit der Stromquelle verbunden ist, deren Frequenz
man messen will.
Man kann das System 1, 2, 3 als zwei Kreise betrachten:
Der eine wird gebildet durch die beiden Spulen i und 2, die in Reihe liegen und
aperiodisch sind, der andere durch die beiden parallel geschalteten Spulen i und
2 und den dazu in Reihe liegenden Kondensator 3. Dieser Kreis ist offenbar resonanzfähig.
Wenn man annimmt, daß die Selbs.tinduktionskoeffizienten der Spulen q., i und 2
gleichsinnig und proportional sind (d. h. wenn die Induktionen gleich sind), erkennt
man, daß kein Strom durch den Kondensator hindurchfließt, sondern daß nur der aperiodische
Kreis, der durch die Reihenschaltung 1, 2 gebildet wird, von einem Strom durchflossen
wird, der um 9o° zu der EMK verschoben ist. Wenn dann einer der gegenseitigen Induktionskoeffizienten
gegenüber dem anderen ein wenig vergrößert wird, indem beispielsweise die Spule
:4 etwas verschoben wird, sind die beiden Belegungen des Kondensators nicht mehr
äquipotential, und es wird sich in den Spulen i und 2 dem um 9o° gegen die EMK verschobenen
Strom ein Strom überlagern, der von dem abgestimmten Kreis herrührt und mit der
EMK in Phase ist. Die Amplitude dieses Stromes wird übrigens proportional der Gleichgewichtsstörung
der induzierten elektromotorischen Kräfte sein. Zweckmäßig wird man diese Störung
regeln, derart, daß in den Spulen i und 2 ein Strom erscheint, der in Phase mit
In und im wesentlichen gleich den um 9o° verschobenen Strom 1, ist;
dies macht im übrigen nur eine sehr geringe Verstimmung der elektromotorischen Kräfte
nötig, wenn die Elemente 1, 2, 3 verlustarm sind.
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Das Diagramm der Abb. 2 zeigt die resultierenden Ströme I,. und I',.
in den Spulen i und 2. Die Rechnung und die Überlegung zeigen, daß die Ströme I,.
und I',,, die bei genauer Resonanz des abgestimmten Kreises gleich sind, ungleich
werden, sobald keine Resonanz mehr vorhanden ist; denn eine solche Verstimmung bewirkt
eine Drehung der. Vektoren I, der Abb. 2 um einen bestimmten Winkel und damit eine
Verminderung des Winkels a, wenn ß größer wird, und umgekehrt.
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`Venn man nun gemäß Abb. i zwei Detektoren 5 im Neben.schluß zu einem
Teil der Spulen 1, 2 anordnet, kann man die Differenz I', minus Ir sichtbar machen.
Als Detektor eignet sich jede Vorrichtung, die einer Umwandlung des hochfrequenten
Stromes fähig ist, z. B. ein Thermoelement, ein Kristalldetektor, eine Elektronenröhre
o. dgl. Eine besonders geeignete Anordnung besteht in zwei Thermoelementen, deren
elektromotorische Kräfte in entgegengesetztem Sinne auf eine Anzeigevorrichtung
einwirken; diese elektromotorischen Kräfte ergeben in der Nähe der Resonanz eine
differentielle EMK, die ihre Richtung mit der Richtung der Verstimmung ändert.
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Eine genaue Rechnung zeigt, daß die differentielle EMK, ausgedrückt
in Prozenten, der mittleren EMK jedes der Elemente ist 4 ' E ' S °/o# wo a die Verstimmung
in Prozenten und S das Verhältnis der Blindleistung im abgestimmten Kreis zu seinen
Verlusten bedeutet.
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So würde z. B. ein Kreis, für den S gleich iooo ist, eine differentielle
EMK ergeben, die für eine Verstimmung von lilooooo gleich 401, ist.
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Diese Zahlen sind naturgemäß nur für einen Detektor genau, der das
quadratische Gesetz befolgt, und für gleiche Ströme I" und h.
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Die Rechnung zeigt ferner noch, daß bei ungleichen Strömen I" und
In nur die Empfindlichkeit, aber nicht die Genauigkeit der Messung beeinflußt wird,
und zwar nur sehr wenig, wenn das Verhältnis In : I, z. B. zwischen o,; und 1,4,
liegt.
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In gleicher Weäse zeigt die Rechnung, daß die Spulen i und :2 miteinander
gekoppelt sein können.
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Schließlich kann man von der Koppelspule .4 ganz absehen unter der
Bedingung, daß die in den Spulen i und 2 induzierten Spannungen, wie oben beschrieben,
geregelt werden.
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Für Schwingungen von sehr hoher Frequenz empfiehlt sich die Schaltung
gemäß Abb. 3, bei der die Induktänzen i und 2 zu einem einzigen Ring vereinigt sind
und der Kondensator zwischen zwei diametral gegenüberliegenden Punkten dieses Ringes
angeschlossen ist.
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Abb.4 zeigt eine zweckmäßige Ausführungsform eines Thermoelementes.
Die Heizspirale i ist auf einen dünntn Ouarzstab aufgewickelt und im Brennpunkt
eines reflektierenden Ellipsoides 2 ,angeordnet, in dessen anderem Brennpunkt das
Thermoelement 3 liegt.
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Man kann die Empfindlichkeit dadurch regeln, daß man eines der Elemente
verschiebt. Wenn man den Frequenzmesser als Regler benutzen will, kann man die an
den Detektorklemmen abgenommene differentielle Spannung verstärken und diese verstärkte
Spannung zur Reglung des Generators benutzen.
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Zu den verschiedenen Abänderungen, derer der Erfindungsgedanke fähig
ist, ist zu bemerken, daß die Zweige i und 2 Kapazitäten enthalten können, daß die
Detektoren gemäß Abb. 5 differentiell ,geschaltet werden können USW.