DE840275C

DE840275C - Phasenmessgeraet

Info

Publication number: DE840275C
Application number: DEB2936A
Authority: DE
Inventors: Herbert Dipl-Ing Baehring
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1950-04-06
Filing date: 1950-04-06
Publication date: 1952-05-29

Description

Phasenmeßgerät IN der Meßtechnik wird bisweilen die Anforderung estellt, sehr kleine Phasenverschiebungen gegenüber der I>eriodendauer periodischer Zur gänge schnell zu messen, z. B. die Messung des tg # bei der Fabrikation von Kondensatioren. Bisherige Brückenmeßverfahren sind dafür zu langwierig. Es sind zwar bereits auch Schnellmeßverfahren mit Zeigerinstrumenten l>ekannt. Zur Messung sehr kleiner Phasenunterschiede zarten diese jedoch infolge unzureichender Stal>ilität nicht geeignet.
Die Erfindung ermöglicht durch Anwendung besonders ausgebildeter Verstärker und auf diese während der Meßpausen einwirkende Regelovorgänge einwandfreie Messungen von Phasennunterschieden periodischer elektrischer Spannungen bis herab zu 10-6 bis 10-7 Sekunden. Es wird dabei zur Messung von Phasenunterschieden elektrischer Spannungen von einem bekannten Verfahren ausgegangen, bei dem neben der Meßspannung eine Verglchsspannung vorhanden ist und die phasenverschobenen Spannungen der Gitter- und Anodenstrecke einer Elektronenröhre zugeführt werden, wobei die Anzeige durch ein Stromanzeigegerät erfolgt. Erfindungsgemäß werden die Vergleichs- und Meßspannung über je einen sogenannten Steilheitsverstärker gerader oder ungerader Stufenzahl, durch welche die Flankensteilheit beider Spannungen in der Nähe des Nulldurchgangs durch Übersteuerung stark überhöht und die Ausgangsamplituden unabhängig von der Amplitude der Eingangsspannung auf einen konstanten Wert gebracht werden, dem Gitter und der Anode einer Anzeigeröhre, in deren Anodenkreis bzw. Anodenableitung das Anzeigeinstrument liegt, ohne Gleichspannungsanteil zugeführt wird, wobei in diesen Verstärkern Stabilisierungselemente vorgesehen sind, die die Phasenlage heider Verstärker zueinander während der Aleßpausen regulieren.
Es ist vorteilhaft, die beiden Verstärker gleichartig aufzubauen und darauf zu achten. daß in den Endstufen untl Anfangsstufen keine gekoppelten magnetischen Schleifen vorhanden sind. Zweckmäßigerweise erfolgt die Vorspannungserzeugung für die Verstärkerstufe eines jeden Verstärkerzweiges, bei der erstmalig eine Übersteuerung im Gitterstromgebiet auftritt, im wesentlichen durch den Gitterstrom. Es ist ferner günstig, in einem Verstärkerzweig eine einstellbare phasenverschiebende Anordnung und eine Umschaltvorrichtung der Eingänge auf die gleiche Spannung vorzusehen, durch welche die resultierende Phasenverschiebung beider Verstärker gleichgemacht oder auf einen definierten Wert gebracht und der Instrumentausschlag auf Null gebacht werden kann.
Im nachfolgenden wird die Erfindung an hand der usführungsberispiele darstellenden Figuren loeschrieben. Es zeigt Fig. t ein Prinzil)schaltl)ild, Fig. 2. 3 und 4 Schaubilder zur Erläuterung der Wirkungsweise. bei der Schaltung nach Fig. I wird über zwei Steilheisverstärker A und B, die eingangs definiert worden sind, mit ungleicher Stufenzahl die Vergleichsspannung ltv der Anode und die Äleßspannung um dem Gitter einer Verstärkerröhre R, in deren \iiudenalileitung das Instrument I liegt, zugeführt.
Sind die Spannungen um und uv phasengleich, so sind ua und ub um 180° phasenverschoben, und die Röhre bleibt gesperrt, Sind jedoch um und uv um die Zeit t phasenverschoben, so wird während dieser Zeit durch die Röhre R und den Kondensator C1 Strom fleßen, dessen Mittelwert in der darauffolgenden Zeit über R1 und das Instrument I alitließt und von diesem angezeigt wird. Die Zeitkonstante C1 # R1 ist zweckmäßig klein gegenüber der Periodendauer zu wählen. damit eine Restladung auf C1 nicht den Impulsstrom durch die Röhre vermindert; R1 muß jedoch so groß gewählt werden, daß nicht die Impulsspannung der Röhre kurzgeschlossen wird. Um die mekanordnung unabhängig von im Gerät z. B. durch Warmeentwicklung sich ändernden Größen und von dadurch bedingten Phasenverschiebungen zu machen wird die am Ableitungswiderstand R1 erzeugte Gleichspannung dazu benutzt, über die Verzögerungseinrichtung R3 C3 einen der beiden Verstärker so zu regeln, am vorteilhaftesten am Gitter der Röhre, die erstmalig ins positive Gitterspannungsgebiet gesteuert wird, daß sich die Phasendifferenz zwischen beiden Verstärkern und damit der 1 nstrumentstrom wieder auf den Nullwert regelt. l)ie Zeitkonstante C3 - R3 ist groß gegeiiülier der Meßdauer zu wählen, so daß währnd der Meßblauer keine Anzeigeänderung auftritt. Noch zwecknäßiger ist es, die Regel leitung während der Meßdauer von der Regelspannung abzuschalten und an eine konstante Spannung zu legen, die der Spannung am Ableitwiderstand l)Ci der Phasendifferenz o entspricht.
Eine ZU große Regelspannung. es geliügt bereits eine Regelspannung von 0.25 Volt. ist zu vermeiden, da diese wie eine konstante Gitterspannung in der Regelstufe wirkt. Eine große konstante Gitterspannung in dieser Verstärkerstufe ist deshalb schädlich, weil dadurch eine amplitudenabhängige Phasenverschiebung auftritt, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.
Die Kurven a und b seien die Abschnitte zweier Sinuskurven verschiedener Amplitude in der Nähe des Nulldurchgangs. Die zweite Stufe enthält in der Gitterleitung einen hochohmigen Widerstand, damit eine Übersteuerung der Röhre in positive Gebiete unterdrückt wird und die Röhre durch einen Kurventeil größter Steilheit in Nähe des Nulldurchgangs ausgesteuert wird. Infolge des Gitterstroms über den Hochohmwiderstand wird sich dennoch eine Gittervorspannung Uv einstellen, die proportional der Amplitude der einfallenden Spannung ist: VUv@ für die Kurve a und U"» für die Kurve b. Die Schnittpunkte t und 2 dieser Spannungen mit der Steuerspannung a und b liegen senkrecht übereinander. Die Phasenverschiebung q gegenüber o bleibt konstant.
ATird dagegen der Verstärkerstufe eine konstante Gitterspannung erteilt, z. B. vom Betrag Uva derart, daß die Kurve a bereits in o abgeschnitten würde, so würde die Kurve b in 3 abgeschnitten, und es würde beim Übergang von Kurve a auf Kurve b mit anderer amplitude eine Phasenverschiebung # # in Erscheinung treten und als Fehlmessung angezeigt werden.
Zur Eichung des Gerätes ist eine Umschaltvorrichtung U1 vorgesehen, durch welche die beide Verstärkereingänge auf die gleiche Spannung, z. B. die Vergleichsspannung L'v, umgeschaltet werden können. Das Instrument muß dann die Phasenverschiebung o anzeigen. Irgendwelche noch vorhandenen Phasenunterscdhiede der Verstärker Können durch eine einstellbare Phasenverschiebeeinrichtung in einem der heiden Steilheitsverstärker ausgeglichen werden. Eine weitere durch I T, einschaltbare Phasenverschiebeeinrichtung, z. 13. eine aus dem Widerstand R2 und dem Kondensator C2 bestehende RC-Kombination, erzeugt eine definierte Phasenverschieliung, die am Instrument einen durch Äfarkierung definierten Ausschlag erzeugen muß. Nötigenfalls wird durch eine hierfür vorgesehene Einstellvorrichtung V des Meßrohres dessen Verstärkungsgrad entsprechend nachgeregelt.
Um das Instrument vor Überlastung zu schützen, ist es zweckmäßig, die koppelzeitkonstante C, R, klein gegenüber der Periodendauer der periodischen Spannung zu wählen Außerdem tritt dadurch die doppelte Spannung als Anodenspannung der A1eßröhre auf, wie dies in Fig. 3 ersichtlich ist. Kurve n stellt die Auodenspannung in Abhängigkeit von t hei großer Zeitkonstante und die Kurve b die Anodenspannung bei kleiner Zeitkonstante dar.
Geht die Stufenzahl der Steilheitsverstärker über zwei Stufen hinaus, so ist darauf zu achten, daß die Eingangs- und Ausgangsstufen keine Schleifen bilden, die magnetisch miteinander gekoppelt sind, da sonst Selbsterregung der Steilheitsverstärker eintritt.
Um auch negative Phasenverschiebungen messen zu können, kann durch entsprechende Dimensionierung der Schaltelemente eines Verstärkers eine zusätzliche Phasenverschiebung erzeugt werden, von der aus in positiver oder negativer Richtung gemessen werden kann. Dies geht aus Fig. 4 hervor, in der ug eine konstante zusätzliche, nacheilende Phasen= verschiebung # t gegenüber ua erhält. IN dieser Zeit fließt also ein Instrumentstrom, der konstant ist, solange die Phasen der beiden zu vergleichenden Spannungen gleich sind. Es können aber in diesem Fall sowohl positive als auch bis zum Betrag d t negative Phasenverschiel>ungen der Spannungen gemessen werden. Wird der durch lt hervorgerufene Stromwert durch einen Gleichstrom kompensiert, so erhät man bei negativer Phasenverschiebung der Spannung ug einen negativen Ausschlag des Stromanzeigeinstruments. der durch Umpolen der Eingangsspannung seiiiem Betrag nach gemessen werden kann.
Anstatt die Vergleichsspannung über einen fl-stufugen Steilheitsverstärker dem Steuergitter und die Meßspannung über einen (n + 1)-oder (n - 1)-stufigen Steilbeitsverstärker der Anode einer Meßröhre zuzuführen, kann auch umgekehrt die Meßspannung dem Steuergitter und die Vergleichsspannung der Anode zugeführt werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur messung von insbesondere shr kleinen Phasenunterschieden zwischen zwei elektrischen Spannungen mit periodischem Charakter, bei dem die phasenverschobenen Spannungen der Gitter- und Anodenstrecke einer Elektronenröhre zugeführt werden und die nnzeige der Phasenverschiebung durch ein Stromanzeigegerät erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichs- und Meßspannung über je einen \~erstärker gerader und ungerader Stufenzahl. lurch welche die Flankensteilheit beider Spannungen durch Übersteunerung stark überhöht und die Ausgangsamplitude unabhängig von der Amplitude der Eingangsspannung auf einen konstanteii Wert gebracht werden, dem Gitter un<1 der \node der Anzeigeröhre, in deren Anodenkreis bzw. Anodenableitung das Anzeigeinstrument liegt, ohne Gleichspannungsanteil zugeführt werden und daß in diesen Verstärkern Stabilisierungselemente voregesehen sind, die die Phasenlage beider Verstärker zueinander während der Meßpausen regulieren.
2. Anrodnung zur l)urchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der am Ableitwiderstand der Anode der Meßröhre auftretende Spannungsbfall dazu benutzt wi wird, die N'orspannung einer Anfangsverstärkerstufe. insbesondere die Vorspannung der zeiten Stufe eines Verstärkers, so zu regeln, daß liei irgendeiner langsamen Änderung der Phasenlage eines Verstärkers der Instrumentstrom wieder auf seinen Nullagenwert hin geregelt wird.
3. Anordnung nach Anspruch I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelkonstante groR gegenüber der Meßdauer ist.
4. Anordnung nach Anspruch I bis 3, gekennzeichnet durch ein Steuerorgan, das die Regelspannung abschaltet und die Regelleitung auf eine der Regelspannung bei Instrumentnullausschlag entsprechende konstante Spannung umschaltet.
5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungszuführung der Anodenimpulsspannung für die Mdßröhre über ein CR-Glied erfolgt, dessen Zeitkonstante klein ist gegenüber der Periodendauer des zu messenden periodischen Vorganges.
6. Anordnung nach Anspruch I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verstärkerstufe eines jeden Verstärkerzweiges, bei der erstmalig eine Übersteuerung im Gitterstromgebiet auftritt, die Vorspannungserzeugung im weselltlichen durch den Gitterstrom erfolgt.
7. Anordnung nach Anspruch I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Verstärkerzweig eine einstellbare phasenverschiebende Anordnung und eine Umschaltvorrichtung (U,) der Eingänge auf die gleiche Spannung vorgesehen ist, durch welche die resultierende Phasenverschiebung beider Verstärker gleichgemacht oder auf einen definierten Wert gebracht und der Instrumentausschlag auf Null gebracht werden kann.
8. Anordnung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem einen Verstärkerzweig durch eine Drucktaste (U2) eine phasenverschiebende Anordnung mit einer definierten Phasenverschiebung eingeschaltet und zwecks Eichung der Anordnung der Verstärkungsgrad der Meßröhre so nachgeregelt werden kann, daß der Zeiger auf eine Marke definierter Phasenverschiebung einspielt.
9. Anordnung nach Anspruch I bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen beiden Verstärkern eine zusätzliche Phasenverschiehung erzeugt wird, so daß von einer Marke an auch negative Phasenverschiebungen gemessen werden können.
10. Anordnung nach Anspruch I bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Phasenverschiebung durch eine Gleichstromkomponente des Instrumentstromes wieder zum Verschwinden gebracht wird, wodurch negative Phasenverschiebungen bei Vertauschen der Verstärkereingänge in positiver Anzeigerichtung gemessen werden können.