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Vorrichtung zur Messung von Phasenwinkeln, beispielsweise für die
Bestimmung einer Funkpeilrichtung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung
von Phasenwinkeln, beispielsweise für die Bestimmung einer Funkpeilrichtung unter
Benutzung einer Kathodenstrahlröhre oder eines ähnlichen Schwingungsindikators,
bei dem die eine der Schwingungen, deren gegenseitige Phasenlage gemessen werden
soll, den Ablenkelektroden der Kathodenstrahlröhre in Form von zwei unter sich phasenverschobenen
Schwingungen zugeführt wird, welche in der Röhre ein Drehfeld erzeugen und die andere
Schwingung der Steuerelektrode der Kathodenstrahlröhre in einer ein scharfes Spannungsmaximum
aufweisenden Kurvenform zugeführt wird, und die Elektrodenspannungen der Kathodenstrahlröhre
so eingestellt sind, daß das Drehfeld nur während eines kurzen Zeitabschnittes beim
Spannungsmaximum der letzterwähnten Spannung erzeugt wird.
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Der Höchstwert der Schwingung ist nun bei den bekannten Vorrichtungen
dieser Art verhältnismäßig flach. Die Folge hiervon ist, daß praktisch kein Punkt,
sondern vielmehr ein ziemlich langes Kreisbogenstüclr durch die Kathodenstrahlröhre
angezeigt wird. Hierdurch verliert die Vorrichtung an Genauigkeit. Um die Genauigkeit
zu erhöhen, ist es deshalb erforderlich, die betreffende Spannung derart zu deformieren,
daß ein stark ausgeprägter Höchstwert kurzzeitig erhalten wird.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Vorrichtung zur
Deformierung der Kurvenform der der Steuerelektrode zugeführten zweiten Schwingung
aus einem Doppelgleichrichter für die
Erzeugung -einer ersten Spannung
in Verbindung mit einer Anordnung zur Erzeugung einer hauptsächlich 900 ig phasenverschobenen
zweiten Spannung besteht und daß diese Spannungen zwecks Bildung der zweiten Schwingung
miteinander zusammengesetzt werden.
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Weitere Einzelheiten über die praktische Durchführung des Erfindungsgedankens
sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen in Zusammenhang mit den Zeichnungen,
in welchen Fig. 1 eine Prinzipskizze für ein Gerät zur Phasenwinkelmessung nach
der Erfindung, Fig. 2 eine Anzahl von Kurven zur Erklärung der Wirkungsweise der
Vorrichtung und Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung bei Verwendung in einer
Funkpeilanlage zeigt.
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In Fig. I bezeichnet 10 ein Leitungsnetz, daß die eine der Schwingungen,
deren Phasenwinkel gemessen werden soll, überträgt. Die andere Schwingung wird von
der Ausgangsspannung eines Gerätes II erhalten, welches phasendrehende Eigenschaften
haben soll.
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An das Leitungsnetz 10 ist ein-Transformator 12 angeschlossen, dessen
Sekundärwicklung an einem zweiten Leitungsnetz I3 liegt. Dieses Netz I3 ist teils
mit dem einen Plattenpaar 14 der Kathodenstrahlröhre 15 verbunden, teils auch mit
dem anderen Plattenpaar I6 derselben Röhre, wobei die letztgenannte Verbindung außerdem
über ein Netzwerk 17 geht, welches go0 Phasenverschiebung bewirkt.
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Infolge dieser Verbindung kommt ein elektrostatisches Drehsteuerfeld
zwischen den vier Platten der Röhre 15 zustande. Die eine Platte des Plattenpaares
I4, beispielsweise die Platte I4R, sowie die eine Platte Ides Piaftenpaares I6,
beispielsweise die Platte I6', ist ferner an die positive Klemme einer Spannungsquelle
gelegt. Die Spannungsquelle ist außerdem mit einem Spannungsteiler I8 vereinigt,
welcher die übrigen Elektroden der Röhre mit Ausnahme des Steuergitters mit geeigneten
Spannungen versieht.
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Die Ausgangsspannung der Vorrichtung 11 wird einem Transformator
19 zugeführt, dessen Sekundärkreis mit den Steuergittern in zwei-Elektronenröhren
20 und 2I verbunden ist. Diese sind mit einer solchen negativen Vorspannung aus
einer Spannungsquelle 22 versehen, daß sie als Gleichrichter arbeiten.
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Infolge der Schaltung der Röhren zum - Sekundärkreis des Transformators
19 richten sie je eine der beiden Halbperioden der durch den Transformator übertragenen
Schwingung gleich. An eine Seite des Transformators, beispielsweisean die Primärseite,
ist indessen auch ein Filter für hauptsächlich go0 Phasenverschiebung an geschlossen,
welches in Fig. I mit 23 bezeichnet ist. Die Ausgangsspannung dieses Filters liegt
am Steuergitter einer weiteren Elektronenröhre 24, deren Gittervorspannung mittels
des Kathodenwiderstandes 25 derart geregelt wird, daß sie als reine Verstärkerröhre
dient. Der Widerstand 25 ist für Wechselstrom durch einen Kondensator 26 überbrückt.
DieAnoden der drei Elektronenröhren 20, 21 und 24 sind mit einem gemeinsamen Anodenwiderstand
27 verbunden, dessen andere Klemme an - der - positiven Klemme der Anodenspannungsquelle
28 liegt. Die Anoden sind mit dem Steuergitter der Kathodenstrahlröhre 15 vereinigt.
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Zur Erklärung der Wirkungsweise der Vorrichtung wird auf Fig. 2 hingewiesen.
In dieser Figur bedeutet die Kurve 29 die Ausgangsspannung der Vorrichtung II. Nach
Gleichrichtung in den beiden Elektronenröhren 20 und 21 erzeugt diese Spannung einen
Strom, welcher der Kurve 30 folgt, vorausgesetzt, daß die Gittervorspannung der
Steuergitter der beiden Elektronenröhren ideale Werte hat und daß diese Elektronenröhren
vollkommen auf einem geraden Teil der Charakteristik arbeiten, d.h. daß der untere
gebogene Teil der Charakteristik unberücksichtigt bleiben kann. Es sei erwähnt,
daß diese Bedingungen normalerweise nicht erfüllt sind, weshalb die in Fig. 2 gezeigten
Kurven teilweise als theoretisch, also als nicht genau mit den wirklichen Verhältnissen
übereinstimmend, angesehen werden müssen.
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Die Kurve 3I zeigt den Anodenstrom, der von der Röhre 24 erhalten
wird. Dieser ist, wie ersichtlich, im ATerhältnis zur Eingangsspannung des Filters
23 um go0 phasenverschoben, was damit zusammenhängt, daß dieses Filter, wie angenommen,
eine Phasenverschiebung von go0 bewirkt.
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Dem Schaltbild in Fig. I ist ohne weiteres zu entnehmen, daß die
Anodenströme der Röhren 20, 21 und 24 im Anodenwiderstand 27 zusammengeführt werden,
weshalb die Anodenspannung, die an dem Steuergitter der Kathodenstrahlröhre 15 liegt,
proportional dem Gesamtstrom ist, den das Diagramm der Fig. 2 als Kurve 32 zeigt.
Aus diesem Diagramm ersieht man, daß die Spannung des Steuergitters der Kathodenstrahlröhre
ein ausgeprägtes, aber sehr kurzdauerndes Maximum einmal während jeder Periode erhält,
und zwar bei dem Punkt 33. Die Elektrodenspannungen der Kathodenstrahlröhre 15 sind
so gewählt, daß ein Lichtpunkt auf dem Schirm nur bei einer positiven Steuergitterspannung
erhalten wird, die sehr wenig den Höchstwert 33 unterschreitet. Die Folge hiervon
ist, daß das kreisförmige Bild, das infolge des Drehfeldes von den Elektroden 14
und I6 erhalten wird, nur in dem Augenblick erscheint, wenn die Steuergitterspannung
ihren Höchstwert hat, -wobei alsdann ein Punkt auf. dem Schirm der Kathodenstrahlröhre
abgebildet wird. Die Lage dieses Punktes ist somit durch den Phasenwinkel zwischen
den Ausgangsspannungen der Transformatoren 12 und 19 bestimmt.
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Für die Ablesung des Phasenxvinkels ist es erforderlich, das Meßinstrument
zu eichen. Dies findet am einfachsten derart statt, daß man zuerst die Verbindung
zwischen dem Netz und dem Gerät II trennt, dessen Phasenwinkel gemessen werden soll.
Die Kathodenstrahlröhre arbeitet dann ohne veränderliche Steuergitterspannung, und
nach eventuell erforderlicher Einstellung der übrigen Elektrodenspannungen der Röhre
erhält man das kreisförmige Feldbild auf dem Schirm der Röhre. Dieses Bildwirdvorzugsweise
auf den Schirm in geeigneter Weise gezeichnet. Hiernach wird das Gerät 11
wieder
mit dem Netz verl)u-nden-,-es wird aber anfänglich überbrückt geschaltet. Die Folge
hiervon ist, daß nur ein Punkt auf dem kreisförmigen Feldbild angegeben wird; dieser
Punkt entspricht der Phasengleichheit, d. h. er bildet den Nullpunkt der Skala.
Auch dieser Punkt sollte auf dem Schirm vermerkt werden. Nachdem hierauf die Überbrückung
des Gerätes 1 1 aufgehoben worden ist, verschiebt sich der Punkt auf dem Schirm
in eine andere Lage. Die Winkelverschiebung zwischen dem Nullpunkt und der neuen
Lage des Punktes bildet dann ein Maß für die Phasenverschiebung, welches außerdem
genau gleich dem Phasenverschiebungswinkel wird, wenn man dafür Sorge trägt, daß
andere phasenverschiebende Elemente als die Elemente II, I7 und 23 nicht vorhanden
sind, daß die Elemente I7 und 23 genau go0 Phasenverschiebung erzeugen und daß schließlich
die Spannungen, die den Plattenpaaren 14 und I6 zugeführt werden, unter sich gleich
groß sind.
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In Fig. 3 ist ein praktisches Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt,
das hier zur Angabe eines Winliels bei Funkpeilung benutzt wird. Bei der Vorrichtung
der Fig. 3 ist ein Paar von Rahmenantennen oder anderen gerichteten Empfängeranteunen
34 und 35 in zueinander senkrechten Richtungen angeordnet worden. Ihre Schleifen
sind an ein Radiogoniometer 36 angeschlossen, das mit zwei festen Spulen 37 und
38 und einer drehbaren Spule 39 versehen ist, wobei die Spule 39 auf der Welle 40
angeordnet ist, die ununterbrochen von dem Motor 41 angetrieben wird.
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Die bewegliche Spule 39 des Goniometers ist mit der Wicklung 42 eines
Transformators 43 mit drei Wicklungen verbunden. Eine offene Antenne 44 ist an die
zweite Wicklung 45 und die dritte Wicklung 46 an einen Funkempfänger 47 geeigneter
Art angeschlossen. Die Einrichtung dieses Funkempfängers ist ohne Bedeutung für
die Erfindung. Er kann von beliebiger bekannter Art sein.
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Die Ausgangsklemmen des Funkempfängers 47 sind an eine Vorrichtung
der in Fig. I angegebenen Art angeschlossen. Da die Arbeitsweise und Beschaffenheit
dieser Vorrichtung schon im einzelnen beschrieben worden ist, dürfte eine wiederholte
Beschreibung nicht erforderlich sein. Teile, die einander entsprechen, sind in Fig.
I und Fig. 3 mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Vorrichtung nach Fig. 3 besitzt
ein Widerstandskondensatornetzwerk zur Erzeugung der 90°igen Phasenverschiebung
Somit besteht das Netzwerk 23 nach Fig. I bei der Vorrichtung nach Fig. 3 aus den
Widerständen ßS und 5I in Verbindung mit zwei Kondensatoren 49 und 50.
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Auf der Welle 40 ist ein Generator 54 angeordnet, dessen abgegebene
Spannung die eine der beiden Spannungen, deren Phasenwinkel gemessen werden soll,
bildet. Die 90°ige Phasenverschiebung der Ströme zu den Ablenkplatten der Kathodenstrahlröhre
kann vorzugsweise dadurch bewirkt werden. daß der Generator 54 mit zwei gegenseitig
verscliobenen Wicklungen versehen ist.
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Die Vorrichtung arbeitet in der folgenden Weise: Es wird vön der
bekannten Tatsache ausgegangeil, daß ein gerichfetes Drehfeld, das mit einem~ungerichteten
Feld zusammengesetzt wird; ein Feldbild gibt, das mehr oder weniger der bekannten
Form einer kardioidishen kurve nahekommt. Diese Zusammensetzung findet bei der Vorrichtung
nach Fig. 3 in dem Transformator 43 statt, dem teils die Spannung der ungerichteten
Antenne 44, teils auch die Spannung der beiden gerichteten Antennen 34 und 35 zugeführt
werden, welche letztere jedoch in dem Goniometer 36 transformiert worden ist. so
daß sie wirkt, als ob das mit den Rahmen antennen empfangene Feld ein Drehfeld wäre.
Die in der Wicklung 46 erzeugte Spannung hat deshalb einen sinusähnlichen Charakter,
welcher aus einer kardioidischen Kurve erhalten wird, wenn diese von polaren Koordinatensystem
in ein kartesisches Koordinatorensystem umgewandelt wird. Es ist nicht anzunehmen,
daß diese Kurve eine reine Sinuskurve wird, sie muß sich indessen ziemlich nahe
an eine solche anschließen.
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Die von der Widdung 46 aufgenommene Schwin gung wird jetzt in dem
Funkempfänger 47 verstärkt und einer Vorrichtung zugeführt, die in allenwesentlichen
Teilen in derselben Weise beschaffen ist, wie die schon in Zusammenhang mit Fig.
I beschriebene Vorrichtung. Die Spannung, die von dieser Vorrichtung dem Steuergitter
der Kathodenstrahlröhre I5 zugeführt wird, hat deshalb auch eine Charakteristik,
die der Kurve 32 der Fig. 2 nahekommt.
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Die Frequenz dieser Schwingung- ist naturgemäß abhängig von der Drehzahl
der Welle Ao. Auf dieser Welle ist der Generator 54 angeordnet, der deshalb auch
eine Frequenz hat, die von der Drehzahl der Welle abhängig ist. Durch eine geeignete
Anordntlllg des Generators kann man somit bewirken, daß die Frequenz der beiden
Schwingungen gleich ist. Die Schwingung vom Generator 54 wird bei der Vorrichtung
nach Fig. 3 zur Erzeugung des Drehfeleles in der Röhre.I5 benutzt. Diese Röhre gibt
deshalb in einer Weise, die schon im Zusammenhang mit Fig. I beschrieben wurde,
den Phasenwinkel zwischen den beiden Schwingungen an Es ist offenbar, daß die Phasenlage
der Schsrillgung des Generators 54 allein von der Lage der Welle 40 abhängig ist,
während dies für die andere Schwingung, deren Phasenlage auch von der Einfallsriditung
derjenigen Signalwellen abhängig ist, die mit dem Rahmenantennensystem 34, 35 eml)-fangen
werden, nicht der Fall ist. Der Phasenwinkel zwischen den beiden Schwingungen wird
mit anderen Worten gleich der Einfallsrichtung der Signale, welche gemessen werden
soll.
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Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die in Zusammenhang
mit den Zeichnungen heschriedienen .Nusführungsformen heschränkt.