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Verfahren zur Phasenmessung von Spannungen sehr hoher Frequenz
Zur
Messung der Phasenvenschiebung zweier Wechselspannungen ist ein Verfahren bekanntgeworden,
bei welchen die Ohasenverschiebung dadurch bestimmt wird, daß aus den Meßwechselspannungen
die vektorielle Summen und Differenzspannung wird. Falls die beiden Meßwechselspannungen
gleich groß sind, ist das Amplitudenverhältnis von Summensopannung zu Differenzspannung
ein Maß für die Phasenverschiebung.
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Fig. 1 dient zur Erklärung dieses Meßverfahrens.
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Die beiden Meßwechselspannungen werden an die Klemmen 1, 2 und 3,
4 angelegt und den beiden benachbarten Seiten einer Brückenschaltung, die aus vier
gleichen Scheinwiderständen 5, 6, 7 und 8 besteht, zugeführt. Wie gezeigt werden
kann, entsteht dann an den Klemmen 9, 10 und 11, 12, die jeweils mit gegenüberliegenden
Punkten der Brücke verbunden sind, die vektorielle Summe (z. B. bei 9, 10) und die
vektorielle Differenz (z. B. bei 11, 12) der Meßwechselspannungen. Ihr Amplitudenverhältnis
ist ein Maß für die Phasenverschiebung der Meßwechselspannungen.
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Fig. 2 zeigt eine andere bekannte Schaltung mit welcher das Verfahren
verwirklicht werden kann.
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Die Meßwechselspannungen werden an die Klemmen 13, 14 und 15, 16 angelegt
und den Übertragern 17, 18, 19 und 20 zugeführt. Dabei sind die Übertrager 17 und
19 auf der linken Seite parallel geschaltet und mit den Klemmen 13, 14 verbunden;
die Übertrager 18 und 20 sind ebenfalls auf der linken Seite parallel geschaltet
und
mit den Klemmen I5, 16 verbunden. Auf der reahten Seite der
Übertrager entsteht dann, wie leicht gezeigt werden kann, an den Klemmen 21, 22
und 23, 24 wiederum vektorielle Summe und Differenz der Meßwechselspannungen, wobei
die Übertrager 17 und 18 und die Übertrager 19 und 20 rechtsseitig mit richtiger
Polung hintereinandergeschaltet sein müssen.
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Wenn die Schaltungen Fig. 1 und Fig. 2 zur Phasenmessung von Spannungen
sehr hoher Frequenz verwendet werden, sind sie nicht brauchbar.
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Wie die Erfahrung nämlich zeigt, gelingt es nicht mehr, störende Kapazitäten
der Zuleitungen zu der Brücke (Fig. 1) zu vermeiden, auch wird ein genügend kapazitäts-symmetrischer
Aufbau der Brücke (Fig. 1) unmöglich, oder die Meßwechselspannungen beeinflussen
sich gegenseitig über störende Kapazitäten der Brücke (Fig. 1) und der Übertrager
(Fig. 2). Die Störkapazitäten verursachen in jedem Fall eine nicht mehr phasenrichtige
Addition und Subtraktion der Meßwechselspannungen, so daß die aus dem Amplitudenverhältnis
ermittelte Phasenverschiebung nicht mit der wahren Phasenverschiebung übereinstimmt.
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Die vorliegende Erfindung beseitigt diese Fehler.
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Erfindungsgemäß werden die Meßwechselspannungen den Gittern von vier
Röhren zugeführt, wobei jeweils zwei der Röhren zusammengehören und so gepolte Meßwechselspannungen
an ihre Gitter erhalten, daß mittels des einen Röhrenpaares an den zusammengeschalteten.
Anoden die vektorielle Summe der Meßwechselspannungen und an den Anoden des anderen
Röhrenpaares die vektorielle Differenz entsteht. Um zu einfacherten Anordnungen
zu gelangen und um störende Ungleichheiten der Röhren innerhalb eines Röhrenpaares
zu vermeiden, kann die Summen- und Differenzbildung erfindungsgemäß auch mit sogenannten
Doppelröhren, das sind Röhren mit einer gemeinschaftlichen Kathode, an welche zwei
getrennte normale Röhrensysteme mit Gittern, Anoden usw. angeschlossen sind, verwirklicht
werden Dabei werden den Gittern der Doppelröhren die Meßwechselspannungen derart
zugeführt, daßm an den zusammengeschalteten Anoden der einen Doppelröhre wieder
die vektorielle Summe und an den Anoden der anderen Doppelröhre die vektorielle
Differenz der Meßwechselspannungen entsteht. Da die Gitter der Röhrenspaare bzw.
der Doppelröhren gegeneinander eine sehr kleine Kapazität haben, wird hierdurch
vermieden, daß eine Meßwechselspannung die andere beeinflußt.
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Um auch zu vermeiden, daß die Kapazitäten der Leitungen zu den Gittern
einen Meßfehler verursachen, werden in Durchführung des Erfindungsgedankens die
Gittern zugeführten Meßwechselspannungen von zwei Schwingkreisen abgegriffen, wobei
wenigstens einer der Schwingkreise zwecks Erzeugung von genau um 180° verschobenen
Wechselspannungen einen Mittelabgriff besitzen kann. Die störenden Kapazitäten der
Zuleitungen addieren sich dann zu den Abstimmkapazitäten der Schwingkreise und bleiben
ohne Einfluß auf die Messung. Um die Phasenmessung auch noch bei höchsten Frequenzen
(im Dezimeterwellengebiet) zu ermöglichen, sieht die Erfindung die Frequenztransponierung
der Meßwechselspannungen mittels des Überlagerungsprinzips vor. Den, beiden Meßwechselspannungen
wind dabei in nichtlinearen Schaltelementen eine gemeinschaftliche Hilfsschwingung
in bekannter Weise überlagert. Die bei dieser Mischung entstehenden Spannungen tieferer
Frequenz besitzen dann bekanntlich dieselbe Phasenverschiebung wie die Meßwechselspannungen
und werden zur Bildung von vektorieller Summe und Differenz benutzt.
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Fig. 3 zeigt als Ausführungsbeispiel zur Erfindung eine vereinfachte
Schaltung, an welcher auch erklärt wird, wie in bekannter Weise die Phasenmessung
bzw. die Messung des Amplitudenverhältnisses erfolgt. An die Klemmen 25 und 26 werden
die Spannungen sehr hoher Frequenz, deren Phasenverschiebung gemessen werden soll,
angelegt und den Steuergittern der Mischröhren 27 und 2,8 zugeführt. Mittels dies
Hilfssenders 29 wird eine in der Frequenz den Meßwechselspannunge benachbarte Spannung
erzeugt und dem Zerthackergittern der Mischröhren 27 und 28 zugeführt. Die hierbei
in den Mischröhren entstehenden Spannungen tieferer Frequenz (Zwischenfrequenz),
deren Phasenverschiebung der Phasenverschiebung der Meßwechselspannungen entspricht,
werden mit den Schwingkreisen 30 und 31 herausgesiebt und den Verstärkerröhren 32
und 33 zugeführt. Die am Schwingkreis 35 entstehende Zwischenfrequnezspannung wird
je einem Steuergitter der Doppelröhren 36 und 27 zugeführt. Der Schwingkreis 34
besitzt eine Mittelanzapfung, so daß an den Enden der Schwingkreisspule genau um
1800 in! der Phase verschobene Spannungen vorhanden sind, von denen die eine dem
zweiten Steuergitter der Doppelröhre 36 und die andere dem der Doppelröhre 37 zugeführt
wird. In der Doppelröhre 36 addieren sich z. B. vektoriell die von den Röhren 32
und 33 herrührenden Zwischenfrequnzspannungen, während sie sich in der Doppelröhre
37 subtrahieren. Am Schwingkreis 38 entsteht also die verstärkte Summenspannung,
am Schwingkreis 39 die Differenzspannung. Wie nun aus dem Vektordiagramm hervorgeht,
besitzen bei vektorieller Addition und Subtraktion zweier gleich großer Spannungen
die Summen- und die Differenzspannung immer 90° Phasenverschiebung. Da später bei
der Anzeige des Amplitudenverhältnisses von Summen- und Differenzspannung gleichphasige
Spannungen gebraucht werden, sind die Schwingkreise 38 und 39 etwas verstimmt. Der
Schwingkreis 38 ist nicht genau in Resonanz mit der Zwischenfrequenz und wirkt deshalb
nicht als reeler Außenwiderstand der Röhre 36, sondern hat z. B. noch eine kapazitive
Scheinwiderstandskomponente, während der Schwingkreis 39 eine induktive Scheinwiderstandskomponente
beistzt.
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Summen- und Differenzspannung an den Schwingkreisen 38 und 39, die
eigentlich 90° Phasenverschiebung gegeneinander hätten, werden so gleich-
phasig
gemacht und den Verstärkerröhren 40 und 41 zugeführt. Sie werden verstärkt an den
Schwingkreisen 42 und 43 abgegriffen und den Plattenpaaren 44 und 45 eier Braunschen
Röhre 46 zugeführt. damit die gegenseitige Kapazität der nicht an Masse angelegten
Platten der Braunschen Röhre nicht stört, wird sie bei Anwendung höherer Zwischenfrequenzen
mittels der Kondensatoren 47 und 48 neutralisiert. Als Anzeige auf dem Schirm der
Braunschen Röhre erscheint dann ein Strich, da Summen- und Differenszpannung gleichphasig
gemacht worden sind. Entsprechend dem Amplitundenverhältnis von Summen- zu Differenzspannung,
d. h. also entsprechend der Phasenverschiebung der Meßwechselspannungen, ändert
sich der Winkel des Strichs gegenüber dem gestrichelt gezeichneten Koordinatensystem.
Es läßt sich zeigen, daß der Winkel proportional dem zu messenden Phasenverschiebungswinkel
ist.
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Wenn die Phasenverschiebung von sehr kurzzeitig vorhandenen impulsähnlichen
Spannungen hohler Frequenz gemessen werden soll, ist es, um eine einwandfreie Strichanzeige
zu erhalten, erforderlich, die Einschwig- bzw. Ausschiwingzeiten beider aus den
Röhren 27, 32, 36, 40 und 28, 33, 37, 41 gebildeten Kanäle genau untereinander gleichzumachen.
Die Erfindung sieht deshalb die Anwendung von die Dämpfung der Kanäle regelnden
veränderlichen schaltelementen, wie sie z. B. durch die veränderlichen Widerstände
49 und 50 verwirklicht werden können vor.