DE904439C

DE904439C - Method for measuring the amplitude ratio of two alternating voltages of the same frequency

Info

Publication number: DE904439C
Application number: DEK6908D
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Dr-Ing Hermann Kimmel; Arthur Klemt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1942-05-16
Filing date: 1942-05-16
Publication date: 1954-02-18

Description

Verfahren zur Messung des Amplitudenverhältnisses zweier Wechselspannungen gleicher Frequenz Die genaue Messung des Amplitudenverhältnisses zweier Wechselspannungen bereitet Schwierigketten, wenn die Meßwechselspannungen sehr klein sind. Es ist nämlich in diesem Fall, um zu einer Anzeige zu gelangen, erforderlich, die Meßwechselspannungen mittels Röhrenverstärker zu verstärken.Method for measuring the amplitude ratio of two alternating voltages same frequency The exact measurement of the amplitude ratio of two alternating voltages creates difficult chains when the measurement AC voltages are very small. It is namely in this case, in order to arrive at a display, the measuring alternating voltages are required to be amplified by means of a tube amplifier.

Da alle Röhrenverstärker mehr oder weniger nichtlinear arbeiten, d. h. ihren Verstärkungsgrad abhängig von der Amplitude der an sie angelegten Meßwechselspannungen ändern, wird die Messung des Amplitudenverhältnisses der verstärkten Meßwechselspannungen entsprechend ungenau. Die vorliegende Erfindung beseitigt diesen Nachteil. Gleichzeitig gibt sie einen neuen Weg zur Messung des Ampiitudenverhältms ses zweier Wechiseispanntingen an, von dem auch in vielen anderen Fällen Gebrauch gemacht werden kann.Since all tube amplifiers work more or less non-linearly, i. H. their degree of gain depends on the amplitude of the measurement alternating voltages applied to them change, the measurement of the amplitude ratio of the amplified measurement AC voltages accordingly imprecise. The present invention overcomes this disadvantage. Simultaneously it gives a new way of measuring the amplitude ratio of two alternating clamps which can also be used in many other cases.

Gemäß der Erfindung werden mittels bekannter Schaltelemente die beiden MeßwechselspannSungen zunächst um 90° gegeneinander in der Phase verschoben. Sodann werden die Meßwechselspannungen mittels Brückenschaltungen, Transformatorenschaltungen und bei hohen Frequenzen insbesonders mittels Röhrenschaltungen vektoriell einmal addiert und einmal subtrahiert. Die beiden hierbei entstehenden resultierenden Wechselspannungen (die Summenspannung und die Differenzspannung) sind gleich groß, ihre Phasenverschiebung ist, wie noch gezeigt wird, ein Maß für das Amplitudenverhältnis der Meßwechselspannungen. According to the invention, the two are by means of known switching elements Measurement alternating voltages are initially shifted in phase by 90 ° against each other. Then the alternating voltages are measured by means of bridge circuits, transformer circuits and at high frequencies in particular by means of tube circuits once vectorially added and subtracted once. The two resulting alternating voltages that arise here (the sum voltage and the difference voltage) are equal, their phase shift is how still is shown, a measure of the amplitude ratio the measuring alternating voltages.

Fig. in zeigt zum besseren Verständnis ein Vektrodiagramm der Spannungen. UI und U2 sind die beiden Wechselspannungen, deren Amplitudenverhältnis gemessen werden soll. Mittels bekannter schaltmittel sind beide Spannungen gegeneinander um 90° in der Phase versetzt. S ist die Summen-und D die Differenzspannung, die sich bei vektorieller Addition bzw. Subtraktion der beiden Spannzungen UI und U2 ergibt. # ist der Phasenwinkel zwischen Summen- und Differenzspannung, wobei (p= 2 arctg U1/U2 ist und unmittelbar U2 ist und vom Amplitudenverhältnis der Meßwechselspannungen abhängt. Fig. In shows a vector diagram of the voltages for a better understanding. UI and U2 are the two AC voltages whose amplitude ratio is measured shall be. By means of known switching means, both voltages are against each other offset by 90 ° in phase. S is the sum and D the difference voltage, the with vectorial addition or subtraction of the two clamping tongues UI and U2 results. # is the phase angle between the sum and difference voltage, where (p = 2 arctg U1 / U2 and U2 is immediately and from the amplitude ratio of the measuring alternating voltages depends.

Durch die Erfindung wird also die Messung eines Amplitudenverhältnisses in eine Phasenmessung übergeführt. Die eingangs erwähnten Schwierigkeiten bei kleinen Meßwechselspannungen kommen somit in Fortfall, da die nichtlinearen Eigenschaften der Meßwechselspannungsverstärker bei einer Phasenmessung nicht stören. Darüber hinaus ergeben sich neue Möglichkeiten für die Messung eines Amplitudenverhältnisses, im allgemeinsten Fall für die Amplitudenmessung überhaupt, da es die Erfindung gestattet, alle zur Phasenmessung bekannten Verfahren zur Messung eines Amplitudenverhältnisses bzw. einer Amplitude heranzuziehen. The invention thus enables the measurement of an amplitude ratio converted into a phase measurement. The difficulties with small ones mentioned at the beginning Measurement alternating voltages are thus eliminated because the non-linear properties the measuring AC voltage amplifier do not interfere with a phase measurement. About that In addition, there are new possibilities for measuring an amplitude ratio, in the most general case for amplitude measurement at all, since the invention allows all known methods of phase measurement for measuring an amplitude ratio or an amplitude.

So sieht die Erfindung die Frequenzvervielfachung der bei der vektoriellen Addition und Subtraktion entstehenden resultierenden Wechselspannungen vor, wobei die durch das zu messende Amplitudenverhältnis erzeugte Phasenverschiebung der resultierenden Wechselspannungen ebenfalls vervielfacht und entsprechend genauer meßbar wird. Andere Möglichkeiten werden, da für den Erfindungsgedanken unwesentlich, nicht angeführt. Selbstverständlich können mit dem neuen Verfahren aus einem genau bekannten bzw. meßbaren Amplitudenverhältnis definierte Phasenverschiebungen hergestellt werden. This is how the invention sees the frequency multiplication in the case of the vectorial Addition and subtraction of the resulting alternating voltages, where the phase shift of the resulting one generated by the amplitude ratio to be measured Alternating voltages are also multiplied and can be measured more precisely. Other Possibilities are not listed, since they are not essential for the idea of the invention. It goes without saying that the new method can be used from a well-known or measurable amplitude ratio defined phase shifts can be produced.

Fig. Ib zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Erfindung. Die beiden Wechselspannungen, deren Amplitudenverhältnis gemessen werden soll, werden an die Klemmena, b und c, d angelegt. Mittels phasendrehender Schaltmittel 1 wird erreicht, daß beide Wechselspannungen mit 90° Phasenverschiebung an die benachbarten Brückenzweige 2 und 3 der aus den Scheinwiderständen 2, 3, 4 und 5 gebildeten Brückenschaltung gelangen. Silud die Scheinwiderstände 2 und 3 und die Scheinwiderstände 4 und 5 gleich groß, so kann z. B. mittels des Vektordiagramms ohne Schwierigkeiten gezeigt werden, daß an den gegenüberliegenden Punkten e, f und g, Ii der Brückenschaltung die vektorielle Summe (z. B. an e, f) und die vektorielle Differenz (z. B. an g, h) der an die Scheinwiderstände 2 und 3 angelegten Wechselspannungen entsteht. Dla die an 2 und 3 angelegten Wechselspannungen 90° Phasenverschiebung besitzen, sind Summen- und Differenzspannung in den Punkten e, f und g, k immer gleich groß. Ihre gegenseitige Phasenverschiebung ist ein Maß für das Amplitudenverhältnis der in a, b und c, d angelegten Wechselspannungen. Um diese Phasenverschiebung und damit das Amplitudenverhältnis sehr genau zu messen und zur Anzeige bringen zu können, werden Summen- und Differenzspannung zunächst gleichen Verstärkern 6 und 7 zugeführt. Die Nichtlinearität dieser Verstärker stört dabei die Messung nicht, da beide Verstärker immer mit gleich großen Amplituden ausgesteuert werden. Die verstärkten Wechselspannungen wer den nichtlinearen Schaltelementen 8 und 9 zugefüht, und eine der dabei entstehenden höheren IIarmomischen der Grundfrequenz der Meßwechselspannungen wird mit den Schwingungskreisen 10 und II herausgesiebt. An den Klemmen i, k und l, m sind dann zwei Wechselspannungen vorhanden, deren gegenseitige Phasenverschiebung infolge der Vervielfachung der Frequenz bzw. der Phasenverschiebung zwischen Summen- und Differenzspannung ein sehr genaues Maß für das Amplitudenverhältnis der in a, b und c, d angelegten Meßwechselspannungen ist. Fig. Ib shows an embodiment of the invention. The two alternating voltages whose amplitude ratio is to be measured, are connected to terminals a, b and c, d created. By means of phase-rotating switching means 1 it is achieved that both AC voltages with 90 ° phase shift to the adjacent bridge branches 2 and 3 of the Apparent resistors 2, 3, 4 and 5 formed bridge circuit arrive. Silud the Apparent resistances 2 and 3 and the apparent resistances 4 and 5 are the same size, so can z. B. by means of the vector diagram can be shown without difficulty that at the opposite points e, f and g, Ii of the bridge circuit the vector sum (e.g. at e, f) and the vectorial difference (e.g. at g, h) of the apparent resistances 2 and 3 applied alternating voltages arise. Dla the alternating voltages applied to 2 and 3 Have a phase shift of 90 °, the total and differential voltages are in the points e, f and g, k always have the same size. Their mutual phase shift is a measure for the amplitude ratio of the alternating voltages applied in a, b and c, d. In order to measure this phase shift and thus the amplitude ratio very precisely and to be able to display it, the sum and difference voltage are initially the same amplifiers 6 and 7 are supplied. The non-linearity of these amplifiers is annoying The measurement is not done because both amplifiers always have the same amplitudes be controlled. The amplified alternating voltages are the non-linear switching elements 8 and 9 fed, and one of the resulting higher IIarmomischen of the basic frequency the alternating measurement voltages are filtered out with the oscillation circuits 10 and II. Two alternating voltages are then present at terminals i, k and l, m, their mutual Phase shift as a result of the multiplication of the frequency or the phase shift between the sum and difference voltage is a very precise measure of the amplitude ratio is the measuring alternating voltages applied in a, b and c, d.

Fig. 2 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel die Anwendung des Erfindungsgedankens bei der Herstellung definierter Phasenverschiebungen. Die vektorielle Summen-und Differenzbildung wird dabei mittels Transformators chaltung vorgenommen. As a further exemplary embodiment, FIG. 2 shows the application of the concept of the invention in the production of defined phase shifts. The vectorial sum and The difference is calculated using a transformer circuit.

An die Klemmen n, o wird ein Wechselstromgenerator angelegt. Der Schleifer des Potentiometer 12 und das eine Ende des Potentiometers werden über die phasendrehenden Schaltmittel 13 den linken Wicklungen der Übertrager 16 und I8 zugeführt. Das andere Ende des Potentiometers 12 und der Schleifer des Potentiometers sind über die phasendrehenden Schaltmittel 14 mit den linken Wicklungen der Übertrager 15 und I7 verbunden.An alternator is applied to terminals n, o. The grinder of the potentiometer 12 and one end of the potentiometer are over the phase rotating Switching means 13 are supplied to the left windings of the transformers 16 and I8. The other The end of the potentiometer 12 and the wiper of the potentiometer are about the phase rotating Switching means 14 connected to the left windings of the transformers 15 and I7.

Die phasendrehenden Schaltmittel 13 und 14 bewirken, daß an den Übertragern I6, I8 und I5, I7 um 90° in der Phase verschobene Wechselspannungen vorhanden sind. Durch geeignete Polung der rechten Übertragerwicklungen wird dafür gesorgt, daß z. B. an den Klemmen p, q die vektorielle Summe der von I3 und 14 herrührenden Wechsel spannungen ist, während an den Klemmen r, s die vektorielle Differenz vorhanden ist. Wie schon beschieben, entstehen dabei an den Klemmen p, q und r, s gleich große Wechselspannungen, deren Phasen, verschiebung ein Maß für das Amplitudenverhältnis der an I3, 14 angelegten Wechselspannungen bzw. ein Maß für die Stellung des Schleifer des Potentiometers I2 ist. Auf diese und ähnliche Art können also sehr einfache und genaue Phasenschieber gebaut werden.The phase-rotating switching means 13 and 14 cause that on the transformers I6, I8 and I5, I7 are present with alternating voltages shifted in phase by 90 °. Appropriate polarity of the right transformer windings ensures that z. B. at the terminals p, q the vectorial sum of the changes originating from I3 and 14 voltages, while the vectorial difference is present at terminals r, s is. As already described, the p, q and r, s terminals are of the same size AC voltages, their phases, shift a measure of the amplitude ratio the alternating voltages applied to I3, 14 or a measure for the position of the grinder of potentiometer I2. In this and similar ways, very simple and accurate phase shifters can be built.

Fig. 3 zeigt die Umwandlung der Amplitudenverhältnismessung in eine Phasenmessung für hohe und höchste Frequenzen. Die beiden Hochfrequenzmeßwechselspannungen werden an die Klemmen t, u und u, w bzw. an die Gitter der Verstärkerröhren (Pentoden) 19 und 20 angelegt. Die im Anodenstromkreis dieser Röhren angeordneten Schwingungskreise 21 und 22 werden so abgestimmt bzw. gegenläufig verstimmt, daß die Wechselspannungen an beiden Schwingungskreisen um 900 gegenein- ander in der Phase verschoben sind. Der Schwingungskreis 22 ist in der Mitte angezapft und liefert gegenphasige Spannungen an die Gitter der Verstärkerröhren (Pentoden) 24 und 26, während die Wechselspannung des Schwingungskreises 21 den Gittern der Röhren 23 und 25 zugeführt wird. Da die Anoden der Röhren 23 und 24 und die Anoden der Röhren 25 und 26 miteinander verbunden sind, entsteht an den Anoden 23, 24 z. B. die vektorielle Summe der an den Schwingungskreisen 21 und 22 vorhandenen Wechselspannungen, während an den Anoden von 25, 26 die vektorielleDifferenz entsteht. Fig. 3 shows the conversion of the amplitude ratio measurement into a Phase measurement for high and highest frequencies. The two high frequency measuring alternating voltages are connected to the terminals t, u and u, w or to the grids of the amplifier tubes (pentodes) 19 and 20 created. The oscillating circuits arranged in the anode circuit of these tubes 21 and 22 are matched or detuned in opposite directions that the alternating voltages at both oscillation circles by 900 against each other different in phase are shifted. The oscillating circuit 22 is tapped in the middle and delivers antiphase voltages to the grids of the amplifier tubes (pentodes) 24 and 26, while the alternating voltage of the oscillating circuit 21 is applied to the grids of the tubes 23 and 25 is fed. As the anodes of the tubes 23 and 24 and the anodes of the tubes 25 and 26 are connected to one another, arises at the anodes 23, 24 z. B. the vectorial Sum of the alternating voltages present at the oscillating circuits 21 and 22 while the vectorial difference arises at the anodes of 25, 26.

An den Schwingungskreisenn 27 und 28 bzw. an den Klemmen x, y und z, a! können deshalb gleich große Wechselspannungen abgenommen werden, deren Phasenverschiebung wieder ein Maß für das Amplitudenverhältnis der Meßwechselspannungen ist.At the oscillation circuits 27 and 28 or at the terminals x, y and z, a! therefore equally large alternating voltages can be drawn, their phase shift is again a measure of the amplitude ratio of the measuring alternating voltages.

Schaltung Fig. 3 ist für hohe Frequenzen besonders geeignet, weil, wie gezeigt werden kann, gewisse bei hohen Frequenzen die Summendifferenzbildung störende Kapazitäten von Brückenschaltungen (Fig. 1) und Transformatorschaltungen (Fig. 2) in Wegfall kommen.Circuit Fig. 3 is particularly suitable for high frequencies because, As can be shown, at high frequencies some of the sum difference formation disturbing capacitances of bridge circuits (Fig. 1) and transformer circuits (Fig. 2) come in omission.

Claims

PATENT CLAIMS: I. Method for measuring the amplitude ratio two alternating voltages of the same frequency, characterized in that one of the two measuring alternating voltages shifted in phase by go ° l with respect to the other and then the two measuring alternating voltages by means of bridge circuits, transformer circuits or tube circuits are vectorially added once and subtracted once, where the phase shift between the two resulting here is equal resulting alternating voltages a measure of the amplitude ratio of the measuring alternating voltages is.

21. The method according to claim I, characterized in that the two with vectorial addition and subtraction resulting alternating voltages (by means of non-linear switching elements and in connection with selective switching) are multiplied in frequency, with that generated by the amplitude ratio Phase shift of the resulting AC voltages is also multiplied and is correspondingly more precisely measurable.

3. Application of the circuits according to claim I or 2 for the generation defined phase shifts, where the magnitude of the phase shift is determined by the Amplitude ratio of the two phase-rotating members (13 and I4) supplied voltages is conditional.