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Verfahren zur Messung des Phasenunterschieds zweier Wechselspannungen
Zur
Messung des Phasenunterschieds zweier Wechselspannungen gleicher Frequenz sind verschiedene
Meßverfahren bekanntgeworden, die ihrer nicht selbsttätigen oder mehrdeutigen Anzeige
oder anderer Nachteile wegen für viele Anwendungszwecke ungeeignet sind. Im folgenden
wird ein neuartiges Phasenmeßverfahren be schrieben, daß die Nachteile der bisher
bekanntgewordenen Verfahren nicht besitzt und bei einfachem Aufbau und einfacher
Wirkungsweise eine selbsttätige Zeigeranzeige des Phasenunterschieds bei 360° Meßbereich
ermöglicht.
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Erfindungsgemäß werden die beiden Meßwechselspannungen, deren Phasenlage
gegeneinander gemessen werden soll, Röhrenverstärkern, die stark übersteuert werden,
zugeführt. Aus den im Ausgang der Verstärker entstehenden rechteckförmige Wechselspannungen
werden mittels Widerstandskondensatoranordnungen oder ähnlich wirkender Schaltelemente
Spannungsimpulse erzeugt, deren gegenseitiger zeitlicher Abstand ein Maß für die
Phasenverschiebung ist. Die Impulse werden einer Kippschaltung zugeführt, die vorzugsweise
aus zwei in bekannter Anordnung geschalteten gleichstromrückgekoppelten Röhren besteht,
wobei die Gitter der Röhren jeweils die von einem übersteuerten Verstärker herrühren,
den Impulse erhalten. Die Kippschaltung kippt bei richtiger Ein-
stellung
dann im Takt der Impulse, wobei die Anodenströme der beiden Rähren ein direktes
Maß für die Phasenverschiebung der Me'ßwechselspannungen sind.
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Abb. I zeigt als Ausführungsbeispiel zur Erftndung eine Schaltanordnung,
welche den Zeitpunkt der Nulldurchgänge der beiden Wechselspannungen sehr genau
kennzeichnet.
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Die Abb. 2a bis 2 h dienen zum besseren Verständnis der Vorgänge
in der Schaltung Abb. I.
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An die Klemmen, b (Abb. I) wird die Spannung UI, an die Klemmen c,
d die Spannung U2 angelegt. Die Spannungen seien z. B., wie in Abb. 2a und 2e gezeichnet,
um 90° gegeneinander phasenverschoben, Sie werden von den Verstärkern V I und V2
verstärkt und gelangen an die Röhren R1 und R2 (Abb. 1). Die Verstärkung dieser
Verstärker Vi und V2 ist so groß, daß die Röhren R 1 und R2 selbst bei kleinen Wechselspannungen
U1 und U2 stark übersteuert sind. An den Widerständen WI und W2 entstehen deshalb
auf bekannte Weise Rechteckspannungen der in Abb. 2b und 2f gezeichneten Form. Die
Kondensatorwiderstandsanordnungen CI, W1' bzw. C2, W 2' dienen zur Erzeugung von
Stromstößen. weiche den Null durchgängen der Wechselspannungen zeitlich entsprechen,
d. h. in dem aus W1, Ci, W1' bzw. W2, C2, W2' bestehenden Stromkreis fließt nur
dann Strom, wenn die Größe der an dem Widerstand WI bzw. W2 liegenden Spannung sicll
ändert. Dies ist aber, wie Abb. 2b und 2f zeigen, nur zur Zeit der Nulldurchgänge
der Fall.
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Während dieser Zeit entstehen also an den Widerständen W' und W2'
kurze Spannungsimpulse verschiedener Polarität, wie sie ähnlich in Abb. 2c und 2g
gezeichnet sind.
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Schaltung Abb. 1 ist nur eine der Ausführungsmöglichkeiten zur Verwirklichung
der zeitlichen Kennzeichnung der Null durchgänge. So können z. B. die Röhren R1
und R2 durch Gleichriehter oder Gasentladungsröhren ersetzt werden, oder an Stelle
der Widerstandskondensatoranordnungen CI, W1' bzw. C2, W2' können Übertrager oder
andere Vorrichtungen zur Erzeugung einer Kennzeichnung der Nulldurchgänge treten.
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Die in Abb. I gezeigte Art der Kennzeichnung besitzt jedoch besondere
Vorteile, weil Idurch die Übersteuerung der Röhren RI und R2 der Zeitpunkt der Nulldurchgänge
außerordentlich geau und unabhängig von der Amplitude von UI und U2 markiert wird.
Rauch gehen nichtlineare Verzerrungen der Eingangsspannungen auf die Meßgenauigkeit
nicht ein.
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Die Messung der zeitlichen Abstände der Kennzeichnungen der Nulldurchgänge
(beim Ausf2hrungsbeispiel Abb. 1), also die Messung der zeitlichen Abstände der
Spannungsimpulse, ist bereits anderweitig vorgeschlagen worden. Die bei der Erfindung
benutzte Anordnung lehnt sich im Prinzip hieran an.
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Abb. 3 zeigt als Ausführungsbeispiel hierzu eine Schaltanordnung,
mit welcher der zeitliche Abstand der an den Widerständen WI und W2 (Abb. I) liegenden
Spannungsimpulse gemessen wird. Schaltung Abb. 3 stellt eine bekannte Röhrenkippschaltung
dar. Die Wirkungsweise der Schaltung beim Auftreffen von Impulsen an die Gitter
der Röhren R3 und R4 ist kurz folgende: Wird an die Klemmen e, f (Abb. 3) ein kurzer
positiver Spannungsimpuls angelegt, so entsteht im Anodenkreis dieser Röhre ein
negativer Spannungsimpuls, der an das Gitter der Röhre R4 übertragen wird.
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Im Anodenkreis der Röhre R 4 entsteht also ein positiver Spannungsimpuls,
der wieder zurück an das Gitter der Röhre R 3 gelangt und den ursprünglichen Impuls
verstärkt. Der durch den ersten positiven Impuls am Gitter von R 3 eingeleitete
Schaltvorgang verstärkt sich so lange, bis durch Übersteuerung einer der beiden
Röhren ein stabiler Endzustand der Schaltung erreicht wird.
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Die Schalning kippt bei Auftreffen von positiven Impulsen auf das
Gitter von R3 in die eine Lage. in welcher das Instrument I maximalen Anodenstrom,
das Instrument 1' minimalen Anodenstrom anzeigt. In diesem Schaltzustand bleibt
die Schaltung so lange liegen, bis auf das Gitter von R 4 ein positiver Impuls gelangt.
Dann wiederholt sich der oben beschriebene Vorgang in umgekehrter Folge, so daß
das Instrument 1' maximalen Strom und I minimalen Strom anzeigt. Die Schaltung Abb.
3 zeigt also zwei stabile Lagen, in welche sie, geeignete Dimensionierung der Schaltung
vorausgesetzt, gelangt, je nachdem an welches Gitter ein positiver Impuls angelegt
wird. Der von den Impulsen eingeleitete Schaltvorgang vollzieht sich, wenn die Schaltung
Abb. 3 nur mit Schaltelementen reellen Scheinwiderstands aufgebaut wird und wenn
geeignete Röhren, z. B. Schirmgitter röhren, verwendet werden, außerordentlich rasch.
Werden nun die in Abb. 1 an den Klemmen ef und gh entstehenden positiven Impulse
an die Klemmen ef und gh in Abb. 3 angelegt, so daß die von der Wechselspannung
UI (Abb. I) herrührenden Nulldurchgangsimpulse an die Röhre R 3 und die von U2 herrührenden
Impulse an die Röhre R 4 gelangen, so entstehen rechteckige Anodenstromkurven, die
in Abb. 2d und 2 h aufgezeichnet sind. Dabei ist allerdings Vofraussetzung, daß
die negativen Impulse (Abb. 2 c und 2g) unterdrückt werden, was z. B. mitGileichrichterschaltungen
ohne weiteres erreicht werden kann. Man erkennt aus Abb. 2d und 2h, daß die Länge
der schraffierten Stromrechtecke proportional den Impulsabständen (Abb. 2-c und
2g) und soweit proportional der Phasenverschiebung von UI gegen U2 (Abb. 2a und
2e) ist. Wenn die Instrumente I und I' (Abb. 3) Effektivwerte anzeigen und dabei
eine lineare Skala besitzen, z. B. Drehspul-instrumente, so können die Grade Ausschlag
direkt inlGradePhasenverschiebung geeicht werden.
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Es entspricht dann z. B. dem maximalen Strom im Instrument I 3660
Phasenversohiebung, dem minimalen Strom 0° Phasenverschiebung. Das Umgekehrte gilt
von I'. Die Zwischenwerte können durch lineare Interpolation auf der Instrumentskala
angegeben werden. Für den praktischen Ge-
brauch der Schaltung Abb.
3 genügt die Anordnung einels Instruments, z. B. von I, da die Instrumente I und
1' dasselbe gegenläufig anzeigen.