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Direkt anzeigende Einrichtung zur Messung von komplexen Widerständen
getrennt nach Wirk- und Blindanteilen, insbesondere bei Hochfrequenz
Die Erfindung
bezieht sich auf eine direkt anzeigende Einrichtung zur Messung von komplexen Widerständen,
getrennt nach Wirk- und Blindanteil, insbesondere für Hochfrequenz, bei der der
Meßwert durch Quotientenbildung aus zwei Bestimmungsgrößen ermittelt wird.
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Zur Messung von komplexen Widerständen sind bisher verschiedene Verfahren
und Einrichtungen bekanntgeworden. So gibt es beispielsweise seit längerem sogenannte
Ortskurvenschreiber, die es gestatten, schnell einen Überblick über den Verlauf
der Ortskurve eines Scheinwiderstandes innerhalb des Tonfrequenzbereichs aufzuzeichnen.
Ein solches Gerät mißt Wirk- bzw. Blindleistung mit Hilfe eines Dynamometers. Die
Eichung dieses Ortskurvenschreibers erfolgt durch Vergleich mit einem bekannten
Widerstand. Allerdings ist das Gerät nur in einem Tonfrequenzbereich bis zu 20 kHz
zu verwenden.
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In der Hochfrequenztechnik wird der sogenannte Rieggerkreis in Verbindung
mit einem kapazitiven
Spannungsteiler oder einem RC-Glied in Form
einer Phasenbrücke verwendet, um anzuzeigen, ob ein bestimmter Widerstand, für den
das Gerät abgeglichen ist, vorliegt. Durch lineare Gleichrichtung wird auf einem
Drehspulinstrument durch Nullanzeige angezeigt, daß der vorgegebene Widerstand an
den Meßzweig angeschlossen ist (z. B. Anpassung von Verbrauchern an ein Energiekabel).
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Weiterhin ist ein Verfahren bekanntgeworden, bei dem auf einem Quotientenmesser
der Scheinwiderstand angezeigt wird. Dabei gibt ein zweites Instrument an, ob es
sich um einen reinen Wirkwiderstand oder um einen komplexen Scheinwiderstand handelt.
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Ferner ist ein Verfahren bekanntgeworden, bei welchem durch den Kreuzungspunkt
der Zeiger zweier Meßwerke auf einer Kurvenschar neben der Hochfrequenzleistung
auch dieFehlanpassung des Abschlußwiderstandes gegenüber dem Wellenwiderstand einer
Energieleitung angezeigt wird.
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Weiterhin ist ein Verfahren bekanntgeworden, welches den Wirk- und
Blindanteil eines komplexen Widerstandes durch Vergleich des unbekannten Widerstandes
mit einem Bekannten nach der sogenannten Drei-Voltmetermethode ermittelt, und die
zu messenden Größen durch den Kreuzungspunkt der Zeiger zweier Meßwerke auf einer
Kurvenschar anzeigt.
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Ferner ist einlmpedanzmeßgerät bekanntgeworden, das einen Hochfrequenzwiderstand
nach Wirk- und Blindkomponente als Fehlanpassung an einem konzentrischen Kabel mißt.
Die Anzeige erfolgt auf einem Fehlanpassungsdiagramm und ist auf den Wellenwiderstand
des Kabels normiert. Alle diese bekannten Einrichtungen erfordern einen hohen technischen
Aufwand und bedingen, soweit sie sich überhaupt für Hochfrequenz eigenen, eine Auswertung
der Meßergebnisse durch Umrechnung.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile wird bei direkt anzeigenden Einrichtungen
zur Messung von komplexen Widerständen erfindungsgemäß vorgeschlagen, einen symmetrischen
Stromwandler, zwei wahlweise anschaltbare, parallel geschaltete Spannungsteiler,
deren einer aus einem Kondensator und einem Widerstand zur Messung des Blindenanteils
und deren anderer aus zwei Kondensatoren zur Messung des Wirkanteils besteht, und
zwei quadratische. Gleichrichter zur Wirk- bzw. Blindleistungsmessung sowie einen
dritten quadratischen Gleichrichter vorzusehen, mit dessen Hilfe aus der einen Hälfte
des Stromwandlers eine Größe gewonnen wird, die dem Quadrat des Stromes proportional
ist, und durch Quotientenbildung aus Wirk- bzw. Blindleistung und Stromquadrat den
Wirk- bzw. Blindwiderstand zu bestimmen.
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Die neue Einrichtung gestattet es, an einem Meßgerät, vorzugsweise
einem Quotientenmesser, die Wirk-bzw. Blindkomponente eines komplexen Widerstandes
sowie Strom, Wirk- und Blindleistung in diesem Widerstand direkt abzulesen. Die
Anzeige-gibt den absoluten- Widerstandswert auf geeichten Skalen an, der durch Quotientenbildung
aus Wirk- bzw. Blindleistung und Stromquadrat bestimmt ist. Sie ist unabhängig von
der Leistung und nicht auf einen Kabelwiderstand normiert. Die Anzeige von Strom
und Leistung erfolgt getrennt nach Wirk- und Blindkomponente. Das Meßverfahren ist
so eingerichtet, daß es auch zur dauernden Betriebsüberwachung verwendet werden
kann, beispielsweise für die Überwachung des richtigen Anpassungszustandes einer
Antenne an ein Hochfrequenzenergiekabel, wobei gleichzeitig Antennenstrom und Antennenleistung
angezeigt werden.
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Gegenüber den bekannten Meßverfahren und Geräten unterscheidet sich
die neue Einrichtung dadurch, daß für die Ermittlung der Wirk- und Blindkomponente
eines unbekannten komplexen Widerstandes kein bekannter Vergleichswiderstand erforderlich
ist.
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Ferner ist keine Umrechnung aus anderen Meßgrößen erforderlich, da
die Anzeige direkt auf einem Instrument erfolgt. Weiterhin werden auch keine Nullinstrumente
verwendet, sondern solehe Instrumente, die direkt eine Eichung in Widerstandswerten
tragen.
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Der verwendete Quotientenmesser zeigt nicht den Scheinwiderstand Z,
sondern den Wirkwiderstand R bzw. den Blindwiderstand X an. Schließlich ist die
Anzeige unabhängig von einem Energiekabel, sie erfolgt nicht als normierte Größe,
sondern als Absolutwert.
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Im folgenden wird an Hand der Fig. I bis 5 das Prinzip des Meßverfahrens
beschrieben. Es wird ein Rieggerkreis verwendet, der aus einem symmetrischen Stromwandler
T und einem kapazitiven Spannungsteiler C,, C2 bzw. einem RC-Glied C3, R1 besteht.
Über den Stromwandler T wird an den Widerständen R4 und R5 eine Spannung erzeugt,
die dem Strom, der durch den Widerstand t fließt, proportional ist.
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Über den kapazitiven Spannungsteiler aus den beiden Kondensatoren
C,, C2 wird dem Kreis eine hochfrequente Wechselspannung zugeführt, die der Spannung
U an dem Widerstand Rz proportional ist.
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Die Fig. I zeigt die Meßanordnung zur Messung des Wirkanteils des
Widerstandes t; Fig. 2 zeigt das zugehörige Vektordiagramm.
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Dieses entspricht dem Diagramm des Rieggerkreises für den Fall, bei
dem Strom und Spannung gegeneinander um den Winkel ç phasenverschoben sind.
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Die Wirkkomponente läßt sich aus den gegebenen Größen auf folgende
Weise ermitteln: Im Vektordiagramm sind die im Rieggerkreis auftretenden Spannungen
mit Buchstaben bezeichnet. Auf Grund der mathematischen Beziehungen lassen sich
folgende Größen ableiten:
Für einen beliebigen komplexen Wechselstromwiderstand gilt die Beziehung = 1 1 (cos
w + j sin 97) = Rt jX worin der Wirkanteil U R = 1 R 1 cos w = S cos ? ist.
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Geht man auf die entsprechenden Größen im Vektordiagramm zurück,
so erhält man:
DenWirkanteil der Leistung kann man entsprechend aus dem Vektordiagramm ermitteln,
wenn man die Definition Nw = I U3 1 cos # = 1 12. R zugrunde legt.
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Damit erhält man: c2 - d2 Nw A a b coss 4 Die Blindkomponente wird
folgendermaßen ermittelt: Wählt man an Stelle des kapazitiven Spannungsteilers ein
RC-Glied, vgl. Fig. 3, an dessen Widerstand R eine Spannung steht, die unabhängig
von der Meßfrequenz gegenüber der Spannung am Widerstand #x eine Phasenverschiebung
von 900 hat, so liegt der Winkel (p im Diagramm an einer anderen Stelle. Es ergibt
sich in diesem Falle ein Vektordiagramm gemäß Fig. 4.
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Die mathematische Ableitung entspricht derjenigen bei Ermittlung
der Wirkkomponente; wenn man die Definition des Winkels ç im Diagramm betrachtet.
c² = a2 + b2 + 2 ab sin <p d2=a2tb22 ab sin (r c2-d2 c² - d² = 4 ab . sin # sin
" = 4ab Entsprechend den Definitionen für den Blindanteil eines komplexen Widerstandes
erhält man:
Und die Blindleistung ergibt sich dann sinngemäß zu NBL 9 ab ' b sin f = c2 - d
4 Die Fig. 5 zeigt beispielsweise die praktische Ausführung einer gemäß der Erfindung
aufgebauten Meßeinrichtung. Die Spannungen Uc und Ud werden unter Verwendung von
zwei quadratischen Gleichrichtern G11 und G12 gleichgerichtet. Es fließt dann durch
die Widerstände R2 und R3 ein Gleichstrom, der dem Quadrat des Effektivwertes der
Wechselspannungen Uc bzw. Ud proportional ist. Mißt man nun die Spannungen an den
Widerständen R2 4 R3 über die Klemmen I und 2, so erhält man die l)itferenz der
beiden Ströme, die dem Quadrat der Vektorgrößen c und d entsprechend den Größen
Uc und Ud2 proportional sind. Das an die Klemmen 1 und 2 angeschlossene Meßgerät
zeigt den Wert (Uc2 - Ua2) an.
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Dieser Wert ist aber unter Berücksichtigung der Konstanten, wie Übersetzungsverhältnis
des Stromwandlers, Wahl des Spannungsteilers usw., gleichzeitig ein Anzeigewert
für die Leistung. Richtet man die Größe Ub ebenfalls über einen quadratischen Gleichrichter
Gl3 gleich, so fließt über den Widerstand R4 ein Strom, der proportional dem Wert
1 12 ist und damit bei Berücksichtigung der Konstanten eine Anzeige des Stromes
durch den Verbraucher in einem an die Klemmen 3 und 4 angeschlossenen Instrument
gestattet. Die Drossel Dr dient als Gleichstromweg für die Gleichrichter.
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Diese beiden Größen werden in einem Quotientenmesser, vgl. Fig. 6,
oder einem Kreuzzeigerinstrument, vgl. Fig. 7, zur Wirkung gebracht. Man erhält
so eine direkte Anzeige für den Wert Ue u 2ud . Unter Berücksichtigung der vorgenannten
Konstanten läßt -sich das Instrument direkt in Ohm eichen. Das Vorzeichen der Blindwiderstände
wird durch den Ausdruck Ue2Ud2 bestimmt und bei dem Meßinstrument durch die Richtung
des Ausschlags angezeigt. Die Messung des Blind- bzw. Wirkanteils wird durch die
Wahl des Spannungsteilers bestimmt. Da es sich um die gleichen Meßgrößen handelt,
sind nicht unbedingt zwei Geräte erforderlich. Die Messung kann auch nacheinander
durch Umschalten des Spannungsteilers mit Hilfe des Umschalters S1 erfolgen.
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Bei entsprechender Dimensionierung ergibt sich die gleiche Eichung
der Instrumente. Zur Erweiterung des Meßbereiches können die Größen beispielsweise
durch definierte Änderungen des Spannungsteiiers verändert und in der Skala durch
konstante Umrechnungsfaktoren berücksichtigt werden.
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Das Gerät mißt direkt denWirk-undBlindanteil eines komplexen Widerstandes.
Bei Verwendung von getrennten Instrumenten zeigt je ein einfaches Instrument Strom
und Leistung im Verbraucher an; an einem Quotientenmesser ist der Widerstandswert
abzulesen. Bei Verwendung eines lKreuzzeigerinstrumentes gibt der Zeiger 1 - die
Leistung an und der Zeiger 2 den Strom im Verbraucher #x. Der Schnittpunkt der Zeiger
gibt den Widerstand an. In beiden Fällen wird je nach Art des Spannungsteilers der
Wirk- oder Blindanteil angegeben.