DER0014701MA - - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 24. Juli 1954 Bekanntgemacht am 29. November 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

Zur genauen Messung der Frequenz hochfrequenter elektrischer Schwingungen bedient man sich bekanntlich vor allem solcher Verfahren, bei« welchen mit Hilfe von Abstimmitteln eine Erfassung der zu messenden Frequenz vollzogen wird. Als Abstimmittel finden dabei entweder Resonanzschwingkreise oder solche Vergleichsfrequenzen Verwendung, die von Generatoren mit exakt festliegendem Frequenzverlauf geliefert ίο werden. Bei der Durchführung der nach diesen Methoden vollzogenen Messungen ergeben sich immer dann erhebliche Schwierigkeiten, wenn die zu messende hochfrequente Schwingung nicht oberwellenfrei ist. Nur durch eine Reihe von Einzelmessungen der Frequenz der Harmonischen oder ihres Amplitudenwertes gelingt es dann nämlich, sich Gewißheit darüber zu verschaffen, ob es sich bei der Frequenz einer einzelnen Schwingung um die Grundfrequenz oder um eine Harmonische höherer Ordnung handelt. Sieht man bei diesen bekannten Verfahren also von solchen Reihenmessungen ab, so gelingt es nicht, eine eindeutige Frequenzmessung der betreffenden, nicht oberwellenfreien Schwingung durchzuführen, denn bei fehlender Vergleichsmöglichkeit mit den Frequenzen oder Amplitudenwerten der vorhandenen

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Harmonischen ist es ausgeschlossen, die Ordnungszahl der gemessenen Harmonischen zu identifizieren.

Die Oberwellen der bei dem Meßvorgang vorliegenden Schwingung können entweder außerhalb des Meßgerätes oder auch in ihm selbst entstanden sein. Letzteres ist in besonders starkem Maße dann der Fall, wenn die zu messende Schwingung ohne Vorselektion mit starker Amplitude in das

ίο Gerät gelangt. Die Amplitude der entstehenden Oberwelle steigt dabei mit der Eingangsspannung um so mehr an, je höher ihre Ordnungszahl ist.

Bei demjenigen bereits erwähnten bekannten Verfahren, bei welchem die zu messende Frequenz mit Hilfe einer Vergleichsschwingung bestimmt wird (Interferenzmethode), ergeben sich weitere Schwierigkeiten für eine eindeutige Messung. Auch hierbei werden nämlich durch das Einwirken der Vergleichsschwingung auf das Meßgerät, insbesondere in der Mischstufe, Oberwellen erzeugt, die mit den Harmonischen der zu messenden Frequenz die Vieldeutigkeit des Meßergebnisses noch vergrößern.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren , zur Messung der Frequenz hochfrequenter elektrischer Schwingungen, bei dem eine Abstimmung auf die zu messende Frequenz vorgenommen wird. Bei diesem Verfahren wird eine Eindeutigkeit der Frequenzbestimmung trotz der zahlreichen vorhandenen Oberwellen ohne die erwähnte umständliche Vergleichung mit den Frequenzen bzw. Amplitudenwerten der Harmonischen erfindungsgemäß durch eine so weit gehende, selbsttätige Herabsetzung der Spannungsempfindlichkeit der Meßanord:- nung in Abhängigkeit von der Amplitude der zu messenden Frequenz zustande gebracht, daß über einen weiten Amplitudenbereich nur der Anzeigewert für die zu messende Frequenz oberhalb, der für ihre Harmonischen bzw. die Harmonischen einer Vergleichsfrequenz jedoch unterhalb der Ansprechschwelle der Anzeigevorrichtung liegt. Wird das Meßverfahren in dieser Weise ausgebildet, so bringt es die Einstellung der Spannungsempfindlichkeit der Meßanordnung von selbst mit sich, daß sich die Oberwellen neben der Grundfrequenz der zu messenden Schwingung nicht auswirken können und somit durch die Abstimmung allein die Grundfrequenz eindeutig und genau bestimmt wird. In besonderer Ausgestaltung der Erfindung kann die Spannungsempfindlichkeit der Meßanordnung durch Gleichrichtung der Meßspannung und Regelung des Verstärkungsgrades einer oder mehrerer Stufen erfolgen, die im Zuge des Meßkanals liegen oder aber auch ein von der Meßspannung gesteuerter Spannungsteiler im Zuge des Meßkanals angeordnet sein.

Als Anzeigevorrichtung kann bei der Erfindung jedes dafür in Betracht kommende Gerät Verwendung finden, also z. B. ein Spannungsmesser. Für die Interferenzmethode kann auch ein elektroakustischer Wandler (z. B. Kopfhörer) oder ein nach dem Kondensatorladeprinzip arbeitender Frequenzzeiger benutzt werden. Alle diese Geräte weisen an sich schon eine bestimmte Ansprechschwelle auf, die durch ihren Aufbau bedingt ist. Dieser Schwelle kann man sich bei dem Verfahren nach der Erfindung bedienen. Man kann aber darüber hinaus die Ansprechschwelle durch besondere Maßnahmen auch noch derartig verlagern, daß schon eine nur geringe Überschreitung durch den Anzeigewert eine ausgeprägte Anzeige herbeiführt.

Weitere Ausgestaltungsformen der Erfindung sind aus der nachstehenden Beschreibung an Hand der Zeichnung erläutert. Darin sind verschiedene Ausführungsbeispiele dafür dargestellt. Die Fig. 1 zeigt das Schaltschema eines Resonanzfrequenzmessers, mit dem die Eindeutigkeit der Frequenzmessung durch eine besondere Begrenzung der Kurvenform der zu messenden Schwingung erzielt wird. In der Fig. 2 ist das Schaltschema eines Resonanzfrequenzmessers wiedergegeben, bei dem ein besonderer Vorverstärker mit Begrenzungscharakter vorgesehen ist. Die Fig. 3 läßt wiederum das Schaltschema eines Resonanzfrequenzmessers erkennen, bei dem die Spannungsempfindlichkeit der Meßanordnung durch eine Gleichrichtung der Meßspannung und eine Regelung des Verstärkungsgrades einer Verstärkerstufe erfolgt. Die Fig. 4 gibt das Schaltschema einer Anordnung go wieder, die auf dem Interferenzprinzip beruht und bei der ebenfalls eine Steuerung der Spannungsempfindlichkeit stattfindet sowie eine Verlagerung der Ansprechschwelle der Anzeigevorrichtung durch ein elektromagnetisches Relais vermittelt ist. Die Fig. 5 bis 7 zeigen Schaltschemata für solche Vorrichtungen, mit denen ebenfalls Verlagerungen der Ansprechschwelle des Anzeigegerätes herbei^ geführt werden können.

Nach Fig. 1 wird die hochfrequente Schwingung x, deren Frequenz gemessen werden soll, zunächst dem breitbandigen Begrenzer 1 zugeführt. Er läßt Eingangsschwingungen kleiner Spannung unverformt hindurchtreten. Eingangsschwingungen größerer Spannung werden durch ihn jedoch symmetrisch abgekappt, wodurch sich Schwingungen voh trapezförmiger Kurvenform ergeben. Hierdurch wird erreicht, daß die in der Ausgangsspannung des Begrenzers 1 enthaltene erste Harmonische einen bestimmten maximalen Amplitudenwert nicht überschreitet. Bei symmetrischer Kurvenform bleibt bekanntlich die dritte Harmonische unterhalb eines Drittels der Gnundwellenamplitude, während die zweite Harmonische verschwindet. Von der Ausgangsspannung des Begrenzers 1 wird der Anzeigevorrichtung 2 diejenige Komponente zugeführt, auf die der geeichte Schwingkreis 3 abgestimmt ist. Liegt die Amplitude dieser Komponente unterhalb der Ansprechschwelle der Anzeigevorrichtung 2, so kommt sie hier nicht zur Wirkung. Zur Erzielung einer eindeutigen Messung ist es also nur erforderlich, die Ansprechschwelle der Anzeigevorrichtung 2 derart einzustellen, daß sie sich zwischen dem durch die erwähnte Abkappung festgelegten Maximalwert der dritten Harmonischen und der Grundwelle be-

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findet. Es kommt also bei beliebiger Abstimmung des Schwingkreises 3 nur an einer Stelle eine Anzeige an „der Vorrichtung 2 zustande, ohne daß dabei für den Maximalwert der Eingangsspannung irgendwelche Voraussetzungen erfüllt sein müssen. Durch Ablesung der eingestellten Abstimmung ist es bei Ansprechen der Anzeigevorrichtung möglich, die zu messende Frequenz χ in ihrer Größe eindeutig zu bestimmen.

Nach Fig. 2 ist dem Begrenzer 1 und dem Schwingkreis 3, von dem aus diejenige Frequenz, auf die er abgestimmt ist, wiederum zu der Anzeigevorrichtung 2 gelangt, der Vorverstärker 4 mit dem Begrenzer 5 vorgeschaltet. Ihm wird die zu messende Schwingung x' zugeführt. Durch den Verstärker 4 gelingt es, die Anordnung für kleinere Eingangsspannungen nutzbar zu machen, als sie mit der Anordnung nach Fig. 1 gemessen werden können. Der Begrenzer 5 sorgt erforderlichenfalls dafür, daß bei höheren Eingangsspannungen deren Kiurvenform trapezartig ausgebildet ist.

Nach Fig. 3 wird die zu messende Schwingung x" über die Leitung 6 dem Regelverstärker 7 und über die Leitung 8 dem Gleichrichter 9 zugeführt. Durch die dabei erzielte Gleichspannung wird der Regelverstärker 7 gesteuert und außerdem die Ansprechschwelle der Anzeigevorrichtung 10 in gewünschter Weise dadurch verlagert, daß der zur Umformung des Anzeigewertes dienende Gleichrichter 11 in Sperrichtung vorgespannt wird. Es ist jedoch auch möglich, eine feste, d. h. von der Meßspannung unabhängige, Vorspannung vorzusehen. Durch Abstimmung des Schwingkreises 12 kann auch hierbei an seiner Skala derjenige Frequenzwert abgelesen werden, der einen Ausschlag an der Anzeigevorrichtung 10 bewirkt. Die Eindeutigkeit der Messung wird hierbei dadurch erzielt, daß die Verstärkung des Verstärkers 7 etwa umgekehrt proportional zu seiner Eingangsspannung gehalten wird. In diesem Fall ergibt sich am Schwingkreis 12 eine konstante Grundwellenamplitude. Liegt die Ansprechschwelle der Anzeigevorrichtung 10 dann infolge der geschilderten Verlagerung nahe unterhalb des Amplitudenwertes der Grundwelle, so können die Oberwellen auch hierbei nicht zur Wirkung kommen, so daß die Eindeutigkeit der Messung gewährleistet ist. Sollen mit der Anordnung nach Fig. 3 auch Schwingungen großer Eingangsspan-■ nung gemessen werden, so empfiehlt es sich, vor dem Regelverstärker 7 wiederum einen Spannungsbegrenzer vorzusehen, wie er z. B. als Schaltelement ι bei der Anordnung nach Fig. 1 vorhanden ist.

Nach Fig. 4 wird die zu messende Schwingung x'" über die Leitung 13 dem selbsttätig gesteuerten Spannungsteiler 14 und über die Leitung 15 und den Verstärker 16 dem Gleichrichter 17 zugeführt. In der Mischstufe 18 wird die aus dem Spannungsteiler 14 austretende Schwingung nach dem Interferenzprinzip mit der über die Leitungig zugeführten Vergleichsfrequenz verglichen. Als Mischstufe wird eine solche mit großem linearem Aussteuerbereich verwendet, vorzugsweise eine Röhre mit wenigstens zwei Steuergittern, von denen dasjenige mit dem größeren Aussteuerbereich mit der zu messenden Frequenz beaufschlagt und bei der über ein oder beide Gitter der Verstärkungsgrad selbsttätig geregelt wird. Die Differenzfrequenz wird im Tiefpaß 20 ausgesiebt und kommt nach Durchlaufen des Regelverstärkers 21 in dem Frequenzzeiger 22 zur Anzeige, der nach dem Kondensatorladeprinzip aufgebaut ist.

Die aus dem Gleichrichter 17 austretende Gleichspannung gelangt über das nichtlineare Schaltelement 23 mittels der Leitung 24 zu dem Spannungsteiler 14, der Mischstufe 18 und dem Regelverstärker 21. Diese Schaltelemente werden dadurch in der Weise beeinflußt, daß hinter dem Regelverstärker 21 ein möglichst eingangsspannungsunabhängiger, knapp oberhalb der Ansprechschwelle liegender Anzeigewert auftritt. Dies kann. auch durch eine zusätzliche oder alleinige Einwirkung der Austrittsspannung vom Schaltelement 23 auf die Amplitude der bei 19 zugeführten Vergleichsspannung bewirkt werden. Durch Abschaltung des Anzeigeinstruments 25 vom Frequenzzeiger 22 mittels des Relais 26 bei Unterschreitung der Ansprechschwelle wird dann wieder erreicht, daß die Oberwellen nicht zur Wirkung kommen können und demzufolge eine eindeutige Messung der Frequenz der Eingangsschwingung x'" erzielt wird. Durch das Relais 26 wird gleichzeitig erreicht, daß der Frequenzzeiger 22 nur dann in Tätigkeit tritt, wenn seine Eingangsspannung für eine richtige Anzeige ausreicht. Das Relais 26 kann dabei als Gleichstromrelais ausgebildet und über Gleichrichter und Verstärker gesteuert sein.

Die Regelung auf konstanten Anzeigewert kann über die Leitung 24 auch allein auf den Spannungsteiler 14 stattfinden. Dabei kann dieser entweder elektromechanisch gesteuert oder als fremd geheizter Heißleiter ausgebildet sein. Der Heißleiter kann aber auch ohne Einstellung der Regelung unmittelbar von der Eingangsspannung gesteuert sein.

Die durch die Schaltelemente 16 bis 23 vermittelte Regelung kann auch bei den Resonanzfrequenzmessern nach den Fig. 1 bis 3 Anwendung finden. Umgekehrt läßt sich bei Vermeidung einer Regelung, wie sie an Hand der Fig. 4 beschrieben wurde, der Spannungsteiler 14 auch durch das Schaltelement 1 nach Fig. 1 oder die Schaltelemente i, 4 und 5 nach Fig. 2 ersetzen.

Einrichtungen zur Verlagerung der Ansprechschwelle der Anzeigevorrichtung, wie eine solche beispielsweise durch das Relais 26 im Zusammenwirken mit dem Frequenzzeiger 22 beschrieben wurde, lassen sich auch auf die Anordnungen nach den Fig. 1 bis 3 zur Anwendung bringen.

Eine Verlagerung der Ansprechschwelle der An-Zeigevorrichtung kann auch durch eine in den Zug des Anzeigekreises geschaltete Anordnung mit nichtlinearem Übertragungsmaß erreicht werden. Dafür kann eine Röhrenkippschaltung nach Fig. 5 oder eine Gleichrichteranordnung nach Fig. 6 bzw. ein Heißleiterelement nach Fig. 7 Verwendung fin-

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den. Diese Schaltelemente mit nichtlinearem Übertragungsmaß werden bei Anwendung auf eine Anordnung nach Fig. 4 vorteilhaft zwischen dem Regelverstärker 21 und dem Frequenzzeiger 22 eingeschaltet. Diese Schaltelemente mit nichtlinearem Übertragungsmaß haben sämtlich die Eigenschaften, daß sie kleine Amplituden nicht hindurchtreten lassen oder zum mindesten stark schwächen, während große Amplituden im Gegensatz dazu nahezu ungeschwächt übertragen werden.

Bei der Röhrenkippschaltung nach Fig. 5 wird

die angeführte Wirkung dadurch erreicht, daß in Abhängigkeit von der Gitterspannung der Röhre 27 wegen der Verkuppelung mit Gitter und Kathode der Röhre 28 nur jeweils eine der beiden Röhren 27 bzw. 28 Strom führt. Der während des Überganges von dem einen zum anderen stabilen Zustand stattfindende Kippvorgang wird erst bei einer bestimmten Mindeständerung der Gitterspannung der Röhre 27 gelöst, so daß kleine Amplituden nicht übertragen werden. Beim Durchkippen wird durch die Aussteuerung jedoch eine nahezu konstante Ausgangsspannung erzwungen. Die Gleichrichteranordnung nach Fig. 6 läßt die kleinen Amplituden deshalb nicht zur Wirkung kommen, weil die Gleichrichter 29 und 30 hierfür auch in der Sperrichtung noch niederohmig gegen den Widerstand 31 sind.

Der Heißleiter 32 nach Fig. 7 verringert seinen Widerstand durch die Erwärmung selbsttätig bei steigender Eingangsspannung und erzeugt dadurch eine amplitudenabhängige Spannungsteilung im Zusammenwirken mit dem konstanten ohmschen Widerstand 33.

Das beschriebene Verfahren verhindert nicht nur Fehlmessungen durch Harmonische der Meßfrequenz, sondern auch durch beliebige andere der Meßspannung überlagerte Störfrequenzen. Es ist nämlich immer nur der stärksten Frequenzkomponente eines am Eingang liegenden Gemisches möglich, die Anzeigevorrichtung zum Ansprechen zu bringen.

In einer Abwandlung der Erfindung läßt sich das Verfahren auch dann anwenden, wenn eine Meßfrequenz nach dem Interferenzverfahren mit einem zum Vergleich dienenden Frequenzspektrum bestimmt werden soll. Das Spektrum wird in diesem Fall z. B. der Anordnung nach Fig. 4 am Eingang 19 zugeführt. Dann ergibt sich die Differenzfrequenz Null stets dann, . wenn die Eingangsfrequenz x'" mit einer Komponente des Spektrums übereinstimmt. Das beanspruchte Verfahren verhindert dabei, daß bei anderen als diesen gewünschten Meßpunkten, z. B. in der Mitte zwischen zwei solchen, ebenfalls eine störende Anzeige auftritt.

Claims (13)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Verfahren zur Frequenzmessung hochfrequenter elektrischer Schwingungen, bei dem eine Abstimmung auf die zu messende Frequenz vorgenommen wird, gekennzeichnet durch eine so weit gehende, selbsttätige Herabsetzung der Spannungsempfindlichkeit der Meßanordnung in Abhängigkeit von der Amplitude der zu messenden Frequenz, daß über einen weiten Amplitudenbereich nur der Anzeigewert für die zu messende Frequenz oberhalb, der für ihre Harmonischen bzw. die Harmonischen einer Vergleichsfrequenz jedoch unterhalb der Ansprechschwelle der Anzeigevorrichtung liegt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerung der Empfindlichkeit durch Gleichrichtung der Meßspannung und Regelung des Verstärkungsgrades einer oder mehrerer Stufen erfolgt, die im Zuge des Meßkanals liegen.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein von der Meßspannung gesteuerter Spannungsteiler im Zuge des Meßkanals liegt.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 in Anwendung auf das Interferenzmeßprinzip, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Empfindlichkeit durch Regelung der Vergleichsfrequenzamplitude mit der gleichgerichteten Meßspannung erfolgt.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet/ daß das Verhältnis der zur Steuerung dienenden Gleichspannung zur Meßspannung durch nichtlineare. Schaltelemente beeinflußt wird.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspannung vor dem Steuerkreis aperiodisch vorverstärkt wird.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansprechschwelle durch Vorspannung eines für die Umformung des Anzeigewertes dienenden Gleichrichters erreicht wird, die wahlweise fest oder von der Meßspannung abhängig ist.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansprechschwelle durch das Wirksamwerden eines Relais gegeben ist, das von der Anzeigespannung gegebenenfalls über Gleichrichter und Verstärker gesteuert wird und den normalerweise gesperrten Anzeigeausgang hierbei freigibt. .
9. 9. Verfahren zur Frequenzmessung elek- no irischer Schwingungen nach einem der Ansprüche ι bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansprechschwelle der Anzeigevorrichtung durch eine in den Zug des Anzeigekreises ge-■ schaltete Röhrenkippschaltung mit zwei stabilen Lagen der Anodenströme gegeben ist, die nur oberhalb einer Mindesteingangsspanming eine bei weiterer Steigung dieser Spannung nahezu konstante Ausgangsspannung liefert.
10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansprechschwelle durch nichtlineare Schaltelemente (Gleichrichter, Heißleiter) gegeben ist, die so in den Zug des Anzeigekreises geschaltet sind, daß das Übertragungsmaß mit wachsender Amplitude zunimmt.

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11. 11. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzvergleich in einer Mischstufe mit großem linearem Aussteuerbereich erfolgt.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Mischstufe eine Röhre mit wenigstens zwei Steuergittern verwendet wird, von denen dasjenige mit dem größeren Aussteuerbereich mit der zu messenden Frequenz beaufschlagt und bei der über ein oder beide Gitter der Verstärkungsgrad selbsttätig geregelt wird.
13. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeige der aus dem Frequenzvergleich gewonnenen DifEerenzfrequenz mit einem nach dem Kondensatorladeprinzip arbeitenden Frequenzzeiger gemessen wird.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen