Verfahren zur Prüfung des Gütefaktors von Reaktanzen.
Der Minimalwert des Gütefaktors Q, der als Mass der Qualität von Induktionsspulen oder Resonanzkreisen dient, wird bei Massera- erzeugung von Sehwaehstrom-, hauptsächlich Hochfrequenzeinrichtungen vorgesehrieben, um die Erzelung der bgewünsehten Eigenschaften von Resonanzkreisen oder deren Be standteilen zu garantieren.
Es ist nun ein Messverfahren erforderlieh, das die sich häufig wiederholenden Messun- gen des Gütefaktors Schnell, genau und durch einen einfaehen Arbeitsgang ermöglicht.
Die bisher bekannten Instrumente zur Mes- sung des Gütefatktors (Q-Meter) leiden an ver schiedenen Mängeln. Um. diese zu veransehau- lichen, werden einige Beispiele solcher Messapparate angeführt.
Abb. I veranschanlieht ein. Messinstrument. das bisher häufig verwendet wurde. Hier wird eine Wechselspannung von bekannter Frequenz und Amplitude an einen kleinen Widerstand R gelegt, der in Serie mit dem Resonanzkreis, welcher z. B. die zu messende Induktivität einsehliesst, geschaltet ist.
Da der Gütefaktor Q des Kreises durch die bekannte Beziehung Q E gegeben ist (wobei E die e Spannung ist, die z. B. am Abstimmkondensator C erseheint, wenn der Kreis mittels des Abstimmkondensators Cl auf die Frequenz der Spannung e abgestimmt ist oder wenn die Frequenz der Spannung e auf die Resonanzfrequenz des Kreises eingestellt wird), muss man ausser der Spannung e noch die Reso nanzspannung E messen, wodurch dann der Gütefaktor Q gegeben ist.
Die Messung ist jedoch ziemlich zeitraubend und daher für die Prüfung bei der Serienproduktion nicht geeignet, denn die Schaltung muss für jede Messung neu abgestimmt werden.
Ein weiterer Nachteil dieser Methode ist der Umstand, dass, wenn der Widerstand. R vernaehlässigbar klein sein soll, dann muss der durch ihn fliessende Strom ziemlich gross sein, damit an ihm ein Spannungsabfall entsteht, der sich ohne wesentliehen Fehler messen liesse (0, 1 bis 0, 2 V sind gewöhnlieh zu kleine Werte, als dass sie sich ganz genau durch gewöhnliehe Röhrne- oder Thermoelement-Volt- meter ablesen liessen). Es ist deshalb notwendig, dass der Oszillator eine grosse Ausgangsleistung liefern kann, die sorgfältig vor Verzerrungen geschützt werden muss um Ab lesung von ungenauen Werten von Q zu vermeiden.
Eine andere Methode benützt an Stelle des Widerstandes eine induktive, eventuell kapazitive Kopplung und bestimmt Q auf Grund der Verstimmung, das heisst man sucht die beidseits der Resonanzfrequenz liegenden Frequenzen f1 und f2, bei denen die Resonanzspannung von v0 auf 1/#2 V0 = 0,71 V0 gefallen ist, dann ist bekanntlich f0 = f2 - f1
In diesem Palle wird die Verstimmung int Generator durchgeführt, sie kann jedoch auch durch Verstimmung des Kondensators erfolgen.
Der Nachteil dieser Methode ist ihre Langwierigkeit und die Notwendigkeit einer genauen Abstimmung bei f0, was also weiterhin die Möglichkeit von Irrtümern und ungenauen Messungen ergibt, die sich in der Lest-long des Apparates, dessen Bestandteil der Resonanzkreis bildet, störend äussern können.
Andere Iessarten benützen z. B. Brücken Methoden, oder die Bestimmung des Gütefak- tors aus der Form der Resonanzkurve des Kreises. Sie sind jedoch gewöhnlieh noch mühseliger als die oben angeführten Arten, und sie können als Laboratoriumsmethoden angesehen werden, die sich für Serienprüfung nicht eignen.
Alle angeführten Methoden und Vorrich tungen zur Messung des Gütefaktors besitzen ein gemeinsames Prinzip, das darin besteht, dass die Messungen im stationären Zustand des Schwingungskreises vorgenommen werden, das heisst dass Einschwingvorgänge nicht in Betracht gezogen werden.
Die vorliegende Erfindung bestimmt den Qualitätsfaktor mittels der Einschwingerscheinungen von Resonanzkreisen.
Falls wir in den Resonanzkreis ein Signal mit regelbarer Frequenz, die sich in der Nach barschaft der Resonanzfrequenz ändert, einführen, wirkt der Stromkreis auf Art eines Diskriminators, der Frequenzmodulation in Amplitudenmodulation umwandelt. Falls die Frequenzänderung so schnell vor sich geht, dass sie eine Amplitudenänderung mit gewisser minimaler Schnelligkeit hervorruft, entsteht ausser der erzwungenen Frequenz auch eine sogenannte freie Schwingung des entsprechenden Stromkreises, laut der Beziehung io = Je-ss0t cos #0 # wobei cor wie bekannt, durch die Stromkreis- elemente R-L-C und der Faktor ss0 durch die Werte R und L gegeben ist.
Im allgemeinen kann gesagt werden, dass die freie Schwingung nicht entsteht, falls wir die Frequenz des zugeführten Signals so langsam ändern, dass die Änderung im Resonanz- kreise langsamer als 0/2 vor sich geht, wo die Zeitkonstante 0 der Reziprokwert des Dämpfungsfaktors ss = R/2. L, also 0 = 2L/R ist.
Falls die Bedingung für die Entstehung von freien Sehwingungen erfüllt ist, entsteht eine Interferenz zwischen der erzwungenen und der freien Schwinglmg, die ein Massstab für Q ist.
Bei dem Verfahren wird an den zu prüfenden Stromkreis eine frequenzmodulierte Wechselspannung angelegt. Die Geschwindig- keit der Frequenzänderung ist regelbar, z. B. dadurch, dass wir die Frequenz, welche die Frequenzmodulation bewirkt, ändern. Da die Zeitkonstante # dem Gütefaktor Q direkt pro- portional ist, laut der Beziehung # = 2Q/, wo kann für die verlangte Minimalgüte R eine gewisse Grenzsehneiligkeit der Frequenzmodu- lation eingestellt werden, bei der die Inter frequenzschwingungen noch eben entstehen.
Es genügt dann, wenn die Resonanzkreise, die geprüft werden sollen, an diese Vorrichtung ohne irgendeine weitere Nachstimmung angeschlossen werden, und dass man beobachtet. ob Schwebungen entstehen, oder nicht. Falls sie nicht entstehen, liegt der Gütefaktor unter- halb des als minimaler Wert vorgeschriebenen Wertes, andernfalls ist er in Ordnung, denn es genügt, den Minimalwert von Q einzuhalten.
Die Entstehung von Schwebungen kann durch versehiedene, an sich bekannte Methoden kontrolliert werden, z. B. der Form nach am Oszillograph, oder z. B. dadurch, dass wir die nichtlineare Verzerrung der Hüllkurve messen. Die Entstehung der Schwebungen äussert sich durch ein wesentliches Ansteigen der nichtlinearen Verzerrungen, welche dann einen direkten Massstab für den Gütefaktor bilden.
Falls nur ein Element. eines Schwingungs- kreises geprüft werden soll (die Spule evtl. der Kondensator), wird die Messung ähnlicher- weise durehgeführt, nur ist der ergänzende Teil des Resonanzkreises (das heisst der Kon- densator, evtl. die Spule) ständig an die Ein- gangsklemmen angeschlossen.
Fig. 2 zeigt schematisch ein Ausführungs- beispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, Aus dem Tongenerator A führen wir eine periodische (z. B. sinusförmige) Schwingung von niedriger Frequenz, die durch den Regler R geregelt werden kann, in den Hochfrequenz- generator B ein, der dadurch in einem weiten Bereich frequenzmoduliert wird, damit die Frequenz sich z. B. von 0, 5f bis 2f ändere, wobei f die Frequenz ist, die durch den Stromkreis, welcher die gemessene Induktivität einschliesslieh der Nullkapazität c0 und einer Zusatzkapazität Ca enthält, gegeben ist.
Die derart frequenzmodulierte Spannung legt man über eine kleine Kapazität Cl (z. B. einige pF) an die zu prüfende Spule Lx, welche an die Punkte 1-2 angeschlossen ist. Die parallele Fixkapazität C2 ist so gross, dass die unterschiedlichen Nullkapazitäten der Spule die Resonanz dieses Stromkreises praktisch nicht ändern. Die Induktivität der Spul. e wird gewöhnlieh schon bei der Herstellung mit einer Ungenauigkeit von maximal einigen Prozenten eingestellt und veranlasst deshalb keine Änderung der Resonanz, die sich bei der Messung schädlich auswirken würde. Der Resonanzkreis zwischen den Punkten 1-2 wirkt als Diskriminator, und am Stromkreis entsteht eine amplitudenmodulierte Spannung.
Diese Spannung wird im Detektor D demoduliert.
Die Niederfrequenzkomponente wird über ein Filter F dem Messinstrument lI zugeführt.
Das Durchlassband des Filters F ist mittels des Reglers R, z. B. gleichlaufend mit R'der- art eingestellt, dass es überwiegend diejenigen Frequenzkomponenten durchlasse, die als Resultat der schwebungen des Resonanzkreises entstehen.
Nach Einstellung der Regler R und R', z. B. mittels eines an die Punkte 1-2 ange schlossenen Kreises von vorgeschriebener Güte zeigt das Ausgangsvoltmeter direkt an, ob der gemessene Kreis eine Qualität über oder unter der bestimmten Grenze besitzt. Das Voltmeter kann direkt in Werten des Gütefaktors Q, eventuell des Dämpungsfaktors d geeicht werden.
I) as oben beschriebene Verfahren weist gegenüber den bisher angewandten Methoden verschiedene Vorteile auf.
Da die Notwendigkeit einer Nachstimmung. die bei den bisherigen Methoden erforderlich war, entfällt, ist eine grosse Zeitersparnis hei der Serienprüi'ung möglich.
Ein weiterer Vorteil des beschrichenen Vefrfahrens gegenüber den bisherigen Me- thoden ist seine grössere Empfindlichkeit, denn hier misst man nicht eine Grösse (z. B. eine Spannung), die proportional mit der Güte anwächst, sonclern die Grösse der Verzerrung, die sich ganz plötzlich, bei einem gewissen Verhältnis zwisellen der Geschwindigkeit der Frequenzänderung und der Zeitkonstante des Kreises einstellt.
Ein weiterer, sehr willkommener Vorteil der beschriebenen Vorrichtung ist ihre grosse Stabilität. Schwankungen der Amplitude oder der Frequenz des Hochfrequenzgenerators be einflussen die Messgenauigkeit nieht, denn wir messen den Wert der Schwebungsverzerrung als Verhältnis der höheren Harmonischen zur Grundfrequenz, welches Verhältnis durch irgendeine bekannte Vorrichtung gemessen werden kann.