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Selbstabgleichender Kompensationsverstärker mit konstantem Kompensationswiderstand und veränderlichem Kompensationsstrom
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bekannten selbstabgleichenden Kompensationsverstärkem nachLindeck-Rotheschaltung die Grösse des Kompensationsstromes IK durch Veränderung eines Widerstandes R im Kompensationsstromkreis mit der Hilisspannung UH und dem Anzeigegerät A so lange geändert, bis Gleichheit zwischen der zu messenden Spannung Ux und dem Spannungsabfall I. R besteht. Die Spannungsgleichheit wird mittels eines empfindlichen Drehspulgalvanometers G festgestellt. Eine Störung des Gleichgewichtes, z.
B. durch eine Änderung der Messspannung, verursacht einen Galvanometerausschlag, der zur Veränderung des Widerstandes R und damit zur Veränderung des Kompensationsstromes ausgenutzt wird. Als veränderlicher Widerstand im Kompensationsstromkreis, d. h. als Stellglied des Regelkreises, kann z. B. ein Photowiderstand, eine Elektronenröhre oder ein Transistor verwendet werden. Die Beeinflussung durch das Galvanometer kann auf optischem Wege mit lichtempfindlichen Schaltelementen (lichtelektrischer Kompensationsverstärker) oder über eine Änderung der Dämpfung oder Kopplung einer HF-Schwingung durch eine vom Galvanometer betätigte Schirmfahne erfolgen.
In jedem Fall erfolgt eine stetige Änderung des Widerstandes R im Kompensationsstromkreis und die Höhe des Kompensationsstromes IK ist proportional der zu messenden Spannung Ux. Zur Anzeige dient ein Strommessgerät A mit einem dem Kompensationsstrom proportionalen Ausschlag. Für eine digitale Anzeige, also eine Anzeige der Messspannung in Ziffern, wie sie z. B. zum Zwecke der Datenverarbeitung erwünscht ist, ist diese Art der Messung nicht unmittelbar geeignet.
Der im folgenden beschriebene Kompensationsverstärker arbeitet ebenfalls mit einem konstanten Kompensationswiderstand RK und veränderlichem Kompensationsstrom IK (Fig. 2). Gleichheit zwischen der zu messenden Spannung Ux und dem SpannungsabfalllK. RK ist bei Stromlosigkeit des Galvanometers G gegeben.
Im Gegensatz zu den bisherigen Verfahren wird der vom Galvanometer erfasste arithmetische Mittelwert des Kompensationsstromes aber nicht durch Veränderung der Höhe des Kompensationsstromes, sondern durch Änderung des Verhältnisses von Stromfluss und Strompause eines periodischen, rechteckförmigen Stromes konstanter Höhe und konstanter Periodendauer durchgeführt. Dies erfolgt mit Hilfe eines im Kompensationsstromkreis mit der Hilfsspannung UH, einem Widerstand R und dem Anzeigegerät A liegenden, vom Galvanometerausschlag steuerbaren Schalters S. Die Zeitdauer ts des Stromflusses ist dann ein Mass für die zu messende Spannung Ux.
Bei diesem Verfahren steht also als Ausgangsgrösse neben dem mit einem Drehspulgerät messbaren arithmetischen Mittelwert des Kompensationsstromes L, die Zeitdauer ts des Stromflusses zur Verfügung. Es tritt eine Spannungs-Zeit-Umformung auf und die Messgrösse kann mit einem handelsüblichen Zeitmessgerät in digitaler Form einfach zur Anzeige gebracht werden.
Zur Erzeugung des rechteckförmigen Verlaufs des Kompensationsstromes wird ein Transistor als ge- steuerter Schalter verwendet. Um die Forderung der konstanten Rechteckhöhe leichter erfüllen zu können, wird nicht ein einfacher Schalter, sondern eine symmetrisch aufgebaute bistabile Transistor-Kippstufe ver-
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von einer Steuerspannung U mit der konstanten Periodendauer T angestossen werden. Die monostabile Stufe I mit der Ausgangsspannung UI kippt nach einer festen Zeit T in ihre Ausgangslage zurück und gibt
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Galvanometer G ist damit die Stromflussdauer ts proportional der zu messenden Spannung Ux.
Wird die Periodendauer T der Steuerspannung z. B. zu 20 ms und die maximale Stromflussdauer ts des Kompensationsstromes zu t = 10 ms gewählt, so kann diese Zeit und damit die zu messende Spannung Ux mit einem elektronischenzeitmesser mit einer kleinsten messbaren Zeiteinheit von 10 ps mit einer Genauigkeit von 1'700 in einfacher Form digital angezeigt werden. Die Spannungsmessbereiche können durch Wahl des Kompensationswiderstandes RK festgelegt werden, wobei zu beachten ist, dass der Gesamtwiderstand im Kompensationskreis konstant bleibt. Eine Registrierung des Messergebnisses ist durch Anschluss eines Druckers mit der gleichen Genauigkeit möglich.
Die für die Genauigkeit der Messung wesentliche hohe Konstanz der Periodendauer der Steuerspannung und der Zählfrequenz des Zeitmessers ist nicht erforderlich, wenn man durch Frequenzteilung die Frequenz der Steuerspannung aus der Zählfrequenz des Zeitmessers ableitet, so dass beide in einem festen Verhältnis zueinander stehen.
Der arithmetische Mittelwert des rechteckförmigen Kompensationsstromes L, mit der Rechteckhöhe
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Das Ausmessen der Zeit t mit einem elektronischen Zeitmesser mit der kleinsten Zeiteinheit Tz ergibt die Zahl
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Kompensation des durch den Galvanometerstrom bedingten Fehlers.
Bei vollständigem Abgleich der Schaltung, d. h. bei Galvanometerstrom IG = 0, ist entsprechend den
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der an den Widerständen im Kompensationskreis einen Spannungsabfall hervorruft. Nimmt man an, dass bei grösster Rechteckbreite des Kompensationsstromes der kleinste Galvanometerstrom fliesst, der mit abnehmender Rechteckbreite zunimmt, so kann man hiefür den Ansatz machen IG = k (T-t). Man erhält dann für die Spannung Ux die Beziehung : IG = k (T - ts) : UX + IG (Ri + RG + RK) = IK RK
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Es ist jetzt also keine Proportionalität mehr zwischen und t, sondern es treten im Vergleich mit Gleichung4 noch zwei weitere Ausdrücke auf. Diese lassen sich kompensieren durch einen parallel zum ge- steuerten Schalter S liegenden Widerstand R.
Dieser bewirkt, dass bei geöffnetem Schalter S der Kompensationsstrom IK nicht auf 0 abnimmt, sondern ein Reststrom mit der Höhe L weiterfliesst (Fig. 5b).
Man erhält dann die Beziehung
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und der Widerstände im Kompensationskreis auf die Anzeige eliminieren.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Selbstabgleichender Kompensationsverstärker mit konstantem Kompensationswiderstand und ver- änderlichem Kompensationsstrom, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsstrom periodischen rechteckförmigen Verlauf konstanter Höhe und veränderlicher Rechteckbreite hat und der selbsttätige Abgleich durch Veränderung der Rechteckbreite so erfolgt, dass als Ausgangsgrösse eine der zu messenden Spannung (Ux) proportionale Zeit (t.) entsteht, die digital gemessen werden kann.
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