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Verfahren zur logarithmischen Anzeige von Wechselspannungen Geräte
zur logarithmischen Spannungsanzeige sind bereits vielfach bekanntgeworden.
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Man benutzte dabei logarithmisch geteilte Potentiometer, sei es als
Stufenpotentiometer mit festen Widerständen, sei es als Flüssigkeitspotentiometer,
oder man verwendete nichtlineare Widerstände in Form von Exponentialröhren oder
Sperrschichtgleichrichtern. Allen diesen Einrichtungen haftet einer von zwei wesentlichen
Mängeln an. Die verwanten Regelelemente gestatten entweder nur eine mehr oder wenige
genaue Annäherung an die logarithmische Kennlinie über einen beschränkten Amplitudenbereich,
oder die Potentiometer erfordern wegen ihrer bewegten Massen erhebliche Kräfte und
Zeit zur Verstellung. An Stelle der annähernd logarithmischen Regelglieder setzt
die Erfindung einen Vorgang, der exakt exponentiell bzw. logarithmisch verläuft,
und dessen Anzeigegeschwindigkeft nicht oder nur sehr wenig von der Trägheit mechanisch
bewegter Teile abhängig ist.
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Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur logarithmischen Anzeige
von Spannungen dadurch geschaffen, daß ein Kondensator periodisch aufgeladen, der
abklingenden Kondensatorspannung die zu messende gegenüber der Zeitkonstanten des
Kondensators hochfrequenten Wechselspannung überlagert wird und daß nach dem jeweils
erstmaligen Erreichen des Spannungswertes Null eine Kippvorrichtung betätigt wird,
die an einer entsprechenden Anzeigevorrichtung diesen Zeitraum angibt.
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Dieses Verfahren geht von dem Grundgedanken aus, daß ein Kondensator
eine exponentiell abklingende Entladungscharakteristik aufweist und diese zur logarithmischen
Anzeige ausgenutzt werden kann. Wird der abklingenden Kondensatorspannung eine zu
messende Wechselspannung mit der Amplitude Um überlagert, wobei die Frequenz von
Um hinreichend groß gegenüber der Zeitkonstante RC ist dann erreicht der Momentanwert
der Summenspannung v,= UetIRC t Um erstmalig den Wert Null nach der Zeit t = RC
(lt U1» Um), vom Beginn der Entladung ab gerechnet.
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Fig. I soll diesen Vorgang etwas näher erläutern. Der Kondensator
ist im Zeitpunkt t0 auf die volle Spannung U aufgeladen und entlädt sich nach der
Kurvea. Wird nun eine Wechselspannung Um überlagert, so ergeben sich Abklingkurven
der Form b. Nach dem Zeitintervall t berührt die Kurve b erstmalig
die
Abszissenachse, d. b. die Verbindungslinie c1 der Halbvellenmaxima schneidet diese.
Wird statt der Spannung t"tn der Kondensatorspannung eine kleinere Wechselspannung
überlagert, so tritt der Zeitpunkt des erstmaligen Erreichens des Nullwertes später
ein. Die Kurvenzüge d1, d2 stellen die Begrenzungslinien für eine kleinere überlagerte
Wechsel spannung dar.
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Die erste Halbwelle mit umgekehrtem, zweckmäßig positivem \torzeichen
bringt sodann eine Kippvorrichtung zum Ansprechen.
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Bis zum Ende der Durchlaßperiode fließt dann durch diese Kippvorrichtung
zum Anzeigegerät eine Elektrizitätsmenge die durch die Größe der aufgedrückten Wechselspannung
bestimmt ist. Ein derartiger Stromverlauf ist in Fig. 2 dargestellt und eine rechteckige
Stromkurvenform angenommen. Es ist zu erkennen, daß vom Zeitpunkt t an bis zum Ende
der Durchlaßperiode ein Strom fließt. Ist die Wechselspannung dagegen kleiner als
Um, so tritt erst iIn Zeitpunkt t1 der Stromstoß auf, und die dem Anzeigegerät zugeführte
Elektrizitätsmenge ist bedeutend geringer, und zwar im Verhältnis der Logarithmen
der Wechselspannung.
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Im folgenden sollen Ausführungsbeispiele dieses Erfindungsgedankens
näher beschrieben werden. Fig. 3 zeigt eine derartige Anordnung, die sich zur periodisehen
Aufladung des Kondensators eines Relais R bedient, das im vorliegenden Fall an Wechselstrom
von 50Hz gelegt ist. Die Anforderungen an dieses Relais sind praktisch ohne grundsätzliche
Schwieriglieiten zu erfüllen, da eine Prellfreiheit nicht gefordert ist und zeitliche
Änderungen der Schaltzeit gegebenenfalls leicht durch Nacheichen der Anordnung eliminiert
werden können und die Kontaktleistung klein ist. Als Kippvorrichtung können verschiedene
Anordnungen, z. B. ebenfalls Relais, dienen.
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In dem Beispiel ist eine gittergesteuerte Gas-oder Dampfentladungsstrecke
G verwendet.
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In dem Gitterkreis liegen in Serienschaltung der Aufiadekondensator
und die zu messende Wecbselspannung Um sowie eine Vorspannungsstromquelle. Das Relais
R bewirkt mit seinem Kontakt r lrechselweise die Aufladung des Kondensators durch
die Spannung U oder die Entladung über den Widerstand W.
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Wie dargestellt, kann die Gasentladungsstrecke anodenspannungsseitig
an der gleichen Wechselspannung liegen wie das Relais, wenn man für diese Spannung
einen rechteckförmigen Verlauf voraussetzt. In den Anodenstromkreis ist eine Anzeigevorriditung
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Wie oben bereits gesagt, ist als lkippvorrichtung, sofern es sich
um eine Meßspannung relativ niedriger Frequenz handelt, eine Relaisschaltung verwendhar,
die automatisch den in Fig. 2 gezeigten rechteckigen Stromverlauf für die Anzeigevorrichtung
liefert: denn nur bei dem Vorhandensein eines angenähert rechteckigen Stromes ist
die Anzeige dem Logarithmus der Meßspannung proportional. Wird dagegen eine gittergesteuerte
Gas- oder Dampfentladungsstrecke verwendet, so muß durch zusätzliche Maßnahmen dafür
gesorgt sein, daß die Anodenspannung während der Durdilaßhalbperiode konstant ist.
Zufolge weiterer Ausbildung der Erfindung werden daher Mittel vorgesehen, die einen
rechteckigen Stromverlauf erzielen. Als solches kommt beispielsweise ein gesättigter
tShertrager in Frage, der die Netzlvechselspannung entsprechend umformt.
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Statt dessen kann aber auch ein zweites Relais verwendet werden, das
beispielsweise in der in Fig. 4 gezeigten Weise an das Wechselstromnetz angeschlossen
wird. Die Nilagnetwicklung R2 liegt direkt an der Wechsel spannung und schließt
mit ihrem Kontakts, den Anodenstromkreis der Entladungsstrecke über die Anodenspannungsquelle
AB. Gleichzeitig mit dem Schließen des Anodenstromkreises der Entladungsröhre G
durch den Kontakt r2 wird das zur periodischen Auf- bzw. Entladung des Kondensators
C dienende Relais R an die Anodenspannungsquelle gelegt. Ferner ist auch die Verwendung
einer weiteren netzgesteuerten Gas- oder Dampfentladungsstrecke zur Erzielung einer
rechteckigen Spannung möglich.
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Durch diese Kurvenform der Anodenspannung wird weiterhill bewirkt,
daß die Zündspannung der Entladungsstrecke unabhängig vom Zeitpunkt der Zündung
ist.
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Bei edelgasgefüllten und daher temperaturunabhängigen Entladungsstrecken
läßt sich die Zündspannung sehr genau auf wenige Zehntel Volt konstant halten, so
daß z. B. bei Iooofacher Spannungsverstärkung sicher gezundet wird, wenn die erste
positive Spannungskuppe 1 mV erreicht hat. Man kann hieraus unschwer erkennen, daß
mit verhältnismäßig geringen Aufladespannungen des Kondensators sich ein Anzeigebereich
mit großer Genauigkeit überstreichen läßt, der allen praktischen Anforderungen genügt.
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Wird beispielsweise tT = 100 Volt gewählt, so sind 9,3 Np mit einer
Ungenauigkeit von nur 0,I Np zu überstreichen. Besonders geeignet als Entladungsstrecken
sind solche mit flachem Verlauf der Zündkennlinie.
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Wie eingangs bereits gesagt, ist es für das richtige Arbeiten des
Verfahrens erforderlich, daß die Frequenz der zu messenden Wechsel spannung groß
gegenüber dem Zeitintervall t ist, da andernfalls die Phasenlage
der
Spannung eine sehr bestimmende Rolle spielt. Um nun aber das erfindungsgemäße Verfahren
auch für niedrige Frequenzen, insbesondere die Frequenzen des unteren akustischen
Bereiches, brauchbar zu machen, wird gemäß weiterer Ausgestaltung der.Erfindung
das Modulationsprinzip angewendet.
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In Fig. 5 ist eine derartige Anordnung schematisch dargestellt. Die
zu messende Tonfrequenzspannung T1, die beispielsweise den Bereich von 50 bis 10000
dz umfaßt, wird einem Modulator zugeführt, der vorzugsweise die Form eines Ringmodulators
erhält. Dem Modulator M wird über die Mittelanzapfungen der Übertragerwicklungen
eine Trägerfrequenz T2 von z. B. I5 klfz zugeführt und die Modulationsprodukte am
ÜbertragerU, abgenommen. Um zu vermeiden, daß die niedrigen Frequenzen nun doch
noch störend auf die Kippvorrichtung einwirken, wird eine Filteranordnung F hinter
den Modulator geschaltet, die beispielsweise die Form eines Hochpasses haben kann
und Träger und unteres Seitenband unterdrückt. Das übrige Verfahren gleicht dann
dem anfänglich beschriebenen.
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Unter den an ein logarithmisches Spannungsanzeigegerät zu stellenden
Forderungen war auch die Erzielung einer großen Endleistung zwecks Betätigung eines
Schreibinstrumentes genannt. Bei der vorliegenden Anordnung ist diese Bedingung
ohne weiteres erfüllt und der Anschluß eines einfachen schreibenden Meßgerätes,
beispielsweise eines Tintenschreibers, möglich. Besonders vorteilhaft wird als Anzeigevorrichtung
ein sogenannter Funkenschreiber verwendet, da sich hier, insbesondere in Verbindung
mit einer Gasentladungsstrecke, ein einfacher Aufbau ergibt. Fig. 6 stellt einen
derartigen Funkenschreiber als Anzeigevorrichtung in Verbindung mit der Entladungsstrecke
S als Kippvorrichtung dar. Von dem Wechselstromnetz wird -über den Übertrager S
die Anodenspannung, für deren Kurvenform jetzt keine besonderen Bedingungen gestellt
Werden, der Entladungsstrecke zugeführt.
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Die Sekundärwicklung des Übertragers führt die Meßgröße, d. h. den
zur Zeit erfolgenden plötzlichen Anstieg des magnetischen Flusses im Übertrager,
der eigentlichen Funkenschreiberanordnung, einem-Svnchronmotor mit Schreibelektroden
E2, zu. Hierdurch ist eine trägheitsl ose Aufzeichnung der jeweiligen Meßgröße möglich.
Statt der Verwendung eines wechselstromgespeisten Anzeigegerätes ist es auch möglich,
einen Gleichstrommotor einfachster Konstruktion zu verwenden, wenn auf dessen Achse
Nockenscheiben oder ähnliche Vorrichtungen angebracht sind, die mittels Kontakten
die Aufladung des Meßkondensators bewirken und gleichzeitig aus der Netzgleichspannung
eine Anodenspannung der erforderlichen Frequenz ausschneiden.