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Verstärkerschaltung, insbesondere für die Zwecke der Fernmessung.
Es liegt häufig die Aufgabe vor, kleine Ströme oder Spannungen mit Hilfe von Geräten anzuzeigen, die einen verhältnismässig hohen Verbrauch aufweisen. Diese Aufgabe liegt beispielsweise bei der Registrierung von Temperaturen vor, die durch Thermoelemente gemessen werden. Die gleiche Aufgabe ergibt sich bei der Fernmessung sowohl in dem Falle, dass ein der zu messenden Grösse entsprechender
Strom über eine längere Leitung geführt wird, wie z. B. beim Tachometerverfahren, als auch bei Impulsverfahren, bei welchen mitunter am Empfangsort nur verhältnismässig geringe Energien zur Verfügung stehen. Zur Messung kleiner Ströme und Spannungen hat man bereits vorgeschlagen, Kompensationsverfahren zu verwenden.
Bei diesen Verfahren werden aber entweder zur Steuerung des Kompensationsstromes Kontakte verwendet oder es wird das Anzeige-oder Registriergerät nicht unmittelbar vom Messstrom, sondern unter Zuhilfenahme mechanischer Zwischenglieder eingestellt. Die Erfindung betrifft eine Schaltanordnung, bei der der Kompensationsstrom unmittelbar dem Anzeige-, Registrier-oder Regelgerät zugeführt wird und bei der dieser Strom ohne Zuhilfenahme mechanischer Kontakte gesteuert wird. Gemäss der Erfindung wird eine Schaltanordnung verwendet, bei welcher der verstärkte Strom, der im folgenden als Sekundärstrom bezeichnet wird, von einer Entladungsröhre, vorzugsweise einer Hochvakuumröhre, geliefert wird und bei welcher die dieser Röhre (die im folgenden als Steuerröhre bezeichnet wird) zugeführte Steuerspannung von einer Hilfsstromquelle geliefert wird.
Diese Steuerspannung wird von einem Messgerät beeinflusst, auf welches die Differenz zwischen dem zu verstärkenden Strom oder der zu verstärkenden Spannung (Primärstrom) und einem Bruchteil des Sekundärstromes einwirkt. Die Hilfsspannungsquelle kann für eine oder mehrere Verstärkerschaltungen gemeinsam sein.
Um den Energiebedarf der zur stetigen Veränderung der Steuerspannung notwendigen Mittel herabzusetzen und damit die Empfindlichkeit der Anordnung zu steuern, empfiehlt es sich, verhältnismässig lohe Frequenzen der Hilfsspannung, zweckmässig über dem hörbaren Gebiet, zu benutzen. Man wird deshalb zweckmässig die Hilfsspannung mit Hilfe von Röhrensummern erzeugen. Für niedrigere Frequenzen in der Grössenordnung von 1000 Hertz kann man auch Stimmgabel-oder Mikrophonsummer benutzen. Man kann die Hilfsspannung auch dem Netz, wenn nötig, mit Hilfe von Frequenzumformern cder ruhenden Frequenzverdopplern entnehmen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Soweit die einzelnen Figuren übereinstimmen, sind die gleichen Bezugszeichen gewählt.
Mit 1 ist ein Glühkathodenrohr bezeichnet, das den Sekundärstrom liefern soll. Im Anodenkreis c'dieses Rohres liegt ein Widerstand 2, ein Anzeige-, Registrier-oder Regelgerät 3 und die Anodenspannungsquelle (Batterie oder Netzanschlussgerät) 4. Mit 5 ist die von dem zu messenden Strom durchflossene Spule eines Kompensationsgerätes bezeichnet. Diese Spule besitzt bei allen dargestellten Ausführungsbeispielen nur eine Wicklung, durch die sowohl der zu messende Strom (Primärstrom) als auch ein vom Sekundärstrom abgezweigter Bruchteil hindurcl geleitet wird. Dieser Bruchteil kann durch einen Widerstand 6 verändert werden. Die Grösse des Bruchteiles wird durch das Verhältnis der Widerstände 2 und 6 bestimmt.
Anstatt auf die beschriebene Art auf elektrischem Wege die Differenz zwischen Primärstrom und einem Bruchteil des Sekundärstromes zu bilden, kann man dies auch auf mechanischem Wege tun,
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wenn man dem Kqmpensationsgerät mehrere Messsysteme gibt, auf welches je einer dieser Ströme einwirkt, oder wenn die Spule 6 getrennte Wicklungen hat. In den beiden letzteren Fällen bestimmt der Widerstand der zweiten Wicklung zusammen mit dem Widerstand 6 und dem Widerstand 2 den wirksamen Bruchteil des Sekundärstromes. Das Magnetfeld, in,-welchem sich die Spule 5 bewegt, ist der Über- sichtlichkeit halber in sämtlichen Figuren weggelassen. Dadurch soll auch zum Ausdruck gebracht werden, dass für die Erfindung die Art des Messsystems belanglos ist.
Der zu messende Strom oder die zu messende Spannung wird dem Kompensationsgerät an den Punkten 7 und 8 zugeführt. Bei der Einrichtung nach Fig. 1 ist die Spule 5 mit einer weiteren drehbaren Spule 9 gekuppelt. Diese Spule liegt in dem vom Hilfsgenerator 10 und der Spule 11 erzeugten Wechselfelde. Je nach der Stellung dieser Spule gegenüber dem Felde wird dem Gitter der Röhre 1 eine grössere oder kleinere Spannung zugeführt. Da der Röhre durch die Gitterbatterie 12 oder durch Vorschalten eines Kondensators (Audionschaltung) eine gleichrichtende Wirkung erteilt wird, ist der Mittelwert des Anodenstromes stetig abhängig von der Stellung der Spule 9 in bezug zum Wechselfeld.
Die Einrichtung wirkt in folgender Weise. Es sei angenommen, dass an den Punkten 7 und 8 ein bestimmter Strom zugeführt wird. Durch diesen Strom wird ein Drehmoment auf die Spule 5 ausgeübt, so dass sich diese Spule bewegt und dabei die Spule 9 mitnimmt. Dadurch wird je nach der Drehrichtung der Spule die der Röhre 1 zugeführte Steuerspannung verkleinert oder vergrössert, und dadurch wird der Mittelwert des Anodenstromes beeinflusst, u. zw. so lange, bis der über den Widerstand 6 fliessende Bruchteil des Sekundärstromes dem Primärstrom gleich geworden ist ; dann verschwinden die auf die Spule 6 einwirkenden Kräfte, und das Messsystem, auf welches möglichst geringe Richtkräfte einwirken, bleibt in Ruhe. Es hat sich also selbsttätig ein Sekundärstrom eingestellt, der ein bestimmtes Vielfaches des Primärstromes ist.
Die auf die Spule einwirkende Richtkraft (Zuführungsfedern) lassen sich so weit verringern, dass ein störender Einfluss auf die Messgenauigkeit nicht ausgeübt wird. Die Einrichtung
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auch die Hilfs-und Anodenstromquelle genügend konstant ist, während bei richtkraftlosen Systemen sich Änderungen der Spannung dieser Stromquellen nicht störend bemerkbar machen.
Je nachdem, ob die Steuerspannungsquelle 10 hohe oder tiefe Frequenzen erzeugt, wird man die Spule 9 in einem mit Eisen versehenen oder eisenlosen von der Hilfsspannungsquelle 10 erregten Magnetkreise anordnen.
Beim Ausführungsbeispiele nach Fig. 2 wird die Steuerspannung mit Hilfe einer Fahne 13 beeinflusst, die von der Spule 5 bewegt wird. Diese aus Kupfer, Aluminium od. dgl. hergestellte Fahne liegt zwischen einer vom Hilfsgenerator 10 erregten Spule 14 und einer zwischen Gitter und Kathode liegenden Spule 15.
16 ist ein Kondensator, 47 der zugehörige Ableitewiderstand. Je nach der Stellung der Fahne 13 wird das von der Spule 14 erzeugte Feld gegenüber der Spule J ! J mehr oder weniger abgeschirmt und dadurch die Steuerspannung verändert. Der Messstrom wird bei dem Ausführungsbeispiele nach Fig. 2 von einer Fernmessempfangsschaltung geliefert. 17 ist die Fernleitung, durch die dem Empfangsrelais 18 die Fern-
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der Kondensator 19 über die Batterie 20 und die Spule 5umgeladen, so dass der Mittelwert des Ladestromes der Messgrösse entspricht. Die Anordnung gemäss Fig. 2 erzeugt einen dem Mittelwert dieses Stromes proportionalen Sekundärstrom. Um kleine Pulsationen vom Messgerät 3 fernzuhalten, kann zum Messinstrument 3 ein Kondensator grosser Kapazität 21 parallel geschaltet werden.
Auch der Spule 6 kann ein Kondensator parallel geschaltet sein.
Bei Messsystemen ohne wesentliche Richtkraft können die auf die Fahne 13 einwirkenden elektrodynamischen Kräfte störend wirken. Diese Kräfte lassen sich beseitigen, wenn man gemäss Fig. 3 der Spule 14 eine längliche Form gibt und sie derart ausbildet, dass ihre Längsabmessung gross gegenüber der Breite der Fahne 13 ist. Die Abmessungen der Spule müssen dann etwa den Abmessungen der Fahne 13 entsprechen, damit diese Spule von der Fahne abgedeckt werden kann.
Beim Ausführungsbeispiele nach Fig. 4 wird die Steuerspannung der Röhre auf kapazitivem Wege beeinflusst. Die Steuerspannung wird über den aus den Platten 22 und 23 bestehenden Kondensator zugeführt. Zwischen den Platten dieses Kondensators ist die von der Spule 5 bewegte Fahne 24 angeordnet, die mit der Kathode der Röhre 1 verbunden ist. Je nach der Stellung dieser Fahne ist die wirksame Kapazität zwischen 22 und 23 grösser oder kleiner. Wegen des Ableitewiderstandes 47 bzw. der Gitter- und Anodenkapazität wird die Grösse der Steuerspannung von der wirksamen Kapazität zwischen 22 und 23 bestimmt. Die Steuerspannung ist also abhängig von der Stellung der Fahne 24.
Die Wirkungsweise der Einrichtung nach Fig. 4 stimmt im übrigen mit der Wirkungsweise der Einrichtung nach den Fig. 1 und 2 überein.
Bei der Einrichtung nach Fig. 4ist angenommen, dass der Primärstrom von einer Fernmessanordnung geliefert wird, die nach dem Tachometerprinzip arbeitet. Mit 26 ist der Fernmesssender bezeichnet.
26 ist die Fernleitung.
Bei der Anordnung nach Fig. 5 ist das Gitter der Röhre 1 an einen Schwingungskreis angeschlossen, der aus einer Kapazität 27 und einer Induktivität 28 besteht. Die Induktivität 28 ist mit einer von einer Hilfsspannungsquelle gespeisten Spule 29 gekoppelt. Parallel zur Kapazität 27 ist die veränderliche
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Kapazität 30 geschaltet, deren bewegliche Platte 31 von der Spule 5 verdreht werden kann. Die Ab- stimmung des Schwingungskreises 27, 28, 30 wird so gewählt, dass bei einer mittleren Überdeckung der
Platten des Kondensators 30 die Frequenz der Hilfsstromquelle 10 etwa in der Mitte des auf-oder ab- steigenden Astes der Resonanzkurve liegt.
Eine Verstellung des Kondensators 30 ruft dann je nach der
Drehrichtung eine Steigerung oder Verringerung der Gitterspannung und damit des Anodenstromes hervor. Bei der Einrichtung nach Fig. 5 ist angenommen, dass die Punkte 1 und 8 an ein Thermoelement 32 angeschlossen sind. Die Fernleitung kann entweder zwischen dem Thermoelement und den Punkten 7 und 8 liegen, sie kann aber auch zwischen das Messgerät 3 und die Kompensationsanordnung gelegt werden, wie in Fig. 5 durch punktierte Linien angedeutet ist. Auch bei den übrigen dargestellten Ausführungsbeispielen kann zwischen Messgerät und Kompensationsgerät eine Fernleitung liegen.
Allen dargestellten Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass sich die Änderungsrichtung der
Steuerspannung nach dem Überschreiten einer bestimmten Stellung des Steuerorgans umkehrt. Es empfiellt sich daher, die Bewegungsfreiheit des Steuerorgans durch Anschläge auf einen solchen Bereich (Spule 9 Fig. 1, Fahne 13 Fig. 2, Fahne 24 Fig. 4, Kondensator 31 Fig. 5) festzulegen, in welchem die Änderungsrichtung der Steuerspannung eindeutig festliegt. Bei der Einrichtung nach Fig. 1 beträgt dieser Bereich 90 , bei den übrigen Ausführungsbeispielen ist er entsprechend der geringeren Überdeckung des Steuerorgans und der an die Steuerröhre angeschlossenen Schaltelemente geringer.
Sämtliche der beschriebenen Einrichtungen sind auch brauchbar, wenn auf die Achse, welche die Spule 5 trägt, eine Kraft ausgeübt wird, die einem zu übertragenden Messwert, z. B. der elektrischen Leistung, entspricht. Man kann beispielsweise bei der Einrichtung nach Fig. 2 den Kondensator 19, das Relais 18 und die Batterie 20 weglassen und auf die Achse der Spule 5 einen Ferraristrieb setzen.
Dieser Ferraristrieb ist gestrichelt angedeutet und mit 33 bezeichnet. Wenn man gleichzeitig auch der Spule 5 einen Messstrom zuführt, dann kann man auf die Einflüsse, welche von dem Ferraristrieb 33 odei einem andern Messsystem ausgeübt werden, mit dem Einfluss summieren, den der an den Punkten 7 und 8 zugeführte Strom hervorruft. Auch kann man mehrere von verschiedenen Messgrössen beeinflusste Systeme auf eine gemeinsame Achse setzen. Auf diese Weise erhält man eine einfache Summierung mehrerer Messgrössen. Je nach der Richtung der von diesen Systemen ausgeübten Kräfte kann man wahlweise die Differenz oder die Summe bilden.
Bei den dargestellten Schaltungen ist es schwer, den durch das Messgerät 3 fliessenden Strom bis auf den Wert Null zu bringen. Dies lässt sich aber durch eine Änderung der Schaltung erreichen. Solche Schaltungen sind in den Fig. 6 und 7 dargestellt. Die mit den übrigen Figuren übereinstimmenden Teile tragen die gleichen Bezugszeichen.
Bei der Schaltung gemäss Fig. 6 liegt das Messgerät 3, die Widerstände 2,6 und die Spule 5 im Diagonalzweig einer Wheatstoneschen Brücke. In dem einen Zweige liegt die Steuerröhre 1 und in dem andern Zweige die Hilfswiderstände 34, 35, 36. Der Einfluss der Spule 5 auf die Röhre ist schematisch durch den Pfeil 37 angedeutet. Die Wirkungsweise dieser Schaltung ist leicht zu übersehen. Sie stimmt im wesentlichen mit der Wirkungsweise der Einrichtung nach den Fig. 1. 2,4 und 5 überein, lediglich mit dem Unterschiede, dass wegen der Brückenanordnung der Strom im Brückenzweige seine Richtung ändert und auch Null werden kann, obwohl durch die Röhre 1 der Strom stets in der gleichen
Richtung fliesst.
Die Schaltungen nach den Fig. 6 und 7 können ebenso wie die Spule nach Fig. 3 auch bei andern
Kompensationsanordnungen verwendet werden, bei welchen die Röhre in anderer Weise, als oben beschrieben, gesteuert wird.
Ein anderer Weg, auch die Messgrösse Null oder positive oder negative Messgrössen anzuzeigen, besteht darin, dass man dem Anzeige-, Mess-oder Regelgerät und dem Kompensationsgerät zwei Wicklunghälften gibt, die einander zugeordnet sind und die im entgegengesetzten Sinne vom Strom durchflossen werden. Die Schaltung wird so getroffen, dass die eine Wicklungshälfte des Messgerätes und die eine Wicklungshälfte des Kompensationsgerätes mit der Steuerröhre in Reihe liegen. Dabei kann wie in den schon beschriebenen Ausführungsbeispielen der durch die eine Wicklungshälfte des Kompensationsgerätes fliessende Strom durch Parallelschaltung eines Widerstandes auf einen bestimmten Bruchteil des durch die zugeordnete Wicklungshälfte des Anzeigegerätes fliessenden Stromes gebracht werden.
Die zweite Hälfte der Wicklung des Anzeigegerätes und die zweite Hälfte der Wicklung des Kompensationsgerätes werden in der gleichen Weise geschaltet, nur mit dem Unterschied, dass an Stelle der Steuerröhre ein Widerstand tritt. Man könnte auch ein zweites Steuerrohr verwenden, das im entgegengesetzten Sinne wie das erste Steuerrohr beeinflusst wird (Gegenschaltung).
Ein Ausführungsbeispiel dieser Art ist in Fig. 7 dargestellt. Die mit den vorhergehenden Figuren übereinstimmenden Teile tragen die gleichen Bezugszeichen.'Die Wicklungshälften des Anzeigegerätes sind mit 3'und 3"bezeichnet ; 38 ist ein Widerstand, der den durch die Wicklungshälfte 3"fliessenden Strom bestimmt. Die Wicklungshälften 3'und 3"und die Wicklungshälfte des Kompensationsgerätes 5 sind so geschaltet, dass sie im entgegengesetzten Sinne wirken. Die Vorschaltwiderstände 39'und- ? 9" dienen zusammen mit den Widerständen 2'und 2" zur Einstellung des über das Kompensationsgerät fliessenden Bruchteile des Sekundärstromes.