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Selbstkompensierender Verstärker mit elastischer Rückführung.
Es sind selbstkompensierende Verstärker für elektrische Ströme oder Spannungen bekannt, bei denen die Eingangsgrösse das Messwerk eines Galvanometers beeinflusst, das eine von einer Hilfs- stromquelle gespeiste Widerstandsanordnung steuert. Die Hilfsstromquelle erzeugt einen verstärkten Strom, der ein diesen wirksam machendes Gerät, z. B. einen Tintenschreiber zum Aufzeichnen der Eingangsgrösse, durchfliesst.
Derartige Verstärker sind in der Regel mit Trägheit behaftet. Wenn z. B. als Widerstandsanordnung in an sich bekannter Weise eine Bolometerschaltung benutzt wird, deren Widerstände von der Hilfsstromquelle erwärmt und durch einen von dem Messwerk des Galvanometers gesteuerten Luftstrom gekühlt werden, so vergeht bei Änderungen der Eingangsgrösse eine gewisse Zeit, bis die Stromverteilung in der Bolometeranordnung sich der jeweiligen Einstellung des Galvanometermesswerkes angepasst hat. Infolgedessen tritt ein Pendeln des Galvanometermesswerkes auf, das ein ordnunggemässes Arbeiten des Verstärkers unmöglich macht.
Dieser Übelstand kann gemäss der Erfindung durch einen Kondensator beseitigt werden, der so geschaltet und bemessen ist, dass der Spannungsabfall an einem von dem verstärkten Strom durchflossenen Widerstand Lade-bzw. Entladestrome hervorruft, die unmittelbar dem Messwerk zugeleitet werden und solche Grösse haben, dass die Trägheit des Verstärkungsvorganges in ihrer Wirkung auf das Messwerk nahezu kompensiert wird. Dadurch wird erreicht, dass bei richtiger Bemessung des Kondensators die Trägheit des Verstärkungsvorganges im Messwerk nicht zur Wirkung kommt.
Statt dessen kann man aber auch einen Transformator benutzen, in dessen Primärwicklung der verstärkte Strom fliesst und in dessen Sekundärwicklung eine von der Änderung des Primärstromes abhängige Spannung induziert wird, die sich zu dem Spannungsabfall an einem mit ihr in Reihe geschalteten Nebenwiderstand addiert.
In der Zeichnung sind vier Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine Schaltung zum Aufzeichnen eines elektrischen Stromes i unter Benutzung eines Kondensators zur elastischen Rückführung. Fig. 2 zeigt eine Schaltung zum Aufzeichnen einer elektrischen Spannung e, ebenfalls unter Benutzung eines Kondensators zur elastischen Rückführung. Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnungen nach Fig. 1 und 2.
Fig. 4 zeigt eine Schaltung zum Aufzeichnen einer elektrischen Spannung e unter Benutzung eines Transformators zur elastischen Rückführung. Fig. 5 zeigt eine Schaltung zum Aufzeichnen eines elektrischen Stromes i, ebenfalls unter Benutzung eines Transformators zur elastischen Rückführung.
In Fig. 1 ist an die Eingangsklemmen für den zu verstärkenden Strom i die Drehspule 1 eines Galvanometers angeschlossen, dessen Zeiger eine Fahne 2 trägt. An das Galvanometer schliesst sich ein Stromkreis an, der einen verhältnismässig kleinen Widerstand Rund einen verhältnismässig grossen Widerstand Ru enthält. An die Klemmen des Widerstandes R"ist die Reihenschaltung einer aus den Widerständen 3, 4, 5, 6 bestehenden Bolometeranordnung und eines Tintenschreibers 7 angeschlossen.
Die Bolometerwiderstände sind nach Art einer Brückenschaltung miteinander verbunden, die an eine Gleichstromquelle 8 angeschlossen ist.
Die Bolometerwiderstände sind in an sieh bekannterweise so angeordnet, dass die Fahne 2 je nach ihrer Stellung entweder die Widerstände 3 und o oder die Widerstände 4 und 6 mehr oder weniger
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abdeckt und so vor der Abkühlung durch einen in beliebiger Weise erzeugten Luftstrom schützt. Gemäss der Erfindung ist nun ein Kondensator 9 vorgesehen, der zu der Reihenschaltung des Widerstandes Rv und des Tintenschreibers 7 parallel geschaltet ist.
In abgeglichenem Zustande fliesst durch die Galvanometerspule 1 kein Strom und es ist
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wobei J der verstärkte Strom ist, der von dem Tintenschreiber aufgezeichnet wird.
Daraus folgt :
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d. h. der Strom J ist proportional i und im Verhältnis
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verstärkt. Wenn nun der Eingangsstrom i z. B. ansteigt, so fliesst durch die Galvanometerspule ein Strom, der die Fahne 2 z. B. nach rechts bewegt. Dadurch verändert sich die Stromverteilung in der Bolometerschaltung so lange, bis der Abgleich wieder hergestellt ist. Infolge der thermischen Trägheit der Bolometerwiderstände erfolgt der Abgleich aber erst allmählich. In dem gleichen Sinne wirkt auch die Ankerrückwirkung des Tintenschreibermesswerkes. Infolgedessen treten störende Pendelungen des Galvanometersystems auf.
Nimmt man nun z. B. an, dass die Fahne 2 sich plötzlich um eine gewisse Strecke bewegt, so folgt die Widerstandsänderung der Bolometerschaltung dieser Bewegung nicht augenblicklich, sondern erst allmählich, d. h. die Stromstärke J und damit auch die Galvanometerstärke in steigt etwa nach einer Exponentialkurve an, wie sie in Fig. 3 durch die mit ill bezeichnete Kurve dargestellt ist. Infolge des von dem Strom J in dem Widerstand des Tintenschreibers 7 erzeugten Spannungsabfalls tritt in dem Kreise des Kondensators 9 ein Ladestrom auf, der der ersten Ableitung des Stromes J entspricht, also
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gesetzt werden kann. Der Ladestrom ie nimmt dabei nach einer Exponentialkurve ab, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist.
Wenn die Fahne 2 3 plötzlich nach der andern Seite ausschlägt, so nimmt der Strom J nicht augenblicklich, sondern ebenfalls allmählich nach einer Exponentialkurve ab. In diesem Falle entsteht in dem Kondensatorkreis ein Entladestrom, der ebenfalls nach einer Exponentialkurve abnimmt entsprechend der Darstellung in Fig. 3.
Da nun der Kondensator 9 so geschaltet ist, dass der Lade-bzw. Entladestrom il, sich dem Galvanometerstrom ig überlagert, so werden die Pendelungen des Galvanometermesswerkes verschwinden, wenn der es durchfliessende Gesamtstrom ig + ii, konstant bleibt. Man erkennt nun aus der Fig. 3 leicht, dass es möglich ist, den Kondensator 9 so zu bemessen, dass diese Bedingung stets annähernd erfüllt ist, so dass die Trägheit des Verstärkungsvorganges im Galvanometermesswerk nicht zur Wirkung kommt und die Schwankungen des Eingangsstromes i wertgetreu durch den Strom J von dem Tintenschreiber aufgezeichnet werden.
Im wesentlichen in der gleichen Weise wirkt auch die in Fig. 2 dargestellte Schaltung zum Aufzeichnen einer Spannung e. Hier fehlt der Widerstand Rv. Vielmehr ist der Galvanometerkreis über einen Widerstand Rn geschlossen, an dessen Klemmen die Reihenschaltung der von dem Messwerk des Galvanometers gesteuerten, von der Hilfsstromquelle 8 gespeisten Widerstandsanordnung. 3, 4, 5, 6 und des Tintenschreibers 7 angeschlossen ist. Gemäss der Erfindung ist nun ein Kondensator 9 zu der Reihenschaltung des Galvanometers 1 und der von dessen Fahne 2 gesteuerten Widerstandsanordnung parallel geschaltet. Auch hier ist es möglich, den Kondensator so zu bemessen, dass die Trägheit des Verstärkungsvorganges kompensiert wird.
In Fig. 4 liegt an der zu messenden Spannung e ein Drehspulmesswerk 1, z. B. ein Galvanometer, dessen Zeiger mit einer Fahne 2 versehen ist, die über den Bolometerwiderständen 3, 4,5, 6 spielt und in der an sich bekannten Weise dadurch die Kühlung der Bolometer durch einen Luftstrom steuert.
In den Galvanometerstromkreis ist ein Nebenwiderstand 10 geschaltet, von dessen Bemesung die Empfindliehkeit der Einrichtung abhängig ist. Mit der Widerstandsanordnung 3, 4, 5, 6 ist ein Anzeigeinstrument, zweckmässig ein Tintenschreiber 7, in Reihe geschaltet, in dem der verstärkte Strom zur Wirkung kommt. Mit diesem Instrument 7 und dem Regelmesswerk sind nun die Primär-und Sekundärwicklungen 11 a und 11 b eines Wandlers in Reihe geschaltet.
Die Bolometerwiderstände 3, 4, 5, 6 sind so angeordnet, dass die Fahne 2 des Regelmesswerkes beim Ausschlag entweder über den Bolometern 4 und 5 oder 3 und 6 spielt. Dadurch treten an den
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Diagonalpunkten der aus den Widerständen gebildeten Büicke Spannungsänderungen auf, die im Regelmesswerk einen Strom J2 erzeugen, der sich durch folgende Beziehung ergibt :
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Hierin bedeuten Ri den inneren Widerstand der Bolometerbrücke, Rs den inneren Widerstand des Anzeigeinstrumentes, i den ohmsehen Primärwiderstand des Transformators, LI die primäre Selbstinduktion des Transformators, R2 den ohmschen Widerstand der Sekundärwicklung des Transformators, Z die sekundäre Selbstinduktion, M die Wechselinduktion des Transformators, Rg den Widerstand des Regelmesswerkes, Rn den ohmschen Wert des Nebenwiderstandes 10 und U1 die Diagonalspannung
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Wird nun das Steuergalvanometer plötzlich um einen kleinen Winkel abgelenkt, so erscheint die Spannung U1 nicht plötzlich, sondern nach einem Zeitgesetz, das sieh aus dem Erwärmungsvorgang der Bolometer ergibt.
Dieses Zeitgesetz kann näherungsweise durch eine Exponentialfunktion dargestellt werden.
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Dabei ist Ti die Ersatzzeitkonstante der Bolometer. Fordert man, dass der das Galvanometer durchfliessende Strom J2 einem ähnlichen Zeitgesetz gehorcht, so kann man J2 schreiben :
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Setzt man diese Werte und Beziehungen in die Gleichung 1 ein, so wird die Gleichung 1 durch folgende Werte erfüllt :
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d. h., wählt man den Transformator so, dass seine Weehselinduktion nahe an dem Wert liegt, der sich aus dem Produkt der Ersatzzeitkonstante der Bolometer und dem Obmwert des Nebenwiderstandes 10 ergibt, so wird die thermische Trägheit bis auf einen Restbetrag T2 kompensiert.
Die differenzierende elastische Rückführung ist dann richtig, wenn dieser Restbetrag T2 kleiner ist als die Trägheit Ti der Bolometer.
Die gleiche differenzierende Rückführung kann man nun auch in einer Schaltung, wie sie beispielsweise in Fig. 5 dargestellt ist, vornehmen. In diesem Falle liegt das Regelmesswerk 1 an den Eingangsklemmen für den zu verstärkenden Strom i, und in Reihe dazu ist ein weiterer Widerstand 12 mit relativ grossem Ohmwert geschaltet. Die Berechnung der Wechselinduktion des Transformators 9 entspricht derjenigen für die Schaltungen in Fig. 1. Es ergibt sich wiederum für den Wert M das Produkt Rn. Tl, und in dem Restbetrag T2 tritt ausserdem noch der ohmsche Wert des Widerstandes 12 auf. Auch in diesem Falle wird also eine Kompensation bis auf einen unwesentlichen Restbetrag erreicht.
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