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Elektrometrische Schaltungsanordnung mit nichtlinearem
Kondensator zur Messung von Gleichspannungen
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die Trennimpedanz Rl an die Eingangsklemme Vl und mit seinem zweiten Pol über die zweite Trennimpedanz Rz an die zweite Eingangsklemme Vz angeschlossen. Die beiden Pole des Kondensators können eventuell auch unmittelbar mit den beiden Klemmen verbunden werden. Der nichtlineare Kondensator CN ist weiters mit einem Pol an die erste Klemme des Generators G der Speisewechselspannung und mit dem zweiten Pol an den ersten Belag des linearen Kondensators Cl angeschlossen.
Der zweite Belag dieses Kondensators ist mit der zweiten Klemme des Generators G verbunden. Der erste Belag des linearen Kondensators Cl ist auch mit dem Eingang der Impulsformer stufe 0 verbunden.
Zwecks Verminderung der Eingangskapazität des Elektrometers kann der lineare Kondensator Cl in zwei, in Reihe geschaltete Kondensatoren Ci, Cz geteilt werden, wobei der Eingang der Impulsformerstufe 0 an den gemeinsamen Punkt dieser Kondensatoren angeschlossen ist. Die Impulsformerstufe wird also aus einer kleineren Impedanz gespeist, da die Kapazität des Kondensators Cl grösser sein kann als die des Kondensators Cz. Zwecks Impedanzanpassung ist es für manche Fälle vorteilhaft, eine Trennstufe S in die Eingangsleitung der Impulsformerstufe zu legen.
In Fig. 2 ist die Beziehung zwischen der Ladung Q des nichtlinearen Kondensators CN und der Spannung E (Spalte a, oben) dargestellt, sowie Spannungs- und Stromverläufe, auf die später noch zurückgekommen wird.
Die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung kann im wesentlichen auf zwei verschiedene Arten arbeiten. Es sei nun vor allem der erste Fall betrachtet, wo die Nullklemme der Impulsformerstufe 0 an die zweite Klemme des Generators G, d. h. an die mit dem linearen Kondensator Cl verbundene Klemme angeschlossen ist (z. B. Fig. 3,4). Der Eingang der Impulsformerstufe 0 liegt somit am linearen Kondensator C\ und wird durch die an diesem entstehende Spannung gesteuert. In diesem Fall arbeitet dann der lineare Kondensator Cl als Integrationskondensator.
Im Augenblick, indem der augenblickliche Wert der Summe der Eingangs-Gleichspannung des Elektrometers und der SpeiseWechselspannung aus dem Generator G am nichtlinearen Kondensator CN durch den steilen Teil der in Fig. 2, Spalte a, oben, dargestellten Kennlinie geht, läuft durch den nichtlinearen Kondensator stets ein Stromstoss. Die Position dieser Impulse wird also durch die Eingangs-Gleichspannung moduliert und ihre Integration am linearen Kondensator Cl gibt eine Spannung von annähernd rechteckigem Verlauf mit Breitenmodulation. Diese Spannung wird dann weiters durch die Impulsformerstufe 0 begrenzt, so dass dann Amplitude und Form nicht mehr von der Grösse und Form der integrierten Stromimpulse abhängen und also auch nicht von der Stabilität der Kapazität des nichtlinearen Kondensators CN.
Das Tastverhälmis aber und somit auch der Mittelwert dieser Spannung hängen auch weiterhin von der Grösse der dem Elektrometer zugeführten Eingangsspannung ab.
Im zweiten Fall, wo die Nullklemme der Impulsformerstufe 0 mit der ersten Klemme des Generators G, d. h. mit der an den nichtlinearen Kondensator CN angeschlossenen Klemme verbunden ist, gelangt in den Eingang der Impulsformerstufe 0 die Differenzspannung zwischen der Spannung am Generator G und der am linearen Kondensator Cl entstehenden Spannung. Der Eingang der Impulsformerstufe 0 liegt nun am nichtlinearen Kondensator CN und wird durch die an diesem entstehende Spannung gesteuert. In diesem Fall verursacht die den Eingangsklemmen V l'V 2 zugeführte Gleichspannung eine Änderung des Zeitpunktes des Nulldurchganges dieser Spannung und dadurch auch eine Änderung im Tastverhältnis der rechteckigen Spannung im Ausgang der Impulsformerstufe 0.
Im einfachsten Fall kann die Speise-Wechselspannung sinusförmig verlaufen, aber höhere Empfindlichkeit kann erzielt werden, falls bei Wahrung der notwendigen Amplitude die Steilheit des Verlaufes dieser Spannung im Augenblick ihres Durchganges durch den Nullwert möglichst klein ist. Ein geeigneter einfacher Verlauf ist z. B. sägezahnförmig. Zur näheren Erläuterung der Breitenmodulation der entstehenden Spannungsimpulse in Abhängigkeit von der gemessenen Gleichspannung dienen die in der Fig. 2 dargestellten Spannungs-und Stromverläufe. In der Spalte a) ist die Speisespannung ohne und mit einer Gleichspannung Ei dargestellt. In den Spalten b) und c) ist oben der Verlauf der Ladung Q am nichtlinearen Kondensator CN und unten die Kurve der ersten Ableitung dieses Verlaufes, welche dem Strom entspricht, angedeutet.
Die Spalte b) gilt für den Fall ohne angelegter Gleichspannung, die Spalte c) gilt für den Fall mit angelegter (zu messender) Gleichspannung Ei. Die Stromstösse rufen am linearen Reihenkondensator Cl Ladungsverläufe hervor, die den oberen Verläufen entsprechen und den Spannungsverlauf am linearen Kondensator Cl darstellen. Die Breitemodulation der Spannungsimpulse in Abhängigkeit von der Eingangsgleichspannung Ei ist daraus leicht zu ersehen.
Fig. 3 zeigt ein einfaches, erfindungsgemässes, dielektrisches Elektrometer. Der nichtlineare Kondensator verwendet hier ein nichtlineares dielektrisches Element mit automatischer Wärmestabilisation,
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bei dem die Ladung in Abhängigkeit von der Spannung annähernd gemäss Fig. 2 verläuft. Dieses Element wird aus dem Generator G mit sinusförmiger Wechselspannung gespeist, welche das Element einerseits in den autostabilen Wärmezustand versetzt und anderseits auch als Speisespannung dient. Die Eingangsspannung aus den Klemmen Vl und Vz wird dem nichtlinearen Kondensator CN über das Ein-
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nach Integration am Kondensator Cl der Impulsformerstufe 0 zugeführt.
Der Mittelwert der recht- eckigen Ausgangsspannung aus der Impulsformerstufe 0 hängt vom Tastverhältnis dieser rechteckigen
Spannung und also auch von der Eingangsspannung des Elektrometers an den Klemmen Vl, V2 ab. Der
Unterschied zwischen diesem Wert und zwischen der Spannung der Kompensationsquelle K wird dann durch das Messgerät M angezeigt.
Fig 2 zeigt ein erfindungsgemässes dielektrisches Elektrometer mit Gegenkopplung.
Der Eingangsteil ist auch wie bei der Schaltung gemäss Fig. 3 ausgeführt, aber zwecks Herabsetzung der Eingangskapazität ist hier in Reihe mit dem Kondensator Cl noch ein weiterer Kondensator Gz angeordnet. Die Kapazität des Kondensators Cl ist derart gross, dass die an ihm entstehende Spannung nicht die Grösse übersteigt, die von der nachfolgenden, transistorisierten Trennstufe S verarbeitet werden kann.
Diese Stufe dient zur Impedanzanpassung des niederohmigen Einganges der transistorisierten
Impulsformerstufe 0 an die Impedanz des Kondemators Cl. Die Ausgangsspannung aus der Im- pulsformerstufe 0, deren Wechtelkomponente vom Filter Fez ausgefiltert wird, wird dann zusammen mit der Kompensationsspannung aus der Quelle K den Eingängen des Gleichstrom-Differentialverstärkers Z zugeführt, aus dessen Ausgang dann eine Gegenkopplung in den Eingangskreis des
Elektrometers eingeführt wird. Diese Gegenkopplung setzt die Eingangskapazität des Elektrometers wesentlich herab, steigert dessen Eingangswiderstand und sichert ausserdem genauere Proportionalität zwischen Ein- und Ausgangsspannung, die durch das Messgerät M angezeigt wird.
Fig. 5 zeigt ein erfindungsgemässes Ausführungsbeispiel mit zwei Kreisen gemäss Fig. 1. Es werden hier zwei nichtlineare Kondensatoren CN, CN, von denen ein jeder mit dem entsprechenden linearen Kondensator Cl, C verbunden ist, verwendet. Der gemeinsame Punkt des linearen und nichtlinearen Kondensators ist stets in beiden Kreisen mit dem Eingang einer von zwei Impulsformerstufen 0, 0' verbunden, wobei diese beiden Kreise aus einem gemeinsamen Generator G gespeist werden. Die Ausgangsspannung der ganzen Schaltung wird dann symmetrisch zwischen den Ausgängen der beiden Impulsformerstufen 0, 0'abgegriffen.
Der Vorteil dieser Schaltung besteht darin, dass Änderungen der beiden Kreise, z. B. infolge Tem- peraturänderungen, Alterung u. dgl. grösstenteils kompensiert werden, so dass die ganze Schaltung stabiler ausfällt. Die Stabilität kann natürlich auch noch weiter dadurch gesteigert werden, dass die nichtlinearen Kondensatoren in einen einfachen Thermostaten gelegt werden.
Ebenso wie in der bereits erwähnten Schaltung können auch hier die Nullklemmen der Impulsformerstufen 0, 0'entweder mit der einen oder der andern Klemme des Generators verbunden werden. Mindestens ein Kreis kann selbstverständlich auch durch Trennstufen S oder durch Aufteilung des linearen Kondensators in zwei in Reihe verbundene Kondensatoren Cl, C2 derart, wie bereits erwähnt, ergänzt werden.
Durch geeignete Steigerung des Innenwiderstandes des Generators G, z. B. durch Anordnung eines Widerstandes oder einer andern Impedanz in einer der Leitungen vom Generator G wird die Empfindlichkeit der gesamten Schaltung gesteigert, da die nichtlinearen Kondensatoren durch ihre Stromentnahme den Verlauf ihrer Klemmenspannung derart verzerren, dass ihre Steilheit in der Nähe des Durchganges durch den Nullwert herabgesetzt wird, wie bereits erklärt wurde.
Fig. 6 zeigt ein einfaches, symmetrisches, dielektrisches Elektrometer mit nichtlinearen Kondensatoren CN, CN, die nichtlineare, dielektrische Elemente im autostabilisierten Wärmezustand verwenden. Ein jeder der beiden Kreise der nichtlinearen Kondensatoren arbeitet, allein genommen, in ähnlicher Weise wie in der Schaltung gemäss Fig. 3. Die Eingangsspannung wird hier bloss dem nichtlinearen Kondensator CN zugeführt und der nichtlineare Kondensator CN wird mit der Spannung für Nullkorrektion aus der Quelle B gespeist. Der Unterschied zwischen dem Tastverhältnis der rechteckigen Ausgangsspannungen der beiden Impulsformerstufen 0, 0 r bewirkt dann auch einen entsprechenden Unterschied zwischen den Mittelwerten der beiden Spannungen, was vom Ausgangsmessgerät M angezeigt wird.
Die erfindungsgemässe Elektrometerschaltung kann auch noch weiter verbessert werden, falls die Speise-Wechselspannung aus dem Generator amplitudenmoduliert wird. Dadurch wird die Stabilität ge-
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steigert und ein diese verbesserte Schaltung anwendendes Gerät wird dadurch vereinfacht.
Ein Ausführungsbeispiel dieser Verbesserung ist in Fig. 7 dargestellt. Der nichtlineare Kondensator CN ist hier mit einem Pol an den Generator G der Speise-Wechselspannung angeschlossen.
Diese Spannung wird mit einer Frequenz amplitudenmoduliert, welche niedriger ist als die der Speise- spannung seihst. Der zweite Pol des nichtlinearen Kondensators C, j ist an den ersten Belag des linearen Kondensators Cl angeschlossen, dessen zweiter Belag mit der zweiten Klemme des Generators G
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bundene Kondensatoren Cl, C2 aufgeteilt werden. Weiters kann in die Leitung zur Impulsformerstufe 0 noch eine Trennstufe S geschaltet werden. Der Generator G, der die modulierte SpeiseWechselspannung liefert, kann z.
B. als modulierter Oszillator ausgeführt werden oder er kann aus einer Kaskadenschaltung eines nichtmodulierten Generators mit einem Amplitudenmodulator bestehen ; er kann schliesslich auch als Oszillator mit automatischer Modulation ausgebildet werden, bei dem der Arbeitspunkt mit Hilfe einer geeigneten Schaltung periodisch und automatisch geändert wird. Die Modulationsspannung kann einen beliebigen Verlauf besitzen, geeignet ist z. B. ein sinusförmiger oder rechteckiger Verlauf.
Diese Schaltung arbeitet in ähnlicher Weise wie bereits oben erwähnt, bloss mit dem Unterschied, dass die Speisespannung aus dem Generator G nicht konstant ist, sondern periodisch im Modulationsrhythmus schwankt. Da die Empfindlichkeit der ganzen Schaltung vom Verhältnis zwischen der EingangsGleichspannung und dem Scheitelwert der Speisespannung abhängt, schwankt auch die Empfindlichkeit im Rhythmus der Amplitudenmodulation der Speisespannung. Wird den Eingangsklemmen V, V keine Eingangsspannung zugeführt, so wird das Tastverhältnis der rechteckigen Spannung im Ausgang der Impulsformerstufe 0 nicht durch die Amplitudenmodulation der Speisespannung beeinflusst, so dass auch der Mittelwert dieser rechteckigen Spannung konstant bleibt und sich nicht im Modulationsrhythmus ändert.
Das Tastverhältnis der rechteckigen Spannung im Ausgang der Impulsformerstufe 0 wird durch Zuführung von Gleichspannung an die Eingangsklemmen Vl, V2 geändert. Da jedoch die Empfindlichkeit der ganzen Schaltung im Rhythmus der Modulationsfrequenz schwankt, vergrössert und verkleinert sich auch diese Änderung des Tastverhälmisses im Rhythmus der Modulationsfrequenz, so dass sich auch der Mittelwert dieser rechteckigen Spannung im Modulationsrhythmus ändert.
Zum Unterschied von der absoluten Grösse des Mittelwertes der rechteckigen Spannung hinter der Impulsformerstufe 0 bei der bereits oben erwähnten Schaltung ist nun die Modulationstiefe dieser Mittelwertkomponente das Mass der Eingangsgleichspannung, d. h. man gewinnt eine Wechselspannung mit einer Frequenz, welche der Modulationsfrequenz gleicht und mit einer Amplitude, welche der EingangsGleichspannung proportional ist.
Es ist nun klar, dass der Vorteil dieser Anordnung darin besteht, dass die Eingangsspannung des eigentlichen Eingangskreises der Vorrichtung, in welcher die erfindungsgemässe Schaltung angewendet wird, eine Wechselspannung ist, die durch einen Wechselspannungsverstärker leicht weiter verstärkt oder anders verarbeitet werden kann. Die Phase dieser Wechselspannung hängt von der Polarität der Eingangs-Gleichspannung ab. Wird also diese Spannung durch einen Phasendetektor gleichgerichtet, ist die Ausgangs-Gleichspannung nicht nur der Grösse, sondern auch der Polarität der Eingangsspannung proportional.
Eine weitere Modifikation der Erfindung zeigt Fig. 8, die ein dielektrisches Elektrometer mit negativer Rückkopplung darstellt. Der nichtlineare Kondensator CN besteht aus einem nichtlinearen, dielektrischen Element mit autostabilisierter Temperatur, wie in den Schaltungen gemäss Fig. l und 2.
Dieses Element wird aus einem Generator G über einen Amplitudenmodulator AM mit Wechselspannung von sinusförmigem Verlauf gespeist, die durch eine Spannung mit niedrigerer Frequenz aus dem Generator G t amplitudenmoduliert wird. Durch diese modulierte Spannung wird das Element in den autostabilen Zustand versetzt und sie dient auch als Speisespannung dieses Elementes. Die Ein- gangsspannung aus den Klemmen V undVz wird dem nichtlinearen Kondensator C über das Ein- gangsfilter F zugeführt, welches den Durchgang der Speisespannung aus dem Generator in den Elektrometereingang verhindert. Die Stromimpulse aus dem nichtlinearen Kondensator CN werden nach Integration am Kondensator Cl über die Trennstufe S dem Eingang der Impulsformerstufe 0 zugeführt.
Das darauffolgende Tiefpassfilter Fz filtert die Wechselkomponente mit der Frequenz der Speisespannung des Generators G aus, lässt jedoch die übrigbleibende Wechselkomponente mit der
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Modulationsfrequenz zum Eingang des Wechselspannungsverstärkers Z durch. Die verstärkte Ausgangsspannung aus diesem Verstärker wird dann durch den Phasendetektor D gleichgerichtet, welcher durch die Modulationsspannung des Generators Gl gesteuert wird. Die Ausgangsspannung aus dem Phasendetektor D wird dann durch das Ausgangsmessinstrument M angezeigt und in den Eingangskreis des Elektrometers als Gegenkopplungsspannung zurückgeführt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrometrische Schaltungsanordnung mit nichtlinearem Kondensator zur Messung von Gleichspannungen, dadurch gekennzeichnet, dass der mit einem Pol unmittelbar oder über eine Trennimpedanz (Rl) an die erste Eingangsklemme (Vi) und mit seinem zweiten Pol unmittelbar oder über eine weitere Trennimpedanz (ruz) an die zweite Eingangsklemme (V) angeschlossene nichtlineare Kondensator (CN) weiters mit einem Pol an die erste Klemme eines Wechselstrom-Generators (G) und mit dem zweiten Pol an den ersten Belag eines linearen Kondensators (C) angeschlossen ist, wobei der zweite Belag des linearen Kondensators (Cl) mit der zweiten Klemme des Generators (G) verbunden ist, während der erste Belag des linearen Kondensators (C)
ferner an den Eingang einer Impulsformerstufe (0) angeschlossen ist, so dass am Eingang dieser Impulsformerstufe eine Wechselspannung liegt, bei der die Augenblicke des Nulldurchganges von der den Eingangsklemmen (V, V ) zugeführten Eingangs-Gleichspannung abhängen, so dass auch das Testverhältnis der rechteckigen Ausgangsspannung der Impulsformerstufe (0) von dieser Eingangsspannung abhängt.
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