Schaltungsanordnung zum Messen elektrischer Grossen.
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Messen elektrischer Grössen, wie z. B. elektrischer Widerstände, Spannungen oder Ströme.
Bei Widerstandsmessungen werden hauptschlich zwei Arten von Methoden angewendet, Brückenmethoden, bei welchen der Wert des zu messenden Widerstandes durch Vergleichen mit bekannten Widerständen ermittelt wird, und Methoden, die auf die Messung von Strom und Spannung in bzw. an dem zu bestimmenden Widerstand zurückgeführt werden. Ist der Widerstandsbereieh, innerhalb dessen die Widerstände liegen können, sehr gross, umfasst er z.
B. viele Zehnerpotenzen, war man bei der Entwicklung hierfür geeigneter Widerstandsmesser bisher zu Massnahmen gezwungen, wie Verwendung einer gro ssen Anzahl von Vergleichswiderständen, Xnderung der Empfindlichkeit der in der Messanordnung verwendeten Strom-und Spannungsmesser um mehrere Zehnerpotenzen, Verwendung von Instrumenten mit nicht- linearer Charakteristik, z. B. Instrumenten mit einer zusätzlichen Drehspule, die sich je nach der Stellung des Messwerkes mehr oder weniger tief in ein zusätzliches Magnetfeld hineinbewegt und dadurch die Wirkung der Hauptwicklung schwächt, Änderung der verwendeten Hilfsspannung, die an den Widerstand gelegt wird, innerhalb eines grossen Bereiches usw.
Diese Massnahmen bedingen, dass die Messanordnungen sehr teuer werden und den Bedingungen, bei welchen die zu messenden Widerstände in normalem Betrieb arbeiten, nicht angepasst werden können, z. B. viel zu hohe Spannungen an den Widerständen liegen, und die Bedienung der Geräte umständlich wird.
Dieser Übelstand wird erfindungsgemäss dadurch beseitigt, dass das die zu messende elektrische Grosse aufweisende Messobjekt Teil eines Netzwerkes ist, in das nichtlineare Widerstände in der Weise eingefügt sind, dass ihre Werte von der zu messenden elek trischen Grosse abhängen und sich in der gleichen Grössenordnung wie diese ändern, so dass eine elektrische Grösse des Netzwerkes ein Mass für die Grösse der zu bestimmenden elektrischen Grosse des Messobjektes bildet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sei an Hand der Fig. 1 und 2 näher erläutert.
In Fig. 1 ist mit 1 eine Triode bezeichnet, deren Kathode über einen Widerstand 2 und Gleichstrommessgerät 3 an dem negativen Pol einer Gleichstromquelle 4 liegt. Die Anode der Röhre ist mit dem Schleifer 5 eines Potentiometers 6 verbunden, das an die Gleichstromquelle angeschlossen ist. Der zu messende Widerstand, dessen Wert X sei, ist mit 7 bezeichnet. Er ist über die beiden Klemmen 8 und 9 mit dem Gitter der Röhre bzw. einem Punkt 10 des Potentiometers verbunden.
Durch die Wahl dieses Abgriffpunktes kann die an den Widerstand gelegte Spannung, z. B. entsprechend den Prüfbedingungen bei der Abnahme von Installationsanlagen, variiert werden. Der Widerstand 7 liegt in Reihe zur Gitter-Kathoden-Strecke der R¯hre und zum Widerstand 2 ; es ist daher der ihn durchfliessende Strom i gleiehzeitig der Gitterstrom der R¯hre und das Potential der Elektrode 8 stellt sich entsprechend dem Verhältnis der Widerstände ein. Die Bedeutung dieser Schalt- massnahme geht aus der folgenden übersehlägigen Betrachtung hervor : Für grosse Werte Sr ist der Strom i annähernd umgekehrt proportional X, und lg i hängt daher linear von Ig X ab.
Variiert X z. B. von 104 Ohm bis 1010 Ohm, so nimmt i dabei um die gleiche Grössenordnung ab, und wäre der Widerstand der Elektronenstrecke konstant, so würde sich auch der Spannungsabfall an der Strecke Gitter-Kathode in dieser Grössenordnung ändern und bei der Messung dieses Spannungswertes (als Ma¯ für den zu messenden Widerstand) würde eine der in der Einleitung erwÏhnten Massnahmen notwendig werden.
Die Elektronenstreeke stellt aber einen spannungsabhängigen bzw. stromab hängigen Widerstand dar und die Stromab hängigkeit ist durch Verwendung einer passenden R¯hre so gewählt, dass bei der durch eine Variation von X hervorgerufenen Strom änderung der Quotient Spannung an der Elektronenstrecke dividiert durch i sich im selben Sinne und ungefähr um die gleiche Grössenordnung wie X ändert.
Durch ent- sprechende Wahl der Messspannung wird erreicht, dass man stets im Anlaufstromgebiet arbeitet, wobei einer logarithmisehen Änderung des Stromes i eine lineare Änderung des Gitterpotentiales entsprieht. In einem Diagramm (Spannungsdifferenz vom Gitter zum negativen Pol der Gleichstromquelle als Funktion von lg Y j wird daher die Beziehung dieser Grössen zueinander durch eine Gerade wiedergegeben.
Bei der in der Fig. 1 wiedergegebenen Anordnung wird die Messung in der Weise vorgenommen, dass man die Anodenspannung mit Hilfe des Schleifers 5 so einstellt, dass der Kathodenstrom einen gewähl- ten, für alle Werte X gleiehbleibenden Wert annimmt. Durch diese. Massnahme ist die Anodenspannung eine lineare Funktion des Gitterpotentiales und hÏngt somit ebenfalls linear von lg X ab. HÏlt man die Spannung der Stromquelle 4 konstant, so kann das Potentiometer 6 in Anodenspannungswerten oder in Werten von Ig. Z geeicht werden.
In der Fig. 2 ist die Charakteristik einer ausgeführten Anordnung wiedergegeben, bei welcher auf der Abszissenaehse die Logarithmen der Widerstandswerte X und auf der Ordinatenachse die von dem Schleifer 5 auf dem Potentiometer abgegriffenen Spannungen V in linearem Massstab aufgetragen sind. Die Figur lässt erkennen, dass die NleBanordnung einen ausserordentlich grossen Widerstands- bereich umfasst, der nach grossen Werten von X wu nur durch den Isolationswiderstand des Gitters begrenzt ist und bei Verwendung von Spezialröhren bis etwa 1016 Ohm ausgedehnt werden konnte.
Sie lässt weiter erkennen, dass die Beziehung zwischen dem Logarithmus des Wertes des zu messenden Widerstandes und der Anzeige in einem gewählten Bereich vollkommen linear ist, was f r die Eichung der Anordnung einen besonderen Vorteil bedeutet.
Die Anordnung nach Fig. 1 könnte statt t von einer Gleichstromquelle auch von einer Wechselstromquelle gespeist werden, wobei dem Gleichstrommessgerät ein Glättungskon- densator parallel zu sehalten wäre.
Die Charakteristik der Anordnung lässt sich weitgehend beeinflussen und einem vorgegebenen Verwendungszweck anpassen, z. B. indem man die an den zu messenden Widerstand gelegte Spannung als eine Funktion der Anodenspannung wählt, etwa indem man die Elektrode 9 mit der Anode verbindet oder an eine Widerstandskombination, z. B. einen Spannungsteiler führt, der zwischen der Anode und einem Punkt des Potentiometers 6 liegt, oder indem beispielsweise der zu messende Widerstand nur ein Teil einer Wider standskombination ist, etwa mit einem konstanten Widerstand in Reihe liegt, oder indem der spannungsabhängige Widerstand einen Teil einer Widerstandsanordnung bildet.
Die Anordnung kann aueh als direkt an zeigender. Widerstandsmesser. arbeiten, z. B, mit konstanter Anodenspannung, wobei bei spielsweise-der Kathodenstrom oder der An odenstrom oder, bei Verwendung von Mehr- gitterrohren, ein Hilfsgitterstrom bzw. eine Hilfsgitterspannung ein Mass für die Grosse des zu messenden Widerstandes abgibt. Durch die Wahl. des Arbeitspunktes auf den Röhren- kennlinien, z. B. Verlegen in einen gekrümm- ten Teil, lϯt sich dabei die Charakteristik der Anordnung in einer weiteren Weise beeinflussen.
Die Messanordnung kann auch als Brücken- sehaltung ausgebildet werden, bei welcher der zu messende Widerstand und ein spannungs- abhängiger Widerstand, z. B. eine Zweipol.- rohre, zwei Br ckenzweige bilden und die übrigen Brückenzweige aus konstanten oder regelbaren Widerständen bestehen und in dem einen Diagonalzweig zur Speisung der Anordnung eine Gleichstrom- oder Weehselstromquelle liegt und als Brückenindikator beispielsweise ein Instrument mit m¯glichst geringem Energieverbrauch, etwa ein Elek- trometer oder eine Elektronenrohre, Verwendung findet.
In der Brückenschaltung können auch mehrere wahlweise einsehaltbare, zu be- stimmende Widerstände und dementsprechend mehrere wahlweise einsehaltbare spannungsabhängige Widerstände liegen, was z. B. dann vorteilhaft ist, wenn der zu messende Widerstand selbst wiederum von einer andern Grösse abhängt, die mittelbar durch Messen dieses Widerstandes bestimmt werden soll, z. B. bei Feuchtigkeitsmessern. Bei Verwendung von Röhren mit mehreren Systemen können, ähnlich wie im Beispiel nach Fig. 1, von den Systemen, z. B. einer Duodiode-Triode, die beiden Diodensysteme als spannungsabhängige Widerstände und das Triodensystem als Brüekenindikator verwendet werden.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die Messung von Wirkwiderständen, sie kann ebenso zur Messung von Kapazitäten und In duktivitäten, somit allgemein zur Messung von Scheinwiderständen dienen. Diese Widerstände können selbst wiederum von andern Grössen abhängen und die Messanordnung mittelbar zur Bestimmung dieser Grossen Verwendung finden.
Eine die erfindungsgemässen Merkmale aufweisende Anordnung lässt sich auch so ausbilden, dass sie zum Messen elektrischer Spannungen oder Ströme, deren Werte vor nehmlich innerhalb eines sehr ausgedehnten Bereiches liegen, verwendet werden kann. Für Spannungsmessungen an Objekten mit sehr gro¯en Widerständen verwendet man ausser elektrostatischen Spannungsmessern Röhrengalvanometer, die jenen gegenüber bezüglich Empfindlichkeit, Zeitdauer eines Messvorganges, Handhabung und ganz besonders be züglich Aufstellung und Justierung grosse Vorteile aufweisen.
Um die Messung mit einem Röhrengalvano- meter möglichst verlustlos zu gestalten, wähIt man den Arbeitspunkt der Röhre derart, dass kein Gitterstrom auftritt. Die zu messende Spannung bewirkt ein Abweichen von diesem Arbeitspunkt und damit einen Gitterstrom, der eine Belastung des Messobjektes mit sich bringt, die mit grosser werdender Spannung sehr rasch anwächst und dadurch bei grossen Widerständen des Messobjektes zu falschen Ergebnissen führen kann. Diese Gefahr liegt besonders dann nahe, wenn bei der Messung an einem Objekt einzelne Messreihen sich über relativ kleine Spannungen, andere dagegen sich über Spannungen erstrecken, die um viele Zehnerpotenzen grosser sind, und die Erweiterung des Me¯bereiches des Röhrengalvanometers dabei in bekannter Weise durch Shunten des Anzeigeinstrumentes erfolgt.
Ein charakteristisches Beispiel dafür ist die Messung des Kristallphotoeffektes in Abhängigkeit von der Frequenz des einfallenden Lich- tes bei versehiedenen Temperaturen. Der ge schilderte Fehler kann hier so gross werden, dass zwar fiir relativ kleine Messspannungen der Widerstand des Röhrengalvanometers gross gegenüber dem Messobjekt ist, die Messung also die Photospannung ergibt, bei grossen Messspannungen dagegen so klein wird, dass die Messung praktisch zu einer KurzschluBstrommessung ausartet. Der geschilderte ¯belstand- ist der Hauptgrund dafür, dass Röhrengalvanometer bisher wenig Eingang in die Messtechnik gefunden haben.
Diesen Übelstand beseitigt die vorliegende Erfindung durch die gleichen Schaltmassnahmen, wie sie für das Messen elektrischer Widerstände erläutert worden sind, das heisst dadurch, dass das Messobjekt, dessen Spannung oder Strom gemessen werden soll, Teil eines mit Gleichstrom oder Wechselstrom betriebenen Netzes oder Netzwerkes ist, in welches nichtlineare Widerstände in der Weise eingefügt sind, dass ihre Werte von Spannung oder Strom des Messobjektes abhängen und sich bei Änderung dieser Grössen vorzugsweise in der gleichen Grössenordnung wie diese ändern, so dass eine von den genannten Elementen abhängige Grösse des Netzes oder Netzwerkes ein Mass für die zu bestimmende Grösse des Messobjektes bildet.
Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel der Erfindung sei an Hand der Fig. 3 und 4 näher erläutert. Fig. 3 zeigt die Anwendung des Erfindungsgedankens auf eine an sich bekannte Röhrengalvanometersehaltung. Die Schaltung arbeitet mit einer Raumladegitter- röhre 11 in Brüekenschaltung und wird aus der Gleichstromquelle 12 gespeist. Die Wider stände 13, 14 dienen zur Herstellung der erforderliehen Heizspannung-Lind Steuergittervorspannung. Die Spannungen an der Röhre sind so gewählt, dass bei kurzgeschlossenem Eingang des Röhrengalvanometers der Gitterstrom Null ist.
Als Brüekenindikator dient ein Differentialgalvanometer 15, an dessen einem Klemmenpaar die Brüekendiagonal- spannung und an dessen anderem Klemmen- paar eine Hilfsspannung liegt, die eine der Diagonalspannung entsprechende Charakteri- stik aufweist, wodurch die Anzeige des Brük kenindikators in einem bestimmten Gebiet von Spannungsschwankungen der Speisestromquelle unabhängig ist.
Das Messobjekt 16, dessen Spannung x gemessen werden soll, liegt mit seinem positiven Pol über den konstanten Widerstand 17 an dem Steuergitter der Röhre. Wenn x von Null versehieden ist, fliesst ein Gitterstrom, der an diesem Widerstand einen Spannungsabfall erzeugt, so dass an dem Steuergitter nur ein Bruchteil der zu messenden Spannung zur Wirkung kommt. Das Verhältnis- am Gitter wirksame Spannung zu Messspannung - ist nieht konstant. Die Elektronen- strecke Steuergitter-Kathode stellt einen niehtlinearen Widerstand dar. Mit grosser werdender Messspannung nimmt der Gitterstrom exponentiell wu und damit der Widerstand der Elektronenstrecke ab.
Der spannungsabhängige Widerstand ist weiterhin so gewählt, dass für relativ kleine Messspannungen sein Wert in der Grossenordnung des Widerstandes 17 liegt und mit grosser werden- der Messspannung etwa in der gleichen Gro ssenordnung wie diese abnimmt.
Mit zunehmender Messspannung wird damit auch das Verhältnis Messspannung zu an der Röhre wirksam werdender Spannung grosser, so dass die Anzeige des Brüekenindikators also langsamer wächst als die 3Iessspannung. (Der Widerstand 14 ist um sehr viele Grossen- ordnungen kleiner als die genannten Wider stände, so dass er bei diesen Betrachtungen keine Rolle spielt.)
In Fig. 4 ist die Charakteristik der be schriebenen Messanordnung wiedergegeben, bei welcher auf der Abszissenachse die Logarithmen der Spannungswerte x und auf der Ordinatenaehse die Aussehläge des Brücken- instrumentes in linearem Massstab aufgetragen sind.
Die Fig. 4 lässt erkennen, dass die Beziehung zwischen den Grossen in dem gewählten Bereich praktisch linear verläuft und die Messanordnung einen sehr grossen Span nungsbereieh umfasst.
Die beschriebene neue Schaltung weist durch die Anwendung des Erfindungsgedan- kens gegenüber den bekannten Schaltungen eine Reihe von Vorteilen auf : Der Eingangswiderstand bei kleinen Messspannungen ist grosser geworden. Mit zunehmender Messspannung nimmt dieser Widerstand nur so wenig ab, dass er grossenordnungsmässig unverändert bleibt, während er bei den bekannten Schal tungen mit zunehmendem x um viele Grossen- ordnungen kleiner wird.
Die Röhre arbeitet immer in der Nähe des gewählten Arbeits punktes auf der Gitterstromkennlinie, die Belastung des Messobjektes durch das Röhren- galvanometer bleibt auch bei sehr grossen 31essspannungen sehr klein und innerhalb eines vorher genau festlegbaren Bereiches, so dass keine Gefahr mehr besteht, dass das Mess- ergebnis durch ein unzulänglich grosses Anwaehsen des Gitterstromes gefälseht werden konnte. Die Messgenauigkeit bleibt in dem gesamten Bereich konstant, und das Gebiet, innerhalb welchem die Anzeige des Brüekeninstrumentes unabhängig von Schwankungen der Brüekenstromquelle bleibt, ist bedeutend grösser geworden.
Als spannungsabhängige bzw. stromabhän- gige Widerständekönnen alle Schaltelemente dienen, bei welchen der Quotient-angelegte Spannung dividiert durch hindurchfliessenden Strom-eine Funktion der angelegten Spannung bzw. des Stromes in dem Schaltelement ist, wie Elektronenstreeken, Ionenstrecken, Trockengleichrichter, gesättigte oder vormagnetisierte Drossel, Heissleiter usw. Der Bereich, innerhalb welchem sich der Quotient ändern soll, kann durch die Art dieser El. e- mente, durch ihre Dimensionierung, wie z.
B. bei vormagnetisierten Drosseln, durch Regelung von aussen, oder bei Diodenstrecken mit Hilfe der Heizung der Kathode, usw., dem Bereich, innerhalb welchem die Werte der zu messenden Widerstände oder sonstigen Grossen liegen, angepasst werden.
Die Anordnungen können auch zu Regeloder Steuerorganen ausgestaltet werden, z. B. indem der Strommesser in der Anordnung nach Fig. 1 durch eine Tauchspule, einen Drehmagneten, eine Tyratronanordnung ersetzt wird, die z. B. beim Unterschreiten oder Uber schreiten eines vorgegebenen Wertes X einen Sehaltvorgang auslost.