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Verfahren zur vorzeichenrichtigen Messung kleiner veränderlicher Gleichspannungen
Zur Messung kleiner veränderlicher Gleichspannungen ist es bekannt, diese durch
mechanische Zerhacker periodisch kurzzuschließen oder umzupolen, die erzeugte Rechteckswechselspannung
in einem Röhrenverstärker für Niederfrequenz zu verstärken und durch einen synchron
mit der mechanischen Zerhackung gesteuerten Kontaktgleichrichter gleichzurichten,
so daß mit der Polung der Eingangsspannung auch die Ausgangsspannung ihr Vorzeichen
wechselt.
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Bekannt ist ferner, einen Teil der Ausgangsgleichspannung der Eingangsspannung
gegenzuschalten, um die Verstärkung zu stabilisieren.
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Um die bei mechanischer Unterbrechung eines Stromes sich einstellenden
Störungen zu vermeiden, hat man einen Gleichspannungsverstärker entwickelt, bei
dem die Wechselrichtung der Meßspannung durch einen schwingenden Kondensator erfolgt.
Um die Anwendung einer Gleichspannungsgegenkopplung zu ermöglichen, erfolgt die
Gleichrichtung der erzeugten sinusförmigen Wechselspannung mittels eines phasenempfindlichen
Gleichrichters, der durch elektronische Steuerung abwechselnd für die Dauer einer
Halbperiode der Kondensatorschwingung wirksam und für die Dauer der nächsten Halbperiode
unwirksam gemacht wird. Bei dieser Art der Wechselrichtung durch einen Kondensator
mit periodisch veränderlicher Kapazität setzt jedoch das Kontaktpotential der Meßgenauigkeit
eine Grenze, die nur durch umständliche Vorsichtsmaßregeln herabgesetzt werden kann.
Für die Messung sehr kleiner Gleichspannungen, insbesondere zur Messung kleiner,
von einer Stromquelle mit kleinem innerem Widerstand gelieferter Gleichströme, wird
daher die Verwendung eines mechanischen Zerhackers vorgezogen.
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Während im allgemeinen mit einer Frequenz von etwa 50 bis 100 Hz
arbeitende Zerhacker verwendet werden, ist es zur Messung schnell veränderlicher
Gleichspannungen erforderlich, solche mit wesentlich höherer Frequenz zu verwenden,
und man hat Zerhacker entwickelt, die, durch einen pieroelektrischen Kristallbieger
angetrieben, mit einer Frequenz von 1000 Hz arbeiten. Wegen des geringen Kontakthubes
arbeiten derartige Zerhacker aber nicht mit der wiinschenswerten Gleichmäßigkeit.
Es tritt störendes Kontaktprellen auf, und die Schaltzeiten sind veränderlich. Bei
solchergestalt wechselnder Kurvenform der erzeugten Rechteckswechselspannung steht
die mit den üblichen Gleichrichtern erhaltene gleichgerichtete Spannung nicht mehr
in eindeutiger Beziehung zu der zu messenden Gleichspannung, so daß der Verstärker
nicht eichfähig ist. Dieser Mangel kann auch durch Anwendung einer Gegenkopplung
nicht befriedigend behoben werden. Es ist in diesem besonderen Fall auch nicht möglich,
einen zweiten Schwingkontakt zur
phasenempfindlichen Gleichrichtung zu verwenden,
da bei hohen Frequenzen die Kontakte hierzu nicht gleichmäßig genug arbeiten.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die fehlerfreie und vorzeichenrichtige
Messung kleinster, schnell veränderlicher Gleichspannungen mit einem Zerhackerverstärker,
vorzugsweise mit Gleichspannungsgegenkopplung, unter Benutzung eines mit einer Frequenz
von über 100 Hz arbeitenden Schwingkontaktes zu ermöglichen. Die Erfindung geht
davon ans, daß bei einer z. B. durch periodisches Kurzschließen einer Gleichspannung
erzeugten und anschließend verstärkten Rechteckswechselspannung die durch Kontaktprellen
verursachten Abweichungen von der genauen Rechtecksform und die durch Anderungen
der Kontaktdauer verursachten Schwankungen der Lange der Halbwellen sich auf Anfang
und Ende der Halbwellen heschränken. Auch die durch den Verstärker erzeugten Verzerrungen
der Kurvenform treten nur zuBeginn derHalbwellen auf. Es macht keineSchwierigkeiten,
den Verstärker so zu entwerfen, daß sowohl das sogenannte Überschießen zu Beginn
der Halbwell, als auch ei. ne zu weit gehende Abrundung der Rechtecksform vermieden
wird. Etwa in der Mitte jeder Halbperiode der verzerrten Rechteckswechselspannung
nimmt diese so einen für eine gewisse Zeit konstant bleibenden, abwechselnd positiven
und negativen Höchstwert an, der genau mit der Amplitude der Rechteckswechselspannung
bei ideal verzerrungsfrei arbeitendem Kontakt und Verstärker iibereinstimmt, so
daß die Differenz der Höchstwerte zweier aufeinanderfolgender Halbperioden der Wechselspannung
nur von der Größe der zerhackten Gleichspannung abhängt. Die Größe der Differenz
ist unahhängig von der Arbeitsweise des Kontaktes und deg Verstärkers.
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Bei Bildung der Differenz der Höchstwerte je zweier aufeinanderfolgender
Halbperioden sollen die beiden Halbperioden in gleichbleibender Phasenbeziehung
zu
der periodischen Bewegung des Schwingkontaktes stehen, und die beiden Höchstwerte
sind mit ihrem jeweiligen Vorzeichen in die Differenz einzusetzen. Bei einer Umkehr
des Vorzeichens der zerhackten Gleichspannung wechselt dann auch das Vorzeichen
der Differenz, so daß, in an sich bekannter Weise, die Gleichspannung auch vorzeichenrichtig
gemessen wird und eine der Differenz nach Größe und Vorzeichen entsprechende Spannung
in einer Gegenkopplungsschaltung der Eingangsgleichspannung gegengeschaltet werden
kann.
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Die Messung der Differenz der Höchstwerte aufeinanderfolgender Halbwellen
der verstärkten Rechteckswechselspannung erfolgt mittels eines positive und negative
Spannungsspitzen vorzeichenrichtig anzeigenden, einpolig geerdeten hochohmigen Doppelspitzenspannungsmessers,
dem die verstärkte Rechteckswechselspannung über einen Kondensator zugeführt wird,
der während eines Bruchteils jeder zweiten Halbperiode der Rechteckswechselspannung,
in dem diese auf einem dem Idealfall entsprechenden Höchstwert verharrt, durch einen
mit dem Schwingkontakt synchron arbeitenden, parallel zum Eingange des Spitzenspannungsmessers
liegenden, elektronischen Schalter einpolig an Erde gelegt wird.
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In den dazwischenliegenden Halbperioden wird dann dem Eingang des
Spitzenspannungsmessers über den Kondensator eine Spannung zugefiihrt, die während
der Zeit, in der die Wechselspannung auf dem Höchstwert der betreffenden Halbperiode
verharrt, ebenfalls einen Höchstwert annimmt, der gleich der Differenz der HöchstwertederWechselspannungbei
geöffnetem undgeschlossenem elektronischemSchalter ist. Wenn für den Spitzenspannungsmesser
eine gewisse Vorspannung zur Einstellung der Nullanzeige erforderlich ist, so kann
die Vorspannungsquelle in Reihe mit dem elektronischen Schalter angeordnet werden.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur vorzeichenrichtigen
Messung kleiner veränderlicher Gleichspannungen, bei dem die zu messende Gleichspannung
mittels eines, vorzugsweise mit einer Frequenz über 100 Hz arbeitenden Schwingkontaktes
in eine Wechselspannung von angenäherter Rechtecksform umgewandelt und anschließend
verstärkt wird, bei dem die verstärkte Rechtecksspannung mindestens in einem bestimmten
Teilbereich jeder Halbperiode auf einem positiven bzw. negativen Höchstwert verharrt,
wobei die Differenz der Höchstwerte zweier in bestimmter Phasenbeziehung zum Arbeiten
des Schwingkontaktes stehender aufeinanderfolgender Halbwellen der Eingangsgleichspannung
proportional ist. und bei dem zur Messung dieser Differenz ein hochohmiger Doppelspitzenspannungsmesser
vorgesehen ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet. daß die Rechtecksspannung
dem Spitzenspannungsmesser über einen Kondensator zugeführt wird, daß parallel zum
Eingang des Spitzenspannungsmessers ein synchron mit dem am Eingang der Schaltung
liegenden Schwingkontakt betätigter elektronischer Schalter in Reihe mit einer Gleichspannungsquelle
vorgesehen ist. deren Spannung so gewählt ist, dall sie bei Anlegung an den Doppelspitzenspannungsmesser
die Anzeige Null ergibt, und daB zur eindeutigen und vom exakten Arbeiten des Schwingkontakteb
unabhängigen Anzeige von Vorzeichen und Größe der zu messenden Gleichspannung der
elektronische Schalter während eines Bruchteils einer Halbperiode der Rechtecksspannung,
währenddessen die Rechtecksspannung auf einem ihrer Höchstwerte ver-
harrt. geschlossen
wird. wodurch sich eine auch nach dem Offnen des Schalters weiterbestehende Aufladung
des Kondensators auf eine Spannung ergibt, die zusammen mit dem während der OíTnungszeit
des Schalters auftretenden zweiten Höchstwert der Rechtecksspannung am Eingang des
Spitzenspannungsmessers liegt und eine der Differenz der beiden Höchstwerte entsprechende
Spitzenspannungsanzeige bewirkt.
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Die Erfindung werde an einer Schaltungsanordnumg, bei der von dem
erfindungsgemäßetl Verfahren Gebrauch gemacht ist. beispielsweise erläutert.
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Abb. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung zur vorzeichenrichtigen Messung
kleiner, schnell veränderlicher Gleichspannungen ; Abb. 2 und 3 a und 3b zeigen
zur Erläuterung der Arbeitsweise dienende Spannungsdiagramme.
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In Abb. 1 liegt die zu messende Gleichspannung an Eingangsklemmen
1 und 2. tuber einen Reihenwiderstand 3 fällt die zugeführte Spannung beim Schließen
eines Schwingkontaktes 4 auf Null ab. Die so erzeugte schwankende Spannung wird
über einen Kondensator 5. der sie in eine Wechselspannung umwandelt. einem Wechselspannungsverstärker6
zugeführt. an dessen Ausgang über einen Kondensator 7 ein Zweiwegspitzengleichrichter
mit Aufladekapazitaten 9 a, 9 b und hochohmigem Spannungsteiler 10 a, 10 b angeschlossen
ist. Ein als Kathodenverstärker arbeitendes Verstärkerrohr 11 mit Kathodenwiderstand
12 speist ein Meßgerät 13. Parallel zum Eingang des Doppelspitzenspannungsmessers
8 bis 13 liegt ein Elektronenschalter 15, der durch Zuführung einer 2-ZHz-Wechselspannung
von einem Generator 20 zu einer Gleichrichteranordnung 16 gesperrt werden kann und
an den geerdeten Pol des Doppelspitzenspannungsmessers über ein Potentiometer 14
angeschlossen ist.
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Die von diesem Potentiometer ahgegriffene Spannung wird so eingestellt,
daß bei Zuführung dieser Spannung zum Eingang des Doppelspitzenspannungsmessers
die Kathode der Röhre 11 sich auf Erdpotential einstellt, so daß keine Spannung
am Instrument 13 liegt und dieses auf Null zeigt.
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Der Antrieb des Schwingkontaktes 4 erfolgt durch einen piezoelektrischen
Kristallbieger, der mit Sinuswechselstrom von einem 1-kHz-Generator 17 gespeist
wird. Aus der Spannung dieses Generators wird in einem Gerät 18 eine in fester Phasenbeziehung
zu dem 1-kHz-Wechselstrom stehende Sägezahnspannung abgeleitet. Sobald die sägezahnförmig
ansteigende Spannung den Wert einer einstellbaren Gleichspannung überschreitet,
entsteht ein Impuls, dessen Lage durch Veränderung der Größe der Gleichspannung
um fast 360° innerhalb der Periode verschoben werden kann.
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Dieser Impuls bewirkt eine Schaltzustandsänderung einer monostal)
ilen Kippschaltung 19, die nach einer gewissen Zeit in den ursprünglichen Zustand
zurückkehrt. Der so erzeugte Rechtecksimpuls wird dem 2-MHz-Generator20 zugeführt
und sperrt diesen für die Dauer des Impulses, wodurch der Elektronenschalter 15
leitend wird und den Eingang des Doppelspitzenspannungsmessers 8 bis 13 vorübergehend
kurzschließt. Die zeitliche Lage der Schaltimpulse wird mit dem Gerät 18 so eingestellt,
daß die Impulse etwa in die Mitte der Halbwellen eines Vorzeichens der am Ausgang
des Verstärkers 6 erhaltenen Rechteckswechselspannung zu liegen kommen, derart,
daß bei positivem Wert der Gleichspannung an den Klemmen 1, 2 ebenfalls eine positive
Spannung an dem Instrument 13 erhalten wird. Die I. age der Schaltimpulse innerhalb
der Halbperiode kann mittels eines Kathodenstrahloszillographen 21 beobachtet werden.
der
gleichzeitig der Uberwachung des Arbeitens des Schwingkontaktes 4 dient. Ein Bruchteil
der am Instrument 13 erhaltenen Ausgangsgleichspannung wird mittels eines Spannungsteilers22,
23 in den Kurzschlußzweig für die Eingangsspannung eingekoppelt, um damit in an
sich bekannter Weise durch Gleichspannungsgegenkopplung die Verstärkung der an den
Klemmen 1, 2 liegenden Gleichspannung auf den Wert des Spannungsteilerverhältnisses
zu stabilisieren.
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Abb. 2 zeigt den Verlauf einer Rechtecksspannung mit Verzerrungen,
wie sie durch unregelmäßiges Arbeiten des Zerhackers sowie die begrenzte Bandbreite
des Verstärkers entstehen. Die beiden Halbwellen weisen verschiedene Länge auf.
Mit a ist der Bruchteil einer Halbperiode bezeichnet, in dem der elektronische Schalter
15 geschlossen ist, während gleichzeitig die Wechselspannung auf einem Höchstwert,
im Beispielsfalle für negative Werte der Spannung, verharrt. Die Größe der Differenz
der Höchstwerte der Wechselspannung bei geöffnetem und geschlossenem Schalter 15
ist bei b dargestellt.
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Den Diagrammen der Abb. 3 ist zu entnehmen, wie die vorzeichenrichtige
Messung der Spannung zustande kommt, wobei einfachheitshalber die Gegenkopplung
zu Null angenommen ist. Die Diagramme unter a gelten für positive, die Diagramme
unter b für negative Eingangsspannung. Es zeigt Kurve A die zerhackte Gleichspannung
hinter dem Widerstand 3, wobei die zu messende Gleichspannung selbst gestrichelt
angedeutet ist, Kurve B die Wechselspannung am Ausgang des Verstärkers 6, Kurve
C die den Elektronenschalter steuernde, unterbrochene 2-MHz-Spannung, Kurve D die
Spannung am Eingang des Doppelspitzenspannungsmessers, wobei gestrichelte Linien
die Größe der fiir die Anzeige maßgebenden Höchstwerte zeigen.
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Der Kondensator 7 und der Schalter 15 arbeiten in folgender Weise
zusammen : Liegt an den Klemmen 1 und 2 keine Spannung, so ist auch keine Wechselspannung
am Ausgang des Verstärkers 6 vorhanden. Bei geschlossenem Schalter 15
liegt die vomPotentiometer14abgegriffene
Spannung über die Gleichrichter 8 und die Widerstände 10 a und 10 b am Gitter der
Röhre 11 und lädt gleichzeitig den Kondensator 7 auf, der nach Offnen des Schalters
15 die Spannung am Eingang des Spitzenspannungsmessers weiter aufrechterhält. Die
vom Potentiometer 14 abgegriffene negative, einige Volt betragende Spannung liegt
auf diese Weise ständig am Gitter der Röhre 11. Sie wird so eingestellt, daß im
Ruhezustand der Schaltung keine Spannung am Instrument 13 liegt und auch keine Gegenkopplungsspannung
erzeugt wird.
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Liegt an den Klemmen 1, 2 eine Gleichspannung und ist eine Wechselspannung
am Ausgang des Verstärkers 6 vorhanden, so lädt sich in der Schließungszeit des
Schalters 15 der Kondensator 7 zusätzlich entsprechend dem in dieser Zeit vorhandenen
Höchstwerte der Wechselspannung auf. Nach Offnen des Schalters 15 ändert sich die
dem Eingang des Doppelspitzenspannungsmessers von dem Kondensator 7 zugeführte Spannung
entsprechend der Abweichung des Augenblickswerts der Wechselspannung von dem bei
geschlossenem Schalter innegehabten Wert. Die Abweichung und damit die Aufladung
eines der beiden Kondensatoren 9a, 9b erreicht einen Höchstwert, wenn die Wechselspannung
ihren zweiten Höchstwert dwrchläuft. Je nach dem Vorzeichen der an 1, 2 liegenden
Gleichspannung lädt sich der Kondensator9a oder 9 b auf eine Spannung auf, die nach
Große und Vorzeichen mit der Differenz der Höchstwerte der Wechselspannung bei geöffnetem
und geschlossenem Schalter übereinstimmt. Tuber die als Spannungsteiler wirkenden
Widerstände 10a, 10b wird dem Gitter der Röhre 11 die Hälfte der Aufladespannung
des Kondensators 9 a bzw. 9 b zugeführt. Um schnelle Änderungen der zu messenden
Gleichspannung feststellen zu können, wird für das Instrument 13 ein schreibendes
Gerät verwendet, das Frequenzen bis 50 Hz noch richtig wiedergibt und positive und
negative zugefiihrte Spannungen entsprechend ihrem Vorzeichen aufzeichnet.
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Mit einem nach Abb. l aufgebauten Gerät wurden folgende Ergebnisse
erzielt : Empfindlichkeit für Endausschlag (je nach Einstellung der Gegenkopplung
und Verstarkung)...... 30 \t bis 3 mV Einstellzeit.......................................
0,03 Sekunden Eingangswiderstand.............................. 30 kQ (bei 30 V Meßbereiche
bis 200 kQ (bei 3 mV Aleßl) ereich) Schwankungen (durch Rauschen und Kontaktstörungen).............,,,,
lstV Die Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung ist nicht an die Benutzung
der beschriebenen Schaltungsanordnung gebunden, z. B. kann die Zerhackung des Gleichstromes
in anderer bekannter Weise vorgenommen werden. An Stelle des Spitzengleichrichters
8 kann auch ein Kathodenstrahloszillograph, der die Extremwerte der Differenz als
punktierte Kurve anzeigt, angeschlossen werden. Da für den Kathodenstrahloszillograph
keine Vorspannung erforderlich ist, wird in diesem Fall der Schalter 15 statt über
ein Potentiometer 14 unmittelbar an den an Erde liegenden Eingangspol des Oszillographen
angeschlossen.