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Kompensationsverfahren zum Messen von Strömen und Spannungen Die Erfindung
bezieht sich auf ein Kompensationsverfahren zum Messen von Strömen und Spannungen,
bei dem die Speisespannung einer Brückenschaltung mit mindestens einem spannungsabhängigen
Widerstand mit Hilfe einer Spannungsregeleinrichtung so eingestellt wird, daß der
Brückendiagonalstrom Null wird oder einen bestimmten Wert annimmt.
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Die bisher bekannten Kompensationsverfahren verwenden als Eichspannungsquelle
ein Normalelement und eine Hilfsstromquelle für die eigentliche Messung oder bei
Regelvorgängen Spannungen, die als Sollwert jeweils von Hand oder anderen geeigneten
Sollwertgebern eingestellt werden. Als Nullindukator oder Nachlaufverstärker bzw.
Regelverstärker finden hierbei die bekannten elektronischen Verstärker Verwendung.
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Normalelemente weisen außer dem relativ hohen Preis den Nachteil
auf, daß sie nicht belastet werden dürfen, temperatur- und lageabhängig sind und
bei starken Erschütterungen und Beschleunigungen leiden. Außerdem läßt sich der
einwandfreie Zustand und die Sollspannung eines Normalelementes nur mit einigem
Aufwand einwandfrei feststellen, so daß es für strapazierfähige Betriebsmeßgeräte
und Meßgeräte, die nach einmaliger Verwendung, beispielsweise bei Wettersonden,
verlorengehen, wenig geeignet ist.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden. Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem obengenannten Kompensationsverfahren dadurch
gelöst, daß der Spannungsabfall an einem Widerstand eines Brückenzweiges als eindeutig
definierte Normalspannung verwendet wird und ein oder mehrere spannungsabhängige
Widerstände derart angeordnet werden, daß die Spannungsänderung an mindestens einem
Brückenwiderstand kleiner oder größer wird als die Spannungsänderung an der Brückendiagonalen
oder Brückenspeisespannung.
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Es sind schon Schaltungen von Wheatstonschen Brücken bekanntgeworden,
deren einer Zweig durch einen stromabhängigen Widerstand, beispielsweise eine Glühlampe,
gebildet wird. In der bekannten Anordnung werden derart gestaltete Brücken zur Verbesserung
der Eigenschaften von elektronischen Verstärkern verwendet so daß hieraus kein Hinweis
für die Verwendung einer solchen Brücke gemäß der Erfindung entnommen werden kann.
Außerdem ist die Dimensionierung der bekannten Brücke so gewählt, daß sie für einen
Zweck gemäß der Erfindung unbrauchbar ist. Durch die Erfindung wird eine Meßeinrichtung
geschaffen, die sowohl als Normalspannungsquelle als auch als Anzeigevorrichtung
lage-, beschleunigungs- und erschütterungsunempfindliche Einzelteile, wie Widerstände,
Potentiometer, spannungsabhängige Widerstände, Trockenbatterien und einfache Umschalter,
zu verwenden gestattet.
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Des weiteren sind Brückenschaltungen, die nach der Ausschlagmethode
arbeiten, bekanntgeworden, bei denen
eine Spannungskonstanthaltung durch Spannungskonstanthalter
bekannter Bauart, beispielsweise durch Eisenwasserstoffwiderstände, erfolgt. Obwohl
die genannten Widerstände in einem bestimmten Bereich einen nur wenig veränderlichen
Widerstand aufweisen und obwohl die bekannte Schaltung so ausgebildet ist, daß sich
die Widerstandsänderungen nahezu kompensieren, ist die erreichte Spannungskonstanz
zum Ersatz eines Normalelementes viel zu ungenau.
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Endlich ist noch eine Brückenschaltung mit spannungsabhängigen Widerständen
bekanntgeworden, die eine Stabilisierung der Brückenspeisespannung ergibt. Diese
Brückenschaltung gestattet nicht die Verwendung des an einem spannungsunabhängigen
Widerstand auftretenden Spannungsabfalles als eindeutig definierte Normalspannung.
Der Vorteil des Erfindungsgegenstandes, der die vorgenannte Möglichkeit zuläßt,
besteht gegenüber der bekannten Vorrichtung darin, daß die Zahl der in der Brücke
verwendeten teuren Präzisionswiderstände vermindert wird und daß die Betriebsspannung
kleiner sein kann, da die Speisespannung nur in einem kleinen Bereich zu ändern
ist.
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In der Zeichnung zeigt Fig. 1 die Schaltung einer Kompensationsmeßeinrichtung
zur Messung von Temperaturen mittels Thermoelement in Meßstellung; Fig. 2 zeigt
den Verlauf der Brückenteilspannungen U2 und U3 in Abhängigkeit von der Brückenspeisespannung
U.
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Fig. 3 zeigt den Verlauf der Brückendiagonalspannung U2 - U3 sowie
der Brückenteilspannungen U2 und U3.
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Die Brückenschaltung besteht aus den Widerständen R1, R2, R ,+R,
und RL.
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R3R4 In dem Schaltbild Fig. list das Thermoelement mit Th und der
als Anzeigevorrichtung verwendete elektronische
Anzeigeverstärker
mit V bezeichnet, S1 und S2 sind Schalter, die gleichzeitig in Stellung M (Messen)
oder Stellung E (Eichen) gelegt werden können. Die wesentlichen Punkte der Meßbrücke
sind mit A, B, C und D bezeichnet.
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Die Brückenspeisespannung U liegt über dem regelbaren Vorwiderstand
RV an den Punkten A und B, während die Brückendiagonalspannung an den PunktenC und
D abgenommen wird. Das Brückengleichgewicht, bei dem die Bruckendiagonale spannungslos
wird, ist durch das Verhältnis der Brückenzweige R1 RL RL.(R3+R4) R2 R3 . R4 gegeben.
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Wird hierin als Brückenwiderstand RL ein spannungsabhängiger Widerstand,
z. B. eine Metallfadenglühlampe, verwendet, so befindet sich die Brücke nur dann
im Gleichgewicht, wenn RL in Abhängigkeit von der Brückenspeisespannung den Widerstand
R1.R3.R4 RL = R2.(R3+R4) aufweist.
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Die Brückenspeisespannung an den Punkten A und B ist damit durch
das Brückengleichgewicht eindeutig definiert, so daß gleichzeitig auch die Spannungsabfälle
an den einzelnen Brückenwiderständen im Verhältnis ihrer Größen eindeutig definiert
sind. Statt eines Widerstandes RL mit positiver Widerstandsänderung (Metallfadenlampe)
kann auch ein RL mit negativer Widerstandsänderung (Kohlenfadenlampe) verwendet
werden. Im äußersten Falle können RL und R2 mit positiver und gleichzeitig R1 und
R3 mit negativer Widerstandsänderung gewählt werden.
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In jedem Falle hängt das Brückengleichgewicht von der Brückenspeisespannung
an den Punkten A und B ab.
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Fig. 2 zeigt den Verlauf der Brückenteilspannung U2 an R2 und Uns
an R3.(R4 + R5 + R6) R3 + R4 + R5 + R6 in Abhängigkeit von der Brückenspeisespannung.
Bei 2 Volt Brückenspeisespannung ist U2 = U3 und die Brückendiagonalspannung Null.
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R3 . R4 Wird nun der Spannungsabfall an R3+R4 als Ersatz für die
Spannung eines Normalelementes verwendet, so wird gleichzeitig noch die stabilisierende
Eigenschaft des spannungsabhängigen Widerstandes RL ausgenutzt. Es ergibt sich hierbei,
daß bei Änderungen der Brückenspeisespannung sich die Spannungsänderungen an R3
und R2 nach Fig. 3 im Verhältnis von U3 z.B. wie 1:3 U2 verhalten. Dieses Spannungsverhältnis
hängt jeweils von der Widerstandsänderung des verwendeten spannungsabhängigen Widerstandes
RL ab. Die Änderung der Brückendiagonalspannung (U2U3) verhält sich ztir (U2- U3)
Spannungsänderung U3 an R3 z.B. wie 2:1 U3 und U2 an R2 (U2 - U3) wie 4:5.
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U2 Es ergibt sich also einmal eine stabilisierende Wirkung an R3
und eine verstärkende Wirkung an R2.
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Fig. 3 zeigt den Verlauf der Brückendiagonalspannung (U2 - U3) sowie
der Brückenteilspannungen U2 und U3.
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Mit einem dreistufigen stark gekoppelten Anzeigever-
stärker läßt sich
die Brückendiagonalspannung genauer als i O,lmVolt auf Spannungslosigkeit abgleichen.
Das ergibt eine Einstellungsgenauigkeit von U3 von < i 50 10- 6 Volt, da sich
bei gleicher Anzeigegenauigkeit von (U2 - U2) und U3 das Verhältnis der Spannungs-U2-U3
änderungen U3 wie 2:1 verhält.
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Durch geeignete Kombination von temperaturabhängigen Widerständen
in den Brückenzweigen kann diese Anordnung temperaturabhängig oder temperaturunabhängig
ausgeführt werden. Der Spannungsteiler R4, an dem die Normalspannung U3 abgenommen
wird, kann direkt in Volt, mVolt, z. B. 0 bis 50 Volt, oder bei Verwendung der Meßanordnung
für Temperaturmessungen mit Thermoelementen in °C geeicht werden. Bei Strommessungen,
die auf Spannungsmessungen an einem Normalwiderstand zurückgeführt werden können,
wird die Eichung von R4 in A oder mA vorgenommen. Durch wahlweise Einschaltung von
R5 kann der Meßbereich verkleinert werden (z. B. 0 bis 10 Volt, Skalendehnung).
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Durch Einschalten von R6 kann der Nullpunkt unterdrückt werden (z.
B. Meßbereich 4 bis 50 Volt). Beim Einschalten von R5 und R6 erfolgt eine Verkleinerung
des Meßbereiches mit unterdrücktem Nullpunkt (z. B. 4 bis 10 Volt, Skalendehnung).
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Vor der eigentlichen Messung wird der Anzeigeverstärker mit den Schaltern
S 1 und S2 in Stellung E an die Brückendiagonale C -D angeschlossen und die Brücke
mit RV auf Null abgeglichen. Anschließend werden S 1 und S2 in Stellung M gebracht
und die unbekannte Spannung an den Klemmen Ux mit der Normalspannung über den geeichten
Spannungsteiler R4 kompensiert.
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Die Kompensation von Wechselspannungen erfolgt in der bekannten Weise
durch eine vorhergehende Gleichrichtung oder indem als Brückenspeisespannung ebenfalls
eine Wechselspannung gleicher Frequenz und Phasenabgleichmöglichkeit verwendet wird.
Der Anzeigeverstärker kann auch als Regelverstärker oder Nachlaufverstärker zur
direkten Einstellung sowohl von R4 als auch der Brückenspeisespannung z. B. zur
automatischen Eichung der Normalspannung oder eines anderen Brückenzweiges verwendet
werden.
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Wird in die Brückendiagonale ein Anzeigeinstrument oder ungeeichter
Anzeigeverstärker gelegt, so kann die Brückenschaltung zur Messung von Spannungen
auch mit unterdrücktem Nullpunkt je nach Lage des Arbeitsbereiches der Brückenschaltung
verwendet werden. Als Brückenspeisespannung wird hierbei die zu messende Spannung
verwendet. Bei Widerstandsmessungen wird der unbekannte Widerstand in einem Brückenzweig
zusätzlich eingeschaltet und die Diagonalspannung nach vorausgegangenem Brückenabgleich
oder die Brückenspeisespannung als Meßwert verwendet. Es lassen sich auch nach dieser
Methode einfache Regler aufbauen, bei denen nicht nur die Brückenspeisespannung,
sondern auch mindestens ein Brückenzweig gleichzeitig geregelt werden kann.
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Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Beispiel beschränkt.
So ist es beispielsweise möglich, den Spannungsabfall an einem Brückenglied als
Speisespannung für eine zweite Brücke zu verwenden. Dieses Verfahren läßt sich mit
beliebig vielen, in der vorerwähnten Weise zusammengeschalteten Brücken fortsetzen,
so daß es möglich ist, eine große Zahl von Nullstellen an der n-ten Brückendiagonale
zu schaffen, die bestimmten Eingangsspannungen zugeordnet sind.
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Es lassen sich noch weitere Variationen durch Einschalten von frequenz-
und zeitabhängigen Brückengliedern herstellen, die den verschiedenartigsten Meß-und
Regelvorgängen zugeordnet sein können.