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Brücken- und Kompensationsschaltung zur automatischen Messung von
Widerständen, Spannungen oder Strömen Die Erfindung ermöglicht, Widerstände, Spannungen
oder Ströme zu messen und in einem Ziffernfeld anzuzeigen oder zu drucken.
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Anordnungen, die ähnliches leisten, sind aus der amerikanischen Technik
bekannt. Diese verwenden einen Drehwähler. Ein Drehwähler benötigt aber für die
Einstellung der Widerstände eine Zeit von etwa 1 bis 4 Sekunden. Mit Hilfe eines
Relaisverschlüßlers nach der Schaltung gemäß der Erfindung in Verbindung mit einem
Impulsverstärker als Null-Indikator kommt man dagegen unter besonderen Bedingungen
minimal mit etwa 100 ms aus.
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Elektronisch arbeitende Spannungs- und Stromkompensatoren, mit denen
zwar ebenfalls kurze Meßzeiten erzielt werden, erreichen bei größerem Aufwand höchstens
eine Meßgenauigkeit von 0,1 0/o. Außerdem ist es nicht möglich, mit solchen Anordnungen
einen hohen Äviderstandsmeßbereich zu beherrschen.
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Demgegenüber betrifft die Erfindung eine Schaltungsanordnullg, die
Meßzeiten erreicht, welche mit elektronischen Anordnungen verglichen werden können,
gleichzeitig aber an die von normalen Kompensationsschaltungen erreichbare Präzision
herankommt; sie bezieht sich auf eine Brücken- oderKompensationsschaltung zur automatischen
Messung von Widerständen, Spannungen oder Strömen durch selbsttätigen. schrittweisen
Abgleich, mit aus Teilwiderständen bestehenden Abgleichwiderständen, mit einem vom
Nullzweig der Schaltung gesteuerte Relais (Entscheidungsrelais) und mit dadurch
gesteuerten Abgleichrelais 1zum Einstellen der Teilwiderstände. Sie ist gemäß der
Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß jeder Teilwiderstand durch Kontakte zweier
Relais kurzscbließ bar ist, daß diese Relais durch ein von einem Steuerwechselstrom
erregtes polarisiertes Relais in Tntervallen entsprechend den Halbwellen des Steuerwechsel
stroms nacheinander betätigt werden, daß das eine dieser beiden Relais (Vorbereitungsrelais)
den Teilwiderstand versuchsweise und das andere Relais (Verschlüsselungsrelais)
diesen Teilwiderstand entsprechend der Aussage des im Nullzweig liegenden Entscheidungsrelais
endgültig abschaltet oder nicht und daß ein vom Steuerwechselstrom betätigtes Schaltmittel
vorgesehen ist, das während des Schaltens des Vorbereitungsrelais den Nullzweig
abschaltet, im Sinne der Fernhaltung von durch Schaltvorgänge bewirkten den Abgleich
und/oder die Meßwertanzeige fälschenden Störsignalen vom Entscheidungsrelais.
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Durch die scharfe zeitliche Trennung des vorberei tenden Intervalls
und des Entscheidungsintervalls erreicht man, daß die zu treffendeEntscheidung über
das Verbleiben eines abgeschalteten Teilwiderstandes nicht durch das gleichzeitige
Arbeiten der Relais, die im vorbereitenden Intervall tätig sind, gestört werden
kann.
Dadurch wird zugleich die Genauigkeit wie auch die Schnelligkeit des Abgleichs auf
das Äußerste gesteigert. Man kann infolgedessen die Schnelligkeit des bekannten
Schutzgaskontakt-Relais ausnutzen. Für einen nicht dekadisch arbeitenden Verschlüßler
wird zusätzlich eine Relaisschaltung zum Umwandeln in das dekadische System angewendet,
um die dekadischen Zahlen beispielsweise in einem Ziffernfeld zur Anzeige zu bringen.
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Die Meßunsicherheit des in der Erfindungsmeldung beschriebenen Meßprinzips
ist namentlich von der Empfindlichkeit des als Nullindikator verwendeten Impulsverstärkers
abhängig. Bei entsprechendem Aufbau und guter Schirmung des Verstärkers ist eine
Meßgenauigkeit von 0,01 °/n erreichbar.
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Für eine Widerstandsmeßbrücke (Meßbereich 0,1 Q bis 10 MQ) ergeben
sich bei 120 V Brückenspannung folgende Forderungen an den Verstärker: Spannungsempfindlichkeit
0,9 mV, Eingangsimpedanz 10 mg.
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Für Spannungs- und Stromkompensatoren erscheint es zweckmäßig, den
Verstärker für 0,1 mV auszulegen.
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Es genügt dann als Vergleichsspannungsquelle z. B. ein einziges Normalelement.
Der Kompensator wird so dimensioniert, daß dem Normalelement nur Ströme in der Größenordnung
von 1 10-5 A entnommen werden. Die kleinste, mit 0,01 0/o Meßunsicherheit noch meßbare
Spannung beträgt damit 1 V.
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Die Erfindung wird am Beispiel einer Widerstandsmeßbrücke beschrieben.
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In Fig. 1 ist die Meßbrücke mit den zugehörigen Relaiskontakten,
dem Impulsverstärker V und den
Entscheidungsrelais E1 und E2 insgesamt
dargestellt.
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Das Relais E1 gibt die Kommandos für die später (Fig. 3) zu erläuternden
K-Relais. Das Relais E2 spricht an, wenn die erzielte Abstimmung der Brücke nach
beendeter Abgleichung eine zu hohe Restspannung zeigt. Durch E2 wird in diesem Fall
ein nochmaliger, selbsttätiger Abgleich in Gang gesetzt.
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Die Widerstände R1 bis R5 in dem einen Brückenzweig bestimmen den
Meßhereich in der Brücke, die Widerstände R6 bis K, in z. B. tetradischer Abstufung
den Feinabgleich. Bei der dargestellten Meßbereichaufteilung und beispielsweise
vierziffriger Anzeige ergibt sich Rn zu R20.
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Die in Fig. 1 angegebenen Widerstandswerte zeigen ein hestimmtes
Beispiel. Am Eingang des Verstärkers V liegt ein Umschaltkontakt tv. Dieser geholt
zu einem Relais (ImpulsrelaisFig.5). In der BrückendiagonaleA-B liegt noch ein kurzgeschlossener
Widerstand RF. Dieser wird durch Öffnen von PFa nach vollständig durchgeführtem
Abgleich in die BrückendiagonaleA-B eingeschaltet und begrenzt dann den Diagonalstrom
derart, daß er bei richtig vollzogenem Abgleich der Brücke zum Ansprechen des Relais
E, nicht ausreicht.
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Die Rclaiskontakte p werden durch eine Relaiskette PO bis Ps (Fig.
2) fortschreitend nacheinander geschaltet, bis sie vor Beginn einer neuen Messung
in die Ruhelage zurückgebracht werden. Die Indizes der Bezugszeichen für die Relaiskontakte
bedeuten die Zuordnung zu einem bestimmten Relais bzw. einen hestimmten Kontakt
dieses Relais, Pa z. B. ist der Kontakt a des Relais P1. Die k-Kontakte werden durch
die K-Relais (Fig. 3) gesteuert. Die K-Relais werden zunächst durch die zugeordneten
Kontakte der P-Relais in Bereitschaft geschaltet, aber erst durch die Entscheidung
des E1-Relais gesteuert. Ein einmal gesteuertes K-Relais hält sich bis zum Anlauf
der nächsten Messung.
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Fig. 2a erläutert eine Schaltung der P-Relais, die zurEinstellung
derKontaktep1 bis Pn, pp und i>s dient.
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Durch die Gleichrichter Gl werden vorzeitige Erregungen von P-Relais
verhindert.
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Der Kontakt tTa bzw. tTt wird durch das Relais TT (Taktgeber; Fig.
5) im Rhythmus des Wechselstromes (Betri ebswechselstrom) geöffnet bzw. geschlossen.
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Die Dauer des Kontaktschlusses des Kontaktes tT in der entsprechenden
Halbwelle des Speisestromes beträgt etwa 8 bis 9 ms. Die Schaltzeiten der Relais
PO bis P1 liegen bei etwa 6 bis 7 ms. Damit wird es ermöglicht, daß in einer Periode
des Speisestromes jeweils nur einP-Relais anspricht. DasSchlußrelaisPs beendet den
Abgleich.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel (Fig. 2b) zeigt eine Anordnung der
P-Relais, welche die Grenzen der zulässigen Schaltzeit der P-Relais erweitert, so
daß bei höherer Erregung die Schaltzeiten der P-Relais so weit unter der Schaltdauer
des Taktgebers liegen, daß auch selbst starke Spannungsschwankungen nicht stören.
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Die Schaltung nach Fig. 2a läßt sich gemäß Fig. 2b abändern. Die
Relais P sind zu zwei Gruppen geordnet. Jede dieser Gruppen wird durch einen Kontakt
t25, der mit der halben Frequenz umschaltet, wie der ihm vorgeschaltete Taktgeberkontakt
tzb, für die Erregung vorbereitet. Die Steuerung des zum Kontakt t25 gehörenden
Relais T25 erfolgt beispielsweise über eine bistabile Transistorkippstufe, die wiederum
durch die verwendete Wechselstromfrequenz gesteuert wird. Die Fortschaltung derP-Relaiskette
erfolgt beim Schließen des Kontaktes tTb erst dann, wenn das in der Ordnung
vorhergehende
P-Relais seinen Kontakt im Erregerstromkreis der nächstfolgenden P-Relais geschlossen
hat.
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Fig. 3 erläutert die Schaltung der K-Relais, deren Ansprechen, wie
schon gesagt, durch die P-Relais und die Entscheidungsrelais E1 bzw. E2 bewirkt
wird. Ein gemessener Rv-Wert ist nach dem Abgleich durch die Stellung der K-Kontakte
verschlüsselt festgelegt. Aus diesem Grunde wird die Anordnung der K-Relais auch
als Verschlüßler bezeichnet. Das Relais KF wird nur durch das Relais E2 gesteuert
(Fehler-Fall).
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Fig. 4 zeigt das Taktgeber- und das Impulsrelais T7 und Tv, die am
Schluß der Abstimmung durch den Kontakt ps, des Relais Ps abgestellt werden. Die
Brückenspannung C-D wird, wie in der Fig. 4, unten, gezeigt ist, durch einen Kontakt
Psh nach heendeter Messung unterbrochen.
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Mit Drücken der in Fig. 4, Mitte, gezeigten Starttaste »Start« werden
sämtliche Relais abgeworfen.
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Nach Loslassen der Taste beginnt selbsttätig ein neuer Abgleich. Wird
am Ende eines Abgleichs über E,2 das Fehlerrelais KF erregt, so werden durch das
spätere Öffnen von Kontakt kFc sämtliche Relais abgeworfen.
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Gleichzeitig wird mit kFd der Erregerkreis für das abfallverzögerte
Relais Rz geschlossen. Rz seinerseits bringt KF und dadurch sich selbst wieder zum
Abfall.
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Mit Abfall des Relais KF wird der Stromkreis für die Relais, der über
die Starttaste »Start« verläuft, geschlossen, und der Abgleich beginnt von neuem.
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Nach vollendetem Abgleich besteht manchmal die Aufgabe, den verschlüsselten
Meßwert in dekadischen Zahlen, z. B. auf einem Tableau, anzuzeigen. Dazu sind die
in Fig. 5 dargestellten U-Relais vorgesehen.
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Sie werden von den k--Kontakten des Verschlüßlers gesteuert und schalten
nach dem Schema der Fig. 5, unten, die entsprechende beleuchtete Ziffer ein. Die
in Fig. 5 dargestellten Ziffern gehören nur zu einer Ziffernzahl des anzuzeigenden
Wertes. Für eine vier ziffrige Anzeige sind vier Anordnungen gemäß Fig. i erforderlich.
Jeweils vier K-Relais ergeben eine Dezimalzahl der Meßstellen des Meßwert. liAnordnung
der U-Relais wird als isetzerßezeichnet, weil sie dazu dient, einen verschlüsselten
Meßwert (z. B. tetradisch) in ein anderes Zahlensystem (z. B. ein dekadisches System)
umzusetzen.
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In der Fig. 6 wird die Schaltung eines Spannungskompensators angegeben.
Zum Abgleich findet der gleiche Relaisverschlüßler Anwendung. Der Abgleich d. h.
das Überbrücken der Widerstände R1 bis Rn und S1 bis in erfolgt in der Weise, daß
der Gesamtwiderstand der Kette R1 bis S, stets konstant, z. B. 1 MOhm, und damit
die Belastung der Normalspannungsquelle ebenfalls konstant bleibt.
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Bei der Spannungsmessung mit dem Kompensator nach der Erfindung geht
eine Entscheidung über die Polung der zu messenden Spannung Ux voraus. Der Operierende
braucht nicht auf eine richtige Polung zu achten.
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Vor Beginn der eigentlichen Messung liegt der Verstärker unmittelbar
an der zu messenden Spannung Ux und bewirkt durch sein Kommando auf das Entscheidungsrelais,
wenn notwendig, eine Umpolung der Spannung Ux. Eine Meßbereicheinstellung, welche
dem selbsttätigen Abgleich vorausgeht, ist in an sich bekannter Weise an einem Spannungsteiler
verwirklicht, dessen unveränderlicher Teil mit seinem Stufenwiderstand in Reihe
liegt, der durch die Kontakte k2d bis k4 d eingestellt wird. Die zum Abgleich dienende
Widerstandskette Qt bis Sn wird paarig so geschaltet, daß jedem anzuschaltenden
Widerstand Q3 bis Qn ein
gleichzeitig zu überbrückender Widerstand
S, bis S1, gleicher Größe zugeordnet ist. Damit bleibt die Belastung der Vergleichsspannungsquelle
unverändert.
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Die Schaltungen der zu den Kontakten p und k, welche die Ein- und
Ausschaltung der Widerstände Qj bis S. bewirken, gehörenden Relais P und K entsprechen
denen in Fig. 2 und 3. Ein Dimensionierungsbeispiel zeigt Fig. 6. Es ist vorteilhaft,
wenn man für sämtliche Relais Schutzgaskontakt- bzw. Vakuumkontakt-Relais einsetzt.
Dadurch erzielt man eine sichere und saubere Kontaktgabe.
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In Abwandlung der Schaltung von Fig. 2b kann eine bistabile Kippstufe
an Stelle der Relais 7'T und T25 verwendet werden. In Verbindung mit den schnell
schaltenden Schutzgaskontakt-Relais erzielt man, wenn zur Steuerung der Kippstufe
ein Oszillator mit einer Frequenz von 250 Hz verwendet wird, bei einer vierziffrigen
Anzeige und vier Meßbereichen eine minimale Abgleichzeit von 92 ms und bei fünfziffriger
Anzeige und vier Meßbereichen eine Zeit von minimal 108 ms. Das am Verstärkereingang
liegende Relais ist dabei ebenfalls mit 250 Hz zu betreiben. Unmittelbar an den
Ausgang des Verstärkers kann die Kette der Verschlüsselungsrelais (K) gelegt werden.
Dadurch wird die Funktion des E-Relais durch das jeweilige K-Relais mit übernommen.
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Die Vorbereitung der K-Relais erfolgt, wie bereits beschrieben, durch
die Fortschaltung der P-Relais-Kette. Das Relais E2 bekommt seinen Platz in diesem
Fall hinter dem letzten Verschlüsselungsrelais Kn.
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Das Relais E2 wird mit KF vereinigt.
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Die Vorgänge beim Messen eines Widerstandes sind folgende: Nach dem
Anklemmen eines zu untersuchenden WiderstandesRx an die KlemmenA-C wird die Starttaste
»Start« (Fig. 4) kurzzeitig gedrückt, wodurch alle Relais stromlos werden. Nach
Loslassen der Taste beginnt eine neue Messung bzw. Verschlüsselung.
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Als Erstes spricht PO an, sobald sich der Kontakt tTa schließt. PO
hält sich selbst und bereitet die Erregung von P, vor, welches beim nächsten Schließen
von tTa (Fig. 2 a) anspricht. Ein Kontakt von pr (Fig. 3) bereitet die Erregung
des K,-Relais vor. In der folgenden Halbwelle wird der Kontakt tTa (Fig. 2 a) wieder
geöffnet bzw. in Fig. 3 ein Kontakt tTa geschlossen.
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In dieser gleichen Halbwelle erfolgt auch die Öffnung des Verstärkereingangs
durch den Kontakt tv, so daß die erste Entscheidung durch den Verstärker auf das
Entscheidungsrelais E1 gegeben wird.
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Bei bestimmter Differenzstromrichtung im Nullzweig A-B schließt Kontakt
et, wodurch über die Kontaktep2f und p,f der Erregerkreis für das Relais KJ geschlossen
wird, welches sich nach der Erregung über Kontakt k"b selber hält. Wenn et durch
das Entscheidungsrelais E1 bei anderer Stromrichtung im Nullzweig geöffnet bleibt,
wird Kt nicht gesteuert. Auf jeden Fall ist aber die Einstellung von K1 für diese
Messung endgültig, weil beim Ansprechen des nächsten Stellrelais P2 der Kontakt
p,f (Fig. 3) umgelegt wird. Sämtliche p-Kontakte behalten nach ihrer Erregung ihre
Arbeitskontaktstellungen bei. Mit dem Fortschalten der P-Relais werden nacheinander
alle K-Relais in Bereitschaft geschaltet und eingestellt.
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Während die P-Relais die Teilwiderstände probeweise und jeweils nur
in einer Periode überbrücken, bleibt eine einmal getroffene Einstellung des K-Relais
bis zum Ende der Messung erhalten.
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Damit wird im Endergebnis eine ausgewählte Kombination derTeilwiderstände
als Meßergebnis erhalten,
welches geeignet ist, das Brückengleichgewicht herzustellen.
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Tritt während des Abgleichs eine Fehlentscheidung, z. B. durch eine
inzwischen erfolgte Anderung von ein, so wird durch die Steuerung der Relais PF
und KF (KF wird über Relais E2 und Kontakt e2 durch den Verstärker nur gesteuert,
wenn nach dem Abgleich die Verstimmung im Nullzweig der Brücke einen bestimmten
Wert überschreitet) der Abgleich nochmals von PO beginnend angeregt. Bei richtiger
Messung beendet Ps den Abgleich endgültig.
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Die Widerstände Ri bis R5 (Fig. 1) in dem einen Brückenzweig werden
nur zum Grobabgleich herangezogen. Die Widerstände R6 und folgende im anderen Brückenzweig
dienen zum Feinabgleich. Daraus ergibt sich, daß die Widerstände Rt bis R5 zur Kommaeinstellung,
die Widerstände R6 bis Rn als Feinabgleichwiderstände zur Ermittlung der Ziffern
verwendet werden können (Fig. 5). Ein Kommasymbol kann in Abhängigkeit von der Einstellung
der Kontakte kli bis k4 c in verschiedener Lage im Ziffernfeld zum Leuchten gebracht
oder sonstwie hervorgehoben werden.
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Die Darstellung des durch den Feinabgleich erhaltenen neuen Meßwertes
ist in Fig. 1, unten, erkennbar.
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Jede Ziffernstelle ist durch Widerstandswerte nach der Abstufung 4,
2, 2, 1 durch die Einstellung von vier K-Relais einstellbar.
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PATENTANSPROCHE: 1. Brücken- oder Kompensationsschaltung zur automatischen
Messung von Widerständen, Spannungen oder Strömen durch selbsttätigen, schrittweisen
Abgleichs, mit aus Teilwiderständen bestehenden Abgleichwiderständen, mit einem
vom Nullzweig der Schaltung gesteuerten Relais (Entscheidungsrelais) und mit dadurch
gesteuerten Abgleichrelais zum Einstellen der Teilwiderstände, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Teilwiderstand (R) durch Kontakte (p, k) zweier Relais (1?, K) kurzschließbar
ist, daß diese Relais (P, K) durch ein von einem Steuerwechselstrom erregtes polarisiertes
Relais (T) in Intervallen entsprechend den Halbwellen des Steuerwechselstromes nacheinander
betätigt werden, daß das eine dieser beiden Relais (P) (Vorbereitungsrelais) den
Teilwiderstand (R) versuchsweise und das andere Relais (K) (Verschlüsselungsrelais)
diesen Teilwiderstand entsprechend der Aussage des im Nullzweig liegenden Entscheidungsrelais
(E) endgültig abschaltet oder nicht und daß ein vom Steuerwechselstrom betätigtes
Schaltmittel (Tv, tv) vorgesehen ist, das während des Schaltens des Vorbereitungsrelais
(P) den Nullzweig abschaltet, im Sinne der Fernhaltung von durch Schaltvorgänge
bewirkten den Abgleich und/oder die Meßwertanzeige fälschenden Störsignalen vom
Entscheidungsrelais (Et in Fig. 1 bis 4).