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Spannungsmesser mit Brückenschaltung Es sind Spannungsmesser mit Brückenschaltung
bekannt, deren einer Zweig aus einer Elektronenröhre besteht und bei dem die zu
messende Spannung an das Steuergitter dieser Röhre angelegt wird, wodurch die Brücke
aus ihrem Gleichgewicht kommt. Zur Wiederherstellung des Gleichgewichts der Brücke
wird der Widerstand eines Brückenzweiges nach einer bekannten Funktion geändert
und die Zeit gemessen, die zur Wiederherstellung des Gleichgewichts nötig ist, so
daß der Wert der zu messenden Spannung aus dieser Zeit ermittelt werden kann.
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Bei einem solchen Spannungsmesser bestehen die vier Zweige der Brückenschaltung
aus je zwei Trioden und deren Kathodenwiderständen. Die beiden Anoden der Trioden
und die beiden Kathoden sind miteinander verbunden.
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Die zu messende Spannung wird auf das Gitter einer der Trioden gegeben,
wodurch die Brücke außer Gleichgewicht kommt. Hierauf wird eine nach einer bekannten
Funktion zunehmende Spannung auf das Gitter der zweiten Triode gegeben, um deren
Widerstand fortschreitend zu ändern.
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Bei diesen bekannten Spannungsmessern kann es vorkommen, daß die
Steilheiten der beiden Trioden nicht genau übereinstimmen, wodurch mehr oder minder
große Meßfehler entstehen können. Es ist daher möglich, daß die Brücke für die zu
messende Spannung und eine gleichgroße Vergleichsspannung im Gleichgewicht ist,
daß sie jedoch für eine andere Größe der unbekannten Spannung und eine in bezug
auf diese gleichgroße Vergleichsspannung nicht mehr im Gleichgewicht ist.
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Bei einer anderen bereits bekannten Schaltungsanordnung zur Spannungsmessung
wird ein spannungsstabilisierender Vierpol mit zwei in Reihe geschalteten Elektronenröhren
verwendet, bei dem die zu messende Spannung dem Steuergitter der am negativen Pol
der Speisespannung liegenden Röhre zugeführt wird. Zur Indikatoranzeige dient dort
die Ausgangsspannung. Das eigentliche Meßprinzip besteht darin, daß die negative
Gittervorspannung einer Röhre dieser Schaltanordnung um so größer wird, je größer
der durch die Ionisationskammer fließende Ionisationsstrom ist. Die Gittervorspannung
an dieser Röhre wird aber nicht fortschreitend nach einer bekannten Funktion geändert.
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Es sind auch schon Brückenschaltungen bekanntgeworden, die nicht
zur Messung einer Spannung, sondern beispielsweise zur Messung der Radioaktivität
dienen. Bei einer bekannten Schaltanordnung dieser Art liegt in einem Brückenzweig
eine Triode, die von einer sich ändernden Spannung gesteuert
wird. Zur Durchführung
des Meßverfahrens dient eine Ionisationskammer sowie ein Meßinstrument, das als
Nullindikator dient. Gemessen wird die Zeit, die erforderlich ist, um eine spezifische,
im Innern der Ionisationskammer vorhandene Ladung zu neutralisieren. Hier handelt
es sich also nicht um einen Spannungsmesser mit Brückenschaltung im eigentlichen
Sinne, sondern ausschließlich um ein Gerät zur Messung der Radioaktivität.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Meßgenauigkeit und
Zuverlässigkeit derartiger Spannungsmesser zu erhöhen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von den oben erwähnten
Spannungsmessern mit Brückenschaltung aus, deren einer Zweig aus einer Röhre besteht
und die einen Stromkreis enthält, der den Widerstand eines Brückenzweiges nach einer
bekannten Funktion fortschreitend ändert und bei dem die Messung der zur Wiederherstellung
des Brückengleichgewichts erforderlichen Zeit zur Ermittlung der Höhe der zu messenden
Spannung dient.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt dadurch, daß der erwähnte
Stromkreis einen Kondensator enthält, der in Reihenschaltung im Gitterkreis der
Elektronenröhre liegt und nach einer bekannten Funktion, z. B. mit konstantem Strom,
aufgeladen wird, während die zu messende Spannung mit entgegengesetzter Polarität
in bezug auf die durch die Ladung des Kondensators hervorgerufene Spannung am Steuergitter
der Röhre liegt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Spannungsmessers nach der
Erfindung ist der Kondensator in Reihenschaltung mit einem anderen KondendAA CAA104d:
sator
verbunden, wobei die Spannung dieses letzteren Kondensators die zu messende Spannung
darstellt.
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Der Spannungsmesser nach der Erfindung bietet den großen Vorteil,
daß der Arbeitspunkt der einen Zweig der Brückenschaltung bildenden Röhre unabhängig
von der Höhe der zu messenden Spannung stets an der gleichen Stelle bleibt. Hieraus
ergibt sich eine bisher unerreichte Meßgenauigkeit, die für weite Gebiete der Technik
von erheblicher Bedeutung ist.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsformen des Spannungsmessers
nach der Erfindung beispielhaft wiedergegeben.
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Fig. 1 zeigt die Schaltanordnung eines Spannungsmessers mit Brückenschaltung
nach der Erfindung, der insbesondere spektrographischen Zwecken dient; Fig. 2 zeigt
eine abgeänderte Ausführungsform eines Teiles dieser Sehaltanordnung.
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Gemäß Fig. 1 ist eine Photozelle 1 mit einem Kondensator C verbunden.
Diese Photozelle ist einer bestimmten Lichtwellenlänge ausgesetzt und wird für die
Emissions-Spektralanalyse verwendet. Nach einem bekannten Verfahren wird ein elektrischer
Bogen oder Funken zwischen zwei Elektroden erzeugt, wobei eine dieser Elektroden,
oder auch beide, aus dem zu untersuchenden Material bestehen. Das vomBoden oder
Funken ausgestrahlte Licht wird mittels einer optischen Vorrichtung zerstreut oder
gefiltert und die Intensität der Spektrallinie wird mittels einer oder mehrerer
Photozellen gemessen. Diese Spektrallinien entsprechen denjenigen der in der Probe
vorhandenen Elementen, und die Intensität jeder dieser Linien ist eine Funktion
der Menge des entsprechenden Elementes in der Probe.
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Die Photozelle 1 wird während einer bekannten Zeit bestrahlt und
liefert einen Strom, der von dieser Bestrahlung abhängt. Dieser Strom lädt den Kondensator
C auf, und die Spannung dieses Kondensators stellt die Integrale dieses Stromes
in bezug auf die Zeit dar.
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Andererseits kann man den Kondensator jeweils auf eine bestimmte
Spannung aufladen und die Ladezeit als Maß der Konzentration verwenden.
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Fig. 1 zeigt das Schema einer Meßbrücke, die eine rasche und genaue
Messung der Kondensatorspannung ermöglicht. Diese Brücke besteht aus zwei Trioden
T1 und T2, deren Kathoden zusammen verbunden sind, und aus zwei Widerständen R1
und R2, die über ein Potentiometer P verbunden sind. Der Schieber des Potentiometers
ist mit dem positiven Pol a einer Stromquelle verbunden, während die Kathoden der
Trioden T1 und T* über einen Widerstand Rs mit deren negativem Pol b verbunden sind.
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Eine in bezug auf das Brückengleichgewicht empfindliche Vorrichtung
besteht aus zwei Trioden T. und T4. Die Anoden dieser Trioden T3 und T4 sind über
zwei entgegengesetzte Wicklungen W1 und W2 eines polarisierten Relais D verbunden.
Die Kathoden dieser Trioden sind über einen Widerstand R4 mit den Kathoden der Trioden
T1 und T2 verbunden.
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Die Kontakte des polarisierten Relais D sind im unteren Teil der
Fig. 1 dargestellt und mit K1 und K. bezeichnet. Beim Gleichgewichtszustand der
Brücke sind die beiden Wicklungen W1 und W2 von gleichem Strom durchströmt, und
die Kontakte K1 und K, nehmen ihre in Fig. 1 dargestellte Mittelstellung ein.
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Der Kontakt Kx ist dazu bestimmt, einen Quarzoszillator Q mit einem
Impulszähler 1 zu verbinden.
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Der Kontakte2 weist zwei Schaltstellungen auf, bei
welchen eine Lampe
L von einer Strnmquelle B gespeist wird.
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Das Gitter der Triode T ist mit dem negativen Pol b verbunden, während
das Gitter der Triode T1 über einen Schalter S1 mit diesem Pol verbunden werden
kann. Wenn die beiden Gitter mit dem Pol b verbunden sind, so muß die Brücke im
Gleichgewicht stehen. In der Regel sind die Trio den T1 und T2 identisch und die
Widerstände R1 und R2 von gleichem Wert. Beim Verstellen des Schiebers des Potentiometers
P ist es möglich, kleine Unterschiede zwischen den Werten der beiden Widerstände
Rl und R2 oder der Trioden T1 und T2 zu beheben und die Brücke in Gleichgewichtszustand
zu bringen.
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Vor der Messung wird zuerst die Brücke bei geschlossenem Schalter
mittels des Potentiometers P in Gleichgewicht gebracht. Um die Spannung des Kondensators
C zu messen, wird nach Öffnen des Schalters S1 der Schalter SO geschlossen, so daß
eine Klemme des Kondensators mit dem Gitter der Triode T1 verbunden wird. Dieses
Gitter ist noch über einen Widerstand R5 mit einer nicht dargestellten Stromquelle
verbunden, deren Polarität so gewählt ist, daß der Kondensator C bei geschlossenem
Schalter 52 von einem Strom geladen wird, der eine in bezug auf die zu messende
Kondensatorspannung entgegengesetzte Spannung verursacht. Beim Schließen des Schalters
S2 wird zuerst die Spannung des Kondensators C an das Gitter der Triode T1 angelegt
so daß die Brücke außer Gleichgewicht kommt. Die Kontakte K1 und K2 des Relais D
nehmen ihre linke Schaltstellung ein, so daß der Quarzoszillator Q mit dem Impulszähler
1 verbunden ist und die Lampe L brennt. Die Spannung am Kondensator C ändert sich
fortschreitend nach einer bestimmten Funktion, so daß sie nach einer gewissen Zeit
gleich Null ist und die Brücke wieder im Gleichgewicht steht. In diesem Augenblick
nehmen die Kontakte K1 und K2 wieder ihre Mittelstellung ein, so daß die Verbindung
zwischen Quarzoszillator Q und Impulszähler 1 unterbrochen wird. Wenn sich die Spannung
am Kondensator C weiter ändert, so kommt die Brücke wieder außer Gleichgewicht,
und die Kontakte K1 und nehmen ihre rechte Schaltstellung ein. Die Lampe L leuchtet
wieder auf. Man könnte natürlich zwei Lampen L vorsehen, von denen eine für die
eine Schaltstellung des Kontaktes K2 und die andere für die andere Schaltstellung
leuchtet.
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Die zur Wiederherstellung des Brückengleichgewichtes nötige Zeit
kann aus dem im Impulszähler 1 registrierten Ergebnis ermittelt werden. Da die Frequenz
des Quarzoszillators Q höchst konstant ist, ist diese Zeit genau proportional zu
der vom Impulszähler angezeigten Impulszahl. Wenn der durch den Widerstand R5 fließende
Kondensator-Ladestrom konstant ist, so ändert sich die Spannung im Kondensator C
linear mit der Zeit. Daraus ergibt sich, daß die im Impulszählerl registrierte Zahl
eine lineare Funktion der zu messenden Spannung ist. Ein konstanter Ladestrom kann
z. B. leicht mittels einer Pentode geliefert werden. Der Ladestrom kann auch als
konstant betrachtet werden, wenn der Widerstande, hochohmig und von einer Quelle
gespeist ist, deren Spannung viel höher als die zu messende ist. In diesem Fall
kann der Impulszähler 1 z. B. direkt in Volt geeicht werden.
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Die Fig. 2 stellt einen Teil einer Abänderungsform dar, welche sich
von der obenbeschriebenen Ausführungsform
dadurch unterscheidet,
daß die zu messende Spannung diejenige eines Kondensators C1 ist, während die Vergleichsspannung
an den Klemmen eines zweiten Kondensators Q angelegt wird. Beide Kondensatoren Cj
und C, sind reihenverbunden und zwischen der Erde und dem Gitter der Triode T1 geschaltet.
Dieses Gitter kann mittels eines Schalters S5 mit der Erde verbunden werden, und
ein Schalter S4 ermöglicht es, den Kondensator C2 kurzzuschließen.
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Die Photozelle 1 ist mit dem Gitter der Triode T1 verbunden, und der
Widerstand R5 ist am Verbindungspunkt der Kondensatoren Cj und Ca angeschlossen.
Die Brückenanordnung kann identisch mit der in Fig. 1 dargestellten sein.
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Vor der Messung sind die beiden Schalter Si und S4 zuerst zu schließen,
und die Kondensatoren C1 und C2. werden dadurch entladen. Wenn die Photozelle der
zu messenden Bestrahlung ausgesetzt ist, wird zuerst der Schalter S3 geöffnet, so
daß der Photozellenstrom den Kondensator C1 auflädt. Nach Ende der Bestrahlung ist
die Spannung des Kondensators C zu messen. Zu diesem Zweck wird der Schalter 54
geöffnet, so daß eine an einer Klemme d angeschlossene Quelle den Kondensator C2
über den Widerstand R auflädt. Die Spannung am Kondensator C. nimmt fortschreitend
zu und weist eine zu der zu messenden Spannung entgegengesetzte Polarität auf. Nach
einer gewissen Zeit sind die Spannungen an den Kondensatoren C1 und Cg gleich, so
daß das Potential am Gitter der Triode T1 gleich Null ist und die Brücke im Gleichgewicht
steht. In einer solchen Anordnung kann z. B. der Kondensator C durch mehrere schaltbare
Kondensatoren gebildet sein, so daß die Kapazität von C2 nach Wunsch abgeändert
werden kann. Dadurch kann man leicht eine Veränderung der Empfindlichkeit der ganzen
Anordnung erhalten.
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Selbstverständlich kann man mehrere Abänderungsformen vorsehen. Die
Triode T2, die einen Brückenzweig bildet, dessen Widerstand gleich dem von der Triode
T1 gebildeten Zweig ist, könnte durch einen einfachen ohmschen Widerstand ersetzt
werden.
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Die beschriebene Anordnung weist sehr wichtige Vorteile auf, da die
zu messende Spannung und die Vergleichsspannung an dasselbe Gitter der Triode T1
angelegt werden. Dadurch wird erreicht, daß der Arbeitspunkt der Triode T1, im Gegensatz
zu den bekannten Schaltungen, beim Brückengleichgewicht vor und nach der Messung
der gleiche ist. Bei jeder Messung steht die Brücke zweimal im Gleichgewicht, und
zwar das erste Mal vor der Messung, wobei das Gitter der Triode T, mit der Erde
verbunden ist, und das zweite Mal am Ende der Messung, wenn die zu messende Spannung
und die Vergleichsspannung gleich groß sind, so daß das Gitterpotential wieder gleich
Null ist. Beim Gleichgewichtszustand der Brücke bleibt der Arbeitspunkt der Triode
T1 immer derselbe, obgleich der Gleichgewichtszustand vor oder nach der Messung
stattfindet. Daraus ergibt sich, daß auch bei Unregelmäßigkeiten der Charakteristiken
der Triode T1 kein Meßfehler hervortreten kann. Bei den bekannten Schaltungen, bei
welchen die zu messende Spannung an eine Röhre und die Vergleichsspannung an eine
andere Röhre angelegt werden, ändert sich der Arbeitspunkt dieser Röhren in Funktion
der zu messenden Spannung, so daß Meßfehler durch geringe Unterschiede zwischen
den Charakteristiken dieser Röhren verursacht werden können.
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Bei diesen bekannten Schaltungen ist die Maximalgröße der zu messenden
Spannung auf das Arbeitsgebiet der Röhren begrenzt. In der beschriebenen Schaltung
ist aber die zu messende Spannung nicht auf das Arbeitsgebiet der Röhren begrenzt,
vorausgesetzt, daß der Strom der Photozelle den Kondensator C oder C1 negativ gegenüber
der Erde auflädt.
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Auf diese Weise ist es möglich, daß die zu messende Spannung viel
größer als die Sperrspannung der Tnode T1 ist.
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Selbstverständlich könnten die Trioden durch Röhren von einem andern
Typ ersetzt werden. Die Messung der zur Wiederherstellung des Brückengleichgewichtes
nötigen Zeit könnte auch in anderer Weise durchgeführt werden. Dazu könnte z. B.
eine elektromagnetisch betätigte Stoppuhr verwendet werden.