DE1107818B - Spannungsmesser mit Brueckenschaltung - Google Patents

Spannungsmesser mit Brueckenschaltung

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DE1107818B
DE1107818B DEO6072A DEO0006072A DE1107818B DE 1107818 B DE1107818 B DE 1107818B DE O6072 A DEO6072 A DE O6072A DE O0006072 A DEO0006072 A DE O0006072A DE 1107818 B DE1107818 B DE 1107818B
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capacitor
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R17/00Measuring arrangements involving comparison with a reference value, e.g. bridge
    • G01R17/10AC or DC measuring bridges
    • G01R17/16AC or DC measuring bridges with discharge tubes or semiconductor devices in one or more arms of the bridge, e.g. voltmeter using a difference amplifier
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/0046Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof characterised by a specific application or detail not covered by any other subgroup of G01R19/00
    • G01R19/0076Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof characterised by a specific application or detail not covered by any other subgroup of G01R19/00 using thermionic valves

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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Meßgenauigkeit und Zuverlässigkeit derartiger Spannungsmesser zu erhöhen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • In der Zeichnung sind zwei Ausführungsformen des Spannungsmessers nach der Erfindung beispielhaft wiedergegeben.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Andererseits kann man den Kondensator jeweils auf eine bestimmte Spannung aufladen und die Ladezeit als Maß der Konzentration verwenden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Kontakt Kx ist dazu bestimmt, einen Quarzoszillator Q mit einem Impulszähler 1 zu verbinden.
  • Der Kontakte2 weist zwei Schaltstellungen auf, bei welchen eine Lampe L von einer Strnmquelle B gespeist wird.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Auf diese Weise ist es möglich, daß die zu messende Spannung viel größer als die Sperrspannung der Tnode T1 ist.
  • 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.

Claims (5)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Spannungsmesser mit Brückenschaltung, deren einer Zweig aus einer Röhre besteht, mit einem Stromkreis, 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, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromkreis einen Kondensator (C) enthält, der in Reihenschaltung im Gitterkreis der Elektronenröhre (T,) 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 (C) hervorgerufene Spannung am Steuergitter der Röhre liegt.
  2. 2. Spannungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erwähnte Kondensator (C2) in Reihenschaltung mit einem andern Kondensator (C1) verbunden ist, wobei die Spannung dieses letzteren Kondensators (C) die zu messende Spannung darstellt.
  3. 3. Spannungsmesser nach den Ansprüchen 1 und 2 für spektrophotometrische Messungen, gekennzeichnet durch einen Schalter (S4), welcher den von der Stromquelle aufgeladenen Kondensator (C,) überbrücken kann, während der zweite Kondensator(C) durch eine Photozelle (1) aufgeladen wird, wobei dieser Schalter (S4) einerseits die eine Klemme des durch die Photozelle (1) aufgeladenen Kondensators(C,) mit der Erde verbindet und andererseits den von der Stromquelle gelieferten Strom zur Erde ableitet, so daß beim Öffnen dieses Schalters (S4) der aufzuladende Kondensator (C2) sofort mit Strom versorgt wird.
  4. 4. Spannungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erwähnte Kondensator (C) über einen einzigen Schalter (S2) gleichzeitig mit dem Röhrengitter und mit einem von der Stromquelle gespeisten Kreis verbunden ist, wobei Verbindungen erlauben, diesen Kondensator (C) von vornherein auf die zu messende Spannung zu laden, so daß diese Spannung eine Polarität aufweist, die derjenigen der vom Aufladekreis an den Klemmen dieses Kondensators (C) später hervorzurufenden Spannung entgegengesetzt ist.
  5. 5. Spannungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in bezug auf das Brückengleichgewicht empfindliche Vorrichtung (T3, T4,D) zwei Elektronenröhren (T3 und T aufweist, deren Steuergitter mit den Brückenpunkten verbunden sind, aus deren Potential der Brückengleichgewichtszustand ermittelt werden kann, wobei die Anoden dieser Röhren (es und T) über zwei entgegengesetzte Wicklungen (W und W2) eines polarisierten Relais (D) mit einer Spannungsquelle (a, b) verbunden sind.
    In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 594404, 731 488, 922 784; britische Patentschrift Nr. 612 155; USA.-Patentschriften Nr. 2683 804, 2688729, 2721945.
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