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Vorrichtung zum Erzeugen einer konstanten Gleichstromstärke für Meßzwecke
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen einer konstanten Gleichstromstärke
in einem Ausgangsstromkreis für Meßzwecke, insbesondere für Eichzwecke.
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Es ist eine Vorrichtung dieser Art bekannt, bei der einer einstellbaren
Normalgleichspannung der Spannungsabfall an einem Kompensationswiderstand entgegengeschaltet
und mittels einer selbsttätigen Kompensationsvorrichtung die Gleichstromstärke durch
den Kompensationswiderstand derart veränderbar ist, daß der Spannungsabfall an dem
Kompensationswiderstand gleich der Normalgleichspannung ist. Bei dieser bekannten
Anordnung fließt ein eingeprägter Strom, der mittels eines Normalelementes und eines
Lind'eck-Rothe-Kompensators erzeugt wird, durch einen Dekadenwiderstand. An dem
Dekadenwiderstand kann dann eine einstellbare, wohldefinierte Normalgleichspannung
abgegriffen werden. Diese einstellbare Spannung wird an einem richtkraftlosen Nullgalvanometer
dem Spannungsabfall an einem Kompensationswiderstand entgegengeschaltet. Das Nullgalvanometer
verändert durch eine sich zwischen zwei Hochfrequenzspulen schiebende Fahne den
Strom in einem zweiten Kompensationsstromkreis, der den Kompensationswiderstand
enthält, so lange, bis der Spannungsabfall am Kompensationswiderstand gleich der
am Dekadenwiderstand eingestellten Normalgleichspannung ist. Legt man nun ein als
Spannungsmesser zu eichendes Instrument parallel zu dem Kompensationswiderstand,
so erhält man an dem Instrument geregelte Spannungswerte, die an dem Dekadenwiderstand
linear einstellbar sind. Legt man das als Strommesser zu eichende Instrument in
Reihe mit dem Kompensationswiderstand, so erhält man geregelte Ströme durch das
Instrument, die ebenfalls linear an dem Dekadenwiderstand eingestellt werden können.
In jedem Falle ist der Meßwert vom Innenwiderstand des Instrumentes unabhängig.
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Es bietet nun bei dieser bekannten Anordnung gewisse Schwierigkeiten,
mit ein und derselben Eichvorrichtung Meßinstrumente mit stark unterschiedliehen
Meßbereichen zu eichen. Die mögliche Stufung der Ausgangsströme oder -spannungen
ist nämlich ausschließlich bestimmt durch die Größe der Stufen des Dekadenwiderstandes.
Es ergeben sich für alle Meßbereiche gleich große Stufen in den Ausgangsströmen
oder -spannungen, so daß große Meßbereiche in eine größere Anzahl von Stufen, also
feiner unterteilt werden können als kleine Meßbereiche.
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Es ist eine Eichvorrichtung bekannt, bei welcher an einem Nullgalvanometer
die Spannung eines Normalelementes und der Spannungsabfall an einem einstellbaren
Kompensationswiderstand gegeneinandergeschaltet sind. Das Nullgalvanometer ist als
Spiegelgalvanometer ausgebildet und ein über den Spiegel geleiteter Lichtstrahl
beaufschlagt eine Photozelle. Dadurch wird der Strom im Kompensationsstromkreis
so lange verändert, bis der Spannungsabfall am Kompensationswiderstand der EMK des
Normalelementes entspricht. Auch hier entsteht also ein eingeprägter Strom durch
den Kompensationswiderstand, der nur von der Größe des Kompensationswiderstandes
abhängt und sich bei unterschiedlicher Belastung des Kompensationsstromkreises nicht
ändert. Hier können aber verschiedene Stromstärken durch Einstellen des Kompensationswiderstandes
eingestellt werden -uni nicht wie bei der zuerst erwähnten Anordriung durch Einstellen
der Normalgleichspannung, die hier von der konstanten, unveränderbaren EMK des Normalelementes
gebildet wird.
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Auch hier treten die gleichen Schwierigkeiten auf wie bei der ersterwähnten
bekannten Anordnung. Man erhält gleich große Stufen der Ausgangsströme oder -spannungen,
gleichgültig, ob das zu eichende Instrument einen großen oder kleinen Meßbereich
hat. Hinzu kommt bei der letzterwähnten Eichvorrichtung aber noch, daß die Größe
des Kompensationswiderstandes RK reziprok in die Ausgangsstromstarke
i
eingeht. Der Ausgangsstrom i stellt sich ja so ein, daß i RK = EMK der elektromotorischen
Kraft des Normalelementes ist. Um also eine lineare Folge von Ausgangsströmen oder
Spannungen zu erhalten, muß man eine nichtlineare Folge von Widerstandswerten RK
vorsehen, was die Feinheit der Unterteilung weiter beeinträchtigt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung dieser
Art zum Erzeugen konstanter Gleichstromstärken zu schaffen, bei welcher auch stark
unterschiedliche Meßbereiche mit gleichbleibender Feinheit unterteilt werden können.
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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Erzeugen konstanter
Gleichstromstärken in einem Ausgangskreis für Meßzwecke, insbesondere für Eichzwecke,
bei der einer vorgegebenen Normalgleichspannung der Spannungsabfall an einem Kompensationswiderstand
entgegengeschaltet und mittels einer selbsttätigen Kompensationsvorrichtung die
Gleichstromstärke durch den Kompensationswiderstand derart veränderbar ist, daß
der Spannungsabfall an dem Kompensationswiderstand gleich der Normalgleichspannung
ist und bei der zum Festlegen der jeweiligen Maximalstromstärke die Größe des Kompensationswiderstandes
in definierten Werten, vorzugsweise stufenweise, veränderbar ist. Erfindungsgemäß
ist zur Unterteilung der jeweiligen Maximalstromstärke die Normalgleichspannung
in stets reproduzierbarer Weise in definierten Werten einstellbar.
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Man erhält auf diese Weise ein Gerät, an welchem man durch einen Schaltknopf
oder ähnliche Mittel einmal einen Meßbereich einstellen kann und zum anderen durch
einen zweiten Schaltknopf od. dgl. jeden der so eingestellten Meßbereiche in die
volle Anzahl von Teilstufen unterteilen kann. Durch die Einstellbarkeit der Normalgleichspannung
in reproduzierbarerWeise und in definiertenWerten ist sichergestellt, daß jeder
der Meßbereiche unabhängig von seinem Endwert in genau gleicher Weise unterteilt
werden kann. Der Kompensationswiderstand geht zwar reziprok in den Ausgangsstrom
ein, aber da mittels des Kompensationswiderstandes nur eine beschränkte Anzahl von
definierten Meßbereichen eingestellt zu werden braucht, ist das nicht sehr störend.
Man kann die Umschaltung des Meßbereiches beispielsweise dadurch bewirken, daß man
wahlweise einen von mehreren, genau bemessenen Präzisionswiderständen als Kompensationswiderstand
in den Kompensationsstromkreis einschaltet. Wesentlich ist aber, daß die Unterteilung
jedes Meßbereiches durch Einstellung der Normalgleichspannung erfolgt, die linear
in den Ausgangsstrom eingeht. Es ist einleuchtend, daß eine feine Unterteilung des
Meßbereiches z. B. mittels eines Potentiometers leichter durch Veränderung einer
linear in den Ausgangsstrom eingehenden Größe erfolgen kann als über eine Größe,
die reziprok in den Ausgangsstrom eingeht.
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Um die selbsttätige Kompensationsvorrichtung vor Übersteuerung und
Überlastung zu schützen, kann die Anordnung so getroffen werden, daß von der Differenz
von Normalspannungen und Spannungsabfall am Kompensationswiderstand ein den Ausgangsstromkreis
speisender Spannungsregler steuerbar ist, von dessen Ausgang Teilspannungen nach
Maßgabe der Normalspannung und/oder des Kompensationswiderstandes am Ausgangsstromkreis
anliegen. Auf eine relativ komplizierte und störanfällige Galvanometeranordnung
kann verzichtet werden, wenn z. B. der wechselspannungsgespeiste Spannungsregler
eine steuerbare Drossel aufweist, deren Steuerwicklung über Gleichstromverstärker
in Abhängigkeit von der Differenz zwischen Normal- und Kompensationsspannung erregbar
ist. Voraussetzung ist dabei, daß der Verstärkungsgrad hinreichend groß ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt
und beschrieben: Fig. 1 ist eineVorderansicht des Gehäuses, welches das erfindungsgemäße
Gerät enthält; Fig. 2 ist ein halbschematisches Schaltbild des Gerätes.
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Es wird zunächst auf Fig. 1 der Zeichnungen Bezug genommen. Darin
ist ein Metallgehäuse 10 gezeigt, das von Frontplatten 10 und 11 abgeschlossen ist.
Normalerweise wird das Gerät über ein - nicht dargestelltes - Anschlußkabel gespeist,
das einen Stecker zum Einstecken in eine Buchse eines üblichen 120-Volt- - 60-Hz-Netzes
trägt. Die Leistung wird über Sicherungen einem Netzschalter 13 zugeführt, bei dessen
Schließen der Anschaltzustand durch eine Signallampe angezeigt wird, die hinter
einer Linse 14
angeordnet ist. Hinter der oberen Frontplatte sitzt ein Wechselspannungsregler
mit einer gesteuerten Drossel zur Erzeugung einer genau geregelten Normalwechselspannung
von vorgegebener Größe. Ein Regel-Autotransformator und Leistungstransformator mit
mehreren Anzapfungen verbinden die geregelte Wechselspannung mit den Ausgangsklemmen
16, 16' am unteren Rand der Frontplatte 12, an welche Klemmen das zu eichende oder
zu prüfende Amperemeter angeschlossen wird. Die Größe des von diesen Ausgangsklemmen
abgenommenen Ausgangsstromes wird von einem Potentiometer, dem vorerwähnten Regeltransformator
und einer Mehrzahl von Wählschaltern bestimmt, die von besonderen Schaltknöpfen
betätigt werden, welche entsprechend mit 17, 18 und 19 bezeichnet sind. Ein Ausgangsschalter,
der mittels eines Schaltknopfes 21 betätigt wird, dient dazu, in »Aus«-Stellung
den Ausgangsstrom an den Klemmen 16, 16' abzuschalten.
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Durch Schließen von normalerweise geöffneten Druckknopfschaltern,
die von Druckknöpfen 22 und 23 betätigt werden, und durch Einstellung von Grob-und
Feinpotentiometerknöpfen 26 bzw. 27 kann die Spannung, die an dem im Gerät verwendeten
Konstantstrompotentiometer anliegt, geprüft und das Gerät geeicht werden. In. Reihe
mit einem Normalelement, das in dem Eichkreis des Gerätes verwendet wird, liegt
ein Galvanometer 28. Das Gerät wird geeicht, indem die Grob- und Feineinstellschalter
niedergedrückt und die Knöpfe 26 und 27 so eingestellt werden, daß sich an dem Instrument
28 mit zentralem Nullpunkt eine Nullanzeige ergibt, wie sie weiter unten näher beschrieben
werden wird.
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Bei Betrieb des Gerätes werden der Knopf des Meßbereichsschalters
19 und der Grobteilschalterknopf 17 nach Maßgabe der dem Skalenendwert entsprechenden
Amperezahl des zu eichenden Instrumentes eingestellt, welches an die Ausgangsklemmen
16, 16' angeschlossen wird. Der Feinteilknopf wird auf Null gestellt. Die Gesamtzahl
der Haupt- oder Grundmarken wird im allgemeinen durch den Grobteilknopf 17 bestimmt,
während der Feinteilknopf dazu dient, benachbarte Stellungen des Grobteilknopfes
in tausend gleiche Teile weiter zu unterteilen.
Man sieht, daß mit
einer Grobteileinstellung17 von fünfzehn Stufen und ,mit einer Feinteil-Noniuseinstellung
18, die jede Stufe in tausend Teile weiter zu unterteilen vermag, das Gerät in der
Lage ist, jeden der Skalenendwert-Meßbereiche (wie sie durch den Meßbereichschalter
eingestellt werden und welche die Bereiche 0,75, 1,5, 3, 7,5, 15 und 30 umfassen)
in fünfzehntausend gleiche Teile zu unterteilen.
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Wenn einmal die normale Arbeitstemperatur des Gerätes erreicht ist
und die Einstellknöpfe 26 und 27 so eingestellt sind, daß sich am Meßgerät 28 Nullanzeige
ergibt, so erhält man von dem Gerät durch Einstellung der Knöpfe 17 bis 19 höchstgenaue
Ausgangsströme verschiedener Stärke, die für die Eichung von Gleichstrominstrumenten
geeignet sind. Während der Eichung der Instrumente sind keine weiteren Justierungen
erforderlich, solange nur der Strom durch das Normalpotentiometer konstant bleibt,
da der Regler mittels einer neuartigen Rückführung automatisch und unverzüglich
auf den richtigen Ausgangsstrom eingestellt wird.
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Es wird jetzt Bezug genommen auf Fig. 2 der Zeichnungen, in welcher
der Netzschalter 13, der hier als zweipoliger Schalter dargestellt ist, in seiner
Offenstellung gezeigt ist. Das Schließen des Schalters bewirkt, daß eine Signallampe
14' (die hinter der Linse 14 in Fig. 1 angeordnet ist) angeschaltet wird. Der 120-Volt-Eingang
wird über die Wechselstromwicklung 33 einer steuerbaren Drossel 34 an den Eingangsteil
31 eines Autotransformators 32 gelegt. Die Gleichstromwicklung 36 der steuerbaren
Drossel liegt im Anodenkreis einer Leistungsverstärkerröhre 37 des Spannungsreglers,
der mit 38 bezeichnet ist, wobei die Anode 39 der Röhre 37 über die Wicklung 36
und einen Parallelwiderstand 41 an einer positiven Speisespannungsquelle anliegt,
die mit B -f- bezeichnet ist. Wie man leicht versteht, wird der Arbeitspunkt der
Drossel auf der Magnetisierungskurve in Richtung auf den Sättigungsbereich verschoben,
wenn der Gleichstrom durch die Wicklung 36 bei einem Anstieg des Stromdurchganges
der Leistungsverstärkerröhre 37 wächst. Dadurch wird die Reaktanz der Wechselstromwicklung
33 verkleinert und der Wechselstrom durch die Autotransformatorwicklung 31 vergrößert.
Umgekehrt wird, wenn der Strom der Leistungsverstärkerröhre bei wachsender negativer
Vorspannung an deren Gitter 123 sinkt, der Arbeitspunkt der Drossel zu einem Punkt
größerer Steilheit auf der Magnetisierungskurve verschoben, wodurch die Reaktanz
der Wechselstromwicklung 33 vergrößert und der Strom durch die Primärwicklung 31
des Autotransformators verkleinert wird.
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Der Wechselstromausgang des Autotransformators wird mittels hintereinandergeschalteter
Kapazität- 43 Induktivität-Kombinationen 44 gesiebt, und der geregelte Wechselstromausgang
des Spannungsreglers 38 liegt an den Endklemmen eines Regeltransformators 46 an.
Der Transformator 46 ist ein Autotransformator mit einem Magnetkern von hoher Güte
und geringem Verlust. Der verstellbare Abgriff 47 ist durch geeignete mechanische
Kupplung (die in Fig. 2 schematisch dargestellt und mit 48 bezeichnet ist) mit dem
Kontaktarm 49 eines Wählschalters 51 mechanisch gekoppelt. Der Wählschalter 51 hat
eine Vielzahl von festen Kontakten 52, die mit den Anzapfungen einer Spannungsteilerschaltung
53 verbunden sind. Diese wird von einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Widerständen
54 gleicher Größe und einem Widerstand 55 gebildet, der halb so groß ist wie ein
Widerstand 54. Der Kontaktarm 49 des Schalters 51 und der Schleifer 47 des Transformators
46 werden von dem Knopf 17 gesteuert und sind durch diesen gleichzeitig einstellbar.
Der Indexzeiger des Knopfes 17 kann, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, auf jede der
Grobteilmarken, die von 5 bis 150 reichen, eingestellt werden. Da der Knopf 17 in
diskreten Stufen verdrehbar ist, ist im Betrieb auch der bewegliche Arm 47 des Transformators
46 auf räumlich getrennte Lagen längs der Wicklung einstellbar. Die Anzahl der Stellungen
ist gleich der Anzahl der festen Schalterkontakte im Schalter 51.
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In Reihe mit den Widerständen 54 und 55 ist ein mehrgängiges Potentiometer
56 geschaltet. Durch dieses Potentiometer und die in Reihe geschalteten Widerstände
wird ein konstanter Strom geschickt, wodurch eine Vergleichsspannung, deren Größe
von der Einstellung des Potentiometerschleifers 57 und des Schalterstellgliedes
48 abhängt, zwischen diesem Arm und diesem Kontakt erzeugt wird. Es soll bemerkt
werden, daß der Widerstand des Potentiometers 56 gleich einem der Widerstände 54
ist. Weiterhin ist die Skaleneichung des Potentiometers so beschaffen, daß der Schleifer
desselben eine normale Nullstellung in der Mitte hat, so daß der Gesamtwiderstand
des Widerstandes 55 und einer Hälfte des Potentiometerwiderstandes gleich einem
der Widerstände 54 ist. An der Spannungsteilerschaltung 53 und dem damit in Reihe
liegenden Potentiometer 56 liegt über Einstellwiderstände 26' und 27' eine Batterie
58 an und erzeugt einen konstanten Strom dort hindurch. Die Einstellwiderstände
26' und 27' werden von den Grob-und Feineinstellknöpfen 26 bzw. 27, die in Fig.
1 gezeigt sind, verstellt. Die Spannungsteilerschaltung 53, das Potentiometer 56,
die Batterie 58 und die Einstellwiderstände 26' und 27' bilden eine Konstantstrom-Potentiometerschaltung
als Gleichspannungsquelle, die mit 59 bezeichnet ist. Diese Schaltung wird mittels
eines Normalelementes 61. geeicht, welches mit der Schaltung über das Galvanometer
28 und die parallel zueinander geschalteten, normalerweise geöffneten Druckknopfschalter
22' und 23' verbunden ist, die von den Druckknöpfen 22 bzw. 23 an der Frontplatte,
wie aus Fig. 1 ersichtlich, betätigt werden. In Reihe mit dem Schalter 22' liegt
ein Widerstand 62. Die Potentiometerschaltung 59 wird dadurch geeicht, indem erst
der Schalter 22' geschlossen und der Widerstand 26' bis zur Nullanzeige an dem Galvanometer
mit zentralem Nullpunkt verstellt wird. Als nächstes wird der Schalter 23' geschlossen
und es wird eine feinere Einstellung der Nullage durch Verstellung des Widerstandes
27' erzielt, welcher kleiner ist als der Einstellwiderstand 26'. Man wird verstehen,
daß man höchstgenaue Vergleichsspannungen von der Potentiometerschaltung erhält,
wenn das Gerät in der obigen Weise geeicht worden ist. Während der Benutzung des
Gerätes kann die Vergleichsspannung durch Niederdrücken der Schalter 22 und 22'
kontrolliert werden, wobei das Galvanometer jede Abweichung anzeigt. Die Ausnutzung
der Vergleichsspannung bei der Wirkungsweise des Gerätes wird im Verfolg der weiteren
Beschreibung des Gerätes unten verständlich werden.
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Der Regeltransformator 46 liegt am Ausgang des Spannungsreglers 38
an. Der Ausgang des Regeltransformators ist über Schalteinrichtungen 19' und 21',
die von dem Meßbereichs-Schalterknopf 19 und dem
Ausgangs-Ein-Aus-Schalterknopf
21 an der Frontplatte (Fig. 1) betätigt werden, mit der mehrfach angezapften Primärwicklung
66 eines Leistungstransformators 67 verbunden. Der Ausgangs-Ein-Aus-Schalter 21'
weist vier Schaltebenen auf, von denen jede einen beweglichen Kontaktarm besitzt.
Alle Arme sind gleichzeitig durch den Knopf 21 einstellbar. Der Meßbereich-Wählschalter
19' besitzt sechs Schaltebenen, von denen jede einen beweglichen Kontaktarm hat.
Die Kontaktarme sind alle gleichzeitig durch den Knopf 19 einstellbar. Der Indexzeiger
des Knopfes 21 kann entweder auf die »Aus«- oder die »Ein«-Marke gestellt werden,
die an der Frontplatte 12 vorgesehen sind. Die »Ein«- und »Aus«-Stellung sind auch
in Fig. 2 in der obersten Schaltebene des Schalters 21' angegeben. In Fig. 2 ist
der Schalter in der Einschaltstellung dargestellt. Der Indexzeiger des Knopfes 19
kann auf jede der sechs Stromausgangs-Meßbereichsmarken gestellt werden, die an
der Frontplatte 12 des Gerätes angebracht sind. Die sechs Meßbereiche sind bei dem
dargestellten Gerät 0,75, 1,5, 3,0, 7,5, 15 und 30 Ampere. Die Meßbereiche sind
in Fig. 2 in der obersten Schaltebene des Schalters 19' eingetragen. Der Schalter
ist in der 0,75-Ampere-Stellung dargestellt.
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Eine Leitung 69 von der unteren Klemme des Regeltransformators 46
ist über Ebene # 1 des Schalters 21' und Ebene # 3 des Schalters 19' mit einer Anzapfung
der Primärwicklung 66 des Transformators 67 verbunden, während eine Leitung 71,
ausgehend von dem Schleifer 47 des Transformators 46, über die Ebene # 2 des Schalters
19' mit einer zweiten Anzapfung der Primärwicklung 66 verbunden ist. Benachbarte
Paare der festen Kontakte der Schaltebenen # 2 und # 3 des Schalters 19' sind miteinander
und mit verschiedenen Anzapfungen der Primärwicklung 66 des Stufen-Leistungs-Transformators
verbunden. Wenn der Schalter 19' entweder auf dem 0,75- oder dem 1,5-Ampere-Bereich
steht, so wird die Primärwicklung 66 des Transformators über die Endanzapfungen
erregt. Im 3,0- und 7,5-Ampere-Bereich werden die Anzapfungen nächst den Endanzapfungen
benutzt, und in den 15- und 30-Ampere-Bereichen verwendet man die beiden innersten
Anzapfungen.
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Bei der dargestellten Schaltanordnung werden an der Sekundärwicklung
72 des Transformators 67 - nur als Beispiel - 3,75 Volt erzeugt, wenn der Schalter
19' entweder auf dem 0,75- oder 1,5-Ampere-Bereich steht, 4,75 Volt im 3,0- und
7,5-Ampere-Bereich und 6,05 Volt im 15- und 30-Ampere-Bereich. Diese Werte treten
auf, wenn der Schleifer 47 des Transformators 46 in der obersten Stellung steht,
wie das in Fig. 2 dargestellt ist, d. h. in der Stellung, in welcher der Knopf 17
auf der 150-Marke steht.
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Der Ausgang der mit einer Mittelanzapfung versehenen Sekundärwicklung
72 des Transformators wird durch einen Diodengleichrichter 73 gleichgerichtet, durch
Siebglieder 74 geglättet, welche in Reihe geschaltete Induktivitäten 76 und parallel
geschaltete Kondensatoren 77 aufweisen, und wird über Schaltebene # 1 des Schalters
19' dem zu prüfenden Amperemeter, das mit 78 bezeichnet ist, über einen von sechs
Präzisionswiderständen 81 bis 86 zugeführt. Für jeden Amperebereich ist ein Präzisionswiderstand
vorgesehen. In den Ausgangskreis der Eichvorrichtung sind eine Anzahl von spannungsverbrauchenden
Kompensationswiderständen 91 bis 96 vorgesehen, deren Zweck weiter unten erläutert
werden wird. Die Widerstandswerte der Präzisionswiderstände 81 bis 86 sind so ausgesucht,
daß bei Durchgang des dem jeweiligen Skalenendwert entsprechenden Stromes stets
der gleiche Spannungsabfall an jedem derselben erzeugt wird. Bei der dargestellten
Anordnung werden an den Präzisionswiderständen 81 bis 86 150 Millivolt erzeugt,
wenn jeweils 0,75, 1,5, 3,0, 7,5, 15 bzw. 30 Ampere durch diese hindurchgeschickt
werden. Die Widerstandswerte der Widerstände 81 bis 86 sind entsprechend 0,2, 0,1,
0,05, 0,02, 0,01 und 0,005 Ohm. Bei der dargestellten Stellung des Schalters
19' kann der Gleichstrompfad von dem Gleichrichter 74 aus verfolgt werden über Leitung
97 zum beweglichen Kontaktarm der Schaltebene .# 1 des Schalters 19', über den Kontakt
des Schalters für den 0,75-Ampere-Bereich zum Präzisionswiderstand 81, den spannungsverbrauchenden
Widerständen 91, 92, 93 und 94 zur positiven Klemme 16 über das zu prüfende Instrument
78, die Klemme 16' und über die Leitung 98 zur negativen Seite des Gleichrichters
74. Wenn der Schalter 19' auf den 1,5-Ampere-Bereich geschaltet ist, so fließt der
Ausgangsstrom durch den Präzisionswiderstand 82, die spannungsverbrauchenden Widerstände
92, 93 und 94 und durch das zu prüfende Instrument. Im 3,0-Ampere-Bereich sind der
Präzisionswiderstand 83 und die Widerstände 93 und 94 in den Ausgangskreis geschaltet.
Im 7,5-Ampere-Bereich sind der Präzisionswiderstand 84 und Widerstand 94 in den
Ausgangskreis eingeschaltet. Im 15-Ampere-Bereich liegen im Ausgang der Präzisionswiderstand
85 und die Widerstände 95 und 96 und bei 30-Ampere-Einstellung des Gerätes der Präzisionswiderstand
86 und der spannungsverbrauchende Widerstand 96.
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Die an den Präzisionswiderständen entstehende Spannung wird über die
Schaltebene # 4 und # 5 des Bereichsschafers 19' mit der Potentiometerschaltung
59 über den Grobteilschalter 51 verbunden. Der Spannungsabfall an dem eingeschalteten
Präzisionswiderstand wird der von der Potentiometerschaltung abgegriffenen Vergleichsspannung
entgegengeschaltet. Wenn der Schalter 19', wie dargestellt, auf dem 0,75-Ampere-Bereich
steht, so kann eine Seite dieser Potentialschaltung von dem Präzisionswiderstand
81 aus wie folgt verfolgt werden: Leitung 101, Schaltebene # 4 des Schalters 19'
und Leitung 102 zum beweglichen Arm 57 des Feinteilpotentiometers 56 in der Potentiometerschaltung
59. Die andere Seite des Präzisionswiderstandes 81 ist über Leitung 103, Schaltebene
# 5 des Schalters 19' und Leitung 104 mit einer Eingangsklemme 106 eines Gleichstromverstärkers
107 verbunden. Die andere Eingangsklemme 108 des Verstärkers ist über Leitung 109
und den Grobteilschalter 51 mit der Potentiometerschaltung 59 verbunden. Wie oben
geschildert wurde, hängt die Größe der von der Potentiometerschaltung 59 abgenommenen
und zwischen den Leitungen 102 und 109
auftretenden Spannung von der
Einstellung der Grob-und Feinteilschaltknöpfe für den Schalter 51 bzw. das Potentiometer
56 ab. Wenn der Abgriff 57 des Potentiometers in der mittleren Nullage steht und
der Kontaktarm des Grobteilschalters auf der der Stellung 150
entsprechenden
Klemme, so wird zwischen den Leitungen 102 und 109 eine Spannung von 150 Millivolt
erzeugt. Diese Spannung ist der Spannung, die an dem Präzisionswiderstand 81 im
Ausgangskreis des
Gerätes erzeugt wird, entgegengeschaltet. Wenn
somit bei den angegebenen Einstellungen 0,75 Ampere durch den Präzisionswiderstand
81 und das damit in Reihe liegende zu prüfende Instrument fließen, so werden an
diesem Widerstand 81 150 Millivolt erzeugt, und es entsteht keine unabgeglichene
Spannung und infolgedessen auch kein Eingangsmeßwert am Verstärker 107. Wenn .andererseits
der Ausgangsstrom von 0,75 abweicht, so entsteht eine Spannungsdifferenz zwischen
dem Spannungsabfall am Widerstand 81 und der Vergleichsspannung. Diese Spannungsdifferenz
wird dem Verstärker 107 zugeführt.
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Der Ausgang an den Ausgangsklemmen 111, 112 des Verstärkers 107 wird
über die Schaltebene # 3 und # 4 des Ausgang-Ein-Aus-Schalters 21 und die Schaltebene
# 6 des Bereichsschalters 19' dem Eingangskreis einer Verstärkerröhre 113 des Spannungsreglers
38 zugeführt. Das Signal wird zwischen Gitter 114 und Kathode 116 der besagten Röhre
gelegt. Eine Kaltkathodenglimmröhre oder Stabilisatorröhre 117 liegt zwischen der
Kathode 116 und einer gemeinsamen Erdverbindung 118, um an der besagten Kathode
116 ein konstantes Potential aufrechtzuerhalten. Die Anode 119 der Verstärkerröhre
113 ist mit einem positiven Potential -1-B über die Anodenwiderstände 121 und 122
verbunden. Die Verbindung zwischen den Widerständen 121 und 122 ist mit dem Gitter
123 der Leistungsverstärkerröhre 37 verbunden, deren Kathode 124 mit der gemeinsamen
Erdverbindung 118 verbunden ist. Wie oben erwähnt wurde, ist die Anode 39 der Leistungsverstärkerröhre
37 über die Gleichstromwicklung 36 der steuerbaren Drossel 34 in dem Spannungsregler
mit +B verbunden.
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Die Wirkungsweise der neuartigen Rückkopplungsanordnung zur Aufrechterhaltung
eines konstanten Ausgangsstromes läßt sich am besten verstehen, wenn man einen Zustand
annimmt, in welchem der Ausgangsstrom durch das zu prüfende Meßinstrument 78 und
den damit in Reihe liegenden Präzisionswiderstand, z. B. die 0,75-Ampere-Einstellung,
angestiegen ist, worauf an dem Präzisionswiderstand eine Spannung von über 150 Millivolt
erzeugt wird. Die wachsend positive Spannung an den Leitungen 101 und 103 erzeugt
eine Spannungsdifferenz zwischen dieser Spannung und der Vergleichsspannung, die
von der Potentiometerschaltung 59 abgegriffen wird, so daß die Eingangsklemme 106
des Verstärkers 107 negativ gegenüber der Eingangsklemme 108 wird. Das Abweichungs-
oder Fehlersignal wird verstärkt, wobei die Polarität des Verstärkers so ist, daß
von dessen Ausgang dem Gitter 114 der Röhre 113 ein positives Signal erteilt wird.
Dadurch steigt der Strom durch die Röhre 113 an. Das bewirkt ein Absinken des Potentials
an der Verbindungsstelle zwischen den Widerständen 1.21 und 122 in
deren Anodenkreis. Das negativ gerichtete Signal wird auf das Gitter 123 der Leistungsverstärkerröhre
37 zur Verminderung der Röhrenleitfähigkeit gekoppelt. Dadurch fließt ein verminderter
Strom durch die Wicklung 36 der steuerbaren Drossel. Bei vermindertem Kraftfluß
im Drosselkern wird der Arbeitspunkt auf der Magnetisierungskurve desselben von
dem Sättigungspunkt weg, d. h. zu einem Punkt größerer Steigung, verschoben. Die
Reaktanz der Wicklung 33 wird vergrößert und dadurch der Strom durch den Autotransformator
32 verkleinert. Der Spannungsausgang des Autotransformators wird in gleicher Weise
verringert, so daß an den Transformator 4(y eine verminderte Spannung angelegt wird.
Wiederum wird die dem Transformator 67 zugeführte Spannung verringert, wodurch der
von den Gleichrichtern 73 abgenommene, gleichgerichtete Ausgangsstrom ebenfalls
verringert wird. Dadurch wird auch der Ausgangsstrom durch den Präzisionswiderstand
81 und das zu prüfende Instrument 78 vermindert und das Abweichungs- oder Fehlersignal
zum Verschwinden gebracht.
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Da jeder Gleichspannungsverstärker, einschließlich des Verstärkers
107, unfähig ist, über einen unbegrenzten Bereich von daran anliegender Eingangsspannung
zu arbeiten und übersteuert wird, wenn die Eingangsspannung einen vorgegebenen Wert
überschreitet, so ist es offensichtlich, daß das Abweichungs- oder Fehlersignal
zu einem einwandfreien Arbeiten des Verstärkers innerhalb solcher vorgegebener Werte
gehalten werden muß. Das Gerät nach der Erfindung weist verschiedene Mittel auf,
um die an dem Präzisionswiderstand im Ausgangskreis des Gerätes abfallende Spannung
hinreichend nahe an der Vergleichsspannung zu halten, so daß der Verstärker 107
innerhalb seines Arbeitsbereiches arbeiten kann. Dadurch kann der Verstärker eine
solche Spannungsabweichung ausgleichen. Eines dieser Mittel ist die Verwendung einer
mehrfach angezapften Primärwicklung 66 des Leistungstransformators 67. Man sieht,
daß z. B. bei Umschaltung des Bereichsschalters 19' von dem 1,5-Ampere-Bereich auf
den 3,0-Ampere-Bereich dessen Schaltebenen # 2 und # 3 den Ausgang des Regeltransformators
46 mit den mittleren Anzapfungen der Transformatorwicklung 66 verbinden, die mit
126 bezeichnet sind. Wie oben erwähnt wurde, erzeugt dieser Schaltvorgang allein
einen Spannungsanstieg an der Sekundärwicklung 72 und erzeugt dadurch einen zusätzlichen
Strom zu den Gleichrichtern 73. In ähnlicher Weise wird die Sekundärspannung des
Transformators 67 bei der Umschaltung des Bereichsschalters 19' von dem 7,5-Ampere-Bereich,
z. B. auf den 15-Ampere-Bereich, erhöht, weil dann der Ausgang des Transformators
46 mit den innersten Klemmen des Transformators 67 verbunden ist, die mit 127 bezeichnet
sind.
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Die spannungsverbrauchenden Widerstände 91 bis 96 im Ausgangskreis
des Gerätes stellen ebenfalls Mittel dar, um das System innerhalb des Arbeitsbereiches
des Gleichstromverstärkers 107 arbeiten zu lassen. Wie oben beschrieben ist, ist
für jeden Strombereich des Gerätes ein anderer Widerstand oder eine Widerstandskombination
in den Ausgangsstromkreis eingeschaltet. Infolge von Nichtlinearitäten im Widerstand
verschiedener Schaltglieder im Stromversorgungs- und Schalterkreis, wie z. B. der
Gleichrichter 73, besteht eine nichtlineare Beziehung zwischen dem Ausgangsstrom
am Meßgerät 78 und der Ausgangsspannung des Reglers 38. Das heißt eine graphische
Darstellung des Ausgangsstromes durch das Meßgerät 78 über der Ausgangsspannung
an dem Regeltransformator 46 in dem Regler 36 würde eine Kurve mit sich ändernder
Steigung ergeben. Die Ausgleichswiderstände 91 bis 96 bewirken, daß diese Kurven
für alle Spannungsbereiche des Gerätes im wesentlichen identisch sind.
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Ein drittes Mittel, um sicherzustellen, daß das Abweichungs- oder
Fehlersignal am Eingang des Verstärkers 107 den Verstärker nicht übersteuert,
wird
von dem Regeltransformator 46 gebildet, der bewirkt, daß die dem Leistungstransformator
67 zugeführte Spannung vermindert wird, wenn der Grobteilknopf 17 von der dargestellten
150-Stellung auf einen niedrigeren Wert umgeschaltet wird. Man sieht, daß bei Umschaltung
des Knopfes 17 zwecks Änderung der Vergleichsausgangsspannung der Schaltung 59 der
Schleifer 47 des Transformators 46 gleichzeitig bewegt wird, um dessen Ausgang im
gleichen Sinne zu ändern.
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Der Ausgang-Ein-Aus-Knopf 21 zur Betätigung des Schalters 21' dient
dazu, in seiner »Aus«-Stellung den Ausgang von den Ausgangsklemmen wegzunehmen.
Wie aus Fig.2 ersichtlich ist, trennt die Schaltebene # 1 des Schalters 21' in dessen
»Aus«-Stellung den Ausgang des Regeltransformators 46 von der Primärwicklung 66
des Leistungstransformators 67. Wenn jedoch im Ausgangsstromkreis kein Strom fließt,
wird natürlich auch kein Spannungsabfall an einem Präzisionswiderstand 81 bis 86
erzeugt, wodurch sich ein großes Fehlersignal am Verstärker 107 ergeben würde. Um
eine solche Situation zu vermeiden, werden in der »Aus«-Stellung des Schalters 21'
die Eingangsklemmen 106 und 108 des Verstärkers 107 über Schaltebene # 2 des Schalters
kurzgeschlossen, so daß sich in der »Aus«-Stellung des Schalters 21' eine Eingangsspannung
Null am Verstärker ergibt. Der Schalter ist über Leitung 104 und eine Leitung 131
mit dem Verstärkereingang verbunden. Gleichzeitig trennen die Schaltebenen # 3 und
4 des Schalters 21' den Verstärkerausgang vom Eingang der Regelröhre 113 des Reglers
38, um das Fließen eines starken Stromes im Regler bei der »Ausgang-Aus«-Stellung
des Schalters 21' zu vermeiden.
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Man bemerkt, daß die Verbindung von der Verstärkerausgangsklemme 111
zum Gitter 114 der Reglerröhre 113 über die Schaltebene # 6 des Bereichschalters
19' geht. Wenn der Bereich durch den Schalter 19' geändert wird, so wird der Verstärkerkreis
geöffnet, während sich der Schaltarm 132 der Schaltebene # 6 zwischen den zugehörigen
festen Kontakten bewegt. Dadurch wird ein übermäßiger und unter Umständen Beschädigungen
hervorrufender Eingriff des Spannungsreglers während der Bereichsumschaltung vermieden.
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Ehe mit der Eichung von Instrumenten begonnen wird, wird die Potentiometerschaltung
59 mittels des Normalelementes 61 und des Galvanometers 28 kontrolliert, indem zunächst
der Schalter 21' und dann der Schalter 23 geschlossen wird und die entsprechenden
Einstellwiderstände 26' und 27' erforderlichenfalls bis zur Nullanzeige am Galvanometer
28 verstellt Wenn die Potentiometerschaltung 59 einmal so geeicht ist, können von
dieser höchstgenaue Vergleichsspannungen abgenommen werden. Eine Nachjustierung
und weitere Eichungen sind im allgemeinen unnötig, solange die Spannung der Batterie
58 konstant bleibt. Daraus sieht man, daß nicht jedesmal, wenn ein Instrument 78
geeicht werden soll, eine Eichung des Potentiometers erforderlich ist.
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Aus der Beschreibung des Gerätes und seiner Wirkungsweise hat man
erkannt, daß die Vergleichsspannung genau den Ausgangsstrom des Gerätes bestimmt,
da die Rückführung bewirkt, daß jedes Abweichungssignal am Verstärker 107 durch
automatische Regelung der Ausgangsspannung des Spannungsreglers wieder auf Null
gebracht wird. In dem dargestellten Gerät sind die Grob- und Feinteilknöpfe 17 und
18 in Einheiten der Vergleichsspannung, in Millivolt, geeicht, die dem Verstärker
107 von der Potentiometerschaltung 59 zugeführt wird. Wenn somit der Feinteilkopf
18 in seiner normalen mittleren Nullstellung steht, dient der Grobteilknopf 17 dazu,
durch Umschaltung des Schalters 51 Vergleichsausgangsspannungen von 150, 140, 130,.
. ., 20, 10 und 5 Millivolt zu erzeugen. Der Feinteilknopf 18, der die Stellung
des Potentiometerabgriffes 57 bestimmt, dient dazu, bis zu 5 Millivolt von der Einstellung
des Grobteilknopfes 17 abzuziehen oder dazu zu addieren. Der Knopf oder die Skala
18 für das Zehngangpotentiometer 56 kann von jeder beliebigen Art sein. Die dargestellte
Skala enthält zehn Hauptabschnitte, die durch eine Öffnung 136 derselben sichtbar
sind. Jeder dieser Abschnitte ist mittels eines Noniusteiles 137 in hundert Teile
weiter unterteilbar. Man sieht somit, daß jede 10-Millivolt-Stufe mittels des Feinteilknopfes
18 in hundert Unterstufen unterteilt werden kann. Da insgesamt fünfzehn 10-Millivolt-Stufen
zwischen 0 und 150 Minivolt vorgesehen sind, sind mittels der Knöpfe 17 und 18 eine
Summe von fünzehntausend höchstgenauen Vergleichsspannungen erzielbar. Jeder der
Skalenendwertbereiche (30, 15, 7,5, 3, 1,5 oder 0,75 Ampere) sind daher in fünfzehntausend
gleiche Teile unterteilbar.
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Die Wirkungsweise des Gerätes bei der Benutzung zur Eichung von Amperemetern
kann man am besten an Hand von verschiedenen Beispielen verstehen. Nach Kontrolle
der Geräteeichung sei beispielsweise angenommen, daß das Instrument 78 auf dreißig
(30) Ampere-Skalenendwert geeicht werden soll. Der Feinteilknopf 18 (Fig.1) wird
in die Nullstellung gebracht, eine Mittellage des Abgriffes 57 auf dem Widerstand
56, wie man in Fig. 2 sieht, und der Grobteilknopf wird auf die 150-Marke gestellt.
Der Bereichsschalterknopf 19 wird auf 30 gestellt, und der Ausgangsschalterknopf
21 steht in der Stellung »Ein«. Es fließen dann 30 Ampere durch das Instrument 78.
Man sieht, daß der 30-Ampere-Ausgangsstrom durch den Präzisionswiderstand 86 von
0,005 Ohm eine Spannung von 150 Millivolt an diesem zur Folge hat, welche die 150
Milfivolt Vergleichsspannung der Potentiometerschaltung 59 kompensiert. Es sei weiter
angenommen, daß die Skala des Instrumentes 78 mit drei geeichten Hauptteilungen
zu versehen sei. Um die Einstellungen der Grob- und Feinteilknöpfe zu bestimmen,
die nötig sind, um die geeichten Unterteilungsmarken zu erhalten, ist zu beachten,
daß zwischen dem Ausgangsstrom in Ampere und der gesamten Einstellung des Grob-
und Feinteilknopfes, d. h. der Vergleichsspannung in Millivolt, für den 30-Ampere-Bereich
ein Verhältnis von 30: 150 (oder 1: 5) besteht. Dabei wird die Hauptmarke
für 20 Ampere einfach dadurch ermittelt, daß der Grobteilknopf 17 in die Stellung
100 gebracht wird, während der Feinteilknopf 18 in der Nullstellung bleibt, um das
1: 5 (20: 100)-Verhältnis aufrechtzuerhalten. In ähnlicher Weise erhält man die
10-Ampere-Hauptmarke, indem der Grobteilknopf 17 in Stellung 50 gebracht wird. Die
Skala des Instrumentes mit dem 30-Ampere-Meßbereich kann in fünfzehntausend gleiche
Teile unterteilt werden. Beispielsweise sind zwischen der 140-Millivolt Marke auf
der Grobteilskala, die einen Ausgangsstrom von 28 Ampere liefert, und der
150-Millivolt-Marke
(30-Ampere-Ausgang) durch Benutzung des Feinteilknopfes tausend Unterabschnitte
möglich. Somit kann die Skala bei einem Meßbereich von 30 Ampere in 2-Milliampere-Abständen
geeicht werden. Aus dem Obigen ergibt sich, daß jeder der Skalenendwert-Bereiche
(0,75, 1,5, 3, 7,5, 15 und 30 Ampere) in bis zu fünfzehntausend gleiche Teile unterteilt
werden kann, da für solche Skalenendwert-Ausgangsströme der Eichvorrichtung der
Grobteilknopf 1.7 auf 150 und der Feinteilknopf 18 auf Null eingestellt wird. Für
Instrumente mit einem Skalenendwert, der zwischen den am Gerät vorgesehenen Skalenendwerten
liegt, sind weniger Unterteilungen möglich. Unabhängig vom Skalenendwert des Instrumentes
ist jedoch das Eichgerät in der Lage, durch Benutzung der Grob- und Feineinstellknöpfe
17 und 18 Ausgangsströme in jeweils 0,05-, 0,1-, 0,2-, 0,5-, 1- und 2-Milliampere-Intervallen
bei der Einstellung auf den 0,75-, 1,5-, 3-, 7,5-, 15- und 30-Ampere-Bereich zu
erzeugen. Man erkennt daher, daß das Gerät nicht nur genaue Werte für den Skalenendwertstrom
und Ströme für die Haupt- und Zwischenmarken liefern kann, sondern auch Bruchteile
von Stufen, z. B. halbe Stufen am Ende der Skala, indem der Grob- und der Feinteilknopf
in einfacher Weise bedient wird. Wenn es beispielsweise erforderlich ist, 10,5 Stufen
auf einem Instrument mit 10,5 Ampere Skalenendwert anzubringen, so würde der Amperebereichsschalter
19 in die Stellung 15 Ampere gebracht. Der Grobteilknopf 17 wird auf 100 gestellt
und der Feinteilschalter 18 auf 5. Es wird dann eine Vergleichsspannung von 105
Minivolt erzeugt, die von einem Strom von 10,5 Ampere durch den 0,01-Ohm-Präzisionswiderstand
85 im Ausgangskreis kompensiert wird. Die 10-Ampere-Eichung (eine halbe Stufe unter
dem Skalenendwert von 10,5 Ampere) wird dadurch erreicht, daß der Feineinstellknopf
auf Null gestellt wird, um 5 Millivolt von der Vergleichsspannung wegzunehmen. Den
Rest der Stufen, d. h. 9, 8, 7 usw., erhält man durch Umschaltung des Grobteilknopfes
17 in die Stellungen 90, 80, 70 usw. Millivolt.