DE1255806B - Differenzschaltung zum Messen des Scheinleitwertes eines Prueflings im Vergleich zu einem Normal - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES ^¥W PATENTAMT Int. CL:

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AUSLEGESCHRIFT

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Deutsche Kl.: 2Ie-29/01

Nummer: 1255 806

Aktenzeichen: K 54277IX d/21 e

Anmeldetag: 16. Oktober 1964

Auslegetag: 7. Dezember 1967

Die Erfindung betrifft eine Differenzschaltung zum Messen des Scheinleitwertes eines Prüflings im Vergleich zu einem Normal unter Verwendung eines aus vier gleichsinnig in Reihe liegenden Dioden gebildeten Gleichrichtervierecks, von dem die Eckpunkte der einen Diagonale an einer Reihenschaltung aus zwei Sekundärwicklungen eines als Meßspannungsquelle dienenden Transformators liegen, und mit einem die Differenz der Scheinleitwerte von Prüfling und Normal anzeigenden Instrument. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer Schaltung der genannten Art.

Bei einer bekannten Differenzschaltung zum Messen des Scheinleitwertes einer Meßzelle als Prüfling im Vergleich zu dem Normal einer Vergleichszelle ist in eine Diagonale der Diodenviereckschaltung das Meßinstrument eingefügt. Ein Eckpunkt dieser Diagonale liegt an einem Mittelabgriff der Sekundärwicklung des als Meßspannungsquelle dienenden Transformators. Jeweils zwischen einem Endpunkt der genannten Sekundärwicklung und einem Eckpunkt der jeweils anderen Diagonale der Diodenviereckschaltung ist einerseits die Meßzelle und andererseits die Vergleichszelle eingefügt. Bei dieser Schaltung dient jeweils eine halbe Sekundärwicklung des Transformators als Spannungsquelle für die Meßzelle und die andere halbe Sekundärwicklung als Spannungsquelle für die Vergleichszelle. Durch das Meßinstrument fließen jeweils in entgegengesetzten Richtungen die Ströme durch die Meßzelle und die Vergleichszelle, so daß man eine Differenzmessung erhält. Unterschiede der beiden Hälften des Transformators beeinflussen dadurch die Messung. Man kann solche Unterschiede nicht ein für allemal fest abgleichen, da sich die beiden Hälften der Sekundärwicklung langzeitig verschieden ändern können und da sich in beiden Hälften der Einfluß einer wechselnden Belastung unterschiedlich bemerkbar machen kann.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Differenzschaltung, bei der beide Anteile des Differenzmeßstromes von ein und derselben Spannungsquelle geliefert werden, so daß Änderungen der Spannungsquelle in die Messung nicht eingehen.

Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß das Instrument in die Verbindungsstelle der Sekundärwicklung des Transformators eingeschleift ist, daß an dem einen Eingangspol des Instruments Prüfling und Normal je einpolig angeschlossen sind und daß von deren anderen Polen einer mit dem einen und einer mit dem anderen Eckpunkt der anderen Diagonale des Gleichrichtervierecks verbunden ist.

Differenzschaltung zum Messen
des Scheinleitwertes eines Prüflings
im Vergleich zu einem Normal

Anmelder:

Kabushiki Kaisha Hitachi Seisakusho,

Chiyoda-Ku, Tokio-To (Japan)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Maier, Patentanwalt,

München, Widenmayerstr. 5

Als Erfinder benannt:

Kenichi Isoda, Kitatama-Gun, Tokio-To;

Naoya Ono, Kodaira-Shi (Japan)

Beanspruchte Priorität:

Japan vom 18. Oktober 1963 (54 959)

Bei der Differenzschaltung nach der Erfindung fließt der Strom aus einer Sekundärwicklungshälfte des Transformators während aufeinanderfolgenden Wechselspannungsperioden einerseits durch das Meßinstrument und den Prüfling sowie andererseits durch das Meßinstrument in entgegengesetzter Richtung sowie durch das Normal. Der Strom der jeweils anderen Sekundärwicklungshälfte des Transformators fließt während aufeinanderfolgender Halbwellen einerseits jeweils in entgegengesetzter Richtung durch den Prüfling und andererseits durch das Normal. Der Strom einer einzigen Sekundärwicklungshälfte wird somit zur Differenzmessung ausgenutzt, während der Strom der jeweils anderen Sekundärwicklungshälfte lediglich zur Entladung bzw. Ummagnetisierung des jeweiligen Scheinwiderstandes dient und nicht durch das Meßinstrument fließt. Somit können bei der Differenzschaltung nach der Erfindung unterschiedliche Größen der beiden Sekundärwicklungshälften unberücksichtigt bleiben.

Weiterhin schlägt die Erfindung verschiedene Verwendungen der genannten Schaltung zur Messung des Flüssigkeitsstandes, in Verbindung mit einem Differentialkondensator, einem selbstabgleichenden Registriergerät sowie einem Leitfähigkeitsmesser vor.

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Die Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme zwischen den Wicklungen N_E und N_B ein Kopplungsauf bevorzugte Ausführungsformen in Verbindung koefflzient eingestellt ist. Zwischen Kollektor und mit der Zeichnung erläutert. Es stellt dar Basis ist ein Kondensator C_T eingeschaltet. Zwischen

F i g. 1 ein Schaltbild einer Ausführungsform der Basis und Kollektor liegen eine Zenerdiode Z sowie Erfindung, 5 eine Diode D in Reihe, die zur Konstanthaltung der

F i g. 2 den Aufbau einer Zelle zur Flüssigkeits- Ausgangsschwingungsamplitude dienen.
Standmessung in Ansicht, Dieser Oszillator wird von einer Gleichspannungs-

F i g. 3 einen Axialschnitt durch einen Differential- quelle E_s erregt, und die Sperrvorspannung des Trankondensator, sistors T_r wird in einem Widerstand R_B und einem

F i g. 4 ein schematisches Schaltbild eines selbst- io Kondensator C_B erzeugt,
abgleichenden Registriergerätes und Der Hartley-Oszillator induziert in den Sekundär-

F i g. 5 ein schematisches Schaltbild eines Leit- wicklungen JV₂₁ und N₂₂ jeweils Spannungen, die zu fähigkeitsmessers. Strömen der oben beschriebenen Art führen. In dem

F i g. 1 zeigt die Differenzschaltung nach der Er- Meßinstrument M erfolgt demnach die genannte findung. Diese enthält zur Anregung einen Oszillator 15 Differenzmessung.

OSC beispielsweise in Form eines Hartley-Oszilla- Die Schaltung nach der Erfindung kann in Ver-

tors, der weiter unten genauer erläutert wird. Dieser bindung mit einem Flüssigkeitsstandmesser ange-Oszillator ist an die Primärwicklung eines Transfor- wandt werden. Danach wird an Stelle des Priifmators T angeschlossen. Der Transformator besitzt lings C₁ eine Meßzelle benutzt, deren Kapazität sich zwei Sekundärwicklungen JV₂₁ und N₂₂, die jeweils ao mit dem zu messenden Flüssigkeitsstand ändert, und mit Anschlußpunkten gleicher Polarität an Eck- an Stelle des Kondensators C₂ wird ein Normalpunkte α und c einer Diagonalen einer aus vier kondensator verwendet.

gleichsinnig in Reihe liegenden Dioden D₁, D.₂, D_la, Die Meßzelle, deren Kapazität sich entsprechend

D._2a bestehenden Gleichrichterviereckschaltung an- dem zu messenden Flüssigkeitsstand ändert, ist nach geschlossen sind. Zwischen die Anschlußpunkte der 25 F i g. 2 aufgebaut und eingerichtet. Dieselbe besteht Sekundärwicklungen N_n und N₀₀ mit jeweils ent- im wesentlichen aus einer inneren, durch ein geeiggegengesetzter Polarität ist über die Koppelpunkte A netes dielektrisches Material 2 abgedeckten Elek- und A_a das Meßinstrument M eingeschleift. Jeweils trode 1, einer aus einem Metallzylinder gebildeten an einen Pol A _a des Meßinstruments ist eine An- äußeren Elektrode 3 sowie einer Füllung einer leischlußklemme des Prüflings C₁ und des Normals C₂ 30 tenden Flüssigkeit 4, wie beispielsweise Wasser, in angeschlossen. Die jeweils andere Anschlußklemme welche die beiden Elektroden eintauchen; wenn die B₁ des Prüflings C₁ ist mit einem Eckpunkt b der beiden Elektroden auf eine Tiefe χ eintauchen, wird jeweils anderen Diagonalen der Viereckschaltung die Kapazität C_x zwischen den beiden Elektroden und die jeweils andere Anschlußklemme B₂ des Nor- durch folgende Gleichung gegeben:
mais C₂ ist mit dem anderen Eckpunkt d der zuletzt 35 _ ,

genannten Diagonalen verbunden. Parallel zu dem ^x ~~ »

Meßinstrument liegt ein Glättungskondensator C_f. mit C₀ als Kapazität mit beiden, völlig in die leitende

In derjenigen Halbwelle, in der die Spannung in Flüssigkeit eingetauchten Elektroden und mit k als den Sekundärwicklungen N₂₁ und N₂₂ im in der Proportionalitätskonstante.

Zeichnung angegebenen Sinn induziert wird, fließen 40 Wenn folglich diese Meßzelle zur Messung des Ströme wie folgt: Flüssigkeitsstandes an Stelle des Kondensators C₁ in

der Schaltung nach F i g. 1 und ein Kondensator C₀

N₂₂-C-d-D_2a-c-N₂₂ sowie N₂₁-M-C₁-O-D₁-O-N₂₁. mit konstanter Kapazität an Stelle des Kondensators

C₂ benutzt wird, kann durch geeignete Auswahl der

In den jeweils entgegengesetzten Halbwellen fließen 45 Schaltungswerte der Ausgangsstrom dem Flüssigfolgende Ströme: keitszustand χ unmittelbar proportional eingestellt

werden. In einem Flüssigkeitsstandmesser mit einer

N₂₂-C-DJ₀-Z)-C₁-JV₂₂ sowie N₂₁-a-D₂-d-C₂-M-N₂₁. Meßzelle der oben beschriebenen Art kann man mit

einem großen Proportionalitätsfaktor zwischen dem

Man erkennt also, daß der Strom der Sekundär- 50 Ausgangsstrom und dem Flüssigkeitsstand χ durch wicklung iV₂₁ in aufeinanderfolgenden Halbwellen je- Auswahl einer hohen Kreisfrequenz des Oszillators weils in umgekehrter Richtung durch das Meßinstru- eine hohe Empfindlichkeit erreichen. Da die obenment M sowie einerseits durch den Prüfing C₁ und genannte innere Elektrode dünn und leicht gemacht andererseits durch das Normal C₂ fließt. Durch das werden kann, ist eine Miniaturisierung der Meßein-Meßinstrument M fließt also insgesamt ein Differenz- 55 richtung möglich.

strom L Dieser Differenzstrom i ist, wie man leicht Neben dieser Anwendung ist die erfindungs-

erkennt, bei Mitteilung über eine Periode der Diffe- gemäße Schaltung für einen Winkelstellungs-Gleichrenz der Leitwerte von Prüfling und Normal propor- strom-Wandler in besonderer Weise geeignet. Ein tional. Der Strom der Sekundärwicklung N₂₂ berührt Beispiel eines Differentialluftkondensators zum Nachdas Meßinstrument überhaupt nicht und dient ledig- 60 weis von Winkeleinstellungen ist in F i g. 3 dargelich zur jeweiligen Umladung der Kondensatoren C₁ stellt. Dieser Kondensator umfaßt im wesentlichen und C₂. Im Falle von induktiven Scheinleitwerten stationäre, symmetrisch einander gegenüberliegend dient dieser Strom zur Ummagnetisierung derselben. angeordnete Elektroden 6 und 7, eine Drehwelle 8

Ein Hartley-Oszillator OSC dient als Leistungs- sowie eine Rotorelektrode 5, welche sich in ihrer quelle. In diesem Oszillator ist eine Wicklung N_n des 65 Lagerung zusammen mit der Welle 8 frei drehen Transformators T zwischen Emitter und Kollektor kann. An die Elektroden 6, 5 bzw. 7 sind Anschlußeines npn-Transistors T_r und eine Wicklung N_E zwi- signalklemmen B₂, A_a bzw. B₁ angeschlossen. Für sehen Basis und Emitter angeschlossen, wobei die Verwendung dieses Kondensators in Verbindung

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mit einer Schaltung nach F i g. 1 werden die An- eine recht große Lebensdauer aufweist. Da außerdem schlußklemmen B₃, A₁₁ und B₁ jeweils mit den mit das erforderliche Stellmoment außerordentlich klein denselben Bezugsziffern versehenen Anschlußpunkten ist, erweist sich dieses Registriergerät für eine Miniain F i g. 1 verbunden. turisierung und eine Gewichtsverminderung als vor-

In Abhängigkeit von dem Drehwinkel Θ bzw. der 5 teilhaft.

Winkeleinstellung der Rotorelektrode 5 können die Wenn auch die Beschreibung der vorstehenden

Kapazität C₁₀ zwischen den Anschlußklemmen B₁ Ausführungsbeispiele auf denjenigen Fall ausgerich- und A_a bzw. die Kapazität C₂₀ zwischen den An- tet ist, wo ein kapazitiver Scheinleitwert gemessen schlußklemmen B₂ und A_a durch die folgenden wird, so ist die Anordnung nach der Erfindung nicht Gleichungen ausgedrückt werden: io auf diesen Anwendungsfall beschränkt, vielmehr

können auch andere Größen wie beispielsweise ein

C_la — k Θ 1 Ohmscher Widerstand R in Betracht gezogen werden.

C_oa = C_m — k Θ j Bei der Anordnung nach F i g. 5 sind zwei Elek

troden P und P₁₁ in eine elektrolytische Flüssigkeit

mit k als Konstante und C_m als Maximalwert der 15 eingetaucht, deren Leitfähigkeit gemessen werden Kapazität zwischen den Elektroden? und 5. Wenn soll. Die Anschlußklemmen dieser Elektroden sind zwischen den Anschlußklemmen A₁₁ und B₁ ein Kon- an die Anschlußklemmen B₁ und A_a der Differenzdensator C_g mit konstanter Kapazität eingesetzt ist, schaltung 9 nach F i g. 5 angeschlossen. Andererseits erhält obige Gleichung folgende Form: ist zwischen die Anschlußklemmen A_a und B₂ ein

20 fester Widerstand R₂ eingefügt, und ein Ampere-

C₁₁, = k Θ + Cg 1 meter M ist mit den Anschlußklemmen A und A_a

C,_a = C_m-k9 J verbunden.

In dieser Schaltung ist der Ausgangsstrom bei

Wenn die Kondensatoren C₁₁₁ und C_2a jeweils die sehr großem Normalwiderstand proportional zum Kondensatoren C₁ und C, in F i g. 1 ersetzen, ist der 25 Leitfähigkeitswert zwischen den Elektroden P und resultierende Ausgangsstrom bei Wahl von C, = C_m P₁₁. Wenn folglich Formfaktoren wie die Elektrodendem Drehwinkel 6» proportional. größe und der Elektrodenabstand konstant gehalten

Dieser Drehwinkel-Strom-Wandler kann mit Vor- werden, ergibt sich der Ausgangsstrom als proporteil in verschiedenen Einrichtungen angewandt wer- tional zur Leitfähigkeit des Elektrolyten,
den. Wenn er beispielsweise als Rückkopplungsele- 30 Wenn für diesen Fall kleine Änderungen der Leitment in einem selbstabgleichenden Registriergerät be- fähigkeit des Elektrolyten in der Nachbarschaft eines nutzt wird, kann man Gleitkontakte vollständig aus- spezifischen Meßwertes gemessen werden sollen, schließen, im Gegensatz zu bekannten Anordnungen, können die auftretenden Schwankungen durch gewo gewickelte Drahtpotentiometer mit Schleifkontakt eignete Auswahl des Wertes des Normalwiderstandes als Rückkopplungselement verwendet werden. 35 R₁ auf die gesamte Anzeigeskala des Ampere-

Bei einem derartigen Anwendungsbeispiel nach meters M vergrößert werden.

F i g. 4 findet eine Differenzschaltung nach F i g. 1 Für einen Leitfähigkeitsmesser muß man zudem

Verwendung. In diesem Falle wird ein Differential- eine Wechselstromquelle mit einer Frequenz in der kondensator 10 der in F i g. 3 erläuterten Konstruk- Größe einiger Kilohertz oder noch größer verwenden, tion benutzt, welcher den Kondensatoren C₁ und C₂ 40 damit ein nachteiliger Einfluß infolge der Polarisaentspricht und dessen Welle 8 mit der Antriebs- tion des Elektrolyten ausgeschaltet wird; man muß welle eines Regelmotors 12 gekuppelt ist. Die Steuer- folglich die Schwingungsfrequenz der Schaltung nach wicklung des Regelmotors 12 ist an einen Regelver- F i g. 1 in dieser Größe auswählen. Insbesondere in stärker mit kleinem Eingangswiderstand ange- diesem Falle kommt das vorteilhafte Merkmal der schlossen, welcher im wesentlichen ein geeignetes 45 vorliegenden Schaltung zum Tragen, wonach zwi-Verstärkerelement wie eine Vakuumröhre oder einen sehen den Elektroden P und P_a ein Wechselstrom transistorisierten magnetischen Verstärker enthält. anliegt und im Ausgang ein Gleichstrom auftritt.

Beim Betrieb dieses Registriergerätes wird die Da entsprechend den Ergebnissen der vorstehen-

Differenz (/,·„ — /) zwischen Eingangsstrom /,·„ und den Beschreibung durch den Prüfling ein Wechsel-Ausgangsstrom J des Rückkopplungselementes in den 50 strom fließt und im Ausgang der erfindungsgemäßen Regelverstärker 11 eingespeist und nach Verstär- Schaltungsanordnung ein Gleichstrom fließt, ist diese kung der Steuerwicklung des Regelmotors 12 züge- Anordnung insoweit von Vorteil, als der Scheinleitführt. In entsprechendem Maße versetzt der Regel- wert ein Wirkleitwert oder ein Blindleitwert sein motor 12 den Differentialkondensator 10 in Drehung, kann. Ferner kann man eine Anschlußklemme für so daß der Eingangsstrom (/,„ — i) des Regelverstär- 55 den Ausgangsstrom und eine Anschlußklemme des kers 11 abnimmt, bis der Gleichgewichtspunkt er- Scheinleitwertelementes miteinander verbinden und reicht ist. diese Anschlußklemme erden, so daß die Einsatz-

Demnach ist der Drehwinkel Θ des Differential- fähigkeit und Verwendbarkeit der Anordnung in der kondensators 10 zu dem Eingangsstrom /,„ propor- Praxis erhöht wird.

tional. Infolgedessen kann durch Anschluß eines 60 Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen AnRegistriergerätes an die Welle 8 des Kondensators 10 Ordnung liegt darin, daß der Einfluß einer Streuder Eingangsstrom /,·„ gemessen werden. kapazität zwischen den beiden Sekundärwicklungen

Ein selbstabgleichendes Registriergerät, in dem als des Transformators und Erde auf den Ausgangs-Rückkopplungselement ein Differentialkondensator strom eine sehr kleine Größe hat, die meist vernachder genannten Art benutzt wird, besitzt im Gegen- 65 lässigbar ist und keine Fehlerursache darstellt, wosatz zu einem bekannten Registriergerät mit einem durch die statische Abschirmung bei Benutzung der gewickelten Drahtpotentiometer mit Gleitkontakt als Anordnung für hohe Frequenzen recht einfach wird. Rückkopplungselement keine Gleitteile, so daß es Bei der Messung von Scheinleitwerten und anderen

Claims (5)

Größen mit sehr kleiner statischer Kapazität kann man ferner zur Erzielung einer großen Empfindlichkeit hohe Frequenzen benutzen. Ein zusätzliches hervorstehendes Merkmal liegt darin, daß man bei Verwendung einer Schaltung nach F i g. 1 einen Gleichstrom erhalten kann, der der Differenz zwischen zwei gleichartigen Schemleitwerten proportional ist. Diese Anordnung kann folglich in solchen Fällen Anwendung finden, wo bei Benutzung eines Scheinleitwertes als bekannter veränderlicher oder konstanter Scheinleitwert und des anderen als unbekannter Scheinleitwert der Wert des unbekannten Scheinleitwertes nach dem Nullpunktkompensationsverfahren gemessen werden kann oder wo man einen Ausgangsstrom proportional zur Differenz zwischen einem unbekannten und einem bekannten Scheinleitwert wünscht Mittels eines Hartley-Oszillators mit geerdetem Kollektor nach F i g. 1 kann man ferner leicht eine sinusförmige Spannung mit konstanter Amplitude er- so zeugen, so daß man eine außerordentlich stabile Anordnung erhält. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß man durch Kombination der erfindungsgemäßen Anordnung mit einem Differentialkondensator nach F i g. 2 leicht einen Übertrager zur Umwandlung as einer Winkelstellung in einen Gleichstrom erhalten kann. Patentansprüche:

1. Differenzschaltung zum Messen des Scheinleitwertes eines Prüflings im Vergleich zu einem Normal unter Verwendung eines aus vier gleichsinnig in Reihe liegenden Dioden gebildeten Gleichrichtervierecks, von dem die Eckpunkte der einen Diagonale an einer Reihenschaltung aus zwei Sekundärwicklungen eines als Meßspannungsquelle dienenden Transformators liegen, und mit einem die Differenz der Scheinleitwerte von Prüfling und Normal anzeigenden Instrument, dadurch gekennzeichnet, daß das Instrument (M) in die Verbindungsstelle der Sekundärwicklungen (JV₂₁, N₂₂) des Transformators (T) eingeschleift ist, daß an dem einen Eingangspol (A „) des Instruments (M) Prüfling (C₁) und Normal (C₂) je einpolig angeschlossen sind und daß von deren anderen Polen (B₁, B₂) einer (B₁) mit dem einen (b) und einer (B₂) mit dem anderen Eckpunkt (d) der anderen Diagonale (b, d) des Gleichrichtervierecks (D₁, D₂, D₁₀, D₂₀) verbunden ist (F i g. 1).

2. Verwendung der Schaltung nach Anspruch 1 zur Messung eines Flüssigkeitsstandes, dadurch gekennzeichnet, daß als Prüfling eine Meßzelle benutzt ist, deren Kapazität sich in Abhängigkeit von dem Flüssigkeitsstand ändert (F i g. 2).

3. Verwendung der Schaltung nach Anspruch 1 zur Messung von durch einen Differentialkondensator darstellbaren Meßgrößen, dadurch gekennzeichnet, daß Prüfling und Normal durch die beiden Teilkapazitäten des Differentialkondensators ersetzt sind (F i g. 3).

4. Verwendung der Schaltung nach Anspruch 1 für ein selbstabgleichendes Registriergerät mit Regelmotor, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangswelle des Regelmotors (12) mit der Einstellwelle eines Differentialkondensators (10) gekoppelt ist und daß der Ausgangsstrom der Differenzschaltung mit umgekehrter Polung wie der Eingangsstrom an einen Regelverstärker (11) angeschlossen ist (Fig. 4).

5. Verwendung der Schaltung nach Anspruch 1 zur Messung der Leitfähigkeit einer Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß als Normal ein Bezugswiderstand und als Prüfling eine mit der zu messenden Flüssigkeit gefüllte Leitfähigkeitsmeßzelle dient (F i g. 5).

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 630 895, 764544, 879;
deutsche Auslegeschrift Nr. 1142955.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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