DE1286634B - Gegengekoppelter Kompensationsverstaerker zur stabilen Verstaerkung von Messspannungen - Google Patents

Description

• Kompensationsverstärker sind in der Meßtechnik seit einigen Jahren bekannt. Sie werden eingesetzt zur stabilen Verstärkung von Meßspannungen. Bei diesen Kompensationsverstärkern wird z. B. über eine Brückenschaltung ein dem Verstärkerausgangssignal proportionales Signal auf den Eingang zurückgekoppelt und vom Eingangssignal subtrahiert, wodurch eine wesentliche Stabilisierung und Linearisierung der Verstärkung erreicht wird.
• Das von der Brücke gelieferte proportionale Signal wird bei den bisher bekannten Anordnungen erzeugt durch eine Verstimmung der Brücke, welche ihrerseits erfolgt über zwei in den Brückenzweigen angeordnete Potentiometer, deren Schleifer z. B. angeschnitten werden von je einem Stellmotor. Dabei wird der Stelimotor gespeist mit einem Signal, das dem vom Verstärker gelieferten Ausgangssignal proportional ist. Die Schleiferstellung ist somit proportional dem Verstärkerausgangssignal und außerdem dem Meßsignal. Sie dient als äußere Anzeige.
• Diese Nachteile werden durch die vorliegende Erfindung behoben, indem die Brückenverstimmung auf rein elektronischem Wege erfolgt, nämlich mit Hilfe von spannungsabhängigen Widerständen. Dabei werden diese Widerstände durch Hilfsspannungen gesteuert, welche dem Null-Verstärker-Ausgangssignal proportional sind und in Oszillatoren mit einer von der Meßspannungsfrequenz verschiedenen Oszillatorfrequenz erzeugt werden. Die Brückenspeisespannung und damit die auf den Verstärkereingang zurückgekoppelte Spannung ist frequenzgleich mit der Meßspannung.
• Vom Prinzip her ist die Brückenverstimmung und damit die Brückendiagonalspannung proportional der Meßspannung.
• Die Umwandlung in ein Gleichsignal erfolgt, indem die Brücke außer mit Wechselspannungen auch mit einer Gleichspannung gespeist wird, so daß an der Brückendiagonalen eine der Brückenverstimmung und damit dem Meßsignal proportionale Gleichspannung ansteht, welche in einem nachgeschalteten Spannunsstromwandler in einen eingeprägten Gleichstrom umgewandelt wird.
• Die sp annungsabhängigen Widerstände als veränderliche Abgleichmittel der Kompensationsschaltung bieten gegenüber den mechanisch veränderlichen Potentiometern den Vorteil des schnellen masselosen unabhängigen Ansprechens, der Vermeidung von Reibung und Abnutzung und der linearen Veränderung der als Anzeige- oder Regelgröße fungierenden Spannung.
• Das Prinzip der Verwendung spannungsabhängiger Widerstände in einer Brückenschaltung ist in F i g. 1 dargestellt. Die Brücke besteht aus den Widerständen Rt, R2, R3, R4 sowie zwei spannungsabhängigen Widerständen VDR. Während die Brücke von der Spannung Ut, gespeist wird, werden die VDR-Widerstände zusätzlich durch die Spannungen U und U2. beaufschlagt, die von Spannungsquellen kleinen Innenwiderstandes herrühren. Die linken Brückenzweige stellen deshalb grundsätzlich die Parallelschaltung von R3 bzw. R4 und VDR dar, ändern deshalb ihre Größe als Funktion der an VDR liegenden Hilfsspannung.
• Aufgabe der Zusammenschaltung von spannungsabhängigen und ohmschen Widerständen ist es, zu verhindern, daß bei einer Wechselspeisespannung diese durch den nichtlinearen Charakter der span- nungsabhängigen Widerstände unzulässig verzerrt wird, und sicherzustellen, daß nur die Hilfsspannung, nicht jedoch die Brückenspeisespannung den Widerstand der spannungsabhängigen VDR-Widerstände beeinflußt.
• An der Brückendiagonale zwischen den Punkten A-B tritt deshalb eine Spannung auf, die der Speisespannung Ut proportional ist, und weiterhin eine Funktion der Hilfsspannungen U2 und U9,.
• Gleichfalls kann ein Teil der Hilfspannungen zwischen A und B auftreten, und es muß dafür gesorgt werden, daß durch geeignete Siebglieder die von U, bzw. U2 und U2, herrührenden Anteile der Diagonalspannung voneinander getrennt werden können. Dies bedingt, daß U, und U2 bzw. U2. der Frequenz oder der Phase nach voneinander zu trennen sind. Beispielsweise ist Ul eine Wechselspannung, U bzw. U., eine Gleichspannung, oder umgekehrt. Oder es ist U, eine Wechselspannung niederer Frequenz oder U und Q eine Wechselspannung höherer Frequenz, oder umgekehrt. Ferner können Ul und U2 bzw. Q Wechselspannungen gleicher Frequenz sein, deren Phasen jedoch um 90° verschoben sind.
• Fig. 2 zeigt als Beispiel die Kompensationsmessung einer Wechselspannung. Die zu messende Wechselspannung E gelangt zunächst über den Kompensationstransformator 1 an den Eingang des Null-Verstärkers 2 und nach Verstärkung in diesem in den phasenabhängigen Demodulator 3, dessen, beide Ausgänge die Schwingungsamplitude je eines Oszillators 4, 5 verändern. Die Wechselspannungsamplituden des Oszillators beaufschlagen als Hilfsspannungen die VDR-Widerstände in der wie oben aufgebauten Brückenschaltung 6.
• Die Brückenschaltung 6 wird mittels des Transformators 7 durch eine Wechselspannung U gespeist, die die gleiche Phase hat sowie die gleiche Frequenz wie die Eingangsspannung E. Die an der Diagonale der Brücke 6 auftretende Wechselspannung E' wird über einen Kondensator 8 der Primärwicklung des Kompensationstransformators 1 zugeführt und besorgt die automatische Kompensation der Eingangsspannung. Um noch eine der Eingangsspannung proportionale Ausgangsgröße zu gewinnen, ist die Brücke 6 nicht nur mittels des Transformators 7 mit Wechselspannung gespeist, sondern es ist zusätzlich eine Gleichspannungsquelle 9 - vereinfacht als Batterie dargestellt - eingefügt, die eine zusätzliche Gleichspannung als Brückenspeisung aufbringt. An der Brücken diagonale tritt deshalb gleichzeitig eine Gleichspannung Eo auf, die über ein Drosselkondensatorglied 10 abgezweigt und einem stabilen Gleichspannungsverstärker 11, der als direkt gekoppelter stark gegengekoppelter Verstärker oder als Modulationsverstärker aufgebaut sein kann, zugeführt.
• Der Ausgangsstrom 1 des Gleichstromverstärkers 11 ist die Ausgangsgröße des Kompensationsverstärkers und der Eingangswechselspannung E proportional. Damit die Proportionalität stets erfüllt ist, muß die Spannungsquelle9 der Gleichspannungsspeisung völlig stabil sein. Besteht sie nicht aus einer Batterie, so muß sie deshalb aus Zener-Dioden oder einer anderen Schaltung zur Erzeugung einer stabilisierten Gleichspannung bestehen. Damit die Frequenz der Hilfsspannung bei der Kompensation nicht störend in Erscheinung tritt, wird noch ein Tiefpaß 12 in der Diagonalabführung der Brücke 6 vorgesehen. Damit dieser Tiefpaß einwandfrei arbeiten kann, müssen sich die Frequenzen der Hilfsspannung und die Frequenzen der Speisespannung der Brücke 6 hinreichend voneinander unterscheiden.
• Statt mit zwei Oszillatoren 4, 5 zu arbeiten, kann man auch zwei regelbare Verstärker verwenden, deren Eingängen eine von einem Master-Oszillator erzeugte Frequenz und dazu die von dem phasenabhängigen Demodulator gebildeten Gleichspannungen zugeführt werden.

Claims (4)

1. Patentansprüche: 1. Gegengekoppelter Kompensationsverstärker zur stabilen Verstärkung von Meßspannungen, bestehend aus einem Kompensationstransformator (1), dem Null-Verstärker (2), einem phasenselektiven Demodulator (3), zwei Oszillatoren (4, 5) zur Erzeugung von Hilfsspannungen, einer Brückenschaltung (6-7), deren Verstimmung proportional zur Eingangsgröße des Kompensationsverstärkers ist, und einem Gleichstromverstärker (11), der die von der Brückenschaltung gelieferte, der Brückenverstimmung proportionale Spannung verstärkt und einen eingeprägten Strom liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die über den Kompensationstransformator gegengekoppelte Spannung der Diagonale der Widerstandsbrückenschaltung entnommen wird, deren Speisespannung der zu messenden Spannung frequenzgleich ist und deren der Eingangsgröße proportionale Verstimmung dadurch erfolgt, daß der resultierende Widerstand eines Brückenzweiges, bestehend aus zwei ohmschen Widerständen (R3, R4) und zwei spannungsabhängigen VDR-Widerständen, gesteuert wird über zwei Hilfsspannungen (U."U2,), die vom Kompensationstransformator (1) über den Null-Verstärker (2), einen Demodu- lator (3) und einen oder mehreren vom Demodulator gesteuerten Oszillatoren hergeleitet wird.
2. 2. Kompensationsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Brückenspeisespannung (Ul) eine Wechselspannung mit überlagerter Gleichspannung verwendet wird und als Hilfsspannung (Q) eine Wechselspannung mit von der Speisespannung unterscheidbarer Frequenz dient und daß in der Brückendiagonalen durch einen Tiefpaß (12) die Hilfsspannung unterdrückt und durch eine Weiche (10) der Wechselspannungs- und der Gleichspannungsanteil wieder getrennt und zum Kompensationstransformator (1) und zur Meßstelle gegeben werden.
3. 3. Kompensationsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Ausgang des Null-Verstärkers (2) ein phasenabhängiger Demodulator (3) liegt, der an zwei Ausgangskanälen Gleichspannungen abgibt, deren Verhältnis der Phasenlage der Eingangsspannung des Null-Verstärkers entspricht und daß diese beiden Gleichspannungen als Steuerspannung zweier Oszillatoren (4) dienen, deren Ausgangsamplitude von der steuernden Gleichspannung abhängig ist, die als Hilfsspannung (U.,) zur Steuerung der spannungsabhängigen Widerstände (VDR) verwendet wird.
4. 4. Kompensationsverstärker nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle zweier Oszillatoren (4) zwei regelbare Verstärker verwendet werden, deren Eingänge sowohl eine von einem Master-Oszillator erzeugte Frequenz als auch die von dem phasenabhängigen Demodulator gebildeten Gleichspannungen zugeführt werden.