DE1591869B1

DE1591869B1 - Anordnung zum gleichzeitigen Messen von Gleichstroemen in linearem und logarithmischem Massstab

Info

Publication number: DE1591869B1
Application number: DE19671591869
Authority: DE
Inventors: Jacky Weill
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1966-11-07
Filing date: 1967-10-17
Publication date: 1970-12-23
Also published as: BE705133A; ES346772A1; NL164146C; NL164146B; GB1160599A; LU54717A1; CH482197A; NL6714970A; US3543168A; FR1525049A

Description

der zweite eine aus dieser linearen Spannung und io gekoppelter Kathode einen Gleichstrom zuführt, und einer logarithmischen Spannung zusammengesetzte d eine Diode. Die Gesetzmäßigkeit für den die Diode d Spannung führt.

In der Elektronik stellt sich häufig die Aufgabe,
z. B. bei der Überwachung von Kernreaktoren oder
im Rahmen des Strahlungsschutzes, Gleichströme 15
einerseits in einem logarithmischen Meßkanal in
logarithmischem Maßstab und andererseits in einem
linearen Meßkanal in linearem Maßstab zu messen,
um sowohl den ausgedehnten Meßbereich eines
logarithmischen Meßkanals und die Leichtigkeit, mit 20 in dem K eine Konstante mit der Dimension einer der sich damit die Periode bestimmen läßt, als auch Spannung und I₀ eine Konstante mit der Dimension die Genauigkeit eines linearen Meßkanals ausnützen eines Stromes bedeutet.

zu können. Der Aufbau des linearen Meßkanals Der aus dem Detektor D, dem Verstärker A, einem

erfolgt dabei meist mit Hilfe eines Ohmschen Wider- zusätzlichen Widerstand R₁, der Diode d und dem Standes, während für den Aufbau des logarithmischen 25 Widerstand R₂ bestehende Schaltungsteil besitzt zwei Meßkanals Bauelemente mit logarithmischem Kenn- Ausgänge, an denen zwei Ausgangsspannungen V₁ linienverlauf im Gebrauch sind, wobei man etwa
mit Gleichstromverstärkern arbeiten kann, die nach
dem Vorbild der Seiten R 68 bis R 71 der Zeitschrift
ATM vom Mai 1958 einen Gegenkopplungskanal 30
mit einer Halbleiterdiode oder nach dem Vorbild

durchfließenden Strom, von der auch bei den üblichen logarithmischen Verstärkern Gebrauch gemacht wird, läßt sich durch nachstehenden Ausdruck wiedergeben:

V=Klog~,

¹O

bzw. V₂ abnehmbar sind, die nachstehende Werte annehmen:

V₁ = R₁I

der französischen Patentschrift 1 401 891 einen Gegenkopplungskanal mit zwei antiparallel geschalteten, zweipolig betriebenen Feldeffekt-Transistoren aufweisen, wodurch im letzteren Falle in beiden Riehtungen fließende Gleichströme in logarithmischem Maßstab gemessen werden können.

Ein wesentlicher Mangel aller bisher eingesetzten Gleichstrommeßanordnungen dieser Art besteht je-

V, =

wobei / der von dem Detektor D gelieferte Strom ist. Man erhält also einerseits als lineares Meßergebnis die Spannung V₁, und andererseits eine Spannung V₂, die der Summe aus einem einer logarithmischen

doch darin, daß bei ihnen die beiden interessierenden 40 Gesetzmäßigkeit folgenden Wert und einem einer Meßergebnisse, nämlich das rein lineare und das rein linearen Gesetzmäßigkeit folgenden Wert entspricht, logarithmische Meßergebnis, niemals gleichzeitig zur Aufbauend auf diesem ersten Schaltungsteil, der

Verfügung stehen, sondern stets nacheinander erhalten im wesentlichen einem logarithmischen Gleichstromwerden. Verstärker entspricht, wie er auf Seite R 70 der Zeit-Nun wäre es jedoch von größtem Wert, über diese 45 schrift ATM vom Mai 1958 beschrieben und darbeiden Meßergebnisse gleichzeitig verfügen zu können, gestellt ist, sind erfindungsgemäß um einen ein Phasend. h., sie also mit Hilfe einer einzigen Meßanordnung umkehrverstärker B und zum anderen ein Rechengleichzeitig erfassen zu können, da sich dadurch verstärker C angeschlossen. Dabei hat der Phaseneinerseits Ersparnisse hinsichtlich des meßtechnischen umkehrverstärker B, der an seinem Ausgang die Aufwandes und der Meßzeit und andererseits eine 5° Spannung — V₁ führt, die Aufgabe, die Spannung V₁ vergrößerte Verarbeitungssicherheit infolge einer voll- mit der Spannung V₂ in Phase zu bringen, damit kommen kontinuierlichen Messung erzielen lassen letztere Spannung von ersterer Spannung abgezogen würden. werden kann, so daß man im Endergebnis zwei Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Schaltungsausgänge erhält, von denen der eine eine eine Gleichstrommeßanordnung der obenerwähnten 55 lineare Spannung, nämlich die Spannung V₁, und der Art in der Weise auszugestalten, daß sowohl das andere — der Ausgang des Rechenverstärkers C — lineare Meßergebnis als auch das rein logarithmische eine Spannung V₃ führt, die rein logarithmisch ist. Meßergebnis stets gleichzeitig anfallen. Bei einem praktisch gebauten Ausführungsbeispiel Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- für eine erfindungsgemäße Gleichstrommeßanordnung löst, daß der zweite Ausgangskanal einen Rechen- 60 besaßen die verschiedenen in die Schaltung eingeverstärker enthält, dessen Eingang einerseits die fugten Widerstände folgende Werte: Ausgangsspannung des Eingangsverstärkers unmittelbar und andererseits die in dem ersten Ausgangskanal
nach dem Widerstand im Gegenkopplungszweig des
Eingangsverstärkers auftretende Spannung über einen 65
Umkehrverstärker zugeführt wird und an dessen
Ausgang eine rein logarithmische Spannung abnehmbar ist.

R₁ = 10⁴ Ohm, R₂ = 5

K₃ — K₄. — K₅ — K₆ —

R₇ = 1,25 · 10⁸ Ohm.

10³ Ohm,
10⁷ Ohm und

Mit der in dieser Weise aufgebauten Schaltung erhielt man unter Zugrundelegung eines Wertes von 10"¹ Volt für die Konstante K für die Diode d für

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zwischen ΙΟ"¹¹ und ΙΟ"³ Ampere variierende Meßströme das aus der nachstehenden Tabelle ersichtliche Ansprechen im linearen bzw. im logarithmischen Meßkanal:

	ίο-"	ΙΟ"¹⁰-	io->	/ 10"⁸	in Amper 10"⁷	e 10~⁶	10"⁵	ΙΟ"*	10"³
Linearer Meßkanal, V₁ in Volt	0	1,25	2,5	3,75	ίο-³ 5	ίο-² 6,25	ίο-¹ 7,5	1 8,75	10 10
Logarithmischer Meß kanal, V₃ in Volt

Im Vergleich zu bekannten Schaltungen mit zwei Meßkanälen bietet die erfindungsgemäße Meßanordnung den Vorteil, daß sie einen Detektor, ein Anschlußkabel, eine Hochspannungsquelle, eine Niederspannungsversorgung und einen Linearverstärker einspart und nichts weiter als zwei einfache Verstärker B und C dafür verlangt.

Dabei lassen sich beide Schaltungsausgänge bei der erfindungsgemäßen Meßanordnung selbstverständlich auch mit Triggerschaltungen ausstatten.

Vom Standpunkt der Betriebssicherheit aus gesehen gibt die erfindungsgemäße Meßanordnung, wenn die Verwendung zweier unabhängiger Meßketten gewisse Vorteile bietet, die Gewähr für ein gutes Funktionieren der linearen Messung, sobald ein gutes Funktionieren der logarithmischen Meßkette erreicht ist.

Das oben beschriebene Prinzip läßt sich auch auf mit Impulsen gespeiste Meßkanäle anwenden, wobei lediglich eine Aufbereitung dieser Impulse für einen Gleichstromverstärker durch Integration vorgenommen werden muß.

Die Grenzbedingungen für den Einsatz der erfindungsgemäßen Meßanordnung lassen sich mit Rücksicht darauf immer erfüllen, daß die Verstärkung des Verstärkers A begrenzt ist, wenn man für die Widerstände K₁ und R₂ hinreichend große Werte wählt.

Wie man nämlich aus dem oben angegebenen Ausdruck für die Spannung V₂ entnehmen kann, hat der Strom / des Detektors den Bruch

zum Multiplikationsfaktor, und dies gestattet die Messung kleinerer Ströme, als sie sich sonst mit den verwendeten Dioden messen lassen würden. So kann man beispielsweise mit Hilfe einer Diode, deren Grenze bei 10~^u Ampere liegt, noch Ströme von 10 ~¹³ Ampere messen, indem man dem Bruch

K,

den Wert 100 gibt.
Diese Eigenschaft macht die erfindungsgemäße Meßanordnung sehr brauchbar zum Messen sehr kleiner Ströme von beispielsweise 10~¹³ Ampere, eine Messung, die sich bisher nur mit Hilfe von Elektrometerröhren durchführen ließ. Man kann daher Halbleiterdioden üblicher Bauart als logarithmische Bauelemente verwenden, und ein, zwei oder gar drei Dekaden weiter zu niedrigeren Strömen kommen.

Besonders günstig wirkt sich die Anwendung dieses Prinzips auf Geräte für den Strahlenschutz aus.

Bei praktischer Erprobung einer erfindungsgemäßen Gleichstrommeßanordnung wurden unter den nachstehenden Bedingungen:

J₀ = 10"¹³ Ampere,
K₁ = 10⁴OhIn,
K₂ = 10⁷ Ohm und

K = 0,06 Volt (entsprechend einem als Diode geschalteten Transistor 2 N 930)

+R₂

K,

und einer Verstärkung für den Rechenverstärker C von G = 10 die in folgender Tabelle zusammengestellten Ergebnisse erzielt:

	10-"	10"¹-	ίο-"	;	.I0"⁸	in Ampere	10 ⁶	10-⁵	10-*	IO~·³
					ΙΟ"⁷
Linearer Meßkanal,	ΙΟ"⁷	10-⁶	ΙΟ"⁵	ΙΟ"⁴		ίο-²	ίο-¹	1	10
berechnet in Volt, V₁ ..					ΙΟ"³
Linearer Meßkanal,	—	—	—	—		ΙΟ"²	ίο-¹	1	10
gemessen in Volt, F₁ ...					10-³
Logarithmischer Meß
kanal, berechnet in Volt	1,2	1,8	2,4	3,0		4,2	4,8	5,4	6,0
V-,					3,3
Logarithmischer Meß
kanal, gemessen in Volt,	1,2	1,8	2,4	3,1		4,3	4,9	5,5	6,1
V₃			3,7

Claims

Patentanspruch :

Anordnung zum gleichzeitigen Messen von Gleichströmen in linearem und logarithmischem Maßstab mit einem Eingangsverstärker, der einen Gegenkopplungszweig mit einem Widerstand und einer Halbleiterdiode aufweist, und mit einem an den Widerstand angeschlossenen ersten Ausgangskanal und einem an die Halbleiterdiode angeschlossenen zweiten Ausgangskanal, von denen der erste eine rein lineare Spannung und der zweite eine aus dieser linearen Spannung und einer logarithmischen Spannung zusammengesetzte Spannung führt, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Ausgangskahal einen Rechenverstärker (C) enthält, dessen Eingang einerseits die Ausgangsspannung (F₂) des Eingangsverstärkers (A) unmittelbar und andererseits die in dem ersten Ausgangskanal nach dem Widerstand (R₁) im Gegenkopplungszweig des Eingangsverstärkers (A) auftretende Spannung (F₁) über einen Umkehrverstärker (B) zugeführt wird und an dessen Ausgang eine rein logarithmische Spannung (F₃) abnehmbar ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen