DE1913116A1 - Messanordnung fuer Gleichstroeme oder Gleichspannungen - Google Patents

Description

• Meßanordnung für Gleiohströme oder Gleichspannungen Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßanordnung für Gleichstrdme oder Gleichspannungen mit großer Dynamik, die sich insbesondere zur Messung von schwachen Gleichströmen eignet, z. B. von Strömen in der Größenordnung von 10-14 und darunter.
• Eine solche Meßanordnung erweist sich als sehr nützlich in der Physik, in der Biologie, beim Strahlenschutz und auf dem Gebiete der Raumfahrt, und es ist von großem Interesse, daß eine solche Meßanordnung die Vorteile eines geringen Platzbedarfs, niedriger Gestehungskosten, einfacher Handhabbarkeit und rascher Einsatzbereitschaft aufweist.
• Zur Befriedigung aller dieser Forderungen auf den verschiedenen oben erwähnten Gebieten muß eine solche Meßanordnung ganz allgemein die Vornahme einer- sehr genauen Messung ermöglichen, dabei aber gleichzeitig erheblichen Strom-oder Spannungsspitzen Rechnung tragen, die während der Messungen auftreten können. Es ist daher erforderlich, eine Änderung der Empfindlichkeit vorzusehen, jedoch verbietet es sich dabei, eine Umschaltung der Empfindlichkeit von Hand ins Auge zu fassen.
• Die bisher bekannten Geräte dieser Art arbeiten mit Bauelementen mit hoher Eingangsimpedanz, nämlich entweder mit Elektrometerröhren oder mit Transistoren mit isolierter Steuerelektrode.
• Elektrometerröhren verlangen nun aber nach einer gesonderten Heizungseinrichtung; außerdem zeigen sie zeitliche Drifterscheinungen, und schließlich führen sie zu einem logarithmischen Detektorbereich, der auf sechs Dekaden begrenzt ist.
• Transistoren mit isolierter Steuerelektrode zeigen zwar eine sehr hohe Eingangsimpedanz in der Größenordnung von 1015 Ohm, was sie theoretisch zur Messung sehr kleiner Ströme oder Spannungen geeignet erscheinen läßt, jedoch lassen sie keine Überspannung an ihrer Steuerelektrode zu, und außerdem muß man sie durch ein Bauelement mit logarithmischer Kennlinie ergänzen, wenn man eine Vervielfachung der Meßbereichsumschaltungen vermeiden will, eine Aufgabe, für die im allgemeinen die Emitter-Basis-Sperrschicht eines Planartransistors aus Silizium eingesetzt wird. In diesem Falle wird jedoch die Messung sehr kleiner Ströme oder Spannungen durch das Bauelement mit logarithmischen Kennlinien ausgeschlossen, wenn dieses nicht außergewöhnliche Eigenschaften hinsichtlich einer Begrenzung seiner Leckströme aufweist.
• Mit der Erfindung wird eine Anordnung für die Messung von kleinen Gleichströmen oder Gleichspannungen mit großer Dynamik geschaffen, welche die Vorteile eines geringen Platzbedarfs, niedriger Gestehungskosten, einer einfachen Einsetzbarkeit und einer raschen Betriebsbereitschaft aufweist, ohne manuelle Umschaltung und ohne Diskonuitäten die genaue Messung schwacher Gleichströme oder Gleichspannungen, die jedoch erhebliche Spitzenwerte annehmen können, ermöglicht und dabei vollkommen temperaturkompensiert ist und jede nur denkbare Garantie für einen sicheren Betriebsablauf bietet.
• Die erfindungsgemäße Anordnung weist eine Verstärkerkette, einen linearen Gegenkopplungszweig und einen logarithmischen Gegenkopplungszweig, die beide mit der Verstärkerkette gekoppelt sind, sowie eine Ausleseeinrichtung für die von der Verstärkerkette abgegebene Spannung auf und ist hauptsächlich dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem eine Einrichtung zum automatischen Umschalten ihres Arbeitsbereichs und Bauelemente zum Verschieben der Eingangsspannung für die Ausleseeinrichtung zwecks Gewährleistung der Kontinuität der Auslesung ungeachtet der Umschaltung des Arbeitsbereichs enthält.
• Fur den Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung kommen im wesentlichen drei Ausführungsformen in Betracht.
• Bei der ersten dieser Ausführungsformen liegen der lineare Gegenkopplungszweig und der logarithmische Gegenkopplungszweig parallel zueinander zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Verstärkerkette und enthält die automatische Umschalteinrichtung ein Umschaltorgan für die Inbetriebnahme entweder des linearen Gegenkopplungszweiges oder des logarithmischen Gegenkopplungszweiges und eine Schwellwertstufe für die Steuerung dieses Umschaltorganes, die an den Ausgang der Verstärkerkette angeschlossen ist und die Inbetriebnahme des linearen Gegenkopplungszweiges veranlaßt, wenn die Spannung am Ausgang der Verstärkerkette unterhalb eines vorgegebenen Wertes liegt, und umgekehrt den logarithmischen Gegenkopplungszweig in Betrieb nimmt, wenn die Spannung am Ausgang der Verstärkerkette oberhalb des vorgegebenen Wertes liegt.
• Gemäß der zweiten Ausführungsform enthält die Ausleseeinrichtung eine Auslesestufe mit linearer Skala und eine Auslesestufe mit logarithmischer Skala, die beide nebeneinander und gleichzeitig in Betrieb sein können, weist die Verstärkerkette zwei Verstärkerstufen auf, von denen die erste mit der linearen Auslesestufe und die zweite mit der logarithmischen Auslesestufe verbunden ist und weiter die erste den linearen Gegenkopplungszweig und die zweite den logarithmischen Gegenkopplungszweig als Verbindung zwischen ihrem Eingang und ihrem Ausgang hat, enthält der lineare Gegenkopplungszweig mehrere zueinander parallele Kanäle mit Widerstandselementen und gehören zu der automatischen Umschalteinrichtung mindestens ein Umschaltorgan für die Inbetriebnahme der verschiedenen Kanäle des linearen Gegenkopplungszweiges und mindestens eine Schwellwertstufe für die Steuerung dieses Umschaltorganes, die an den Ausgang einer der beiden Stufen der Verstärkerkette angeschlossen ist und jeweils bei einem bestimmten Wert für die Ausgangsspannung dieser Verstärkerstufe die Inbetriebnahme eines bestimmten Kanals des linearen Gegenkopplungszweiges veranlaßt.
• Gemäß der dritten Ausführungsform enthält die Ausleseeinrichtung eine Auslesestufe mit linearer Skala und eine Auslesestufe mit logarithmischer Skala, die beide gleichzeitig und nebeneinander in Betrieb sein können, weist die Verstärkerkette zwei Verstärkerstufen auf, von denen die erste mit der linearen Auslesestufe und die zweite mit der logarithmischen Auslesestufe verbunden ist und weiter die erste den linearen Gegenkopplungszweig und die zweite den logarithmischen Gegenkopplungszweig als Verbindung zwischen ihrem Eingang und ihrem Ausgang hat, enthält der lineare Gegenkopplungszweig mehrere in Serie zueinander liegende kapazitive Bauelemente verschiedener Größe und gehören zu der automatischen Umschalteinrichtung mindestens ein Umschaltorgan, das ein Kurzschließen eines der kapazitiven Bauelemente ermöglicht, und mindestens eine Schwellwertstufe zur Steuerung dieses Umschaltorganes, die an den Ausgang einer der beiden Stufen der Verstärkerkette angeschlossen ist und bei Erreichen eines vorgegebenen Wertes für die Ausgangsspannung dieser Verstärkerstufe das Kurzschließen eines bestimmten kapazitiven Bauelementes des linearen Gegenkopplungszweiges veranlaßt.
• Die erfindungsgemäße Anordnung arbeitet also gemäß der ersten Ausführungsform entweder mit linearer Auslesung oder mit logarithmischer Auslesung, wobei der Übergang von der einen Auslesungsart zur anderen sich bei einem vorgegebenen Wert für die zu messende Größe automatisch vollzieht. Gemäß der zweiten und der dritten Ausführungsform dagegen arbeitet die erfindungsgemäße Anordnung gleichzeitig mit linearer und mit logarithmischer Auslesung, wobei die automatische Umschaltung lediglich die Änderung der Empfindlichkeitsbereiche für die lineare Auslesung betrifft.
• Schließlich kann die erfindungsgemäße Anordnung in ihrer dritten Ausführungsform außerdem eine Integration der ihrem Eingang zugeführten elektrischen Ladungen durchführen.
• Weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung ergeben sich aus der nachstehenden Besehreibung, die sich mit einigen, die Erfindung allerdings lediglich erläuternden, nicht aber einschränkenden Ausführungsbeispielen befaßt und dabei auf die Zeichnung Bezug nimmt.
• Es zeigen: Fig. 1 ein Übersichtsbild für eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung; Fig. 2 ein entsprechendes Übersichtsbild für eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung und Fig. 3 wieder ein entsprechendes Übersichtsbild für eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung.
• Wie man aus Fig. 1 ersieht, wird der erfindungsgemäßen Anordnung der zu messende Strom I über den isolierten Eingang E1 eines Ladungsadapters 1 zugeführt, der von der in der dt. Patentanmeldung P 19 01 178.0 "Vorrichtung zum logarithmischen Messen von Ladungsmengen" der Anmelderin vom 10. 1. 1969 beschriebenen Bauart sein kann. Der Ausgang S des Impedanzadapters 1 ist mit einem Verstärker 2 verbunden, der vorzugsweise in integrierter Schaltungstechnik ausgeführt ist. Ein mit den Klemmen einer Spannungsquelle 5 verbundenes Potentiometer 4 ermöglicht die Eichung des Verstärkers 2.
• Zwischen dem Ausgang des Verstärkers 2 und dem Eingang E1 des Impedanzadapters 1 sind parallel zueinander ein Iinearer Gegenkopplungszweig, der einen Widerstand 26 enthält, und ein logarithmischer Gegenkopplungszweig, der aus zwei parallel zueinander mit entgegengesetzter Polung angeordneten Dioden 27 und 28 besteht, eingefügt. Ein Umschalter 8 gestattet wahlweise die Inbetriebnahme entweder des linearen Gegenkopplungszweiges (Schalterstellung A) oder des logarithmischen Gegenkopplungszweiges (Schalter stellung B).
• Ein an die Klemmen einer Spannungsquelle 30 angeschlossenes Potentiometer 29 ist mit seinem Schleifer an einen zu dem Eingang E1 des Impedanzadapters 1 symmetrischen und ebenfalls isolierten Eingang E2 des Impedanzadapters 1 angeschlossen. Außerdem ist mit dem Eingang E2 eine Diode 31 verbunden, die über einen Widerstand 32 von der Spannung quelle 30 eine Vorspannung zugeführt erhält. Ein zweiter Umschalter 13 ermöglicht wahlweise die Inbetriebnahme entweder des Potentiometers 29 (Sohalterstellung A) oder der Diode 31 (Schalterstellung B).
• Die Spannung am Ausgang des Verstärkers 2 wird von einer Ausleseeinrichtung 33 abgenommen, die eine kontinuierliche lineare Skala und eine ebensolche logarithmische Skala aufweist. Außerdem ist der Verstärker 2 an seinem Ausgang mit dem Meßeingang M eines Schwellwertverstärkers 16 verbunden. Der Schwellwertpegel des Schwellwertverstärkers 16 wird durch ein Potentiometer 34 bestimmt, das den Bezugseingang R des Schwellwertverstärkers 16 beeinflußt und an die Klemmen einer Spannungsquelle 35 angeschlossen ist. Dieser Schwellwertpegel wird in Abhängigkeit von der Grenze zwischen der linearen Skala und der logarithmischen Skala der Ausleseeinrichtung 33 gewählt. Eine unterhalb des Schwellwertpegels gelegene Spannung ist an der linearen Skala der Ausleseeinrichtung 33 abzulesen, während eine den Schwellwertpegel übersteigende Spannung auf der logarithmischen Skala der Ausleseeinrichtung 33 zur Anzeige kommt.
• Der Schwellwertverstärker 16 liefert ein Sperrsignal für eine Torschaltung 19 im Sperrzustand, die zwischen ein Relais 18 einerseits und eine Verzögerungsschaltung 20 andererseits eingefügt ist, die an den Ausgang einer Spannungsquelle 21 angeschlossen ist. Sobald das Relais 18 erregt wird, d. h. der Schwellwertverstärker 16 kein Sperrsignal abgibt, hält das Relais 18 die Umschalter 8 und 13 gleichzeitig in der Schalterstellung A. Wird das Relais 18 dagegen nicht erregt, d. h. gibt der Schwellwertverstärker 16 ein Sperrsignal ab, so hält es beide Umschalter 8 und 13 jeweils in der Schalterstellung B. Die von der Verzögerungsschaltung 20 aufgeprägte Verzögerung dient dazu, beim Betriebe der Anordnung jedes vorzeitige Kommando zu vermeiden, das die Gefahr einer Beschädigung des Impedanzadapters 1 und der Ausleseeinrichtung 33 heraufbeschwören könnte.
• Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung arbeitet folgendermaßen: Bei Anlegen der Speisespannung wird unabhängig von der Größe des zu messenden Stromes I während einer der durch die Verzögerungsschaltung 20 eingeführten Verzögerung entsprechenden Zeitdauer das Relais 18 nicht erregt, und die Umschalter 8 und 13 verharren so lange in der Schalterstellung B.
• Erreicht der zu messende Strom I nach Verstreichen dieser Verzögerungszeit keinen solchen Wert, daß der Schwellwertpegel für den Schwellwertverstärker 16 erreicht wird, so gibt dieser an die Torschaltung 19 kein Sperrsignal mehr ab, und das Relais 18 wird erregt. Die Umschalter 8 und 13 geben daher in die Schalterstellung A über und nehmen den Widerstand 26 des linearen Gegenkopplungszweiges bzw. das Potentiometer 29 in Betrieb. Die Ausleseeinrichtung 33 arbeitet dann auf ihre lineare Skala, d. h. in ihrem niedrigsten Meßbereich.
• Nimmt der zu messende Strom I dagegen eine solchen Wert an, daß der Schwellwertpegel für den Schwellwertverstärker 16 erreicht wird, so veranlaßt der Schwellwertverstärker 16 die Sperrung der Torschaltung 19, und das Relais 18 wird nicht mehr erregt. Die Umschalter 8 und 13 gehen daher in die Schalterstellung B über und nehmen so die beiden Dioden 27 und 28 des logarithmischen Gegenkopplungszweiges bzw. die Diode 31 in Betrieb. Letztere hat die Aufgabe, die auf eine Aufheizung der Dioden 27 und 28 zurückgehenden Effekte zu kompensieren, Die Ausleseeinrichtung 33 arbeitet dann auf ihre logarithmische Anzeigeskala, d. h. in ihrem größten Meßbereich.
• Außerdem liegt im Augenblick der Umschaltung der Umschalter 8 und 13 in die Schalterstellung B die von der Spannungsquelle 30 über das Potentiometer 30 gelieferte Gegenspannung nicht mehr an dem Eingang E2 des Impedanzadapters 1 an, was eine Änderung der Eingangs spannung für den Verstärker 2 in der Weise zur Folge hat, daß durch eine Verschiebung der am Eingang der Ausleseeinrichtung 33 anliegenden Spannung die Kontinuität der Auslesung ungeachtet der Anderung der Verstärkungsparameter (beim Übergang von dem linearen Gegenkopplungszweig zu dem logarithmischen Gegenkopplungszweig) gewährleitet bleibt.
• Beachtung verdient dabei, daß bei Anlegen der Speisespannung an die erfindung sgemäße Anordnung in der Ausführungsform nach Fig. 1 der logarithmische, Gegenkopplungszweig mit dem Eingang des Impedanzadapters 1 verbunden ist.
• Auf diese Weise befindet sich die erfindungsgemäße Anordnung am Anfang auf alle Fälle in ihrem größten Meßbereich, was die Gefahr einer Beschädigung des Impedanzadapters 1 und der Ausleseeinrichtung 33 ausschließt.
• Die in der obigen Weise aufgebaute erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht die Messung von Strömen, deren Größe sich beispielsweise über einen Bereich zwischen 10-14 und 10 A erstrecken kann, wobei der Schwellwertpegel für den Schwellwertverstärker 16 unter Berücksichtigung der Eigenschaften der Ausleseeinrichtung 33 beispielsweise so festgelegt ist, daß das Sperrsignal für die Torschaltung 19 erscheint, sobald der zu messende Strom I einen Wert von 10-11 A annimmt. Die Messung von Strömen, deren Größe zwischen 10 14 und 10-11 A liegt, wird daher über den linearen Gegenkopplungszweig vorgenommen, während die Messung von Strömen, deren Größe zwischen 10-11 und 10-8 A liegt, mit Hilfe des logarithmischen Gegenkopplungszweiges erfolgt, ohne daß dazu eine manuelle Umschaltung durchgeführt werden müßte.
• Will man statt eines Gleichstromes I mit der Anordnung nach Fig. 1 eine Gleichspannung V messen, so braucht man lediglich diese Spannung dem Eingang E1 des Impedanzadapters 1 über einen Widerstand 36 zuzuführen; die Arbeitsweise der sonstigen Anordnung bleibt vollkommen die gleiche.
• Fig. 2 zeigt das Schaltbild für eine gemäß der oben erwähnten zweiten Ausführungsform ausgebildete erfindungsgemäße Anordnung. Diese Ausführungsform enthält Bauelemente, welche dieselbe Funktion haben wie bestimmte Bauelemente in der in Fig. 1 veranschaulichten Anordnung. Diese gemeinsamen Bauelemente sind in beiden Figuren mit denselben Bezugszahlen bezeichnet.
• Der zu messende Strom I wird der Anordnung von Fig. 2 wieder über den isolierten Eingang E1 des Impedanzadapters zugeführt, dessen Ausgang S mit einer Verstärkerkette verbunden ist. Diese Verstärkerkette enthält zwei in Serie geschaltete Verstärker 2 und 3. Die Eichung des Verstärkers 2 erfolgt über ein Potentiometer 4, das an die Klemmen einer Spannungsquelle 5 angeschlossen ist. Zwischen dem Ausgang des Verstärkers 2 und dem Eingang E1 des Impedanzadapters 1 ist ein linearer Gegenkopplungszweig vorgesehen. Dieser enthält zwei zueinander parallele Kanäle, von denen der eine aus einem Widerstand 22 und der andere aus einem Widerstand 23 in Serie mit einem Umschalter 8 besteht, der hier die Rolle eines einfachen Unterbrechers speilt. Zwischen dem Ausgang und dem Eingang des Verstärkers 3 ist ein logarithmischer Gegenkopplungszweig vorgesehen. Dieser enthält eine Diode 9, die durch die Emitter-Basis-Sperrschicht eines Transistors gebildet wird, der auf einem in seiner Temperatur stabilisierten Substrat aufgebaut ist.
• Der Verstärker 3 ist an seinem Ausgang mit dem Meßeingang M eines Impedanzadapters 10 verbunden, der als symmetrischer Verstärker wirkt. Ein Eichpotentiometer 11 und eine Schaltung, die in paralleler Anordnung einerseits einen Widerstand 24 und andererseits einen Widerstand 25 in Reihe mit einem ebenfalls als einfacher Unterbrecher wirkenden Umschalter 13 enthält, sind in Serie an die Klemmen einer Spannungsquelle 14 angeschaltet. Der Schleifer des Potentiometers 11 ist mit dem Bezugseingang R des Impedanzadapters 10 verbunden. Mit dem Block 15 ist in Fig. 2 eine Ausleseeinrichtung schematisch angedeutet, die eine lineare und eine logarithmische Stufe enthält, die beide gleichzeitig in Betrieb sein können. Der Eingang der linearen Auslesestufe LIN ist an den Ausgang des Verstärkers 2 angeschlossen, während der Eingang der logarithmischen Auslesestufe LOG mit dem Ausgang des Meßkanals des Impedanzadapters 10 verbunden ist. Der Ausgang des Bezugskanals des Impedanzadapters 10 schließlich ist mit dem Eicheingang T der logarithmischen Auslesestufe LOG verbunden.
• Ein Schwellwertverstärker 16, dessen Schwellwertpegel durch einen variablen Gegenkopplungswiderstand 17 festgelegt iwrd, erhält an seinem Meßeingang M die von dem Meßkanal des Impedanzadapters 10 geführte Spannung und an seinem Bezugseingang R die von dem Bezugskanal des Impedanzadapters 10 geführte Spannung. Der Schwellwertverstärker 16 liefert einer Torschaltung 19 ein Sperrsignal, die zwischen ein Relais 18 einerseits und eine an eine Spannungsquelle 21 angeschlossene Verzögerungsschaltung 20 andererseits eingefügt ist. Wird das Relais 18 erregt, so veranlaßt es das gleichzeitige Öffnen der als Unterbrecher wirkenden Umschalter 8 und 13.
• Die in Fig. 2dargestellte Anordnung arbeitet folgendermaßen: Bei Inbetriebnahme ist das Relais 18 nicht erregt, und die beiden Umschalter 8 und 13 sind unabhängig von der Größe des anliegenden Stromes I während einer der durch die Verzögerungsschaltung 20 eingeführten Verzögerung entsprechenden Zeitdauer geschlossen. Hat der zu messeiide Strom I eine solche Größe, daß der Schwellwertpegel für den Schwellwertverstärker 16 nicht erreicht wird, so gibt dieser an die Torschaltung 19 kein Sperrsignal ab, und das Relais 18 wird erregt. Daher öffnen die Umschalter 8 und 13 und lassen jeweils nur die Widerstände 22 bzw. 24 zur Wirkung kommen. Der zu messende Strom I wird dann gleichzeitig von der linearen Auslesestufe, die in ihrem kleinsten Empfindlichkeitsbereich arbeitet, der einem alleinigen Einsatz des Widerstandes 22 entspricht, und von der logarithmischen Auslesestufe aufgefangen. Am Eicheingang T der logarithmischen Auslesestufe liegt eine durch den Widerstand 24 bestimmte Spannung an, die der Anpassung der logarithmischen Auslesestufe an einen Betrieb der Anordnung mit lediglich den Widerstand 22 enthaltendem linearen Gegenkopplungszweig dient.
• Nimmt dagegen der zu messende Strom I einen solchen Wert an, daß der Schwellwertpegel für den Schwellwertverstärker 16 erreicht wird, so veranlaßt der Schwellwertverstärker 16 die Sperrung der Torschaltung 19, und das Relais 18 wird nicht mehr erregt. Daher schließen die Umschalter 8 und 13 und nehmen jeweils den Widerstand 23 bzw. den Widerstand 25 in Betrieb. Der zu messende Strom I wird dann gleichzeitig von der linearen Auslesestufe, die in ihrem größten Meßbereich arbeitet, der einem die Widerstände 22 und 23 parallel enthaltenden Gegenkopplungszweig entspricht, und von der logarithmischen Auslesestufe verfolgt. An den Eicheingang T der logarithmischen Auslesestufe wird dann eine neue, durch die Widerstände 24 und 25 in Parallelschaltung bestimmte Spannung angelegt, die der Sicherung der Kontinuität der logarithmischen Auslesung ungeachtet der Änderung in der Empfindlichkeit der linearen Auslesestufe dient.
• Mit der in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Anordnung ist daher eine gleichzeitige Messung mit linearer Gegenkopplung und logarithmischer Gegenkopplung unter automatischer Umschaltung des Empfindlichkeitsbereichs für die lineare Gegenkopplung möglich.
• Fig. 3 zeigt ein Schaltschema für eine erfindungsgemäße Anordnung entsprechend der dritten oben erwähnten Ausführungsform. Diese Ausführungsform, die außerdem eine Integration der ihr an ihrem Eingang zugeführten elektrischen Ladungen ermöglicht, unterscheidet sich von der in Fig. 2 veranschaulichten Ausführungsform nur in zwei Punkten. Beiden Ausführungsformen gemeinsame Bauelemente sind wieder in beiden Figuren mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet.
• Der erste Unterschied zwischen den beiden Ausführungsformen besteht in dem Ersatz des linearen Gegenkopplungszweiges mit Widerstandselementen in Fig. 2 durch einen linearen Gegenkopplungszweig mit Integrationswirkung in Fig.
• 3. Zwischen dem Ausgang eines Verstärkers 2 und dem Eingang E1 eines Impedanzadapters 1 sind zwei Kondensatoren 6 und 7 in Serie zueinander eingefügt. Die Kapazitäten C1 bzw.
• C2 der Kondensatoren 6 bzw.7 sind beispielsweise zu C2 = 1000 C1 bemessen. Ein Umschalter 8 ist an die Klemmen des Kondensators 6 angeschlossen und ermöglicht dessen Kurzschließung.
• Der zweite Unterschied zwischen beiden Anordnungen, der sich aus diesem ersten Unterschied ergibt, ist der folgende: Das Einchpotentiometer 11 und der Umschalter 13 liegen in Serie zu einem Widerstand 12 an den Klemmen einer Spannungsquelle 14.
• Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung arbeitet folgendermaßen: Bei Inbetriebnahme ist das Relais 18 nicht erregt, und die Umschalter 8 und 13 bleiben daher unabhängig von der Größe des zu messenden Stromes I während einer der durch die Verzögerungsschaltung 20 eingeführten Verzögerung entsprechenden Zeitdauer geschlossen. Nimmt der zu messende Strom I einen solchen Wert an, daß der Schwellwertpegel für den Schwellwertverstärker 16 nicht erreicht wird, so gibt dieser kein Sperrsignal für die Torschaltung 19 ab, und das Relais 18 wird erregt. Die Umschalter 8 und 13 öffnen daher. Unter der Einwirkung des an dem Eingang E1 des Impedanzadapters 1 anliegenden zu messenden Stromes I laden sich die Kondensatoren 6 und 7 auf Spannungswerte V1 bzw.
• V2 auf, die ihren jeweiligen Kapazitätswerten C1 bzw. C2 proportional sind, so daß beispielsweise die Spannung V1 das Tausendfache der Spannung V2 ausmacht, und diese Aufladung wird gleichzeitig von der linearen Auslesestufe und von der logarithmischen Auslesestufe der Ausleseeinrichtung 15 verfolgt. Erreicht dagegen der zu messende Strom I einen solchen Wert, daß der Schwellwertpegel für den Schwellwertverstärker 16 erreicht wird, so veranlaßt der Schwellwertverstärker 16 die Sperrung der Torschaltung 19, das Relais 18 wird nicht mehr erregt, und die Umschalter 8 und 13 schließen daher.
• Durch das Schließen des Umschalters 8 wird der Kondensator 6 kurzgeschlossen, und es bleibt allein der Kondensator 7 in Betrieb, der auf eine Spannung aufgeladen ist, die nur einem Tausendstel der Spannung entspricht, bis zu welcher der Kondensator 6 aufgeladen war. Die Ladung des letzteren wird dann durch die Ausleseeinrichtung 15 weiter verfolgt, wobei deren lineare Auslesestufe diesesmal mit einer anderen Empfindlichkeit arbeitet. Durch das Schließen des Umschalters 13 kommt es zur Anlage einer Spannung an den Bezugseingang R des Impedanzadapters 10, der an den Eicheingang T der logarithmischen Auslesestufe eine Spannung abgibt, die dazu dient, die Kontinuität der logarithmischen Auslesung nngeachtet der Änderung in der Empfindlichkeit der linearen Auslesestufe zu gewährleisten.
• Diese Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung bietet zwei wesentliche Vorteile. Zum einen unterdrückt sie bei der Ladungsintegration jede Totzeit über die gesamte Dynamik der Anordnung unabhängig von der Dauer und der Wiederholungsfrequenz der Impulse. Zum zweiten stell-t sie sicher, daß nach der automatischen Umschaltung der Empfindlichkeit der linearen Auslesestufe ein Impuls, der das Überschreiten des Schwellwertpegels veranlaßt hat, selbst dann in dem Kondensator 7 gespeichert wird, wenn sich dieses Überschreiten des Schwellwertpegels augenblicklich und in erheblichem Umfange vollzieht.
• Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung, die als analoger Integrator arbeitet, kann außerdem die zugeführten Ladungen quantisieren. In diesem Falle wird an die Klemmen des Kondensators 7 ein weiterer Unterbrecher angeschlossen; dieser Unterbrecher wird dann durch das Relais 18 gesteuert, und der Schwellwertverstärker 16 veranlaßt gleichzeitig und vorübergehend das Kurzschließen beider Kondensatoren 6 und 7 und läßt im selben Augenblick einen an seinen Ausgang angeschlossenen elektromechanischen oder elektronischen Zähler um eine Einheit weiterrücken.
• Auch kann man den Einsatz einer zweiten Schwellwertstufe für die Kurzschließung des Kondensators 7 in Betracht ziehen, die auf einen anderen Schwellwertpegel eingestellt ist.
• Auf diese Weise erreicht man eine Zählbarkeit der von der Anordnung aufgesammelten Ladungen, wobei die Restladungen der Kondensatoren ständig von der Ausleseeinrichtung 15 angezeigt werden.
• Bei den in Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsformen für eine erfindungsgemäße Anordnung ist in dem logarithmischen Gegenkopplungszweig eine temperaturkompensierte Spezialdiode 9 verwendet, jedoch liegt es auf der Hand, daß man wie in der Ausführungsform nach Fig. 1 eine gewöhnliche Diode einsetzen und dafür zwischen dem Potentiometer 11 und dem Bezugseingang R des Impedanzadapters 10 eine weitere Diode einfügen kann, welche die gleiche Rolle übernimmt wie die Diode 31 in Fig. 1 und eine Kompensation der durch die Aufheizung der Diode 9 veranlaßten Effekte sichert. Außerdem kann man, anstatt nur eine einzige Diode in dem logarithmischen Gegenkopplungszweig einzusetzen, zwei mit umgekehrter Polung zusammengeschaltete Dioden verwenden. Weiterhin gibt es für die Anzahl der Widerstände oder Kondensatoren, deren man sich in dem linearen Gegenkopplungszweig bedient, keine Begrenzung, und auch deren Größenverhältnis hängt einzig und allein von den Möglichkeiten der Ausleseeinrichtung ab. Dabei kann man in der Praxis für die Steuerung der Inbetriebnahme jeweils eines Widerstandes oder das Kurzschließen jeweils eines Kondensators mehrere Schwellwertstufen mit unterschiedlichem Schwellwertpegel vorsehen. Schließlich kann der Eingang des Schwellwertverstärkers 16 statt an den Ausgang des logarithmischen Gegenkopplungszweiges auch an den Ausgang des linearen Gegenkopplungszweiges angeschaltet werden.
• Es versteht sich von selbst, daß die Erfindung in keiner Weise auf die drei oben im einzelnen beschriebenen und zeichnerisch veranschaulich@n Ausführungsformen beschränkt ist, die lediglich zu ihrer Erläuterung dienen, sondern daß sich der Bereich der Erfindung in gleicher Weise auch auf alle Varianten an diesen Anordnungen als Ganzes oder Teilen davon, die innerhalb des Äquivalenzbereiches verbleiben, sowie auf alle denkbaren Anwendungsmöglichkeiten für diese Anordnungen erstreckt.

Claims (10)

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Meßanordnung für Gleichströme oder Gleichspannungen mit einer Verstärkerkette, einem linearen Gegenkopplungszweig und einem logarithmischen Gegenkopplungszweig, die beide mit der Verstärkerkette gekoppelt sind, sowie einer Ausleseeinrichtung für die von der Verstärkerkette abgegebene Spannung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß sie außerdem eine Einrichtung (8) zum automatischen Umschalten ihres Arbeitsbereichs und Bauelemente (13, 30) zum Verschieben der Eingangsspannung für die Ausleseeinrichtung (15, 33) zwecks Gewährleistung der Kontinuität der Auslesung ungeachtet der Umschaltung des Arbeitsbereichs enthält.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der lineare Gegenkopplungszweig (Widerstand 26) und der logarithmische Gegenkopplungszweig (Dioden 27 und 28) parallel zueinander zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Verstärkerkette (2) liegen, die automatische Umschalteinrichtung ein Umschaltorgan (8) für die Inbetriebnahme entweder des linearen Gegenkopplungszweiges oder des logarithmischen Gegenkopplungszweiges und eine Schwellwertstufe (16) für die Steuerung dieses Umschaltorganes enthält, die an den Ausgang der Verstärkerkette angeschlossen ist und die Inbetriebnahme des linearen Gegenkopplungszweiges veranlaßt, wenn die Spannung am Ausgang der Veretärkerkette unterhalb eines vorgegebenen Wertes liegt, und umgekehrt den logarithmischen Gegenkopplungszweig in Betrieb nimmt, wenn die Spannung am Ausgang der Verstärkerkette oberhalb des vorgegebenen Wertes liegt (Fig. 1).

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Bauelementen zum Verschieben der Eingangsspannung für die Ausleseeinrichtung (33) eine Spannungsquelle (30) und ein Umschalter (13) gehören, dessen jeweilige Schalterstellung ebenfalls von der Schwellwertstufe (16) gesteuert wird, und daß die Spannungsquelle mit einem Eicheingang der Verstärkerkette (2) verbunden ist und diesem eine Spannung zuführ t, welche die auf die Umschaltung des Arbeitsbereichs zurückzuführenden Effekte kompensiert (Fig. 1).

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausleseeinrichtung (is) eine Auslesestufe (LIN) mit linearer Skala und eine Auslesestufe (LOG) mit logarithmischer Skala enthält, die beide nebeneinander und gleichzeitig in Betrieb sein können, daß die Verstärkerkette zwei Verstärkerstufen (2 und 3) aufweist, von denen die erste mit der linearen Auslesestufe und die zweite mit der logarithmischen Auslesestufe verbunden ist und weiter die erste den linearen Gegenkopplungszweig und die zweite den logarithmischen Gegenkopplungszweig als Verbindung zwischen ihrem Eingang und ihrem Ausgang hat, daß der lineare Gegenkopplungszweig mehrere zueinander parallele Kanäle mit Widerstandselementen (22 und 23) enthält und daß zu der automatischen Umschalteinrichtung mindestens ein Umschaltorgan (8) für die Inbetriebnahme der verschiedenen Kanäle des linearen Gegenkopplungszweiges und mindestens eine Schwellwertstufe (16) für die Steuerung dieses Umschaltorganes gehören, die an den Ausgang einer der beiden Stufen der Verstarkerkette angeschlossen ist und Jeweils bei einem bestimmten Wert für die Ausgangsspannung dieser Verstärkerstufe die Inbetriebnahme eines bestimmten Kanals des linearen Gegenkopplungszweiges veranlaßt.

(Fig. 2).

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausleseeinrichtung (15) eine Auslesestufe (LIN) mit linearer Skala und eine Auslesestufe (LOG) mitlogarithmischer Skala enthält, die beide gleichzeitig und nebeneinander -in Betrieb sein können, daß die Verstärkerkette zwei Verstärkerstufen (2 und 3) aufweist, von denen die erste mit der linearen Auslesestufe und die zweite mit der logarithmischen Auslesestufe verbunden ist und weiter die erste den linearen Gegenkopplungszweig und die zweite den logarithmischen Gegenkopplungszweig als Verbindung zwischen ihrem Eingang und ihrem Ausgang hat, daß der lineare Gegenkopplungszweig mehrere in Serie zueinander liegende kapazitive Bauelemente (6 und 7) verschiedener Größe enthält und daß zu der automatischen Umschalteinrichtung mindestens ein Umschaltorgan (8), das ein Kurzschließen eines der kapazitiven Bauelemente ermöglicht, und mindestens eine Schwellwertstufe (16) zur Steuerung dieses Umschaltorganes gehören, die an den Ausgang einer der beiden Stufen der Verstärkerkette angeschlossen ist und bei Erreichen eines vorgegebenen Wertes für die Ausgangsspannung dieser Verstärkerstufe das Kurzschließen eines bestimmten kapazitiven Bauelementes des linearen Gegenkopplungszweiges veranlaßt (Fig. 3).

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch. gekennzeichnet, daß sie zusätzlich einen an den Ausgang, der Schwellwertstufe (16) angeschlossenen Zä hler aufweist.

7. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Bauelementen zum Verschieben der Eingangsspannung für die Ausleseeinrichtung (15) eine Spannungquelle (14), mehrere parallel zueinander zwischen dieser Spannungsq uelle und der logarithmischen Auslesestufe der Ausleseeinrichtung angeschaltete Widerstände (12, 24, 25) und mindestens ein von der Schwellwertstufe (16) gesteuerter Umschalter (13) für den Anschluß bestimmter Widerstände an die logarithmische Auslesestufe bei einem vorgegebenen Wert für die Ausgangsspannung der Verstärkerkette (2, 3) gehören (Fig. 2 und 3).

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen eingangsseitigen Impedanzadapter (1) mit hoher Impedanz enthält.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der logarithmische Gegenkopplungszweig aus einer Diode (9) besteht (Fig. 2 und 3).

10. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der logarithmische Gegenkopplungszweig aus zwei mit entgegengesetzter Polung zusammengeschalteten Dioden (27 und 28) besteht (Fig. 1).