DE202018005351U1

DE202018005351U1 - Demonstration meter for electrical voltage, current and charge

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Publication number: DE202018005351U1
Application number: DE202018005351.1U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-11-20
Filing date: 2018-11-20
Publication date: 2019-01-10
Anticipated expiration: 2028-11-21

Abstract

Demonstrations-Messgerät für elektrische Spannung, Stromstärke und Ladung
dadurch gekennzeichnet,
dass die Anzeige des Messwertes durch eine Reihe von geradlinig oder bogenförmig entlang einer Skala angeordneten Leuchtdioden erfolgt, wobei der Nullpunkt der Skala in deren Innenbereich liegt und jeweils diejenigen Leuchtdioden aufleuchten, die sich zwischen dem Nullpunkt und dem aktuellen Messwert auf der Skala befinden
und dass die Anzeige des Messwertes bei Spannungs- und Strommessung für die Wiedergabe von Frequenzen von 0 Hz bis mindestens etwa 10 Hz geeignet ist und dass die Reihe mindestens etwa 20 cm lang ist und mindestens etwa 40 Leuchtdioden enthält, so dass die Anzeige auch aus mehreren Metern Entfernung gut erkennbar ist und beim Betrachter den Eindruck einer näherungsweise analogen Darstellung des Messwertes hervorruft
und dass das Gerät über die Messarten elektrische Spannung, elektrische Stromstärke und elektrische Ladung verfügt und sich in den empfindlichsten Messbereichen Spannungen deutlich unter einem Millivolt, Stromstärken deutlich unter einem Nanoampere und Ladungen deutlich unter einem Nanocoulomb messen lassen.

Demonstration meter for electrical voltage, current and charge
characterized,
in that the display of the measured value is effected by a series of light-emitting diodes arranged rectilinearly or arcuately along a scale, the zero point of the scale lying in its inner region and lighting in each case those light-emitting diodes which are located between the zero point and the current measured value on the scale
and that the display of the measured value in voltage and current measurement for the reproduction of frequencies from 0 Hz to at least about 10 Hz is suitable and that the row is at least about 20 cm long and contains at least about 40 LEDs, so that the display of several Meter distance is clearly visible and the viewer evokes the impression of an approximately analog representation of the measured value
and that the device has the measurement types of electrical voltage, electrical current and electrical charge and can be measured in the most sensitive measurement ranges voltages well below one millivolt, currents well below a nanoamp and charges well below a Nanocoulomb.

Description

Im naturwissenschaftlichen Unterricht oder für andere Demonstrationszwecke benötigt man oft Messgeräte für elektrische Spannung, Stromstärke oder Ladung, deren Anzeige von der ganzen Gruppe der Lernenden bzw. Zuschauer beobachtet werden kann. Häufig soll dabei ein Messwert dargestellt werden, der sich schnell ändert. Wenn beispielsweise ein elektrischer Leiter von Hand durch ein Magnetfeld bewegt wird, so hängen der Betrag und das Vorzeichen der induzierten Spannung von der Geschwindigkeit und dem magnetischem Feldverlauf ab und ändern sich auf einer Zeitskala von 100ms.In science education or for other demonstration purposes, electrical voltage, current, or charge meters are often required, the indication of which can be observed by the entire group of learners or spectators. Frequently, a measured value should be displayed that changes rapidly. For example, if an electrical conductor is moved by hand through a magnetic field, the magnitude and sign of the induced voltage will depend on the velocity and magnetic field history and will change on a 100ms time scale.

Zur Beobachtung elektrischer Größen im Unterricht werden häufig großformatige Zeigerinstrumente („Demomultimeter“) mit Drehspulmesswerk eingesetzt, bei denen die Einschwingzeit des Zeigers jedoch konstruktionsbedingt im Bereich von einer Sekunde oder mehr liegt, so dass sich nur solche Messgrößen unverfälscht darstellen lassen, die konstant sind oder sich höchstens sehr langsam ändern.For observing electrical quantities in the classroom, large-format pointer instruments ("demomultimeters") with moving-coil measuring apparatus are frequently used, however, in which the settling time of the pointer is in the range of one second or more due to the design, so that only those measured quantities which are constant or can be represented in an unadulterated manner change at most very slowly.

Bei Verwendung eines digitalen Messwerterfassungssystems oder ein Speicheroszilloskops lassen sich zwar sehr schnelle Vorgänge erfassen, aber die Unmittelbarkeit der Beobachtung geht verloren. Dies ist in didaktischer Hinsicht sehr störend, weil der Zusammenhang zwischen der Ursache (Versuchsbedingungen) und der Wirkung (Messgröße) für die Lernenden bzw. die Zuschauer dann besonders offensichtlich ist, wenn der Messwert unmittelbar, unverzögert und analog, also als Ausschlag entlang einer Skala, angezeigt wird.When using a digital data acquisition system or a storage oscilloscope, very fast processes can be detected, but the immediacy of the observation is lost. This is very problematic in didactic terms because the relationship between the cause (experimental conditions) and the effect (measure) is particularly obvious to the learner or spectator when the reading is immediate, instantaneous, and analog, that is, a rash along a scale , is shown.

Es ist offensichtlich, dass digitale Ziffernanzeigen zur Beobachtung sich schnell ändernder Messwerte völlig ungeeignet sind. Viele moderne Digitalmultimeter sind aus diesem Grund zusätzlich mit einer Flüssigkristall-Balkenanzeige („bargraph“) ausgestattet. Für Demonstrationsexperimente sind diese Anzeigen aber nicht praktikabel, da sie zu klein und zu kontrastarm sind. Außerdem besitzen diese Geräte in der Regel nur einen einzigen Messbereich pro Dekade (Faktor 10 des Messbereiches), so dass oft nur ein kleiner Teil der Balkenanzeige genutzt werden kann.It is obvious that digital digits are completely unsuitable for observing rapidly changing readings. For this reason, many modern digital multimeters are additionally equipped with a liquid crystal bargraph. For demonstration experiments, however, these displays are not practical because they are too small and too low in contrast. In addition, these devices usually have only a single measuring range per decade (factor 10 of the measuring range) so that often only a small part of the bar graph can be used.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun gemäß Anspruch 1 die Idee zugrunde, ein Messgerät mit einer Leuchtdioden-Balkenanzeige zu bauen, die aufgrund ihrer Größe aus mehreren Metern Entfernung gut erkennbar ist und ohne mechanisch bewegte Teile trägheitslos reagieren kann. Durch eine hinreichend große Anzahl von Leuchtdioden (LED) entsteht beim Betrachter der Eindruck einer analogen Wiedergabe des Messwertes. Es leuchten jeweils alle LEDs auf, die sich zwischen dem Skalennullpunkt und der Position des Messwertes auf der Skala befinden, und bilden einen Leuchtbalken. Dies ist vorteilhaft gegenüber einer Darstellung, bei der nur jeweils diejenige LED einzeln leuchtet, die dem aktuellen Messwert auf der Skala am nächsten liegt, weil der Messwert bei schnellen Änderungen leichter erkennbar ist, wenn der Betrag des Messwertes zusätzlich durch die Gesamtzahl aller leuchtenden LEDs repräsentiert wird. Die Wahrnehmung von schnell veränderlichen Messwerten ist dann durch die optische Erfassung des bewegten Leuchtbalkens durch den Beobachter begrenzt, womit sich Signale mit Frequenzen bis zu etwa 10 Hertz erkennen lassen. Um Messwerte mit wechselnden Vorzeichen wiederzugeben, liegt der Skalennullpunkt zweckmäßigerweise im Innenbereich der Skala. Um das Messgerät im Unterricht vielseitig einsetzen zu können, verfügt es über die Messarten elektrische Spannung, Stromstärke und Ladung. Zusätzlich erhöht es die Vielseitigkeit, wenn der Skalenendwert der Messbereiche über mehrere Größenordnungen umgeschaltet werden kann und Spannungen unter einem Millivolt (z.B. Induktion an einer Leiterschleife), Stromstärken unter einem Nanoampere (z.B. Influenzströme) und Ladungen unter einem Nanocoulomb (z.B. geladene Körper bei Elektrostatikexperimenten) dargestellt werden können.The present invention is now based on the idea according to claim 1, to build a measuring device with a light-emitting diode bar display, which is well recognizable due to their size from several meters away and can react inertly without mechanical moving parts. By a sufficiently large number of light-emitting diodes (LEDs) creates the viewer the impression of an analogue reproduction of the measured value. Each LED illuminates between the scale zero point and the position of the measured value on the scale and forms a light bar. This is advantageous over a representation in which only the LED that is closest to the current measured value on the scale is individually lit, because the measured value is easier to recognize in the case of rapid changes if the value of the measured value additionally represents the total number of all the LEDs that are lit. becomes. The perception of rapidly changing measured values is then limited by the optical detection of the moving light bar by the observer, which signals with frequencies up to about 10 Hertz can be seen. In order to reproduce measured values with changing signs, the scale zero point is expediently located in the interior of the scale. In order to be able to use the measuring device in a versatile way in the classroom, it has the measuring modes electrical voltage, current and charge. In addition, it increases the versatility when the full scale of the measuring ranges can be switched over several orders of magnitude and voltages below one millivolt (eg induction on a conductor loop), currents under one nanoampere (eg Influenzströme) and charges under a Nanocoulomb (eg charged bodies in electrostatics experiments) can be represented.

Beim Ausführungsbeispiel sind 120 rechteckige, gelb leuchtende LEDs in einer etwa 31 cm langen, lückenlosen Reihe angeordnet, wobei 80 für positive und 40 für negative Messwerte zur Verfügung stehen (2). Der Skalennullpunkt wird zusätzlich durch eine permanent rot leuchtende LED markiert (3). Oberhalb und unterhalb der LED-Reihe sind Skalen (4) mit hinreichend großen Ziffern angebracht, so dass der angezeigte Wert aus mehreren Metern Entfernung gut ablesbar ist. Im jeweils empfindlichsten Messbereich beträgt der positive Skalenendwert 200 µV, 200 pA bzw. 200 pC.In the exemplary embodiment, 120 rectangular, yellow LEDs are arranged in an approximately 31 cm long, gapless row, 80 being available for positive and 40 for negative values (2). The scale zero point is additionally marked by a permanent red LED (3). Above and below the LED row are scales ( 4 ) with sufficiently large numbers, so that the displayed value from several meters distance is well readable. In the most sensitive measuring range, the positive full scale value is 200 μV, 200 pA or 200 pC.

Die Ansteuerung der einzelnen LEDs in der Reihe soll bewirken, dass die Darstellung des Messwertes möglichst dem Eindruck einer analogen Anzeige nahe kommt. Diesem Zweck wird mit einer LED-Ansteuerung gemäß Anspruch 2 Rechnung getragen. Den LEDs der Reihe ist jeweils ein gleich großes Intervall der Messgröße zugeordnet und die Lichtintensität der jeweils letzten LED des Leuchtbalkens nimmt innerhalb ihres Intervalls bei anwachsendem Betrag des Messwertes gleichmäßig zu. Diese Vorgehensweise bietet neben dem verstärkten Eindruck einer Analoganzeige den Vorteil, dass man kleine Änderungen des Messwertes innerhalb des jeweiligen Intervalls erkennen kann, und dass man Zwischenwerte zumindest abschätzen kann. Auf diese Art und Weise wird trotz der begrenzten Anzahl der LEDs in der Reihe eine Ablesegenauigkeit ähnlich wie bei einem Zeigerinstrument erreicht. Weil die LED-Leuchtflächen und die Skalen problemlos in der gleichen Ebene angeordnet werden können, tritt zudem kein Parallaxenfehler beim Ablesen auf. Dies ist ein großer Vorteil im Unterricht.The control of the individual LEDs in the row should cause the representation of the measured value as close as possible to the impression of an analog display. This purpose is met with a LED drive according to claim 2. The LEDs of the row are each assigned an equal interval of the measured variable, and the light intensity of the respective last LED of the light bar increases uniformly within its interval as the magnitude of the measured value increases. In addition to the enhanced impression of an analogue display, this procedure offers the advantage that it is possible to detect small changes in the measured value within the respective interval, and that intermediate values can at least be estimated. In this way, despite the limited number of LEDs in the row, a reading accuracy similar to a pointer instrument is achieved. Because the LED light panels and the scales can be easily arranged in the same plane occurs also no parallax error when reading. This is a big advantage in the classroom.

Beim Ausführungsbeispiel wird zur Ansteuerung von jeweils 10 LEDs ein Treiberbaustein vom Typ LM3914N verwendet. Zur Ansteuerung der 40 LEDs auf der negativen Seite der Skala wird die Signalspannung für die vier betreffenden LM3914N invertiert. Die Bezugsspannungen für die LM3914N werden über einen Spannungsteiler aus einer Spannungsreferenz LM385-2.5 gewonnen. Die LM3914N haben die Eigenschaft, dass die einzelnen LEDs bei wachsender Signalspannung praktisch stufenartig aufleuchten. Um den gleichmäßigen Helligkeitsanstieg zu erreichen, wird der Signalspannung deshalb eine Dreiecksspannung mit einer Scheitel-Scheitel-Amplitude von etwa 85% der Intervallgröße überlagert, so dass die LED-Stromstärke im Bereich des gleichmäßigen Anstiegs pulsweitenmoduliert wird. Die Frequenz der Dreiecksspannung ist mit etwa 1 kHz hinreichend hoch gewählt, so dass der Betrachter kein Flackern der LED-Helligkeit wahrnimmt. In den Messbereichen mit hoher Empfindlichkeit wird die Dreieckspannung abgeschaltet, weil dann das Verstärkerrauschen einen ähnlichen Effekt hervorruft. Auch bei abgeschaltetem Tiefpassfilter (siehe unten) wird die Dreiecksspannung außer Betrieb gesetzt, damit nicht Überlagerungen der 1kHz-Dreieckspannung mit korrespondierenden Frequenzanteilen im Messsignal zu störenden Schwebungen führen.In the exemplary embodiment, a driver module of the LM3914N type is used to control 10 LEDs each. To control the 40 LEDs on the negative side of the scale, the signal voltage for the four relevant LM3914N is inverted. The reference voltages for the LM3914N are obtained via a voltage divider from a voltage reference LM385-2.5. The LM3914N have the characteristic that the individual LEDs light up practically stepwise with increasing signal voltage. Therefore, to achieve the uniform increase in brightness, the signal voltage is superimposed with a delta-vertex voltage of about 85% of the interval size, so that the LED current is pulse width modulated in the region of the smooth rise. The frequency of the triangular voltage is chosen to be sufficiently high at about 1 kHz, so that the viewer perceives no flickering of the LED brightness. In the high sensitivity ranges, the delta voltage is turned off because the amplifier noise will cause a similar effect. Even when the low-pass filter is switched off (see below), the delta voltage is switched off so that superimpositions of the 1 kHz triangular voltage with corresponding frequency components in the measuring signal do not lead to disturbing beats.

Zweckmäßigerweise soll das Messgerät für Messwerte in einem weiten Bereich geeignet sein und über Messbereiche mit großer Empfindlichkeit verfügen, um damit bei den meisten Experimenten ohne zusätzlichen Verstärkerbaustein („Messverstärker“) auszukommen. Dies vereinfacht den Aufbau von Demonstrationsexperimenten erheblich. Gemäß Anspruch 3 verfügt das Messgerät über jeweils mindestens zwei Messbereiche je Dekade, so dass sich in jeder Messart eine Vielzahl von Messbereichen ergibt. Es erleichtert die Bedienung erheblich, wenn sich die Messbereiche mit einem einzigen Bedienelement durchgängig umschalten lassen. Dies bietet den zusätzlichen Vorteil, dass der Messbereich problemlos während einer laufenden Messung angepasst werden kann, wie es zum Beispiel erforderlich ist, um die Spannung an einem Kondensator während der Entladung durch einen Widerstand über mehrere Größenordnungen zu verfolgen.It is expedient for the measuring device to be suitable for measured values in a wide range and to have measuring ranges with high sensitivity in order to avoid the need for an additional amplifier module ("measuring amplifier") in most experiments. This considerably simplifies the construction of demonstration experiments. According to claim 3, the measuring device has at least two measuring ranges per decade, so that in each type of measurement results in a plurality of measuring ranges. It makes operation much easier if the measuring ranges can be switched continuously with a single operating element. This offers the additional advantage that the measuring range can be easily adjusted during a running measurement, as required, for example, to track the voltage across a capacitor during discharge by a resistor of several orders of magnitude.

Beim Ausführungsbeispiel werden drei Messbereiche je Dekade mit 8-4-2-Teilung verwendet, so dass jeweils mindestens 40 % der Länge zwischen Nullpunkt und Skalenende nutzbar sind. Es verfügt über 18 Spannungsmessbereiche (80V ... 200 µV), 15 Strommessbereiche (8 µA ... 200 pA) und 14 Ladungsmessbereiche (4 µC ... 200 pC). Die Umschaltung zwischen den Messbereichen innerhalb einer Messart erfolgt durchgängig mit Hilfe eines leichtgängigen, rastenden Drehknopfes (6). Der Drehknopf ist mit einem Inkrementalgeber verbunden, der Signale für den Mikrokontroller vom Typ PIC16F59 liefert, der wiederum Reed-Relais und Analogschalter vom Typ CD4066 zur Verstärkungsumschaltung und LEDs zur Anzeige des Messbereiches ansteuert. Der Eingangsspannungsteiler ist so ausgelegt, dass in allen Spannungsmessbereichen ein Eingangswiderstand von 1 MΩ vorliegt. Für die meisten Experimente im naturwissenschaftlichen Unterricht reicht die Empfindlichkeit des Messgerätes aus, so dass kein zusätzlicher Messverstärker notwendig ist. Dies ist ein wichtiger praktischer und didaktischer Vorteil, weil die Experimente mit geringem Arbeitsaufwand vorbereitet werden können und weil der Messwert direkt abgelesen werden kann, ohne den Verstärkungsfaktor eines Messverstärkers berücksichtigen zu müssen. Auf an sich wünschenswerte Messbereiche für größere Stromstärken wurde verzichtet, weil ein komfortabler Überstromschutz (also ohne Schmelzsicherungen) für die erforderlichen Shuntwiderstände schwierig ist. Hier muss bei Bedarf auf externe Shuntwiderstände zurückgegriffen werden.In the exemplary embodiment, three measuring ranges per decade are used with 8-4-2 graduation, so that in each case at least 40% of the length between the zero point and the scale end can be used. It has 18 Voltage measuring ranges (80V ... 200 μV), 15 current measuring ranges (8 μA ... 200 pA) and 14 Charge measuring ranges (4 μC ... 200 pC). Switching between the measuring ranges within a measuring mode is done continuously with the aid of a smooth-running, locking knob ( 6 ). The rotary knob is connected to an incremental encoder that provides signals to the PIC16F59 microcontroller, which in turn drives CD4066 reed relays and analog switches for gain switching and LEDs for measuring range indication. The input voltage divider is designed so that there is an input resistance of 1 MΩ in all voltage measuring ranges. For most experiments in science teaching the sensitivity of the meter is sufficient, so that no additional amplifier is necessary. This is an important practical and didactic advantage because the experiments can be prepared with little effort and because the reading can be read directly without having to consider the gain of a sense amplifier. Desirable measuring ranges for larger currents have been dispensed with because a comfortable overcurrent protection (ie without fuses) is difficult for the required shunt resistances. If necessary, external shunt resistors must be used here.

Das Messgerät soll gemäß Anspruch 1 die Wiedergabe von Messsignalen mit Frequenzen bis zu etwa 10Hz ermöglichen. Es ist normalerweise vorteilhaft, mit Hilfe eines eingebauten Tiefpassfilters gemäß Anspruch 4 die Wiedergabe von Frequenzen über diesem Wert zu unterdrücken, weil so die höherfrequenten Rauschanteile des Verstärkers ebenso wie dem Messsignal überlagerte Störspannungen, vor allem durch die 50-Hz-Netzspannung, vermindert werden. Zur wirksamen Störunterdrückung ist ein mehrstufiges Filter erforderlich. Für die Übersteuerungsfestigkeit des Verstärkers ist es günstig, wenn die erste Filterstufe vor der ersten Verstärkungsstufe angeordnet ist. Die Einsatzmöglichkeiten des Gerätes werden jedoch erweitert, wenn das Tiefpassfilter abgeschaltet werden kann, so dass sich Signale mit Frequenzen bis etwa 10 kHz darstellen lassen.The meter is to allow the reproduction of measurement signals with frequencies up to about 10Hz according to claim 1. It is usually advantageous to suppress the reproduction of frequencies above this value by means of a built-in low-pass filter according to claim 4, because so the higher-frequency noise components of the amplifier as well as the measurement signal superimposed noise voltages, especially by the 50 Hz mains voltage can be reduced. For effective interference suppression, a multi-stage filter is required. For the overdrive resistance of the amplifier, it is favorable if the first filter stage is arranged before the first amplification stage. However, the application possibilities of the device are extended if the low-pass filter can be switched off so that signals with frequencies up to about 10 kHz can be displayed.

Beim Ausführungsbeispiel wird ein Bessel-Tiefpassfilter 5. Ordnung verwendet, das sich durch hinreichende Steilheit der Übertragungscharakteristik und eine Sprungantwort praktisch ohne Überschwingen auszeichnet. Die erste Filterstufe ist als passives RC-Glied vor der ersten Verstärkerstufe angeordnet, um die Übersteuerungsfestigkeit zu verbessern. Die übrigen Stufen sind durch zwei Sallen-Key-Filter nach der ersten Verstärkerstufe realisiert. Das Filter unterdrückt Frequenzen unter 10 Hz um weniger als etwa 3 dB und Frequenzen ab 50 Hz um mindestens etwa 47 dB. Zusammen mit der Verwendung rauscharmer Operationsverstärker vom Typ TLC2262AI wird erreicht, dass auch in den empfindlichsten Messbereichen nur geringe Rauscheffekte auftreten. Durch die wirksame Unterdrückung von Störsignalen, die von der Netzwechselspannung verursacht werden, ist es mit dem Messgerät in den meisten Fällen möglich, im externen Messstromkreis gewöhnliche Messkabel statt abgeschirmter Leitungen zu verwenden. Dies ist im Unterrichtsbetrieb nicht nur in praktischer, sondern auch in didaktischer Hinsicht sehr vorteilhaft, weil der Messstromkreis für die Lernenden so leichter erkennbar ist als mit abgeschirmten Leitungen. Die drei Eingangsbuchsen (9) sind deshalb als 4mm-Buchsen ausgeführt. Damit bei Bedarf auch Messsignale höherer Frequenz dargestellt werden können, ist das Tiefpassfilter beim Ausführungsbeispiel auf Tastendruck (12) abschaltbar, so dass dann Frequenzen bis zu etwa 10 kHz wiedergegeben werden. Die Abschaltung wird mit Hilfe von Analogschaltern CD4066 an den Kondensatoren der Filterstufen realisiert. Bei abgeschaltetem Filter kann dann z.B. ein Tonfrequenzsignal dargestellt werden, wobei dann LEDs beidseitig des Skalennullpunktes in so schneller Folge abwechselnd aufleuchten, dass der Betrachter ein gleichmäßiges, zum Skalennullpunkt ungefähr symmetrisches Band wahrnimmt, dessen Länge durch den Scheitelwert des Signals bestimmt ist. Signale mit Frequenzen über etwa 10 kHz werden von den LED-Treibern LM3914N nicht korrekt verarbeitet, so dass die Verstärkerbandbreite auch bei abgeschaltetem Tiefpass durch ein RC-Glied auf etwa diesen Wert begrenzt ist. In the embodiment, a Bessel low-pass filter 5 , Used order, which is characterized by sufficient steepness of the transfer characteristic and a step response with virtually no overshoot. The first filter stage is arranged as a passive RC element before the first amplifier stage to improve overdrive resistance. The remaining stages are realized by two Sallen-Key filters after the first amplifier stage. The filter suppresses frequencies below 10 Hz by less than about 3 dB and frequencies above 50 Hz by at least about 47 dB. Together with the use of low-noise operational amplifiers of the type TLC2262AI it is achieved that even in the most sensitive measuring ranges only low noise effects occur. By effectively suppressing spurious signals caused by AC line voltage, it is usually possible with the meter to use ordinary measuring leads instead of shielded leads in the external measuring circuit. This is very useful in teaching, not only in practical but also in didactic terms, because the measuring circuit is easier to recognize for learners than with shielded lines. The three input jacks ( 9 ) are therefore designed as 4mm sockets. So that measurement signals of higher frequency can be displayed if required, the low-pass filter in the embodiment at the touch of a button ( 12 ) can be switched off so that then frequencies are reproduced up to about 10 kHz. The shutdown is realized by means of analogue switches CD4066 on the capacitors of the filter stages. When the filter is switched off, for example, a sound frequency signal can then be displayed, in which case LEDs flash alternately on both sides of the scale zero point in such a rapid succession that the viewer perceives a uniform band approximately symmetrical to the scale zero whose length is determined by the peak value of the signal. Signals with frequencies above approximately 10 kHz are not processed correctly by the LM3914N LED drivers, so that the amplifier bandwidth is limited to approximately this value even when the low pass is switched off by an RC element.

Das Ausführungsbeispiel ist in einem etwa 36 cm langen und 22 cm hohen Gehäuse mit trapezförmigem Querschnitt untergebracht (1). Die Stromversorgung erfolgt aus einem auf der Rückseite angebrachten, wechselbaren Akku. Auf der Frontplatte befindet sich die LED-Zeile (2) mit der permanent leuchtenden LED zur Nullpunktsmarkierung (3). Drei Skalen (4) ermöglichen die Ablesung des Messwertes. Mit der Messart-Wahltaste (5) wird die Messart und mit dem Messbereichs-Drehknopf (6) der Messbereich ausgewählt. Eine Reihe von 9 LEDs (7) gibt den Zahlenwert (800, 400, 200, 80, 40, 20, 8, 4, 2) und ein Feld von 9 LEDs (8) die Maßeinheit (V, mV, µV, µA, nA, pA, µC, nC, pC) des gewählten Messbereiches an. Drei Eingangsbuchsen (9) für COM (gemeinsamer Anschluss), Spannung/Stromstärke und Ladung stellen die Verbindung zum Messstromkreis her. Mit der Nulltaste (10) wird die Ladungsmessung zurückgesetzt und mit dem Nullpunktsdrehknopf (11) der Nullpunkt justiert. Mit zwei weiteren Tasten (12) und (13) lassen sich das Tiefpassfilter und das Gerät ein- und ausschalten.The embodiment is housed in a about 36 cm long and 22 cm high housing with trapezoidal cross section ( 1 ). Power is supplied from a removable battery mounted on the back. On the front panel is the LED line ( 2 ) with the permanently illuminated LED for zero mark ( 3 ). Three scales ( 4 ) allow the reading of the measured value. With the measuring mode selector button ( 5 ) the measuring mode and with the measuring range knob ( 6 ) the measuring range selected. A row of 9 LEDs ( 7 ) returns the numerical value ( 800 . 400 . 200 . 80 . 40 . 20 . 8th . 4 . 2 ) and a field of 9 LEDs ( 8th ) the unit of measurement (V, mV, μV, μA, nA, pA, μC, nC, pC) of the selected measuring range. Three input jacks ( 9 ) for COM (common connection), voltage / current and charge connect to the measuring circuit. With the zero key ( 10 ), the charge measurement is reset and with the zero-point knob ( 11 ) the zero point is adjusted. With two additional buttons ( 12 ) and ( 13 ), the low-pass filter and the device can be switched on and off.

Die einzelnen elektronischen Baugruppen des Gerätes sind gemäß dem Stand der Technik ausgeführt und orientieren sich an der Standardliteratur zur Halbleiter-Schaltungstechnik und an den Hersteller-Datenblättern der Bauelemente. Auch die Programmierung des Mikrokontrollers, der auch die Überwachung der Akkuspannung und die automatische Abschaltung nach 45 Minuten übernimmt, ist nach Stand der Technik ausgeführt und deshalb hier nicht weiter beschrieben. Alle Bauelemente, Anzeige- und Bedienelemente sind auf einer einzigen Leiterplatte untergebracht und im Elektronikhandel bzw. bei entsprechenden Distributoren preisgünstig zu erhalten. Daher kann das Messgerät zu einem akzeptablen Preis hergestellt werden. Für alle Bildungseinrichtungen mit naturwissenschaftlichem Unterricht stellt es eine große Bereicherung der experimentellen und didaktischen Möglichkeiten dar und es vereinfacht in vielen Fällen den Aufwand zur Vorbereitung von Demonstrationsexperimenten. Viele weitere Anwendungen, bei denen es auf die unverzögerte Wiedergabe des Messwertes, auf die gleichzeitige Erkennbarkeit durch mehrere Personen und die Ablesbarkeit aus mehreren Metern Abstand ankommt, bieten sich an.The individual electronic components of the device are designed according to the prior art and are based on the standard literature on semiconductor circuit technology and on the manufacturer's data sheets of the components. The programming of the microcontroller, which also takes over the monitoring of the battery voltage and the automatic shutdown after 45 minutes, is carried out according to the prior art and therefore not described here. All components, display and operating elements are housed on a single circuit board and in the electronics trade or at appropriate distributors to obtain low cost. Therefore, the meter can be manufactured at an acceptable price. It is a great enrichment of experimental and didactic possibilities for all educational institutions with science education and in many cases simplifies the effort to prepare demonstration experiments. Many other applications that rely on the instantaneous playback of the measured value, on the simultaneous recognition by several people and the readability from several meters distance, are appropriate.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

(1):(1):: Gehäusecasing
(2):(2):: LED-BalkenanzeigeLED bar graph
(3):(3):: Nullpunks-LEDZero punks LED
(4):(4):: Skalenscales
(5):(5):: Messart-TasteMeasurement type button
(6):(6):: Messbereichs-DrehknopfMeasuring range knob
(7):(7):: LEDs zur Messbereichs-Zahlenwert-MarkierungLEDs for measuring range numerical value marking
(8):(8th):: LEDs zur Messbereichs-Maßeinheits-MarkierungLEDs for measuring range unit marking
(9):(9):: Eingangsbuchseninput jacks
(10):(10):: Nulltastezero key
(11):(11):: Nullpunkts-DrehknopfZero knob
(12):(12):: Tiefpassfilter-TasteLow-pass filter button
(13):(13):: Ein-Aus-TasteOn-off button

Claims

Demonstration measuring device for electrical voltage, current and charge, characterized in that the display of the measured value by a series of rectilinear or arcuate arranged along a scale LEDs, the zero point of the scale is located in the interior and each of those light-emitting diodes light up between are at zero and the current reading on the scale, and that the reading of the reading on voltage and current measurements is suitable for reproducing frequencies from 0 Hz to at least about 10 Hz and that the row is at least about 20 cm long and at least about 40 Contains LEDs, so that the display is well visible even from several meters away and the viewer gives the impression of an approximately analog representation of the measured value and that the device has the measurement types electrical voltage, electric current and electric charge and can be measured in the most sensitive measurement ranges voltages well below one millivolt, currents well below a nanoamp and charges well below a Nanocoulomb ,

Meter after Claim 1 , characterized in that the light-emitting diodes of the row are each assigned equal intervals of the measured variable and the control of the LEDs is carried out so that the brightness of the respective last LED of the series increases evenly with increasing measurement.

Meter after Claim 1 , characterized in that the measuring device has at least two measuring ranges per decade for each type of measurement, which can be switched continuously with a single control element, preferably a rotary knob

Meter after Claim 1 , characterized in that the device comprises a multi-stage low-pass filter which attenuates the frequency range up to 10 Hz by less than about 3 decibels and the frequency range from 50 Hz by more than about 40 decibels, and in that the first filter stage is arranged before the first amplifier stage and This low-pass filter can be turned off, so that signals with frequencies up to the range of about 10 kHz can be displayed.