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Differenzvoltmeter Die Erfindung betrifft ein Differenzvoltmeter für
positive und negative Meßspannung.
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Differenzvoltmeter genannte Meßgeräte sind seit längerem bekannt.
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Sie werden zum Messen von Gleich- (oder auch Wechsel-) spannungen
verwendet, wobei der Nullpunkt unterdrückt werden kann. Sie bestehen aus einem als
Kompensationsteil bezeichneten feinstufig und genau einstellbaren Spannungsteiler,
der aus einer der Gerätegenauigkeit entsprechend gut stabilisierten Konstantspannung
gespeist wird, einem Nullanzeiger, der aus einem hochohmigen nullpunktaicheren Verstärker
ausreichender Empfindlichkeit mit nachgeschaltetem analogen Anzeigeinstrument aufgebaut
ist und gegebenenfalls einem Eingangsspannungsteiler zur Anpassung des Geräts an
Spannungen, die größer,sind als die größte, dem Kompensationsteil entnehmbare Spannung.
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-Diese Geräte, deren Aufbau dem der klassischen Kompensationsschaltung
entspricht, ist in seiner Brauchbarkeit für Labors dadurch entsieidend verbessert
worden, daß das Nullinstrument, wie oben erwähnt, hochohmig gemacht, und darüber
hinaus in Spannungen kalibiert wurde, so daß der nicht abgeglichene Rest einer zu
messenden Spannung direkt abgeiesen werden kann. Weiter besitzt das Nullinstrument
meist mehrere dekadisch oder im Verhältnis
1:3:10 gestufte Meßbereiche,
so daß es gut an die zu messende Größe angepaßt werden kann.
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Ein Differenzvoltmeter gestattet also Spannungen genau zu messen und
gleichzeitig Spannungsänderungen mit großer Auflösung quantitativ am Nullinstrument
abzulesen.
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Es sind bereits Differenzvoltmeter zur wahlweisen Anzeige der relativen
oder absoluten Abweichung eines gemessenen Spannungswertes von einem eingestellten
Spannungswert bekannt, bei denen Mittel vorgesehen sind zur Umschaltung zwischen
der relativen und der absoluten Anzeige und Mittel, die bei der Umschaltung auf
die Messung der relativen Abweichung die Empfindlichkeit eines Nullanzeigeinstruments
umgekehrt proportional zur eingestellten Spannung verändern (DT-OS 2 037 369). Bei
diesem Differenzvoltmeter sind zwei Referenzspannungen, und zwar eine positive und
eine negative erforderlich. Ferner ist nur eine Erdung möglich, und zwar entweder
für die Meßspannung oder für das Nullpotential des Differènzvoltmeters. Dadurch
hat eine der beiden Spannungen kein Bezugspotential.
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Die Aufgabe besteht daher darin, ein Differenzvoltmeter zu schaffen,
bei dem nur eine Referenzspannung erforderlich ist. Die Aufgabe wird durch ein Differenzvoltmeter
für positive und negative Meßspannung dadurch gelöst, daß sowohl für die positive
als auch für die negative Meßspannung dieselbe Referenzspannungsquelle benutzbar
ist, und daß die Meßspannung und die Referenzspannung einpolig gemeinsam an Erde
gelegt sind.
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Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt eine bekannte Schaltung für ein Differenzvoltmeter.
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Die zu messende Größe U wird durch eine gut stabilisierte posix tive
bzw. negative einstellbare Referenzspannung kompensiert. Die verbleibende Differenzspannung
wird durch das am Ausgang eines als Impedanzwandler geschalteten Verstärkers Vr
liegendeNullanzeigeinstrument mit dem Innenwiderstand R. angezeigt. Man kann somit
das Differenzvoltmeter als einen genauen Spannungsmesser mit unterdrücktem Nullpunkt
und sehr hohem Eingangswiderstand auffassen.
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Die in Fig. 1 gezeigte Schaltung hat folgende Nachteile.
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a) Die Meßspannung und das Nullpotential des Differenzvoltmeters
können nicht gleichzeitig geerdet werden. Störspannungen bei Netzfrequenz oder niedrigeren
Frequenzen an den Meßklemmen werden über einen Kondensator 3 nach Erde abgeleitet.
Die Kapazität muß bei diesen Frequenzen hoch genug gewählt werden und erfordert
daher erheblichen Raumbedarf.
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b) Es sind zwei Referenzspannungen (eine positive und eine negative)
erforderlich, die beide entsprechend der gewünschten Genauigkeit gut stabilisiert
sein müssen.
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Beide Nachteile werden durch die im folgenden geschilderte Erfindung
behoben.
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Die Fig. 2 und 3 zeigen die Schaltung nach der Erfindung im Prinzip,und
zwar Fig. 2 für negative1 Fig. 3 für positive Meßspannung Ux Für beide Fälle ist
nur eine z. B. positive Referenzspannung erforderlich. Meßspannung und Differenzvoltmeter
liegen zusammen am Mittel-(Null)-Potential. Für negative Meßspannung (Fig. 2) ergibt
sich folgende Beziehung zwischen Verstärker-Ausgangsspannung Ua und den Meßwertstrom
I bei einer Referenzspannung Uref
Für positive Meßspannung (Fig. 3) erhält man die entsprechende Beziehung
Diese Beziehungen vereinfachen sich für folgende Annahmen: R11
= R12 = R21 = R22 =R1 R -R = 13 - 23 - 2 Beziehung (i) geht dann über in
und Beziehung (2) in
Ein Vergleich von (3) und (4) zeigt die Identität der rechten Glei-.
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chungsseiten, während die linken Seiten sich durch den Faktor R1+R2
R2 unterscheiden. Wählt man die Gegenkopplung am Verstärker 1 so, daß für positive
Meßspannung Ux = Ua und für negative Meßspannung
so werden die Beziehungen (3) und (4) identisch
Die Forderung Ua = Ux für positive und
für negative Meßspannung kann durch die in Fig. 4 gezeigte Umschaltung der Gegenkopplung
erreicht werden. Es ist hierbei nicht erforderlich, daß R3 = R1 und R4 = R2 ist,
es genügt vielmehr, daß die Beziehung
erfüllt ist. R3 und R4 können so hochohmig gewählt werden, daß hierdurch der Verstärkerausgang
und somit auch die Versorgungsspannungsquelle
nur unwesentlich
belastet wird. Die Gesamtschaltung zeigt Fig. 5.
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Fordert man weiter, daß für eine bestimmte Differenzspannung # Ux
(=#Ua für positive Meßspannung) ein bestimmter Zeigerausschlag erfolgt und somit
ein bestimmter Strom 1 fließt, setzt außerdem R1 = R2, so ist dieser Widerstand
durch die Beziehung
gegeben.
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Aus der Voraussetzung R1 = R2 folgt, daß auch R3 = R4 sein mu.
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Im Fzll der vollständigen Kompensation (I = 0) ist Uref = 2 Ux x Eine
weitere Möglichkeit ergibt sich, wenn anstatt der obigen Annahmen R11 = R22 = 0
gesetzt wird (Fig. 2 und~3) und (7) Uref = c .Uxmit c > 1, wobei c ein konstanter
Faktor ist. Es wird dann
R13 = C . R12
'R23 = (c - 1) . R21 Die Schaltung hierfür zeigt Fig. 6.
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Die Gegenkopplung ist in Fig. 6 so gewählt, daß das Verhältnis von
Verstärkereingangs- zu Verstärkerausgangsspannung den Wert 1:1 hat.
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Es kann aber auch, damit ein Anzeigemeßwerk mit niedrigem Stromverbrauch
verwendet werden kann, einen höheren Wert haben, z. B. 1:5.
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Der konstante Faktor c ist dann im Rechnungsgang mit diesem Wert zu
multiplizieren. Bei der Umschaltung von positiver auf negative
Meßspannung
behält im Gegensatz zu der in Fig. 5 gezeigten Schaltung, die Gegenkopplung diesen
festen Wert.
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Schließlich besteht noch die Möglichkeit, sowohl die Referenzspannung
als auch das Anzeigeinstrument umzupolen. Macht man R12=R13=R1 und legt die Schaltung
so aus, daß Referenz- und Meßspannung entgegengesetzte Vorzeichen haben, so wird
hierfür (9) Ux = I . (2 Ri + R1) + Uref
Meßspannung und Referenz
spannung sind also de Betrag nach im Fall der vollständigen Xompensation (I = 0)-
gleich groß. Haben Meßspannung und Referenzspannung jedoch gleiche Vorzeichen, so
gilt- die Beziehung
Bei vollständiger Kompensation (I = O) muß aber die Referenzspannung doppelt so
groß wie die Meßspannung sein. Fig. 7 zeigt eine Schaltung1 bei der auch nur die
eine (z. 3. die positive) Referenzspannung stabiiisiert ist. Für die Umpolung der
Referenzspannung wird die 180°-Phasenrerschiebung von Ausgangs- zu Eingangsspannung
bei der GeOenkopplung ausgenutzt; es muß R3 = R4 sein, damit Eingangs- und ausbangsspantunbswert
gleich groß sind.
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Bei den Schaltungen nach der Erfindung entfallen zahlreiche Bauelemente,
die bei den bisher bekannten Schaltungen erforderlich waren und die Herstellungskosten
wesentlich erhöhen. Die Gesamt schaltung sowie eie Abgleicharbeiten werden vereinfacht
und der Raumbedarf erheblich verkleinert. Außer den erzielten technischen Vorteilen
ergibt sich eine Ersparnis an Herstellungskosten von etwa 324-6 Beschreibungsseiten
6 Patentansprüche 2 Blatt Zeichnungen mit 7 Fig.