DE2223041A1 - Differenzvoltmeter - Google Patents

Differenzvoltmeter

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DE2223041A1
DE2223041A1 DE19722223041 DE2223041A DE2223041A1 DE 2223041 A1 DE2223041 A1 DE 2223041A1 DE 19722223041 DE19722223041 DE 19722223041 DE 2223041 A DE2223041 A DE 2223041A DE 2223041 A1 DE2223041 A1 DE 2223041A1
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DE
Germany
Prior art keywords
voltage
display instrument
reference voltage
differential voltmeter
amplifier
Prior art date
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Pending
Application number
DE19722223041
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English (en)
Inventor
Guenter Eckhardt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Original Assignee
Licentia Patent Verwaltungs GmbH
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Publication date
Application filed by Licentia Patent Verwaltungs GmbH filed Critical Licentia Patent Verwaltungs GmbH
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Publication of DE2223041A1 publication Critical patent/DE2223041A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/10Measuring sum, difference or ratio

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Current Or Voltage (AREA)

Description

  • Differenzvoltmeter Die Erfindung betrifft ein Differenzvoltmeter für positive und negative Meßspannung.
  • Differenzvoltmeter genannte Meßgeräte sind seit längerem bekannt.
  • 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.
  • -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.
  • Ein Differenzvoltmeter gestattet also Spannungen genau zu messen und gleichzeitig Spannungsänderungen mit großer Auflösung quantitativ am Nullinstrument abzulesen.
  • 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.
  • 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.
  • Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Fig. 1 zeigt eine bekannte Schaltung für ein Differenzvoltmeter.
  • 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.
  • Die in Fig. 1 gezeigte Schaltung hat folgende Nachteile.
  • 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.
  • b) Es sind zwei Referenzspannungen (eine positive und eine negative) erforderlich, die beide entsprechend der gewünschten Genauigkeit gut stabilisiert sein müssen.
  • Beide Nachteile werden durch die im folgenden geschilderte Erfindung behoben.
  • 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-.
  • 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.
  • 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.
  • Aus der Voraussetzung R1 = R2 folgt, daß auch R3 = R4 sein mu.
  • 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.
  • Die Gegenkopplung ist in Fig. 6 so gewählt, daß das Verhältnis von Verstärkereingangs- zu Verstärkerausgangsspannung den Wert 1:1 hat.
  • Es kann aber auch, damit ein Anzeigemeßwerk mit niedrigem Stromverbrauch verwendet werden kann, einen höheren Wert haben, z. B. 1:5.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (6)

Patentansprüche:
1) Differenzvoltmeter für positiveund negative Meßspannung, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl für die positive als auch für die negative Meßspannung dieselbe Referenzspannungsquelle benutzbar ist, und daß die Meßspannung und die Referenzspannung gemeinsam einpolig an Erde gelegt sind.
2) Differenzvoltmeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichneu, daß ein Verstärker zur Verstärkung der Meßspannung mit einem seiner Eingänge an Erde liegt, daß der Ausgang dieses Verstärkers, der zu einem Nullanzeigeinstrument führt, rückgekoppelt ist, und daß die Referenzspannung mit einem Pol über mindestens einen Widerstand und einen Umschalter an das Nullanzeigeinstrument gelegt ist und der andere Pol der Referenzspannungsquelle die Erde ist.
3) Differenzvoltmeter nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Referenzspannungsquelle und dem Nullanzeigeinstrument ein Präzisionspotentiometer angeordnet ist, das mit einem Ende mit der Erde und mit seinem Abgriff mit dem Nullanzeigeinstrument verbunden ist.
4) Differenzvoltmeter nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplung des Ausgangs des Verstärkers wahlweise, je nach Polarität der-Meßspannung direkt oderüber einen Spannungsteiler geschaltet ist.
5) Differenzvoltmeter nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgriff des Präzisionspotenti&-meters wahlweise, je nach Polarität der Meßspannung über verschiedene Widerstände an das Nullanzeigeinstrument ge legt ist, wobei der Verstärker mit fester Gegenkopplung verwendet wird.
6) Differenzvoltmeter nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Abgriff des Präzisionspotentiometers und das Nullanzeigeinstrument ein Netzwerk aus weiteren Operationsverstärkern geschaltet ist.
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