DE2438905B2

DE2438905B2 - Selbstabgleichendes kompensationsmessgeraet

Info

Publication number: DE2438905B2
Application number: DE19742438905
Authority: DE
Inventors: Eisuke; Tanaka Kiyonobu; Tokio Abe
Original assignee: Yokogawa Electric Works Ltd
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1974-03-12
Filing date: 1974-08-13
Publication date: 1977-08-04
Also published as: US3939388A; JPS5422103B2; JPS50122963A; DE2438905A1; NL7502763A; DE2438905C3; GB1464408A

Description

Die Erfindung betrifft ein selbstabgleichendes Korn- <>s pensationsmeßgerät mit einer Normalspannungsquelie mit einem Potentiometer, dessen Einstellung von einem Abgleichmotor gesteuert wird und welches eine Kompensationsspannung am Pote'ntiometerabgriff erzeugt, die über eine einstellbare Phasenkompensationsschaltung in Form wenigstens eines Widerstandes und einer Kapazität zu einer Vergleichsstufe gelangt, die einen Vergleich mit einer zu messenden Spannung durchführt und ein den Abgleichmotor steuerndes Abgleichsignal erzeugt, und mit Mitteln zur Verstärkung des Abgleichssignals.

Ein derartiges selbstabgleichendes Kompensationsmeßgerät ist aus der DT-AS 12 90 255 bekannt. Bei diesem Meßgerät ist ein sich servomechanisch selbsteinstellendes Potentiometer in einem Brückenzweig angeordnet, der eine feste Gleichspannungsquelle enthält und eine Kompensationsspannung an dem mit einem Aufzeichnungsstift verbundenen Potentiometer erzeugt, wobei ein Netzwerk zur Anwendung gelangt, um die Phasenvoreilung der Kompensationsspannung einzustellen. Das Netzwerk enthält einen Widerstand und eine Parallelkapazität und ist in dem Verbindungszweig angeordnet, durch den die Kompensationsspannung zu der den Vergleich der zu messenden Spannung ausführenden Vergleichsstufe zugeführt wird.

Dieser bekannten Konstruktion liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei selbstabgleichenden Gleichspannungsmeßgeräten, die als servomechanische Regelschaltungen ausgebildet sind, das zu messende Eingangssignal nicht stets von derselben Stromquelle geliefert wird, so daß die Möglichkeit besteht, daß die Impedanz der zu messenden Stromquelle zwischen wenigen Ohm und etwa 1 M Ohm schwankt. Eine bei einer Schaltung auf eine feste Zeitkonstante eingestellte Parallelschaltung eines Widerstandes und einer Kapazität kann in dem Rückführkreis keine zufriedenstellende Wirkungsweise hinsichtlich einer geringen Neigung zu Pendelungen sicherstellen. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, die Zeitkonstante des die Phasenverschiebung im Rückführzweig bestimmenden Netzwerkes der Impedanz der jeweils zur Anwendung gelangenden Signalquelle entsprechend einzustellen, um eine zufriedenstellende Stabilität des Netzgerätes sicherzustellen, wobei eine derartige Einstellung jedoch nicht mit einer Änderung der Nullpunkteinstellung des Meßgerätes verbunden sein soll. Um dies zu erreichen, besteht das Netzwerk aus einem festen Widerstand und einer festen Kapazität und die feste Kapazität ist in einem einstellbaren Zweig, der parallel zumindest zu einem Teil des festen Widerstandes liegt, derart angeordnet, daß eine Änderung der Phasenvoreilung ohne Auftreten einer Änderung des Gleichstromwiderstandes des Netzwerkes ermöglicht ist.

Aus der DT-AS 12 8! 556 ist eine Kompensationsrneßvorrichtung mit einem Eingangsfilterkreis bekannt, bei welcher ein über Eingangsklemmen angeschlossener Servoverstärker, ein Kompensationsmotor und ein Kompensationspotentiometer zur Anwendung gelangen, dessen Abgriff in Reihe zwischen dem Eingangsfilterkreis und einer Eingangsklemme des Servoverstärkers liegt. Bei dieser bekannten Kompensationsmeßvorrichtung soll die Aufgabe gelöst werden, die volle Meßempfindlichkeit unabhängig von den Eigenschaften eines jeweils benutzten Eingangsfilterkreises ausnutzen zu können. Dies wird dadurch erreicht, daß zwischen die Eingangsklemmen des Servoverstärkers ein derart bemessener Parallelkondensator eingefügl ist, daß die resultierende Zeitkonstante der Servostufe der Zeitkonstante des Eingangsfiiterkreises gleich ist. Da in vielen Fällen dem Meßsignal ein Rauschanteil überlagert ist, wird dieser mit Hilfe des genannten Eingangsfilterkrei-

fr

ses ausgesiebt, damit keine Störungen in der Anzeige verursacht werden.

Aus der DT-AS 13 01 298 ist eine selbstabgleichende Kompensationseinrichtung bekannt, die insbesondere für Kompensographen gedacht ist, bei der eine Meßspannung mit einer Ausgangsspannurig einer mit konstanter Spannung gespeisten Widerstandsbrücke verglichen wird, die Differenzspannung von einem Wechselrichter in eine Wechselspannung umgeformt und nach Verstärkung einem als Demodulator arbeitenden Stellmotor zugeführt wird, welcher zusätzlich ein Abgleichpotentiometer der Widerstandsbrücke verstellt. Zur Verbesserung der Stellsteilheit der üblicherweise verwendeten Steilmotoren wird als Stellmotor ein kollektorloser Gleichstrommotor mit elektronischer Kommutierungseinrichtung verwendet, welche von der Ausgangswechselspannung des Wechselstromverstärkers gesteuert wird. Bei dieser bekannten Kompensationseinrichtung wird also noch der Vorteil erreicht, daß der Oszillator für die ModuJatJonsfrequenz nicht mehr die Motorleistung aufzubringen braucht, da die Stromversorgung des Motors von einer Hilfsspannungsquelle übernommen wird, so daß die Modulationsfrequenz des Oszillators nicht direkt an die Konstruktion des Motors gebunden ist, sondern in weiten Grenzen frei wählbar ist.

Schließlich ist aus der DT-AS 14 66 636 ein selbstabgleichendes Kompensationsmeßgerät mit einem Potentiometer bekannt, welches eine nicht lineare Abgriffkennlinie aufweist und eine servomechanische Schaltungsanordnung enthält, um die Spannungsdifferenz zwischen einem Eingangssignal und der Abgriffsspannung des beweglichen Kontaktes am Potentiometer anzuzeigen, wobei auch Verstärkungsmittel vorgesehen sind, um die aus den beiden Signalen gebildete Differenz zu verstärken und zur Anzeige zu bringen. Um die Ungenauigkeit der Einstellung des mit dem Motor gekoppelten Einstellorgans bei nichtlinearen potentiometrischen Kompensationsmeßgeräten zu beseitigen ist vorgesehen, daß am Potentiometer zur Abnahme einer zusätzlichen, in Abhängigkeit von der Widerstandscharakteristik des Potentiometers sich ändernde Teilspannung zwei im festen Abstand voneinander angeordnete, vom Stellmotor bewegte Abgriffe vorgesehen sind und daß eine Dämpfungsvorrichtung durch auf die abgegriffene Teilspannung ansprechende Schaltungsmittel in dem die Stellspannung dem Stellmotor zuführenden Stromzweig derart geregelt wird, daß das Produkt aus abgegriffener Teilspannung und Verstärkung in einem Stromzweig im wesentlichen konstant bleibt.

Schließlich ist es aus der japanischen Gebrauchsmusterschrift 9 99 673 bekannt, daß ein durch eine Zenerdiodenschaltung erzeugtes weißes Rauschen als Zitterspannung an den Abgleichmotor angelegt wird, um die tote Zone zu verkleinern. Bei einem solchen Instrument wird das weiße Rauschen auf einen dem jeweils benutzten Bereich entsprechenden Wert gedämpft oder unterdrückt, so daß sich die tote Zone entsprechend den jeweiligen Bereichen ändert. In der Praxis muß aber die tote Zone unabhängig von den Bereichen klein und konstant gehalten werden. Zur Realisierung einer konstanten toten Zone kann das weiße Rauschen wirksam benutzt werden, wenn es über zwei Bereichswechsel-Dämpfungsglieder, deren kombiniertes Dämpfungsverhältnis konstant ist, als Zitterspannung an den Abgleichmotor angelegt wird. Zur Verhinderung einer Regelschwankung infolge einer Phasennacheilung im Servosystem wird dagegen eine Phasenkompensierschaltung beim Rückkopplungskreis verwendet. Die bekannte Phasenkompensierschaltung weist einen Spannungsteiler-Widerstand, einen Kondensator und einen Festwert-Widerstand auf, so daß sie s eine entsprechende Phasenvoreilung in die Spannung durch Verstellen der Bürstenposition am Spannungsteilerwiderstand einzuführen vermag. Eine derartige Schaltung ist jedoch nicht für die Praxis geeignet, weil sich die Winkelfrequenz bei einer Änderung der

ίο Bürstenposition ändert, mit dem Ergebnis, daß sich unweigerlich eine Komplikation bei der Zusammenstellung des Servoverstärkersystems bezüglich der Bestimmung der Konstanten seiner Bauteile ergibt. Die Aufgabe der Phasenkompensierschaltung bei Verwendung in einem Servoverstärkersystem besteht in der Erhöhung der Ansprechempfindlichkeit dieses Systems ohne Beeinträchtigung der anderen Eigenschaften und in der Vereinfachung des Zusamrnenstellvorgangs beim Servoverstärkersystem. Außerdem sollte die Verwendung eines Phasenvorstellkreises für die Phasenkompensation nicht zur Ursache für eine Komplizierung des Zusammenstellvorgangs bei der Analyse der Eigenschaften der Bauteile des Servoverstärkersystems und der Bestimmung ihrer Konstanten werden.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein selbstabgleichendes Kompensationsmeßgerät der eingangs definierten Art zu schaffen, bei welchem die tote Zone, die durch mechanische Reibung bedingt ist, unabhängig von dem jeweiligen Meßbereich

}o klein und konstant gehalten werden kann und bei welchem das Servoverstärkersystem einfach aufgebaut sein kann.

Ausgehend von dem selbstabgleichenden Kompensationsmeßgerät der eingangs definierten Art wird diese

.15 Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Generator für weißes Rauschen mit der Phasen-Kompensationsschaltung verbunden ist, derart, daß das weiße Rauschen des Generators der Kompensationsspannung überlagert wird und zum Abgleichmotor gelangt, und daß die Phasen-Kompensationsschaltung einen nicht invertierenden, in der Verstärkung veränderlichen Verstärker enthält, der in Reihe mit der Kapazität parallel zum Widerstand geschaltet ist.
Durch das erste Merkmal erhält man den besonderen Vorteil, daß aufgrund des dem Abgleichmotor zugeführten weißen Rauschens das mechanische System im statischen Zustand ständig in einen dynamischen Zustand geschüttelt wird, wodurch die mechanische Haftung vermindert wird und mithin die tote Zone des selbstabgleichenden Kompensationsmeßgerätes weitgehend verringert wird.

Da das weiße Rauschen dem Abgleichmotor bei jedem Meßbereich im wesentlichen in gleiche Intensität zugeführt wird, bleibt die tote Zone auch darüber hinaus noch für jeden Meßbereich im wesentlichen konstant.

Durch das zweite Merkmal, wonach also die Phasenkompensationsschaltung einen nichtinvertierenden, in der Verstärkung veränderlichen Verstärker aufweist, lassen sich die Eigenschaften des Servover-

(10 Stärkersystems verbessern bzw. einfach ausführen, da dadurch die Übertragungsfunktion den erforderlichen Schaltungskomponenten bestmöglich angepaßt wird.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den

<>s Patentansprüchen 2 bis 7.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es /eigen

F i g. 1 und 2 Schaltbilder eines selbstabglcichcndcn Instruments mit Merkmalen nach der Erfindung,

Fig.3 und 4 graphische Darstellungen der Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Instruments,

Fig.5 ein Schaltbild einer bekannten Phasenkompensierschaltung,

Fig.6 ein Schaltbild einer für die Erfindungszwecke verwendeten Phascnkompensicrschaltung,

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Arbeitsweise der Schaltung gemäß F i g. 5 und

Fig.8 eine graphische Darstellung von Wcllcnformen zur Veranschaulichung der Arbeitsweise der Schaltung gemäß F i g. 6.

F i g. 1 ist ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen selbstabgleichendcn Instruments, bei welchem bei VS ein Normalspannungserzcugcrabschnilt dargestellt ist, der eine Konstantspannungsquellc El, einen Festwertwiderstand RSi, einen mit einem noch näher zu beschreibenden Abgleichmotor gekoppelten Schiebewiderstand RS 2 und einen veränderlichen oder Regelwiderstand RS3 aufweist, der zur Einstellung der mechanischen Null-Stellung eines nicht dargestellten Schreibstiftes benutzt wird. Bei PC ist eine Rcgclschwankungen verhindernde Phasenkompcnsicrschaltung dargestellt, die einen nichtinvcrticrcndcn Eingangsverstärker AP, einen mit der Ausgangsklcmmc des Verstärkers AP verbundenen veränderlichen oder Regelwidcrstand RPi, einen mit dem Abgriff des Widerstands RPi verbundenen Kondensator CP, einen zwischen die Eingangsklcmmc des Verstärkers APund den Kondensator CP eingeschalteten Widerstand RP2 und ein Bercichswcchscl-Dämpfungsglied ATTi aufweist, dessen eines Ende an die Verzweigung X zwischen dem Widerstand RP2 und dem Kondensator CP angeschlossen ist. Die Eingangsklcmmc des Verstärkers -4P ist an den Regelwidcrstand /?S3 des Normalspannungscrzcugcrabschnitts VS angeschlossen. Die Arbeitsweise dieser Phascnkompcnsierschaltung wird später in Verbindung mit den Funktionen der erfindungsgemäßen Schaltkreise noch näher erläutert werden. Das Symbol CH bezeichnet einen Glcichstroin-Wechselstrom-Wandlerteil mil einem Oszillator OSC, einer Wcllcnformcrschaltung WR sowie Schaltern .S' I und S2, die durch Feldeffekttransistoren gebildet werden. Der Schalter 51 ist an Eingangsklcmmcn IX 1 und IX 2 angeschlossen, zwischen welche eine zu messende Spannung Ev angelegt wird. Der Schalter ,S'2 ist dagegen mit dem beweglichen Kontakt eines Wählschalter SlVl verbunden. Der DCMC-Wandlerteil CH schaltet die Abweichung zwischen der Mcßspnnnung Ex und der Ausgangsspannung der Phusenkompensicrschaltung PC ein und uus. um ein Wechselstromsignal zu erzeugen, das einem Ausgangsteil OUT in der nachgeschalteten Stufe eingegeben wird. Der Ausgangsteil 01/7" weist Verstärker A 1 und A 2, einen Kondensator CO, welcher den Verstärker A 1 mit dem Wnndlertell CH koppelt, und ein Bereichswechsel-Dümpfungsglied ATT2 auf, das /.wischen die Verstärker Ai und A 2 eingeschaltet ist.

Das Dämpfungsglied A7Tl In der Phascnkompensicrschaltung PC sowie das Dämpfungsglied ATT2 Im Ausgangsteil OUT bestehen Jeweils aus mehreren Widerstünden. Der Wählschalter 5Wl des Dtimpfungsgllcds ,47Tl Ist mit dem Wählschalter SW2 des Dümpfungsglicds ATT2 gekoppelt, so daß der Bereich nacheinander an den Anzapfungen t\', ti, ti usw. des Schalters SW2 umgeschaltet werden kann, während er nacheinander an den Anzapfungen /ι, i?, ii usw. des Schalters SlVl umgeschaltet wird. Beispielsweise sei angenommen, daß das Dämpfungsverhältnis des Dämpfungsglieds ATT2 ¹A oder '/ι beträgt, wenn dasjenige des Dämpfungsglied ATTi ¹Zi oder ¹Ao beträgt. Durch

s diese Festlegung ^vr Dämpfungsverhältnissc der beiden Dämpfungsglieder wird das kombinierte Dämpfungsverhältnis, nämlich ATTi χ ATT2, konstant, d.h. auf • /to, gehalten. In anderen Bereichen wird das kombinierte Dämpfungsverhältnis ebenfalls konstant gehalten.

in Das Ausgangssignal des Verstärkers A 2 wird an die Steuerphase des Abgleichmotors BM angelegt. Die drehbare Welle des Abgleichmotors BM ist dabei mit dem Schleifer des Schiebewiderstands RS 2 des Normalspannungserzeugcrteils VSgekoppelt.

is Das Symbol HN bezeichnet einen Generator für weißes Rauschen, der erfindungsgemäß zur Speisung des Abglcichmotors BM mit einer Zitterspannung vorgesehen ist. Dieser Generator weist eine Zenerdiodc DH, einen Transistor TH, Widerstände RH 1 bis RH 4,

jo einen veränderlichen oder Regelwidcrstand RH 5 und eine Glcichspannungsqucllc E2 auf.

In Fig.3 ist die von der Spannung abhängende Stromcharaktcristik der Zenerdiodc DH dargestellt. Bekanntlich wird weißes Rauschen hauptsächlich im

>s Elcktroncnlawincnbcrcich A erzeugt. Die Bauteile des Generators HN für weißes Rauschen sind so ausgelegt, daß die Zenerdiodc DH im Elcktroncnlawincnbcrcich A arbeitet. Das dabei erzeugte weiße Rauschen wird durch den Transistor TH verstärkt und an dem Schleifer des

i<> Rcgclwiderstands RH5 über den Kollektor des Transistors 77/gcleilct und dann über den Kondensator CH 1 an die Verzweigung X zwischen dem Dämpfungsglied ATT\ und dem Widerstand WP2der Phasenkompcnsicrschaltung PCangclcgt.

js Das erfindungsgemäße sclbstabgleichcndc Instrument arbeitet wie folgt: Die zwischen dem Schleifer des Rcgclwiderstands RS und dem Schleifer des Schicbcwidcrslands RS2 des Teils VS erscheinende Normalspannung Es wird an die Phasenkompensicrschnltung

.|o PC angelegt, in welcher die Spannung Es durch den Widerstand RP2 und das Dämpfungsglied A IT I geteilt wird. Letzteres dämpft die Spannung Es auf eine Normalspannung Es' in einem dem gewühlten Bereich entsprechenden Verhältnis. Die Spannung /:V und die

,is Mc(}*|>nnnung Ex werden an den Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler C7/ angelegt, in welchem die Differenz /wischen diesen beiden Spannungen in ein Wechselstromsignal umgewandelt wird. Dieses Signal wird dann über den Kondensator CO und den Verstärker A 1 dem

Μ» Dämpfungsglied ATT2 zugeführt, in welchem dieses Signal in einem dem gewählten Bereich entsprechenden Verhältnis gedämpft wird. Südann wird das Signul durch den Verstarker A 2 verstärkt und an die Stcucrphasc des Abglcichmotors BM angelegt, um diesen anzutrci-

ss bon, Der Motor BM dreht sich dabei und verschiebt den

Schleifer des Schlcbcwidcrstands WS 2 in der Welse, daß

die Normalspannung Es' gleich der Meßspannung Ex

wird.

Andererseits wird ein im Generator HN erzeugtes

(χι weißes Rauschen mit einem vorgegebenen Scheltclwert vom Regelwiderstand RH 5 abgenommen und über den Kondensator C/71 itn die Verzweigung X /.wischen dem Widerstand RP2 und dem Dämpfungsglied ATTi angelegt. Das weiße Rauschen wird dann der Normal-

(-S spannung ES überlagert, durch das Dämpfungsglied ATTi gedämpft und Über den Wandlcrtell CH, den Kondensator CO und den Verstarker A 1 an das Dampfungsglied A 7T2 angelegt. Das Signal wird durch

das Dämpfungsglied ATT2 gedämpft, durch den Verstärker A 2 verstärkt und an die Steuerphasc des Abgleichmotors BM angelegt. Da das kombinierte Dämpfungsverhältnis ATTi χ ATT2, wie erwähnt, in jedem Bereich konstant ist, ist der Scheitelwert der s Hüllkurvenänderung der an die Steuerphase des Abgleichmotors BM angelegten Spannung, unabhängig vom jeweils gewählten Bereich, konstant. Wenn die Hüllkurvenabweichung auf mehrere Prozent des Nennwerts der Steuerphasenspannung des Motors BM festgelegt wird, spricht das mechanische System des selbstabgleichenden Instruments auf die Niederfrequenzkomponente (von weniger als etwa 5 Hz) des weißen Rauschens an. Infolgedessen wird das mechanische System im statischen Zustand ständig in einen is dynamischen Zustand »geschüttelt«, wodurch gemäß Fig.4 die mechanische Haftung vermindert werden kann und mithin die tote Zone des selbstabgleichenden Systems weitgehend verringert wird. In Fig.4 gibt die Abszisse die Drehzahl des Abgleichmotors BM und die Oridinate das auf die drehbare Welle des Motors BM einwirkende Reibungsdrehmoment an.

Erfindungsgemäß kann daher ein selbstabgleichendes Instrument realisiert werden, bei welchem die tote Zone klein ist und unabhängig von den Meßbereichen konstant gehalten wird. Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung ist im folgenden die Phasenkompensierschaltung PCaIs Phasenschieberschaltung im Vergleich zu einem bekannten Äquivalent beschrieben.

In Fig.5 ist eine bekannte Phasenschieberschaltung dargestellt, bei welcher das Symbol Vi eine Ausgangsspannung von einem im sclbstabgleichcndcn System vorgesehenen Potentiometer angibt. (Diese Spannung entspricht der Spannung Es zwischen den Schleifkontakten der Widerstände RS2 und RS 3 gemäß Fig. 1.) Die Spannung Vi wird an die Phasenschieberschaltung angelegt, deren Ausgangsspannung Vo als Rückkopplungsspannung für das sclbstabglcichendc System dient. (Diese Spannung entspricht dabei der Spannung Es' gemäß Fig. I.) Die Schaltung weist einen Kondensator Cl, sowie Widerstände R I₁ R 2, R 11 und R 12 auf. Die Widerstände Λ 2 und R 12 sowie ein Schleifer bzw. ein Abgriff /ι bilden einen Spannungsteiler. Durch Änderung der Schleifcrposition erhält die Eingangsspannung V; eine zweckmäßige Phasenvoreilung. Die dabei .|s erhaltene Spannung Vo wird rückgekoppelt, wodurch die Eigenschaften des Servoverstärkcrsystems verbessert werden. Die Übertragungsfunktion G \(S) der Phasenschieberschaltung gcnillß Fig. 5 entspricht der Gleichung v>

Vo[S)

VI[S)

«12 'Wl I K 2

7</| .V I
W"

S -I I

III

Kl -f «2

^{λ| =} κι ·

«1 = «II + «12

R 12

Das Spannungsteilungsverhältnis 7? J _, Jr 2 '^st dabei

unabhängig von der Schleiferposition konstant. Betrachtet man jedoch die Verstärkungscharakteristik der Übertragungsfunktion G l(S) in einem Bodeschen

Diagramm, so werden die Eckfrequenz α>ιI= ... |des

Zählers in Gleichung (1) und die Eckfrequenz a^l=-/-', )

des Nenners veränderlich. Fig.7 zeigt die Übertragungsfunktion G i(S) im Bodeschen Diagramm, worin die Verstärkungscharakteristik durch Segmentannäherung erhalten wird. F i g. 7 zeigt eine halblogarithmische Version des Diagramms, in welchem auf der Abszisse die Winkelfrequenz co(rad/S) in logarithmischem Maßstab im Hinblick auf das Frequenzansprechverhalten der Übertragungsfunktion und auf der Ordinate der Verstärkungsgrad (db) und der Phasenwinkel (in Grad) aufgetragen ist. Im Bodeschen Diagramm ist ein Teil der Verstärkungsgrad- und der Phasenwinkelcharakteristik für den Fall dargestellt, bei welchem der Schleifer a so verschoben ist, daß sich der Wert von R 2 von etwa Null aus erhöht. Diese Charakteristik ändert sich fortlaufend von (ay~ (b)-* (c)~* (d) bei Verschiebung des Schleifers. Gleichzeitig ändern sich auch die Eckfrequenzen ωι und cü2. Auf diese Weise vermag die Schaltung durch Einstellung der Position des Schleifers die Eingangsspannung Vi mit der gewünschten Phasenvoreilung zu liefern. Andererseits ändern sich die Eckfrequen~en ω, und (02 in Abhängigkeit von der Verschiebung des Schleifers, so daß spezielle Überlegungen bei der Zusammenstellung des Servoverstärkersystems durch Bestimmung der Konstanten seiner Schaltungsbauteilc erforderlich werden.

In F i g. 6 ist eine für die Erfindungszweckc verwendbare Phasenkompensierschaltung PC dargestellt, die einen dem Widerstand des Dämpfungsglicds ATTl gemäß Fig. 1 äquivalenten Widerstand Ri, einen dem Widerstand RP2 gemäß Fig. 1 äquivalenten Widerstand R 2 und einen Kondensator Cl aufweist, welcher dem Kondensator CP gemäß Fig. 1 entspricht. Die Eingangsspannung wird dabei durch die Widerstände Ri und R2 geteilt. Bei /\Pist ein nichtinvcrtierendcr Eingangsverstärker dargestellt, dessen Verstärkungsfaktor Kp variabel ist. In Fig. 1 ist ein veränderlicher oder Regclwidcrstand RPi an die Ausgangsklcmme des Verstärkers AP angeschlossen, dessen Verstärkungsgrad mittels des Widerstands RPi gelindert wird. Wenn dein Verstärker AP die Eingnngsspunnung Vi eingespeist wird, erzeugt er ein Ausgungssignal, das an die Verzweigung zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstand R 1 und R 2 angelegt wird. Die um ersten Widerstand R1 auftretende Spannung Vo stellt dus Ausgangssignal der Phascnschiebcrsehaltung dar. Unter der Voraussetzung, daß gcmtlß F i g, 6 Ströme fließen gelten folgende Beziehungen:

KpVi - Vi

(/, 1- J₁) + K₂I₅,

K₁/,

Vt) =

bedeutet.

Die Übertragungsfunktion G 2(S) der Phasensehle beschallung wird anhand obiger Gleichungen erhalten

709 B3V2B

5

Somit gilt

G 2(S)

Vo[S)

VHS)

1 KpTd₂S -t- I

worin

TJ₂ = Cl R2,
R I + R 2

1. Die Eckfrequenz ωι kann durch Einstellung des Verstärkungsfaktors in der Phasenschieberschaltung gemäß Fig.6 erzielt werden, bei welcher die Verwen-

(2) dung eines Kondensators mit niedriger Kapazität

ausreicht, und zwar im Gegensatz zur bekannten Schaltung, die zur Erzielung der Eckfrequenz o)i einen Kondensator mit hoher Kapazität benötigt. Mit anderen Worten: Die Größe der Phasenschieberschaltung kann verringert werden, so daß sich ein kompaktes

ίο Servoverstärkersystem ergibt.

2. In der Phasenschieberschaltung kann bei bestimm-

«12

ter Eckfrequenz oj| der Wert von r

^{nane an}

bedeutet.
Gleichung (2) zeigt, daß das Gleichspannungsteilungs-

(X₂ \
= Jy₁ des

Nenners gegenüber dem Verstärkungsfaktor Kp konstant sind. F i g. 8 zeigt die Übertragungsfunktion G 2(S) im Bodeschen Diagramm in halblogarithmischer Form, wobei die Abszisse die Winkelfrequenz o)(rad/S) in logarithmischem Maßstab und die Ordinate den Verstärkungsgrad (db) und den Phasenwinkel (in Grad) angeben. Die Übertragungsfunktion G 2(S) gemäß Gleichung (2) ist so gewählt, daß sich die Verstärkungsgrad- und Phasenwinkelcharakteristika durch Einstellung des Verstärkungsfaktors Kp von (a) auf (b) ändern. (Fig.8 zeigt einen Fall, bei welchem der Faktor Kp erhöht wird.) Diese Einstellung hat keinen Einfluß auf die Eckfrequenz o>2. Zur Erhöhung der Ansprechempfindlichkeit des Servoverstärkersystems wird ein Verfahren angewandt, bei dem die Phase bei den Frequenzen in der Nähe der Eckfrequenz der Schleifen-Verstärkung des Servoverstärkersystems und bei über der Eckfrequenz liegenden Frequenzen durch die Phasenschieberschaltung vorgeschoben wird, so daß der Phasenbereich verbreitert und die Schleifen-Verstärkung erhöht wird. In diesem Fall wird der dem Servoverstärkersystem eingegebenen Rückkopplungsspannung (entsprechend der Eingangsspannung Vi gemäß F i g. 6) durch entsprechende Bestimmung des Verstärkungsfaktors Kp des nichtinvertierenden Eingangsverstärkers der Phasenschicbcrschaltung eine Phasenvoreilung erteilt. Da die Eckfrequenz ω: der Verstärkungscharakteristik der Phasenschiehcrschaltung gegenüber dem Verstärkungsfaktor Kp konstant ist, wird die gesamte Änderung der Charakteristik einfacher als bei der bekannten Konstruktion auf der Grundlage der Übertragungsfunktion G \(S) gemäß Gleichung (t). Erfindungsgemäß wird daher die Zusammenstellung des Servovcrstürkersystems wesentlich vereinfacht.

Wie erwähnt, ist die orfindungsgemäße Phasenkoni· penslerschaltung eine Phasenschicbcrschaltung, in welcher die Eingangsspannung durch Widerstände und ein Dämpfungsglied Λ7Τ1 geteilt und gleichzeitig an einen nichtinvertierenden Eingangsverstärker angelegt wird, dessen Verstärkungsfaktor variabel ist und dessen Ausgangssignal der Spiinnung am Teilungspunkt des Widerstands und des Dämpfungsgilcds über einen Kondensator überlagert wird, wobei der Verstärkungsfaktor dieses Verstärkers so eingestellt wird, daß die gewünschte Phasenvoreilung für die Eingangsspannung gewährleistet wird, Infolge dieser Phasenschleberschultung Im selbstabglelchenden System gemäß FI g, I bietet dos crflndungsgcmäße selbstabglelchende Instrument unter anderem die folgenden Vorteile:

herangebracht werden, wenn der Verstärkungsfaktor hoch genug eingestellt ist. Dies bedeutet, daß die Abgleichspannung des Servoverstärkersystems potentiometrisch weitgehend als ein Wert benutzt werden kann, der dicht an der Nennspannung dieses Systems liegt. Hierdurch wird die Ausführbarkeit eines Mehrbereich-Servoverstärkersystems verbessert.

3. Die Phaseneinstellung läßt sich ohne weiteres durch Einstellung des Verstärkungsfaktors des nichtinvertierenden Eingangsverstärkers durchführen, ohne daß dadurch die Stabilität des Servoverstärkersystems herabgesetzt wird.

Fig.2 zeigt ein Schaltbild einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung. Der bei dieser Ausführungsform vorgesehene, das weiße Rauschen erzeugende Teil ist einfacher aufgebaut und kostengün-

.10 stiger als der entsprechende Teil von Fig. 1. Obgleich sich die Anordnung der Phasenkompensierschaltung PC geringfügig von derjenigen der Schaltung PC gemäß Fig. 1 unterscheidet, ist die Arbeitsweise dieser Schaltung im wesentlichen die gleiche wie bei der

.15 Schaltung gemäß Fig. 1, die in Verbindung mit Fig.6 beschrieben wurde. Die Schaltung gemäß Fig. 2 weist einen Generator HN für weißes Rauschen mit einer Zenerdiode DH, einem Widerstand RH und einer Spannungsquelle E2 auf. Die Schaltungselemente sind

Α" so bemessen, daß die Zenerdiode DH in ihrem Elektronenlawinenbereich A gemäß Fig.3 arbeitet. Das Symbol PC bedeutet eine Phasenkompensierschnltung mit einem Differentialverstärker ΑΡιιηά einem an dessen Ausgangsklemme angeschlossenen vcrändcrli-

•15 chen oder Regelwiderstand WPI. Ein Kondensator CP, ähnlich demjenigen gemäß F i g. I, ist an den Schleifkontakt des Regelwidcrstands CP angeschlossen. Die Eingangsklemme 4- des Verstärkers AP ist an den Schleifkontakt bzw. den Abgriff des Regelwiderstuncls

5<> WS3 gelegt. Ebenso ist der Abgriff des Regclwidcrstands WS3 über einen Widerstand WP2 an die Verzweigung X zwischen dem Kondensator CP und dem Dämpfungsglied ATTl angeschlossen. Ein Rückkopplungswlderstand RPA ist zwischen die Ausgungs-

klemme und die Invertier-Eingangsklemmc - des Verstärkers 4P geschaltet, und Widerstände WP5 und RPB sind in Reihe zwischen die Nlchtinvcrtlcr-Eingangsklcmmc + und den Bczugspotcntlalpunkt geschaltet. Der Abgriff des Widerstands RH des

no Generators HN für weißes Ruuschen Ist an die Verzweigung Y zwischen den Widerständen RPi und RPB angeschlossen* Der restliche Teil der Schaltung entspricht dem betreffenden Teil der Schaltung gemäß Flg. 1,

<»5 Das selbstabglelchende Instrument gemäß FIg.2 urbeitet wie folgt: Einer Spunnung £ivom Normnlspnn· nungsgenerator VS wird eine zweckmäßige Phasenvoreilung durch die Phttsenkompcnsiersehuliung PCcrtellt,

und diese Spannung wird auf einen dem gewühlten Bereich entsprechenden Wert gedämpft. Die resultierende Spannung wird über den Gleichstrom/Wechselstrom-Wandlerteil CH und den Ausgangsteil OUT an die Steuerphase des Abgleichmolors BM angelegt. Andererseits wird ein weißes Rauschen vom Generator HN an die Verzweigung Y angelegt und durch den Verstärker AP der Phasenkompensierschaltung PC verstärkt. Das verstärkte Ausgangssignal wird als Zitterspannung über die Dämpfungsglieder MTTl und -47T2 an den Abgleichmotor ßMangelegt.

Im Vergleich zum Instrument gemäß Fig. 1 besitzt diese abgewandelte Ausführungsform die folgenden Vorteile: Das durch den Generator HN erzeugte weiße Rauschen wird mittels des Verstärkers AP verstärkt, der ein Bauteil der Phasenkompensierschaltung bildet. Hierdurch wird die Notwendigkeit eines Verstärkers im Generator HN für weißes Rauschen, wie in Fig. 1, vermieden, so daß die Zahl der Schaltungsbautcile verringert wird und die Gesamtkosten für die Vorrichtung herabgesetzt werden.

Wie erwähnt, schafft die Erfindung somit ein höchst vorteilhaftes selbstabgleichendes Vielbereich-Instrument, bei welchem die tote Zone klein und unabhängig von den Meßbereichen konstant gehalten wird und bei welchem die Phase mittels einer verbesserten Phasenkompensierschaltung wirksam eingestellt werden kann.

Obgleich vorstehend nur einige Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben sind, sollen diese die Erfindung lediglich erläutern und keinesfalls einschränken, da innerhalb des Rahmens der Erfindung selbstverständlich gewisse Änderungen und Abwandlungen möglich sind.

Zusammenfassend wird mit der Erfindung also ein selbstabgleichendes Vielbereich-Instrument unter Verwendung einer Zenerdiodenschaltung und einer Phasenkompensierschaltung geschaffen. Die Zenerdiodenschaltung vermag ein weißes Rauschen zu erzeugen, das effektiv an das selbstabgleichende System angelegt wird, wodurch die tote Zone unabhängig von den Bereichen konstant gehalten wird. Die einen nichtinvertierenden Eingangsverstärker aufweisende Phasenkompensierschaltung vermag durch Einstellung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers die Phasennacheilung des selbstabgleichenden Instruments zu kompensieren, ohne die Stabilität des Servoverstärkersystems zu beeinträchtigen.

4 HIaIi

5

Claims

Patentansprüche:

1. Selbstabgleichendes Kompensationsmeßgerät mit einer Normalspannungsquelle mit einem Potentiometer, dessen Einstellung von einem Abgleichmotor gesteuert wird und welches eine Kompensationsspannung am Potentiomet«rabgriff erzeugt, die über eine einstellbare Phasenkompensationsschaltung in Form wenigstens eines Widerstandes und einer ι ο Kapazität zu einer Vergleiehsstufe gelangt, die einen Vergleich mit einer zu messenden Spannung durchführt und ein den Abgleichmotor steuerndes Abgleichsignal erzeugt, und mit Mitteln zur Verstärkung des Abgleichsignals, dadurch gekenn- is zeichnet, daß ein Generator (HN) für weißes Rauschen mit der Phasenkompensationsschaltung (PC) verbunden ist, derart, daß das weiße Rauschen des Generators (H) der Kompensationsspannung überlagert wird und zum Abgleichmotor (BM) :o gelangt, und daß die Phasenkompensationsschaltung (PC) einen nicht invertierenden in der Verstärkung veränderlichen Verstärker (Λ/>> enthält, der in Reihe mit der Kapazität (CP) parallel zum Widerstand (RP2) geschaltet ist. >5

2. Kompensationsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator für weißes Rauschen (HN) mit dem Eingang oder dem Ausgang der Phasenkompensationsschaltung (PC) verbunden ist.

3. Kompensationsmeßgerät nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (HN) für weißes Rauschen eine Zenerdiode (DH), einen Widerstand (RH5) und eine Gleichspannungsquelle (Ei) enthält, die zueinander parallel geschaltet .vs sind.

4. Kompensationsmeßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (HN) für weißes Rauschen einen mit der Zenerdiode (DH) in Reihe geschalteten Widerstand (RHi) und einen Transistor (TH) enthält, dessen Basis mit dem Verbindungspunkt zwischen Zenerdiode (DH) und Widerstand (RH 1) verbunden ist.

5. Kompensationsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (RP2) der Phasenkompensationsschaltung (PC) Teil eines ersten Bereichs-Spannungsteiler (ATTl) ist.

6. Kompensationsmeßgerät nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Vergleichsstufe (CH) und den Abgleichsmotor (BM) ein zweiter Bereichs-Spannungsteiler (ATT2), gegebenenfalls über einen Kondensator (CO) und einen Verstärker (Λ 1) geschaltet ist.

7. Kompensationsmeßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bereichs-Spannungsteiler (ATTi) und der zweite Bereichs-Spannungsteiler (ATT2) mechanisch miteinander gekuppelt sind und daß die Spannungsteiler zueinander umgekehrtes Dämpfungsverhältnis besitzen. (.0