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Meßgerkt mit Ziffernanzeige und Kathodenstrahlröhre
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Die Erfindung betrifft ein Meßgerät mit automatischer Bereichswahl
und Analog-Digital-Umsetzern zur Ziffern-Anzeige mehrerer charakteristischer Parameter
einer Spannung und zur bildlichen Darstellung d(s zeitlichen Verlaufs dieser Spannung
auf dem Schirm einer Kathodenstrnhlröhre, in den auch die Ziffernwerte eingeblendet
werden.
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Während Gleichspannungen durch nur zwei Parameter, nämlich Größe und
Polarität, bestimmt sind, ist dies bei Wechselspannungen im allgemeinen nicht der
Fall. Nur bei exaktem Sinusverlauf ist die Wechselspannung durch Amplitude, Phase
und Frequenz eindeutig definiert, da andere charakteristische Parameter, wie Spitzenwert,
Effektivwert, Gleichrichtwert in fester mathematischer Beziehung zur Amplitude stehen.
Zur vollständigen Erfassung von Spannungen, deren zeitlicher Verlauf von der Sinusform
abweicht, ist eine Fourieranalyse notwendig, die zeitraubend und aufwendig ist.
Einfacher und für viele Zwecke ausreichend ist es, die jeweils interessierenden
Parameter mit geeigneten Meßinstrumenten zu messen und den seitlichen Verlauf mit
hilfe eines Oszillographen sichtbar zu suchen,auf dessen Schirm die Periode und
bei Vorhandensein eines Bezugszeitpunktes auch die Phase abgelesen werden können.
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Ein Beispiel ist die Bestimmung der Parameter einer aus dem Wechselstromnetz
durch Phasenanschnittsteuerung gewonnenen, gleich gerichteten Spannung. Bei dieser
Mischgröße sind s.B. von Interesse: der arithmetische Mittelwert, der Scheiteiwert
und der Anschnittwinkel. U1 diese Größen sit geeigneter Genauigkeit messen zu können,
sind notwendir: 1. ein Mittelwertmeßgerät, 2. ein Scheitelspannungsmeßgerät, 3.
ein Oszillograph. Die ersten beiden Geräte werden im allgemeinen unterschieditohe
Meßbereiche benötigen, wenn beide Or8ßen s6gliobbt genau gemessen werden sollen.
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Ein zweites J3eispiel ist die Überprüfung des niederfrequenten Teiles
cines Fernschapparates. Hier sind vom lierstcller Grenzwerte für die Gleichspannung
und die Schwingungsbreite, d.i. die Differcliæ zwischen dem größten und kleinsten
Wert einer Misdispannung, an verschiedenen clle des Signalflusses vorgeschrieben.
Es ist außerdem zweckmäßig, den zeitlichen Verlauf der Spannungen, deren Wechseistromanteile
nicht sinusförmig sind, mit hilfe eines hathodenstrahloszillographen zu beobachten.
Die Spannungen sind erdfrei. Damit scheiden einfache handelsübliche Oszillographen
aus, da deren Eingang nicht crdfrei ist. Es müßten teure Oszillographen verwendet
werden, die so gebaut sind, daß mit ihnen Spannungsdifferenzen gemessen werden können.
Andererseits leisten auch die cinfachsten Oszillographen in anderer Hinsicht mehr
als für die gestellte Aufgabe benötigt wird.
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Die Lösung der Aufgabe mit drei separaten Geräten hat demnach die
Nachteile daß der Oszillograph einen überflüssig.hohen Kostenanteil des ganzen Meßsystems
darstellt, daß viel Platz benötigt wird, daß drei Meßleitungspaare und meistens
auch drei Netzanschlußleitungen benötigt werden, was ebenfalls Platz beansprucht
und Unübersichtlichkeit des Meßaufbaus bedingt, daß für Messungen z.B.
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in einem Fernsehapparat derselbe Punkt des Signalflusses mit drei
Tastköpfen abgetastet werden müßte, wenn man, was wünschenswert ist, gleichzeitig
messen will, und daß es schließlich nicht möglich ist, den Schirm der Kathodenstrahlröhre
und die auf beiden Geräten, vorzugsweise in Ziffernform, erscheinenden Meßwerte
in einem relativ kleinen Gesichtsfeld zu beobachten.
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Im Katalog der Firma Tektronix, USA, "Tektronix Products 1976" werden
z.B. auf Seite 59, Kathodenstrahloszillographen beschrieben, für die ein Einschub
vorgesehen ist, der als ein Mehrbereichs-Digitalvoltmeter für Gleich- und Wechselspannungen
ausgeführt ist und bei dem die gemessenen Werte in Ziffern auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre
erscheinen. Um erdfrei messen zu können, wird für den Y-Teil ein kostspieliger Differenzeinschub
angeboten.
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Diese Oszillographen gehören zu den erwähnten aufwendigen, teuren
Geräten und sind, wenn Reparaturzwecke berücksichtigt werden, viel zu schwer für
die Ausstattung eines mobilen Servicetechnikers.
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Nachteilig ist ferner, daß in jedem Einschub der lteßbercich gesolldert
eingestellt werden piuß.
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Zur Vermeidung der beschriebenen Nachteile wird zur Lösung der gestellten
Aufgabe ein Meßgerät vorgeschlagen, d die eingangs angegebenen Eigenschaften besitzt
und bei welchem der von der Eingangsspannung U bewirkte Signalfluß von einem Meßeingang
aus in die der Zahl der zu bestimmenden Parameter gleichen oder kleineren Zahl von
Kanälen aufgespalten wird, die vonein:lnder unabhängig arbeiten. Dabei enthalten
die Kanäle Schaitungs gruppen, deren Ausgangsspannungen die durch den in jedem Kanal
zu bestimmenden Parameter definierte Funktionen der Eingangsspannungen sind und
an die Eingänge von in jedem Kanal vorgesehenen Analog-Digital-Umsetzern gelegt
werden. Ferner ist in dem Gerät ein Kathodenstrahloszillograph mit erdfreiem Eingang
eingebaut, dem eine der Wechselspannungskomponente der Spannung U analoge Spannung
zugeführt wird. Dieser Oszillograph hat nur begrenzte Aufgaben zu erfüllen und kann
daher einfach ausgeführt werden.
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Die Schaltungsanordnung eines Meßgerätes entsprechend der Erfindung
ist aus dem Blockschaltbild der Figur 1 ersichtlich, die Figuren 2 und 3 zeigen
Details der Schaltung in bevorzugten Ausführungen. In einem nicht dargestellten
Gehäuse sind eine Kathodenstrahlröhre 5 und alle zu ihrem Betrieb als Oszillograph
unbedingt notwendigen, bekannten und nicht gezeigten Baugruppen vorgesehen. Von
dem Eingangsklemmenpaar 1, das zum Anschluß der zu messenden Spannung U dient, wird
diese beispielsweise zwei Kanälen 2, 3 zugeführt. Jeder Kanal enthält Verarbeitungsbaugruppen,
21, 22 und 31, 32, 33. Die Art der Verarbeitung hängt von dem Parameter der Spannung
ab, der durch den Analog-Digital-Umsetzer dieses Kanals (23 bzw. 34) angezeigt werden
soll.
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Im gezeigten Beispiel der Figur 1 wird. im Kanal 2 die Gleichspannulzgskomponente
messen; was in bekannter Weise durch das Tiefpaßfilter 21 crzielt wird. Auf dicscs
folgt eine Baugruppe 22, die zur automatischen Bereichsumschaltung dient und die
durch den ,Enalog-Digital-limsetzer 23 gesteuert wird. Im Kanal 3 wird durch das
lloehpaßtilter 31, das iin einfachsten Fall ein
Abblockkondensator
sein kann, die Wechselspannungskomponente der Spannung U verarbeitet. flaugruppe
32 ist die zu diesem Kanal 3 gehörende. automatische nercicllsumscllaltung,die vom
zu diesem Kanal gehör<nden Analog-Digital-Umsetzer 34 gesteuert wird. In der
Baugruppe 33 wird die Spannung entsprechend der Funktion F(U) umgeformt, die den
gewünschten Parameter definiert. Die Spannung am Ausgang von 32 ist in ihrem zeitlichen
Verlauf ein unverzerrtes Abbild der Wechselstromkomponente der Eingangsspannung
und wird über den Vorverstärker 4 dem Y-Kanal des Oszillographen zugeftlhrt.
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Gemäß dem gezeigten Anschluß des Oszillographen gilt für diesen derselbe
Meßbereich, wie für die ziffernmäßige Darstellung der Wechsel6pannungslcomponente,
Besonders im Falle ausgeprägter Spitzen der Spannung U ist es wünschenswert, neben
der Gleichspannungskomponente mehr als einen Parameter er Wechselspannungskomponente
zu messen, insbesondere den Gleichrichtwert und die Schwingungsbreite. Dies ließe
sich im Sinne der Erfindung durch die Aufspaltung in drei Kanäle erreichen. Da diese
Aufgabe aber nur fallweise auftritt, werden in einer bevorzugten Ausführung der
Erfindung.in einem Kanal, im allgemeinen im Wechselspannungskanal, zwei iunktionsbildende
Baugruppen vorgesehen, in Figur 2 mit 331 und 332 bezeichnet, von denen durch-Betätigung
der Scllalter 6, 6' jeweils eine solche Spannung dem Analog-Digital-Umsetzer 34
zugeführt wird, die dem gewünschten Parameter der Wechselspannung entspricht.
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Da die Schwingungsbreite immer größer als jede der anderen erwähnten
Parameter einer ltechselspannung ist - im Falle einer sinusförmigen Spannung ist
sie genau gleich dem Gleichrichtwert mal # - und da der Meßbereich auch des Oszillographen
automatisch umgeschaltet wird, könnte in bestimmten Fällen das Bild am Schirm unbefriedigend
klein erscheinen. Daher wird in einer weiteren Ausführung der Verstärker 4 in Abhängigkeit
von der Stellung der Schalter S, 6' so gesteuert, daß in der entsprechenden Funktiollsart,
in Figur 2 in der mit 332 bezelchneten, die Empfindlichkeit des Oszillographen um
einen geeigneten Faktor, z.B. dem Faktor 3, erhöht wird.
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Bei wiederholt aufeinander folgent3tn Messungen an verschiedenen Meßpunkten,
besonders, onn an diesen annäherend gleiche Spannungen liegen, wie dics beispielsweise
beim Abgleich einer Serie von Geräten der Fall ist, wirkt sich eine bei jeder Art
automatischer Bereichswahl auftretende Verzögerung störend aus. Diese entsteht dadurch,
daß beim Übergang von einem Meßpunkt zum nächsten die Spannung U am Gerät zuerst
auf Null absinkt und folglich sich an diesem der empfindlichste Bereich einstellt
und nach dem Anschließen an den nächsten Meßpunkt sich der entsprechende unempfindlichere
Bereich wieder einstellt. Die für das Ilinunter- und -Hinaufregeln benötigte Zeitspanne
bildet die erwähnte Verzögerung.
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Sie wird in einer bevorzugten Ausführung des Meßgerätes entsprechend
der Erfindung dadurch vermieden, daß eine die Steuerung der automatischen Bereichsumschaltungsgruppen
22, 32 beeinflussende Schaltungsgruppe 9 (siehe Figur 3) vorgesehen ist, an der
durch den handbetätigten Schalter zwei Betriebsarten eingestellt werden können:
in der Stellung "Speicher" des Schalters bleibt der bestehende Bereich bei sinkender
Spannung erhalten, bei steigender wird selbsttätig auf den unempfindlicheren umgeschaltet;
das letztere ist zum Schutz des Gerätes vorteilhaft. In der Stellung "Auto" folgt
die Automatik der Bereichsumschaltung der Spannung bei ihrem Absinken, wie bei ihrem
Ansteigen.
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