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Meßschaltung
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Die Erfindung betrifft eine Meßschaltung, insbesondere für Wechselspannungsintegratoren
von Kalibriergeräten, mit genauem übertragungsverhältnis, die eine Gleichspannungsquelle
aufweist.
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Bei einem Wechselspannungsintegrator der eingangs genannten Art soll
das Verhältnis Eingangsspannung/Ausgangsspannung möglichst exakt sein. Ein Wechselspannungsintegrator,
der diese Forderung erfüllt, wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert.
Bei der Integration von Wechselspannungen ist eine Phasenverschiebung zwischen der
Eingangsspannung und der Ausgangsspannung um 90° erwünscht, infolgedessen nur ein
aktiver Integrator Verwendung finden kann. Bei einem Wechselspannungsintegrator
der unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebenen Art ist ein Präzisionskondensator
zu verwenden, um ein die erforderliche Exaktheit lieferndes Obertragungsverhältnis
zu gewährleisten. Die Schwierigkeit,
ein exaktes Übertragungsverhältnis
sicherzustellen, resultiert daraus, daß Wechselspannungen im mV-Bereich nicht mit
hoher Genauigkeit gemessen werden können. Ein Wechselspannungsintegrator, der mit
hoher Genauigkeit arbeiteten soll, d.h. ein exaktes Ubertragungsverhältnis haben
soll und zu diesem Zweck einen Präzisionskondensator verwendet, so daß der erforderliche
Widerstand berechnet werden kann, ist nur dann wirtschaftlich, wenn die Schaltung
in geringen Stückzahlen erforderlich ist,Darüberhinqus sind Präzisionskondensatoren
sehr teuer und relativ groß.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Meßschaltung
zu schaffen, mit welcher das Übertragungsverhältnis von Wechselspannungsintegratoren
auf einfache Weise meß-und einstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil
des Hauptanspruchs gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Hit der erfindungsgemäßen Meßschaltung kann insbesondere bei solchen
Wechelspannungsintegratoren ein exaktes Ubertragungsverhältnis ermittelt und eingestellt
werden, die keine Präzisionskondensatoren verwenden, so daß nicht nur der Einstellvorgang
als solcher im Gegensatz zu der bisher notwendigen Berechnung des Widerstandswertes
vereinfacht ist, sondern auch Wechselspannungsintegratoren hergestellt werden können,
die keines Prüzisionskandensators bedürfen und damit billig produzierbar
sind.
Außerdem sind solche Wechselspannungsintegratoren infolge der Ublichen Kondensatoren
kleiner Dimension dann vorteilhaft einzusetzen, wenn nur geringer Platz zur Verfügung
steht.
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Mit der erfindungsgemäßen Meßschaltung ,lüßt sich mit Hilfe eines
Gleichspannungsintegrators mit einem herkömmlichen Kondensator, d.h. ohne Präzisionkondensator,
auf einfache Weise die durch das RC-Glied bestimmte Zeitkonstante messen. Falls
die ermittelte Zeitkonstante nicht das gewünschte Ubertragungsverhältnis erbringt,
kann durch Änderung des Widerstandswertes des RC-Gliedes eine entsprechende Änderung
vorgenommen werden, die auf einfache und schnelle Weise durch wiederholte Messung
UberprUfbar ist.
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Das RC-Glied, das vorzugsweise die Form eines steckbaren Bauelements
hat, wird nach erfolgtem Abgleich aus der Meßschaltung entfernt und in einen Wechselspannungsintegrator
entsprechend Fig. 1 als dessen RC-Glied eingesetzt.
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Durch die erfindungsgemäße Meßschaltung läßt sich das Ubertragungsverhältnis
um einen Faktor 10 genauer festellen, als es bisher realisierbar war.
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Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Meßschaltung anhand der Zeichnung zur Erläuterung weiterer Merkmale beschrieben.
Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines bekannten Präzisionswechselspannungsgenerators,
der einen Präzisionskondensator aufweist,
Fig. 2 eine mögliche Meßmethode
zur Einstellung des Widerstondswertes des RC-Gliedes, dessen Kondensator kein Präzisionskondensator
ist, Fig. 3 die Meßschaltung gemäß der Erfindung, zusammen mit einem Gleichspannungsintegrator,
der keinen Präzisionskondensator aufweist, und Fig. 4a bis 4c Darstellungen zur
Erläuterung der Meßschaltung und des abgleichbaren RC-Gliedes.
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In Fig. 1 ist ein bekannter Präzisionswechselspannungsintzegrator
1 gezeigt. Der Integrator weist einen Verstärker 10 auf, über den eine Parallelschaltung
aus einem Präzisionskondensator 2 und einem# -Glied, bestehend aus einem Widerstand
3 und 4 sowie einem weiteren Kondensator 5, geschaltet ist. Am Eingang des Verstärkers
10 liegt ein weiterer Widerstand 6, dem die Eingangsspannung U eingeprägt wird.
Die e Ausgangsspannung des Prüzisionswechselspannungsintegrators 1 ist mit U bezeichnet.
Das Phasenverhältnis zwischen Eingangsa und Ausgangsspannung ist um 900 verschoben.
Die Ausgangsspannung U ergibt sich wie folgt:
Die Widerstände 3 und 4 und der Kondensator 5 dienen der Einstellung des Gleichspannungsarbeitspunktes
des Integrators.
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Da Wechselspannungen im mV-Bereich nicht mit hoher Genauigkeit gemassen
werden können, weist der dargestellte Integrator einen Präzisionskondensator 2 auf,
weshalb über die Gleichung (1)
der notwendige Widerstand für ein
bestimmtes Ubertragungsverhältnis berechnet werden kann. Eine derartige Methode,
ein bestimmtes, genaues Übertragungsverhältnis zu erhalten, ist nur für Wechselspannungsintegratoren
mit geringer StUckzahl wirtschaftlich. Zudem sind die im Handel erhältlichen Prüzisionskondensatoren
sehr teuer und erfordern relativ großen Platzbedarf. Wenn daher der Prdzisionskondensator
2 durch einen ungenaueren Kondensator ersetzt werden soll, ist eine Meßschaltung
zu konzipieren, mit welcher eine Widerstandseinstellung des RC-Gliedes des Wechselspannungsintegrators
derart möglich ist, daß ein exaktes Ubertragungsverhältnis erreicht werden kann.
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Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer Meßschaltung mit einem Wechselspannungsintegrator
1, der in seinem Schaltungsaufbau dem in Fig. 1 gezeigten Integrator entspricht.
Anstelle des Prdzisionskondensators 2 ist ein herkömmlicher Kondensator 7 vorgesehen,
dessen Genauigkeit geringer als die eines Prüzisionskondensators ist. Um ein genaues
Übertragungsverhältnis durch entsprechende Widerstandseinstellung erreichen zu können,
ist für den Integrator 1 eine Meßschaltung erforderlich, die aus einem zweiten Integrator
mit Prdzisionskondensator besteht.
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Die Meßschaltung noch Fig. 2 setzt sich aus einem Verstärker 10, einem
parallel zum Verstärker 10 liegenden Prdzisionskondensotor 11 und einem parallel
zum Präzisionkondensator 11 geschalteten# -Glied zusammen, welches aus Widerständen
12 und 13 und einem Kondensator 14 besteht. Am Eingang der Meßschaltung liegt ein
weiterer Widerstand 15. Der eine Spannung Ual liefernde Ausgang 16 der Meßschaltung
und der Ausgang 17 des Integrators 1 werden zu Meßzwecken an den Differenzeingang
eines Oszillographen
angeschlossen. Das exakte Ubertragungsverhältnis
des Integrators 1 läßt sich durch Differenzmessung dadurch erhalten, daß ein Potentiometer
18 im Integrator 1 solange gedreht wird, bis die am Oszillographen 19 erhaltene
Spannung den Wert Null erreicht. Mit Hilfe dieser Meßschaltung ist es lediglich
erforderlich, daß das Potentiometer 18, der Widerstand 6 und der Kondensator 7 des
Integrators 1 die erforderlichen Temperaturkoeffizienten haben.
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Bei der Ausführung der Messung und Einstellung des Ubertragungsverhultnisses
entsprechend der Schaltung nach Fig. 2 hat sich gezeigt, daß der Einsatz der beiden
unterschiedlichen Kondensatoren 7 und 11 in den beiden Integratoren eine Einstellung
der Spannungsdifferenz am Oszillographen 19 auf Null praktisch nicht realisieren
läßt. Kondensatoren mit hoher Genauigkeit, z.B. in der Größenordnung von 0,1 %,
bestehen zum Großteil aus Glimmer und haben daher einen hohen Verlustfaktor. Ein
derartiger Kondensator, der dem Kondensator 11 in Fig. 2 entspricht, resultiert
in Verbindung mit einem ungenauen Kondensator 7, z.B. in Form von Keramikvielschichtkondensatoren,
die einen niedrigen Temperaturkoeffizienten haben, in unterschiedlichen Phasenverschiebungen
der beiden Integratoren, so daß ein Abgleich der Spannungsdifferenz auf Null nicht
möglich ist.
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Weiter nachteilig ist, daß die erreichbare Genauigkeit des Integrators
der Meßschaltung von dem verwendeten Präzisionskondensator 11 abhängig ist.
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Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird im folgenden eine bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Meßschaltung zusammen mit einem Gleichspannungsintegrator
erläutert.
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In Fig. 3 ist der Gleichspannungsintegrator mit 20 bezeichnet. Der
Gleichspannungsintegrator weist einen Verstärker auf. Ein Kondensator 22 und ein
Widerstand 26 sind nicht Bestandteil der Neßschaltung; diese Bauelemente bilden
ein steckbares RC-Glied, das nach seinem Abgleich in der erfindungsgemößen Meßschaltung
aus dieser entfernt und in den Wechselspannungsintegrator eingegeben wird.
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Das aus den Bauelementen 22, 26 bestehende RC-Glied wird also ausschließlich
zum Zwecke eines Abgleichs in die in Fig. 3 gezeigte Meßschaltung eingesetzt und
wird nach erfolgtem Abgleich aus der Meßschaltung wieder entfernt und in den Wechselspannungsintegrator,
wie er beispielsweise in Fig. 1 dargestellt ist, als die Bauelemente 2 und 6 bildendes
Teil eingesetzt, wie später unter Bezugnahme auf Fig. 4a bis 4c beschrieben ist.
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Den Widerstand des RC-Gliedes bildet ein Widerstand 26, der variabel
(Potentiometer) ist. Der Gleichspannungsintegrator 20 in Fig. 3 ist somit Bestandteil
der Meßscholtung. Die Meßschaltung weist ferner eine eine Gleichspannung U1 erzeugende
Gleichspannungsquelle 27 und einen Spannungsteiler 28, vorzugsweise einen Prüzisionspannungsteiler
auf; ausgangsseitig der Meßschaltung sind eine Komparatorschaltung 29 und eine dieser
nachgeschaltete logische Einrichtung 30 vorgesehen.
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Der Spannungsteiler 28 enthält Widerstände 31, 32 und 33 und ist über
den Widerstand 33 an Masse geschaltet. Der
Widerstand 31 ist an
den Eingang des Integrators 20 geschaltet. Die Verbindung zwischen den Widerständen
31 und 32 sowie zwischen den Widerständen 32 und 33 ist mit der Komparatorschaltung
29 verbunden.
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Wie Fig. 3 zeigt, ist der negative Eingang des Verstärkers 21 mit
dem Widerstand 26 verbunden, während der positive Eingang an Masse geschaltet ist.
Der Ausgang des Integrators 20 ist über einen Inverter 35 mit der Komparatorschaltung
29 verbunden. Gemäßt der dargestellten AusfUhrungsform weist die Komparatorschaltung
29 zwei Komparatorglieder 36, 37 auf, von denen das Komparatorglied 36 mit seinem
positiven Eingang an die Verbindung zwischen den beiden Widerständen 31 und 32 geschaltet
ist.
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Der negative Eingang des Komparatorgliedes 36 ist mit dem positiven
Eingang des Komparatorgliedes 37 verbunden und außerdem an den Ausgang des Inverters
35 geschaltet. Der negative Eingang des Komparatorgliedes 37 ist an die Verbindung
zwischen den beiden Widerständen 32 und 33 geschaltet. Die Ausgänge der beiden Komparatorglieder
36 und 37 bilden die Eingänge zu einem UND-Glied 38 der logischen Einrichtung 30.
Der Ausgang des UND-Gliedes 38 ist mit einem Eingang eines zweiten UND-Gliedes 39
der Einrichtung 30 verbunden, während der zweite Eingang des UND-Gliedes 39 mit
dem Ausgang eines Impulsgenerators 40 verbunden ist. Der Ausgang des UND-Gliedes
39 liefert einen der Zeitkonstante des RC-Gliedes des Integrators 20 entsprechenden
Wert und kann an einen Zähler 41 angeschlossen sein.
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Zwischen dem negativen Eingang und dem Ausgang des Verstärkers 21
liegt eine Schalteinrichtung 42, die Bestandteil der Meßschaltung ist.
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Im folgenden wird die Arbeitweise der erfindungsgemäßen Meßschaltung
zur Einstellung eines genauen Ubertragungs verhältnisses des Integrators 20 erläutert.
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Die von der Gleichspannungsquelle 27 erzeugte Gleichspannung wird
an den Präzisionsspannungsteiler 28 angelegt und in einem vorbestimmten Verhältnis
geteilt. Vorzugsweise ist das Verhältnis des Prüzisionsspannungsteiler so gewählt
, daß an der mit A bezeichneten Verbindung zwischen den Widerständen 32 und 33 eine
Spannung 0,1 U1 anliegt, während am Verbindungspunkt B zwischen den Widerständen
31 und 32 eine Spannung von 0,9 U1 vorliegt. Die Spannung 0,9 U1 wird damit dem
positiven Eingang des Komparatorgliedes 36 und die Spannung 0,1 U1 dem negativen
Anschluß des Komparatorgliedes 37 zugeführt. Außerdem gelangt die Spannung U1 über
den aktiven Gleichspannungsintegrator 20 zum Inverter 35 und wird in invertierter
Form an den negativen Eingang des Komparatorgliedes 36 sowie an den positiven Eingang
des Komparatorgliedes 37 angelegt.
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Bei geschlossenem Schalter 42 liegt die Bedingung U3 = -U2 = 0 vor,
wobei U2 die Spannung am Ausgang des Integrators 20 und
Uad die
Spannung am Ausgang des Inverters 35 sind. Die Spannung am Verbindungspunkt A beträgt
dabei 0, 1 U1 und die Spannung am Verbindungspunkt B 0,9 U1. Damit ergibt sich am
Ausgang des Komparatorgliedes 36 als Spannung Ukl eine positive Betriebsspannung
und am Ausgang des Komparatorgliedes 37als Spannung Uk2 eine negative Betriebsspannung.
Der mit U4 bezeichnete Ausgang des UND-Gliedes 38 ist in diesem Fall gleich Null.
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Wird der Schalter 42 geöffnet, dann ergibt sich U2 zu
daU3 =-U2 infolge des Inverters 35 ist, steigt U3 linear an.
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Der Spannungsanstieg von U3 ist linear proportional zu -Erreicht die
Spannung U3 den durch den Spannungsteiler bestimmten Wert 0,1 U1, gibt der Komparator
37 ein Ausgangssignal ab, d.h. Uk2 entspricht der positiven Betriebsspannung. Da
Ukl eine positive Betriebsspannung, d.h. ein Signal liefert, wie dies vorstehend
in Bezug auf den geschlossenen Schalter 42 erläutert ist, liegen am UND-Glied 38
zwei positive Betriebsspannungen vor, so daß das UND-Glied 33 als Ausgang U4 eine
positive Betriebsspannung aufweist. Die positive Betriebsspannung als Signal U4
wird solange erzeugt, bis die Spannung U3 den Wert 0,9 U1 erreicht und das komparatorglied
36 umgeschaltet wird, d.h. als Signal Ukl eine negative Betriebsspannung erzeugt
wird. Dadurch wird U4 gleich Null. Die Spannung U4 entspricht solange der positiven
Betriebsspannung, wie die Spannung U3 zum Durchlaufen der Spannung (0,9 - 0,1) U1
benötigt.
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Solange die Spannung U4 der positiven Betriebsspannung entspricht,
wird das UND-Glied 39 angesteuert und erzeugt als Ausgang ein Signal jeweils bei
Vorliegen eines Impulses des Impulsgenerators 40 an seinem zweiten Eingang. Die
von dem UND-Glied 39 erzeugten
Ausgangsimpulse werden einem Zähler
41 zugeführt.
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Der Impulsgenerator 40 kann beispielsweise Impulse mit einer Frequenz
von 1 MHz abgeben. Die vom Zähler 41 gezählten Impulse ergeben sich bei dem vorstehend
erwähnten Spannungsteilerverhältnis entsprechend Gleichung 3: I = 0,8 - R ' C #
106 Imp /sec (3) Dabei ist R der Wert des Widerstandes 26 und C der Wert des Kondensators
22. Allgemein ergibt sich damit für die Ausgangsimpulse des UND-Glieds 39, d.h.
der logischen Einrichtung 30, bei einem Spannungteilerverhältnis A : B, wenn A dem
Wert am Verbindungspunkt A und B dem Wert am Verbindungspunkt B entspricht, die
Gleichung I = (B - A)#R#C#106 Imp/sec Aus dieser Gleichung läßt sich durchentsprechende
Einstellung des Widerstandswertes 26 entsprechend der Gleichung (1) das jeweils
gewünchste genaue Übertragungs-Verhältnis Ua/Us erhalten, welches abhängig vonound
dem Produkt RC ist, wie die Gleichung (1) zeigt. Das Produkt RC ist dabei die Zeitkonstante,
die gemäß der Meßschaltung nach Fig. 3 Uber die Gleichspannungsmessung als die Zahl
der von der Einrichtung 30 abgegebenen Impulse, beginnend mit dem Öffnen des Schalters
42,gezählt werden kann.
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enn gemäß der vorstehenden Beschreibung das Spannungsteilerverhältnis
derart gewählt ist, daß am Punkt A der Wert 0,1 U1 und am Verbindungspunkt B der
Wert 0,9 U1 vorliegt, ergibt sich bei einer Impulsfrequenz von 1 MHz des Impulsgenerators
40 und einer Zeitkonstante RC = 1 sec der Wert I = 800 000 Impulse.
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Die Spannung an den Verbindungspunkten A und B kann auch auf beliebig
andere Potentiale festgesetzt sein, z.B. auf 1,0 U1 am Verbindungspunkt B und 0,1
U1 am Verbindungspunkt A.
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Aus Gleichung (1) ergibt sich dann I = 0,9 RC 106 Imp/sec.
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Vorzugsweise wird für den Verbindungspunkt A ein Wert gewählt, der
nicht kleiner als 0, 1 U1 ist, um eine Verringerung der Genaufgkeit derfinstellung
des Übertragungsverhältnisses Ua/Ue infolge von Offset-Spannungsänderungen der Verstärker
21 und 35 sowie der Komparatorglieder 36, 37 zu vermeiden. An den Verstärkern und
Komparatorgliedern ist auf übliche Weise ein Offset-Sponnungsubgleich durchzuführen.
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Die Wahl des Spannungteilverhältnisses wird vorzugsweise derart vorgenommen,
daß der Verstörker 21 einen niedrigen Vorspannungsstrom (Biasstrom) und eine niedrige
Offset-Spannungsdrift hat, während der Verstärker 35 ebenfalls eine niedrige Offset-Spannungsdrift
aufzeigen sollte. Wegen des Einflusses auf den Kondensator 22 sollte die Schalteinrichtung
42 einen hohen Isolationwiderstand haben. Bevorzugt werden Komparatorglieder 36
und 37 verwendet, die sehr schnell ansprechen und eine Slew-Rate von > 10 V/sec
haben, da die Komparatorglieder den doppelten Wert der Betriebsspannung durchlaufen.
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Die erfindungsgemäße Meßschaltung ermöglicht eine Erhöhung der Genauigkeit
bei der Einstellung des Übertragungsverhältnisses um einen Faktor 10 bei gleichzeitigem
Verzicht auf einen Präzisionskondensator. Dabei läßt sich die Zeitkonstante des
RC-Gliedes auf einfache Weise durch eine Gleichspannungsmessung ermitteln.
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Der Widerstand 26 kann ein Potentiometer sein, so daß eine entsprechende
Einstellung der Zeitkonstante bei in die Meßschaltung eingesetztem Integrator vorgenommen
werden kann (bei geschlossener Schalteinrichtung 42) und (durch Öffnen der Schalteinrichtung
42) die Einstellung sofort uberprüfbar ist.
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Fig. 4a zeigt einen Teil der erfindungsgemäßen Meßschaltung von Fig.
3 ohne eingesetztem, abzugleichenden RC-Glied.
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Das RC-Glied ist schematisch in Fig. 4b dargestellt und mit 45 bezeichnet.
Wie bereits erwähnt, wird das RC-Glied 45 zu seinem Abgleich entsprechend Fig. 4c
in die in Fig. 4a nur teilweise wiedergegebene Meßschaltung eingesetzt. Die einander
entsprechenden Anschlüsse des RC-Gliedes 45 und der Meßschaltung sind mit gleichen
Buchstaben A, B und C bezeichnet.
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Das RC-Glied, welches beispielswelse in Form einer vergossenen, steckbaren
Einheit ausgebildet ist, wird nach erfolgtem Abgleich wieder aus der Meßschaltung
entfernt und im abgeglichenen Zustand in einen Wechselspannungsintegrator entsprechend
Fig. 1 anstelle der dort gezeigten Bauelemente 2 und 6 eingebaut.
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Mit der erfindungsgemäßen Meßschaltung läßt sich eine Genauigkeit
von wenigstens 0,01% erreichen, d.h. es sind Wechselspannungsintegratoren mit der
erfindungsgemäßen Meßschaltung erreichbar, deren Übertragungsverhältnis äußerst
genau einstellbar ist.