DE3407602A1

DE3407602A1 - Spannungs- und widerstandsuebersetzung niederohmiger spannungsquellen bei stromloser spannungsabnahme und erhaltung des signalrauschverhaeltnisses

Info

Publication number: DE3407602A1
Application number: DE19843407602
Authority: DE
Inventors: Werner Prof. Dr. 2308 Preetz Kroebel
Original assignee: KROEBEL WERNER
Current assignee: Hdw-Elektronik 2300 Kiel De GmbH
Priority date: 1984-03-01
Filing date: 1984-03-01
Publication date: 1985-09-05

Description

Spannungs- und Wide'rst andsüberSatzung riiederohmiger Spannungsquellen bei stromloser Spannungsabnahme und Erhaltung des Signalrauschverhältnisses.

Es werden, z.B. in der Metrologie, für Sensoren zahlreiche Schaltungen verwendet, bei denen der innere Widerstand der Sensoren·als Meßwertquelle relativ niederohmig ist (-ca 1-30$-) und wo zugleich diese Quelle nur hochohmig ar» anschließende Verstärker etc. angeschJ sen werden darf. Ein typischer Fall dieser Meßlage liegt bei der Messung elektrolytischer Widerstände mit elektrolytischen Zellen voi Eine hierzu geeigneten Schaltung hat der Anmelder unter P in Verbindung mit einer speziellen Zellenausführung erfunden. In dieser Zelle fließt von einer Mittenelektrode s. Abb. 1) innerhalb eines Isolierrohres symmetrisch nach beiden Rohröffnungen ein konstanter Wechselstrom zu den am Rohrende angebrachten Erd- bzw. Masst elektroden. Zwischen der erwähnten Mittenelektrode und den Erdelektroden sind je zwei weitere ringförmige Meßele'ktrodenpaare. angebracht, über die in der durchfließenden elektrolytischen Flüssig-Ksit ein dem zugehörigen Flüssigkeitswiderstand entsprechender Spannungsfall auftritt. Bei Konstanthaltung des Meßstromes in dieser Zelle und seiner symmetrischen Verteilung in Richtung auf die Rohrenden, kann aus einer Messung dieses Spannungsabfalles die elektrische Leitfähigkeit der Flüssigkeit bestimmt werden, wenn diese Spannung genügend hochohmig abgenommen wird. Aus Gründen der Erreichung einer hohen geometrischen Auflösung beim fieren der Zelle, z.B. im Meer für Zwecke der Salzgehaltsbestimmung, müssen die Querschnitte der Flüssigkeitssäule in der Zelle möglichst groß und die Abstände der Elektroden je eines Meßelektr'odenpaares gering sein. Dadurch ergeben sich im Beispiels fall einer Salzgehaltsbestimmung des Meerwassers nur Werte von ca lOtiLfür' den elektrolytischen Widerstand zwischen den Meßelektroden. Wegen des Zwanges, hochohmig messen zu müssen, ist es nicht möglich den anschließenden Spannungs verstärker hinsichtlich seines Eingangsrauschens durch einen Zwisch transformator anzupassen. Dadurch entsteht ein erheblicher Verlust am Signal-Rauschverhalten, weil die äquivalenten Rauschwiderstände

der anzuschließenden Verstärkerstufen 50 bis 100 mal höher liegen als dem Innenwiderstand der Meßstrecke entspricht.

Diesem Mangel abzuhelfen, der insbesondere negative Auswirkungen für die Erzielung einer hohen Auflösung und Heßgeschwindigkeit hat, dient die im nachfolgenden beschriebene Schaltung des Erfinders und Anmelders.

Die Grundidee der Erfindung besteht in der Anwendung eines Zwischentransformators, der eine rauschfreie WiderstandäibersetzunQ vom Innenwiderstand der Meßwertquelle auf den Eingang eines angeschlossenen Verstärkers bewirkt. Dieser Zwischentransformator wird jedoch mit einem 2. Zwischentransformator so verbunden, daß die Hochohmigkeit der Spannungsabnahme an der oder den Meßelektroden gewährleistet ist.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise wird auf die schematische Prinzipschaltung in Abb. 2 Bezug genommen. In dieser Abb. 2 sind alle Teile, d. i. im Beispiel einer elektrolytischen Zelle, alle für die Erläuterung des Erfindungsgedankens unerheblichen Teile fortgelassen worden. R stellt dann den sehr niedrigen elektrolytischen Heßwiderstand zwischen den Meßelektroden dar. Er wird von einem konstanten Meßwechselstrom i^c^ const, durchflossen.

Er bildet damit die zu messende Wechselspannungsquelle, die in Bezug auf das erwähnte Beispiel nach Maßgabe des Salzgehaltes des Seewassers schwankt. Um diese Spannung und damit bei den gegebenen geometrischen Dimensionen,die Leitfähigkeit des Elektrolyten hochohmig messen zu können, wird sie an den Sekundärklemmen 3 u. 4 des Transformators T, durch eine Regelungsschaltung nachgebildet, so daß sie dort abnehmbar ist. Diese Nachbildung der rauschfrei verstärkten Wechselspannung von den Klemmen 1 und 2 an die Klemmen 9 u. 10 des Transformators T. wird durch eine Regelschaltung realisiert. Dazu dient de'r Zwischentransformator T₇. Seine Primärklemmen 5 u. 6 sind mit den primären Klemmen 3 u. 4 des Transformators T. in Reihenschaltung an die Klemmen der Meßelektroden 1 u. 2 angeschlossen. Die Sekundärklemmen 7 u. 8 von T sind mit einem geeigneten bzw. optimierten z.B. Operationsverstärker Op verbunden. Dieser Op ist rückgekoppelt über R.. Durch diese Rückkopplung fließt in die Klemmen 9 von T₁ in Richtung 10 ein Strom i

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Dieser Strom regelt sich dann so ein, daß über die Sekundärwicklung 9 u. 10 von T₁ in der Primärwicklung an den Klemmen 3 u. 4 eine gleich große Gegenspannung d.h. amplituden und phasenrichtig zu der Meßwertspannung an den Klemmen 1. u. 2 auftritt. Denn in diesem Fall liegt zwischen den Klemmen 5 u. 6 an der Primärseite des Zwischentransformators T₉ wie auch auf seiner Sekundärseite über den Klemmen 7 u. 8 keine Spannungsdifferenz mehr. D.h. die sekundärseitige Wechselspannung an den Klemmen 9 u. 10 kompensiert über die Primärwicklung an den Klemmen 3 u. 4. die Spannung der Meßwertquelle an den Klemmen 1 u. 2.

Zur strengen Kompensation muß diese sowohl für die Phase der Wechselspannungen erfüllt sein,wie auch für die Amplitude. Dies kann in erster Näherung durch die Dämpfungswiderstände der Transformatoren R₁ u. R„ wie auch R, if<:.R, erreicht werden. In bekann-

PP ^S ''·

ter Weise können zu diesem Zweck auch HiIfskondeneatoren dienen und vor allem die Wahl von Transformatorenmaterial mit hohen Güten gegebenenfalls durch eine passende Wahl der Frequenz der Wechselspannung der Gesamtanordnung.

Die beschriebene Schaltung kann in großen Frequenzbereichen angewandt . werden. Notwendig sind jedoch Phasenkorrekturen, die im wesentlichen schon mit Dämpfüngswiderständen wie zu B mit R₉ und

P R₁ erreicht werden können.

Im übrigen können für Phasenabgleiche alle übrigen bekannten Schal elemente gegebenenfalls auch in Kombination miteinander angewandt werden.

Gemäß der Schaltung in Abb. 2 kann durch einen konstanten Zusatzstrom Ίε-Λ* über R-, in die Klemme 11 eine Grundgegenspannung an de Klemmen 3 u. 4 von Ts erzeugt werden, so daß über den Op nur mehr die Spannungsänderungen durch Stromregelungen von /t^^. erfolgen müssen, die zur vollständigen Kompensation der Meßspannung an den Klemmen 3 u. 4 von T, benötigt werden.

Die Regelungsspannung über die Klemmen 9 u. 10. kann auch über einen passenden Widerstand direkt an die Klemmen 3 u. 4 angeschlossen werden. Die Klemmen 9 u. 10 bilden den Ausgang für den oder die angeschlossenen Verstärkerstufen.

Claims

Spannungs- und Widerstandsübernetzung niederohmiger Spannungsquellen bei stromloser Spannungsabnahme und IOKJl. Erhaltung des Signalrauschverhältnisses

Ansprüche

Anspruch 'Iy

Spannungs- und Widerstandsübersetzung dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung der zu messenden niederohmigen Quelle an den niederohmigen Eingang eines Spannungstransformators und Widerstandswandlers dadurch stromlos angeschlossen wird, daß dieser Transformator über eine Regelung so gesteuert wird, daß an seinem niederohmigen Eingang die Spannung der zu messenden Quelle phasen- und amplitudenrichtig nachgebildet wird.

Anspruch 2

Spannungs- und Widerstandsübersetzung nach Anspruch 1

dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines Signals zur Steuerung des Transformators nach Anspruch 1 in die Zuleitung von der zu regelnden Spannungsquelle zu dem die Spannungsnachbildung erzeugenden Transformators ein zwieter Transformator mit seiner niederohmigen Seite eingefügt wird, über dessen Sekundärseite stets eine Signalspannung liegt bzw. Strom eingespeist wird, die z.B. mittels eines Operationsverstärkers über die Steuerung der Spannungsnachbildung stets praktisch auf ο geregelt wixd.

Anspruch 3

Spannungs- und Widerstandsübersetzung ..,. nach Anspruch 1

u. 2 dadurch gekennzeichnet, daß der regelnde Strom auch über einen hohen Widerstand durch die Primärseite des Transformators geleitet wird, über der die Spannungsnachbildung besteht.