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Temperaturkompensation von Meßkreisen mit Gleichstrommeßgerät Trockengleichrichter
sind in sehr starkem Maße temperaturabhängig, wie aus den in Fig. r dargestellten,
für verschiedene Temperaturen aufgenommenen Stromspannungscharakteristiken eines
Kupferoxydulgleichrichters anschaulich hervorgeht. Man hat vorgeschlagen, diese
bei Verwendung des Trockengleichrichters für Meßzwecke . sehr unangenehm in Erscheinung
tretenden Nachteile durch Vorschaltung eines V orwiderstandes, dessen Temperaturgang
dem des Trockengleichrichters entgegengesetzt ist, zu beseitigen. Die praktische
Ausführung begegnet jedoch Schwierigkeiten, da der Temperaturkoeffizient der üblichen
zur Verfügung stehenden Widerstandsmaterialien (z. B. Kupfer, Manganin) um eine
Größenordnung kleiner ist als der der Trockengleichrichter. Infolgedessen wird der
V orwiderstand sehr groß gegenüber dem Widerstand des Trockengleichrichters, was
abgesehen von dem hohen Aufwand zu einer Verringerung. der möglichen Leistungsaufnahme
des MeB.kreisies führt.
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Man ist daher neuerdings von dieser Art der Temperaturkompensation
ganz abgegangen und hat in den Meßkreis einen Regelwiderstand mit Temperaturskala
gelegt und stellt diesen Widerstand vor jeder Messung entsprechend der an einem
Thermometer abgelesenen Temperatur ein. Diese Anordnung erfordert jedoch, abgesehen
von dem durch sie bedingten etwas komplizierten Aufbau der Meßeinrichtung, eine
besondere Bedienung, die zwar bei Einzelmessungen u. U. vielleicht wenig bedeutet,
bei Verwendung der Trockengleichrichterschaltung in Verbindung mit Registriergeräten
u. dgl. aber störend in Erscheinung tritt.
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Durch die Erfindung ist es gelungen, vermittels einer besonderen Bemessung
eines festen Vorwiderstandes bzw. des außerhalb des Gleichrichters im Meßkreis vorhandenen
Widerstandes das Problem der selbsttätigen Temperaturkompensation unter Vermeidung
der obenerwähnten Nachteile in einfachster Weise zu lösen. Die Erfindung beruht
auf Untersuchungen, die die eigenartige Erscheinung aufzeigten, daß die Kurve, die
das Verhältnis des vom Gleichrichter bei einer Temperatur ü gelieferten Gleichstromes
127 zu dem vom Gleichrichter bei der für die Meßschaltung vorausgesetzten Normaltemperatur
19, (in der Regel ao° C) gelieferten Gleichstrom 1190 in Abhängigkeit von der Temperatur
darstellt, für einen bestimmten Wert des im Meßkreis außer dem Gleichrichter vorhandenen
Widerstandes überraschenderweise sowohl bei Über- wie auch Unterschreiten
der
Normaltemperatur ü, abfällt und in der Nähe der Normaltemperatur sehr flach verläuft,
so daß man sie noch bei -I- 5 ° C Abweichung von der Normaltemperatur ,&" nahezu
als eine Parallele zur Abszissenachse auffassen kann. Das bedeutet praktisch, daß
der Gleichstrom bei Abweichungen der Temperatur von der Normaltemperatur um praktisch
in Betracht kommende Beträge nahezu konstant ist. , Im Gegensatz zu der früheren
Kompensation mittels eines großen, temperaturabhängigen Widerstandes ist bei der
neuen Anordnung ein besonderer Temperaturgang des festen Widerstandes nicht notwendig.
Es ist vielmehr vorausgesetzt, @daß der Temperaturkoeffizient des Widerstandes Null
ist oder doch gegenüber dem Temperaturkoeffizienten des Gleichrichters klein ist,
wie es bei Verwendung der üblichen Widerstandsmaterialien der Fall ist. Unter diesen
Verhältnissen ergibt sich bei gebräuchlichen Trockengleichrichterschaltungen für
den im Meßkreis auerhalb des Gleichrichters vorhandenen Widerstand ein Wert, der
in der Größenordnung des Widerstandes des Trockengleichrichters liegt, somit im
Gegensatz zu der früheren, sich ebenfalls eines festen Widerstandes bedienenden
Temperaturkompensation nicht zu einer wesentlichen Drosselung der Leistungsaufnahme
der Schaltung führt. An-, dererseits hat die Erfindung gegenüber der Kompensation
mit einem Regelwiderstand den Vorteil, automatisch zu wirken.
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Der bestimmte, von einer unten näher angegebenen Konstanten des verwendetenGleichrichters
abhängige Wert des Widerstandes bildet sozusagen einen kritischen Punkt in der Reihe
:der möglichen Widerstandswerte, da überraschenderweise,- wie erwähnt, die Kurve
bei diesem Widerstandswert im Punkt der Normaltemperatur einen sehr flachen Wendepunkt
besitzt, während bei Wahl anderer Widerstandswerte die Kurve
mit zunehmender Temperatur stetig ansteigt bzw. abfällt, d. h. in der Umgebung der
Normaltemperatur gegen die Abszissenachse stark geneigt ist, was eine starke Temperaturabhängigkeit
der Meßschaltung bedeutet. - -Der für die Erfindung wesentliche Widerstandswert
kann für jeden Fall leicht experimentell oder aber auch, wie im folgenden an Hand
eines Beispiels gezeigt sei, auf Grund einiger neuer Erkenntnisse leicht rechnerisch
ermittelt werden. Da bei den empfindlichen Meßschaltungen, wie sie gerade durch
die Verwendung von Trockengleichrichtern in Verbindung mit empfindlichen Gleichstrominstrumenten
möglich sind, am Gleichrichter nur ein sehr kleiner Wechselamplitudenbereich liegt,
kann die i, h-Kennlinie des Trockengleichrichters (Fig. i) in dem benutzten Bereich
als Parabel angesehen twerden, welche durch den Nullpunkt geht und deren Scheitel
im Sperrbereich des Gleichrichters liegt. Wenn i der Strom und h die Spannung bedeuten,
so läßt sich die Parabel darstellen durch die Gleichung
worin der Parameter
den auf die Belastung Null interpolierten Widerstand des Gleichrichters darstellt.
Der Widerstalld r, ergibt sich z. B. aus den Kurven nach Fig. i dadurch, daß man
an diese im Nullpunkt des Koordinatensystems die Tangente legt. Wie ersichtlich,
ist der Widerstand ro, der .im folgenden als Nullwiderstand des Gleichrichters .bezeichnet
sei, in seiner Größe von der Temperatur abhängig.
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Die Größe a in der oben für i angegebenen Gleichung ist ein Maß für
den Gütefaktor G (Verhältnis von Durchlaß- zum Sperrstrom bei Umpolen der Gleichspannung
i%) des Gleichrichters. Für a gilt die Gleichung
Praktische Versuche haben ergeben, daß der Gütefaktor G von der Temperatur unabhängig
ist; infolgedessen ist auch die Größe a von der Temperatur unabhängig.
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Auf Grund dieser neuen Erkenntnis sei nun die Rechnung für die in
Fig.2 dargestellte Tröckengleichrichterschaltung, bei der an der zu messenden Spannung
E sin co t in Reihe ein Trockengleichrichter i, ein Gleichstrommeßgerät 2
mit dem Eigenwiderstand Rg und ein Vorwiderstand g mit dem Widerstand R,, liegen,
weitergeführt. Für den in dieser Schaltung entstehenden Gleichstrom J (arithmetischer
Mittelwert] gilt die Formel
worin ros der Nullwiderstand des Gleichrichters bei der Temperatur t7 ist. Bezeichnet
man den Temperaturkoeffizienten des Nullwiderstandes yos reit a (a ist negativ),
so gilt Yo8 - Yo8o [I T a (e-e0)], worin ro" den Wert des Nullwiderstandes für die
Temperatur e, bedeutet. Fügt man. den Wert für roe in die obige Gleichung für J
ein, so läßt sich die Änderung des Gleichstromes
mit der Temperatur
errechnen. Es ergibt sich
Dieser Ausdruck wird gleich Null, wenn der @'orschaltwiderstand Rv den Wert
erhält, wobei, wie aus dem Rechnungsgang hervorgeht, yo,#-o den Nullwiderstand des
Trockengleichridhters bei der für die betreffende Trockengleichrichterschaltung
anzunehmenden Normaltemperatur 290 - in der Regel 2o° C - darstellt.
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Es ist also zur Herbeiführung der Temperaturkompensation bei der Ausführung
nach Fig.2 der in dem Meßkreis außerhalb des Trockengleichrichters liegende Widerstand,
d. h. der Vorwiderstand Rv und der Widerstand Rg des Gleichstrommeßgerätes so zu
bemessen, daß ihr Widerstandswert halb so groß ist wie der Nullwiderstand des Trockengleichrichters
bei der Normaltemperatur Das Schaubild nach Fig. 3 läßt anschaulich die Verhältnisse
erkennen, die sich durch die besondere Bemessung des Vorwiderstandes Rv unter Berücksichtigung
des Widerstandes Rä und des Widerstandes roz" für die in Fig.2 dargestellte Schaltung
ergeben. Zu diesem Zweck ist das Verhältnis
in Abhängigkeit von der Temperatur dargestellt, wobei als Normaltemperatur 4, der
Wert 2o° C angenommen ist. Die Kurve A veranschaulicht den Verlauf, sofern der Vorwiderstand
Rv gemäß der Erfindung bemessen wird, also für die angenommene Schaltung den Wert
besitzt. Wie ersichtlich, hat die Kurve überraschenderweise in dem Punkt der N ormaltemperatur
»o ein Maximum und verläuft in der Umgebung dieses Punktes sehr flach, so daß man
näherungsweise den Teil in der Umgebung der Temperatur 2o° als eine zur Abszissenachse
parallel. verlaufende Gerade ansehen kann. Bei Abweichung der Temperatur um -I-
5 ° C von der Normaltemperatur treten nur Fehler von etwa i bis 2 % auf.
Die Kurven B und. C veranschaulichen die Verhältnisse, die sich ergeben, sofern
man bei der Bemessung des Vorwiderstandes Rv von dem erfindungsgemäßen Wert abweicht.
Wie ersichtlich, steigen die Kurven B und C beim Durchlaufen des Temperaturbereiches
von o bis ¢o° C ständig an bzw. fallen ständig ab; die Fehler bei -I- 5° C Temperaturabweichung
vom normalen Wert betragen in den dargestellten Fällen nach der Kurve B oder C,
in denen der Widerstandswert des Vorwiderstandes Rv von dem erfindungsgemäßen Wert
nicht einmal sehr stark abweicht, bereits etwa io °/a.
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In ähnlicher Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. z kann
auch bei anderen Meßschaltungen mit Trockengleichrichtern die Temperaturkompensation
gemäß der Erfindung Anwendung finden. Hierzu ist lediglich eine bestimmte Beziehung
zwischen dem Nullwiderstand yoa. des Gleichrichters bzw. der Gleichrichter,
dem Gleichstrominstrumentenwiderstand Rg und dem Vorschaltwiderstand Rv, welcher
gleichzeitig auch innerer Widerstand einer von der zu messenden Spannung oder Stromstärke
gesteuerten Stromquelle, z. B. einer V örröhre, sein kann, zu erfüllen. So läßt
sich ermitteln, daß z. B. für die Schaltungen nach Fig. q. und Fig. 5 die Beziehung
erfüllt sein müß
Die entsprechende Beziehung für die Schaltung nach Fig. 6 ist
Der Nullwiderstand yoao ist dabei für die verschiedenenTrockengleichrichter derSchaltung
nach Fig. 5 oder nach Fig. 6, wie Untersuchungen ergeben haben, gleich groß, sofern
Gleichrichter gleicher Art und Herstellungsserie verwendet werden.
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Die oben entwickelten Regeln für die Temperaturkompensation können
mit Vorteil auch bei Detektorvoltmetern mit vorgeschalteter Verstärkerröhre Anwendung
finden. Die Fig. 7 veranschaulicht die übliche Schaltung dieser Detektorvoltmeter.
a und b sind die Meßklemmen, über die die zu messende Spannung mit ihrem
einen Pol unmittelbar an das Gitter der Röhre i o und mit ihrem anderen Pol über
einer. Gegenkopplungswiderstand i i an die Glühkathode der Röhre gelegt wird.
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Im Anodenkreis der Röhre liegt ein-Übertrager 12, dessen Primärwicklung
mit ihrer einen Klemme unmittelbar an die Anode der Röhre und mit ihrer anderen
Klemme an die Gleitbürste i 111, zu der auch die Meßklemme b führt, angeschlossen
ist. An der Sekundärwicklung des Übertragers 12 liegt eine Doppelweggleichrichtungsschaltung
mit den Gleichrichtern 13 und 14 und dem Gleichstrommeßgerät 15. Der Nullwiderstand
der Gleichrichter 13 und 14 bei der Normaltemperatur e, sei wieder mit yoso und
der Eigenwiderstand des Meßgerätes 15 mit Rg bezeichnet. Die Meßanordnung nach Fig.7
wird
in bekannter Weise vor jeder Messung in der sog genannten in Fig.8 dargestellten
Pfeifpunktschaltung jeweils neu geeicht, inderdÄnderungen der Verstärkung der Röhre
oder des Anodenwiderstandes durch entsprechende Veränderung der Gegenkopplung, d.
h. durch Verschieben der Gleitbürste, ja auf dem Widerstand i i, so ausgeglichen
werden, daß das Verhältnis der Anodenspannung Spannung am Detektorkreis) zu der
an den Meßklemmen liegenden Spannung konstant ist. Hierzu wird in der in Fig.8 dargestellten
Schaltung die Röhre in den Eigenschwingungszustand versetzt und die Bürste 1 i a
auf dem Widerstand i i so lange verschoben, bis der Zeiger des Meßgerätes sich auf
eine bestimmte Eichmarke einstellt.
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Es ist leicht einzusehen, daß die Eichung infolge der starken Temperaturabhängigkeit
der Gleichrichter 13 und 14 in starkem Maße temperaturabhängig ist. Die Temperaturabhängigkeit
kann beseitigt werden, wenn in die Eichschaltung gemäß Fig.8 besondere Zusatzvorwiderstände
16 und 17 eingefügt und diese Widerstände. entsprechend den oben entwickelten Regeln
bemessen werden. Wird der Widerstandswert des Widerstandes 16 b-zw. des gleich großen-
Widerstandes. 17 mit Rz bezeichnet, so muß, damit die Anzeige .des Meßgerätes 15
temperaturunabhängig wird, d. h. daß das Meßgerät 15 nach erfolgter Eichung der
Schaltung jeweils die an die Klemmen a., b gelegte Spannung richtig anzeigt, die
folgende Beziehung erfüllt -sein
wobei RZ der innere Widerstand der Röhre ist.
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Die in der Eichstellung nach Fig.8 der Schaltung verwendeten Teile
der Schaltung sind mit den Teilen .der Fig. 7, soweit sie mit den gleichen Bezugszeichen
bezeichnet sind, identisch. Bei der praktischen Ausführung des Gerätes ist ein besonderer
Schalter vorgesehen, durch den in einfacher Weise das Gerät von Maßstellung auf
Eichstellung und umgekehrt umgeschaltet werden kann. Die Widerstände 16 und 17 werden
nur in der Eichstellung der Meßanordnung benutzt.
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Wenn in der Beschreibung und in den Ansprüchen schlechthin von einem
Trockengleichrichter die Rede ist, so ist darunter selbstverständlich - nicht nur
ein einzelner Gleichrichter, sondern auch eine Einheit oder Schaltung von mehreren
Gleichrichtern zu verstehen. Die entwickelten Regelnder Temperaturkompensgtion können
außer bei Verwendung von Trockengleichrichtern, z. B. Kupferoxydulgleichrichtern,
selbstverständlich auch bei Gleichrichtern Verwendung finden, die hinsichtlich ihrer
Temperaturabhängigkeit den Trockengleichrichtern entsprechen.