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Anordnung zum Messen von Gleichspannungen mit einer Verstärkerröhre
Die Messung von Gleichspannungen mit Verstärkerröhren mit einer Schaltung, in der
der Widerstand des Anodenkreises zwischen die Kathode und den Minuspol der Anodenspannung
geschaltet ist, während die zu messende Spannung zwischen dem Minuspol der Anodenspannung
und dem Gitter der Verstärkerröhre liegt, ist bekannt. Das Prinzip dieser Schaltung
läßt sich durch die Merkmale der vorliegenden Erfindung so verbessern, daß handelsübliche
Spannungsmesser zur direkten Anzeige der zu messenden Spannungen benutzt werden
können. In der bisher bekannten Ausführung der Schaltung ist eine unmittelbare Anzeige
des Meßwertes an einem bereits geeichten Gerät nicht möglich.
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.Es wird im folgenden eine Anordnung zum Messen von Gleichspannungen
mittels einer Verstärkerröhre beschrieben, deren Anodenkreis zwischen die Kathode
und den Minuspol der Anodenspannung geschaltet ist, während die zu messende Spannung
zwischen dem Gitter der Verstärkerröhre und dem Minuspol liegt. Erfindungsgemäß
wird nun ein Gleichspannungsmesser verwendet, welcher derart in den Anodenkreis
der Verstärkerröhre geschaltet ist, daß diese durch die Differenz zwischen dem am
Meßgerät auftretenden Spannungsabfall und der zu messenden Spannung gesteuert wird
und daß der Gleichspannungsmesser die zu messende Spannung ohne wesentliche Korrektur
unmittelbar anzeigt.
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An Hand der Abb. I soll das Vorstehende näher erläutert werden. Die
zu messende Spannung Ee ist mit ihrem positiven Pol mit dem Gitter g der Verstärkerröhre
1 verbunden. Diese reguliert nun immer den Anodenstrom, auf einen solchen Wert,
daß der Spannungsabfall 1a R, der zwischen der Kathodek und dem Minuspol b der Anodenspannung
in dem Widerstand R entsteht, ein bestimmtes Verhältnis zur Eingangsspannung Ee
hat. Es gilt nun die Beziehung: Ee Z Em + (- Egk); Egk = E60 - V V
Darin ist Egk der Spannungswert, der zwischen dem Gitter und der Kathode k der Verstärkerröhre
vorhanden ist. Ego ist derjenige Gitterspannungswert, bei dem unter der Annahme
einer gerade weiterlaufenden Charakteristik der Anodenstrom gleich Null werden würde.
Die Größe V gibt den wirksamen Verstärkungsfaktor, der sich ergibt aus dem Verhältnis
einer Anderung der zwischen Gitter und Kathode herrschenden Spannung (Egk) r; -der
dadurch verursachten Änderung des am Anodenwiderstand vorhandenen Spannungsabfalls
(Ja R = Em); V = E Egk ein Zahlenbeispiel möge die genannten Beziehungen
erläutern:
Für zwei Werte von Ee, namlich Ee' 500 Volt und Ee''= 100 Volt, ergeben sich bei
Eo = 55,5; V = (R = Ioo ooo Ohm) die Werte
= 505 Volt und Em" - 141,4 Volt. Es be steht also immer eine Abweichung zwischen
der Eingangsspannung und dem Wertes, der von einem Spannungsmesser, bestehend aus
dem Vorwiderstand R und dem Strommesser M, angezeigt werden würde. Diese Abweichung
könnte durch Benutzung einer Korrekturtabelle berücksichtigt werden.
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Es werden nachstehend Maßnahmen angegeben, um bei Schaltungen der
oben beschriebenen Art in Durchführung des Erfindungsgedankens die Benutzung von
Korrekturtabellen überflüssig zu machen. Entsprechend der Gleichung Em
= Ee + Ego sind zwei Berichtigungen vorzunehmen. Ego soll als konstanter Wert in
der Gleichung zunächst unberücksichtigt bleiben, und
wird als der Zeigerausschlag des Meßinstrumentes angesetzt. Dieser ist dann den
gleichen Änderungen unterworfen wie E,. Um mit dem am Meßinstrument vorhandenen
Spannungsabfall Em auf einen Ausschlag von
zu kommen, kann man dem Instrument eine utn das
fache anzeigende Eichskala geben, aber dann ist das so geeichte Gerät für eine Spannungsmessung
in der üblichen Weise durch direkten Anschluß nicht mehr geeignet. Ein anderer Weg
zur Vergrößerung des Ausschlags ist gegeben durch Verminderung des Vorwiderstandes
R auf einen Wert
Die Stromstärke steigt dementsprechend an und gibt entsprechend vergrößerte Ausschläge.
Bei Spannungsmessern mit mehreren Meßbereichen könnte auch ein zusätzlicher Widerstand
parallel geschaltet werden zu den vorhandenen, etwa indem dieser Zusatzwiderstand
zwischen die Klemme des kleinsten Meßbereichs und die des benutzten Bereichs geschaltet
wird.
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Die zweite Berichtigung muß den Wert Ege berücksichtigen. Dazu kann
in bekannter Weise eine Gitterspannung in den Stromkreis zwischen Gitter und Kathode
eingefügt werden. Die Höhe dieser Gitterspannung wird so bemessen sein, daß ein
Wert erreicht wird, der sich bei einer gedachten geradlinigen Verlängerung der Gitterspannungsanodenstrom-Röhrencharakteristik
für den Anodenstromwert gleich Null ergeben würde. Diese Gittervorspannung Ego kann
f einfache Weise, so wie es in Abb. 2 darstellt ist, an einem Teil der Anodenspan-@@@@
+ Ea abgenommen werden, indem der @@@odenstromkreis mit R und M an die Leitung c
angeschlossen wird.
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Ein anderer Weg zur Berücksichtigung von Ego ist gegeben, indem die
Ruhelage des Meßinstrumentenzeigers unterhalb des Nullpunkts vorgesehen wird. Für
Ee gleich Null soll die Zeigerablenkung, die für diesen Fall noch unter dem Einfluß
von
steht, gerade einen Ausschlag bis auf den Nullpunkt hervorrufen. Wenn, wie oben
beschrieben wurde, entweder der Vorwiderstand des Instruments vermindert ist oder
eine entsprechende vergrößerte Eichung eingeführt ist, dann wird der von Em' gelieferte
Ausschlag um das I + I -fache gesteigert sein, so V daß die Zurückverstellung auf
einen WertE¢o vorgenommen werden muß, ausgedrüCkt in Einheiten der tatsächlich auszuführenden
Spannungsablesung.
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Die Abb. 3 zeigt &ine Anordnung, in der völlig unveränderte Meßinstrumente
benutzt werden können, welche den Meßwert unmittelbar ohne Notwendigkeit von Korrekturen
anzeigen. Auch hier ist eine Vorspannung eingefügt (Ego') zwischen der zu messenden
Spannung, und den Anschlußpunkten des Meßinstrumentes (k und e). Der Anschlußpunkt
d für die zu messende Spannung Ee ist über den Spannungsteiler S und T mit einem
Teilbetrag von Eg0, gespeist und hat außerdem über den Widerstand R eine Verbindung
zur Kathode k der Verstärkerröhre.
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Dieser Widerstand P wirkt von der Kathode k so auf den Spannungsteiler
R und S ein, daß bei hohen Meßwerten, wenn k eine hohe Spannung hat, die Negativität
des Punktes d gegen den Punkt e stark vermindert wird durch den Strom, der über
P von den gegen e positiven k zu d fließt. Bei kleineren Meßwerten Ist k nur wenig
positiv gegen e, und die Beeinflussung der Spannung an dem Widerstand S ist gering,
bis schließlich für den Meßwert o der Spannungsabfall an S gleich Ego wird. Der
Wert für E,a muß gegen Fgo daim um den an T vorhandenen Spannungsabfall größer sein.
Diese Anordnung ist darauf eingerichtet, daß an S immer eine Spannung ist) die dem
Wert Egk entspricht. Da zwischen d und der Kathode k der Wert Ern =Ee + Egg liegt,
ebenso wie in Abb. I zwischen b und k, bleibt nach Abzug von Egk für die am Spannungsmesser
R-.lI liegende Spannung der WertE, übrig, so
daß der Meßwert immer
unmittelbar abgelesen werden kann. Wenn die Neigung zu einer Unstabilität des Verstärkers
auftritt, kann dies entweder durch einen zum Meßinstrument parallel liegenden Kondensator
oder durch eine ganz geringe Herabsetzung des genannten Kompensierungseffekts unterdrückt
werden.
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Die beiden vorzunehmenden Korrekturen sind gegeben durch die Vorspannung
oder die Nullpunktsverstellung um Ego und durch dile Änderung der Empfindlichkeit
auf das 1+ 1zfache. Die vorzunehmende Korrektur für die Empfindlichkeit wird sehr
gering, wenn ein V einen großen Wert, z. B. = I000 hat.
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Das ist zu erreichen in einer Anordnung nach Abb. 4. Hier erhält das
Meßinstrument den Anodenstrom der Endröhre 3 eines dreistufigen Gleichstromverstärkers,
während die Meßspannung an das Gitter der ersten Röhre I gelegt ist. Die Spannungen
+ Eg und -Eg müssen aus einer von Ea unabhängigen Spannungsquelle geliefert werden,
weil der mit f verbundene Punkt alle durch den Meßwert gegebenen Änderungen gegenüber
+ Ea und Ea ausführt. Zwischen dem Gitter der ersten Röhre und dem Anodenkreis der
Endröhre ist leicht ein wirksamer Verstärkungsfaktor von I000 zu erreichen. Der
notwendige Vorspannungswert Ego ist jetzt durch die Gitterkathodenspannung der ersten
Röhre gegeben, und wenn diese durch den Kathodenwiderstand W erzeugt wird, so daß
das Gitter der ersten Röhre auf dem gleichen Potential steht wie die Nulleitung
t des Verstärkers, dann besteht zwischen dieser Leifung / und dem Minuspol b der
Anodenspannung der Endröhre immer eine Spannung, die ebenso groß ist wie der Meßwert.
Die Empfindlichkeitskorrektur - 1000 würde schon in die Fehlergrenze der besten
Spannungsmesser fallen, so daß im allgemeinen eine besondere Korrektur unterbleiben
kann.
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Wenn ein Instrument angeschlossen wird, dessen Widerstand so viel
geringer ist, daß der wirksame Verstärkungsfaktor auf 2/3, also 667, zurückginge,
würde der Irrtum der Anzeige immer noch sehr klein bleiben, so daß eine solche Anordnung
für Spannungsmesser mit verschiedenem Eigenwiderstand benutzt werden kann. Durch
Veränderung des Vorwiderstandes R auf andere Vorwiderstandsstufen, wie sie in umschaltbaren
Spannungsmessern vorhanden sind, kann der Meßbereich in weiten Grenzen geändert
werden, solange die Anodenspannung Ea groß genug ist, um der Endröhre den notwendigen
inneren Spannungsabfall zu geben. Eg muß also immer größer sein als die Meßspannung.
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Diese Umschaltung des Meßbereichs ist auch möglich in den Schaltungen
nach Abb. I bis 3, wobei dann allerdings auch die Korrekturmaßnahmen auf den veränderten
Meßinstrumentwiderstand abgestellt werden müssen.
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Die Tatsache, daß der dem Meßinstrument zugeführte Spannungswert
nur um die Größe der beschriebenen Korrekturglieder von dem Meßwert abweicht, macht
das Ergebnis weitgehend unabhängig von Änderungen in den Eigenschaften der Verstärkereinrichtung.
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Solche Änderungen könnten nur die Größe der Korrekturglieder beeinflussen
(Ego und den Faktor I + V) Der Vorteil dieser Meßanordnung besteht darin, daß mit
gewöhnlichen Drehspulinstrumenten eine statische Messung, also ohne bemerkenswerten
Stromverbrauch, ausgeführt werden kann. Mit den bekannten Rohrvoltmeterschaltungen
ist zwar auch eine Stromlosigkeit in der Messung erreicht, aber in der Schaltung
der Abmeldung ist der Anwendungsbereich des Meßverfahrens unbegrenzt hoch, also
nicht begrenzt durch die Länge der Gitterspannungscharakteristik, und die Messung
ist von den Eigenschaften der Verstärkereinrichtung (Röiirencharakteristik, Re der
Betriebsspannungen) nur noch sehr wenig abhängig.
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Da diese an sich schon klein sind gegenüber der Größe des Meßwertes
selbst, etwa V . kann die Genauigkeit der Messung nur wenig vermindert werden durch
Indem rungen in den Eigenschaften der Verstärkeranordnung. Bei den bekannten Röhrenvoltmetern
wirken sich solche Änderungen in voller Größe auf das Meßergebnis aus. Daß die Meßwerte
in einem weiten Bereich ohne Benutzung einer Eichtabelle- von der normalen Skala
des benutzten Spannungsmessers unmittelbar abgelesen werden können, bedeutet eine
Eigenschaft, die bisher nicht erreicht war und die das Meßverfahren für die Erfordernisse
des Betriebes und des Laboratoriums genügend einfach und genügend genau gestaltet.