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Anordnung zurn Verstärken von verhältnismäßig langsam sich ändernden
Gleichströ.men oder -spannungen mittels eines Kompensationsverfahrens Die Erfindung
betrifft eine Anordnung zum Verstärken von verhältnismäßig langsam sich ändernden
Gleichströmen oder -spannungen.
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Man hat bereits vorgeschlagen, zum Verstärken von Gleichströmen mechanische
Relaisanordnungen zu verwenden, die von den zu verstärkenden Strömen gesteuert werden
und durch von ihnen gesteuerte, auf temperaturabhängige Leiter einwirkende Luftströme
einen zweiten, den verstärkten Strom abgebenden Stromkreis beeinflussen. Um von
Spannungsschwankungen der diesen zweiten Stromkreis speisenden Stromquelle und anderen
störenden Schwankungen unabhängig zu werden, hat man bei einer solchen Anordnung
auch bereits von Kompensationsmitteln Gebrauch gemacht, durch die eindeutige Beziehungen
zwischen zu verstärkendem und verstärktem Strom sichergestellt sind.
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Diese sogenannten Bolometerverstärker haben aber den Nachteil, daß
sie einer besonderen Einrichtung zum Erzeugen von Luftströmen bedürfen. Außerdem
hat es sich herausgestellt, daß bei diesen bekannten Anordnungen infolge der mechanischen
Rückwirkung der Luftströme auf das mit dem Meßwerk gekuppelte Steuerglied in Verbindung
mit der thermischen Trägheit der Bolometerwiderstände erhebliche Störungen auftreten
können.
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Diese Schwierigkeiten werden gemäß der Erfindung bei einer Anordnung
zum Verstärken von verhältnismäßig langsam sich ändernden Gleichströmen oder -spannungen
nach einem Kompensationsverfahren, bei der die Meßgröße durch eine von der verstärkten
Größe unter Zuhilfenahme eines Gleichrichters erzeugte Vergleichsgröße kompensiert
wird, dadurch vermieden, daß die Meßgröße mit Hilfe einer Meßspule induktiv, vorzugsweise
durch elektromagnetische Einwirkung, einen in einem Elektrolyten beweglichen elektrisch
leitenden Körper gegenüber mindestens zwei festen Elektroden verstellt, und daß
der zwischen diesen liegende, in seiner Größe von der jeweiligen Stellung des von
der Meßgröße bewegten elektrisch leitenden Körpers abhängige Elektrolytwiderstand
in einer von einer Wechselstromquelle gespeisten Kompensationsschaltung mit einem
konstanten oder mit einem ebenfalls von der Meßgröße, aber in anderem Ausmaße beeinflußten
Widerstand verglichen wird.
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Solche Elektrolytwiderstände haben den für die Lösung der vorliegenden
Aufgabe grundlegenden Vorteil, daß sie zu ihrer
Änderung nur einen
außerordentlich geringen Aufwand an Energie benötigen. Denn es braucht bei geeigneter
Anordnung lediglich der Reibungswiderstand des beweglichen leitenden Teiles innerhalb
der Flüssiglieit überwunden zu werden. -Wenn die Beeinflussung des in dem Elektro
lyten beweglichen elektrisch leitenden Körpers auf elektromagnetischem Wege erfolgen
soll, so kann der leitende Körper mit einem oder mehreren magnetisch leitenden Teilen,
vorzugsweise Dauermagneten, verbunden sein oder auch aus dem bzw. den magnetischen
Teilen bestehen. Dabei wird der den Elelctrolyten aufnehmende Behälter und ebenso
auch der in diesem bewegliche Körper vorzugsweise als Rotationskörper ausgebildet,
damit die Bewegung möglichst wenig Widerstand findet. Der bewegliche Körper darf
aber in diesem Falle nicht ganz aus leitenden Werkstoffen bestehen. Man kann ihn
z. B. zunächst aus Isolierstoff herstellen und auf seiner Oberfläche an den gewünschten
Stellen leitende, gegebenenfalls miteinander in Verbindung stehende Belegungen anordnen.
Zum Fernhalten von Störfeldern und insbesondere des Erdfeldes kann die gesamte Anordnung
durch einen magnetisch leitenden Behälter nach außen abgeschirmt werden.
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In der Zeichnung zeigen die Fig. Ia und Ib eine besonders zweckmäßige
Gestaltung des von der Meßgröße zu steuernden Elektrolytwiderstandes in zwei Ansichten,
teilweise im Schnitt. Mit I ist ein nichtleitender, dicht abgeschlossener, den Elektrolyten
enthaltender Behälter bezeichnet. 2 ist eine in dem Behälter z. B. in Spitzen gelagerte
Magnetnadel, die zugleich als leitender Körper benutzt wird. Zum Ausgleich ihres
Eigengewichtes können entsprechende, nichtleitende Sehwimmkörper vorgesehen sein,
durch die zweckmäßig die Form der Nadel zu einer Ringscheibe ergänzt wird. Um möglichst
große Widerstandsänderungen zu erreichen, ist es vorteilhaft, daß der die Magnetnadel
enthaltende nichtleitende Körper das Innere des Behälters 1 weitgehend ausfüllt.
4 ist eine den Behälter I umschließende Spule, die von dem zu verstärkenden Strom
durchflossen wird, aber auch so aufgeteilt sein kann, daß nur der eine Teil von
dem zu verstärkenden Strom, der andere dagegen von einem Kompensationsstrom durchflossen
wird.
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Aus der Fig. ib geht die Anordnung der festen Elektroden 3 hervor.
Eine dieser Elektroden hat eine solche Ausdehnung, daß der Übergangswiderstand zwischen
ihr und der Magnetnadel 2 bei allen vorkommenden Stellungen der Magnetnadel unverändert
bleibt. Die beiden anderen Elektroden 3 sind so angeordnet, daß bei einer Lagenänderung
der Magnetnadel der Übergangswiderstand von der Magnetnadel zu der einen Elektrode
abnimmt und umgekehrt von der Magnetnadel zur anderen Elektrode zunimmt. Diese I
lektrodenanordnung eignet sich besonders sfir Brückenschaltungen. Sie kann natürlich
llei Benutzung anderer Schaltungen beliebig verändert werden.
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In Fig. 2 ist eine Schaltung dargestellt, wobei der in der Fig. I
gezeigte Widerstand Verwendung finden kann. Mit 1 bis 3 sind wieder die gleichen
Teile wie in der Fig. I bezeichnet, 4a ist die Meßspule und J,b eine Kompensationsspule.
6 und 7 sind zwei feste Ohmsche Widerstände, 8 ist eine Gleichrichterschaltung und
g eine Sekundärwicklung, deren Bedeutung im Zusammenhang mit der Gleichrichterschaltung
8 späterhin erörtert wird. 10 ist das Meß- oder Registrierinstrn ment, an dem die
verstärkte Größe abgelesen wird.
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Aus der Sekundärspule des Transformotors 5 wird eine Brückenschaltung
gespeist, die aus den festen Widerständen 6 und 7 und aus den Widerständen zwischen
dem einen Pol der Magnetnadel 2 und den festen Elektroden 3b bzw. 3c ir dem Elektrolyten
besteht. Der unvermeidliche Widerstand zwischen dem anderen Pol der Magnetnadel
2 und der festen Elektrode 3' wird zweckmäßig möglichst klein bemessen. Im Nullstromzweig
der Brücke liegt eine Reihen schaltung des Meßinstrumentes I0, der Kompensationsspule
ßb und der Gleichrichterschaltung 8. In bezug auf die Messung wirkt die dargestellte
Gleichrichteranordnung grundsätzlich, als ob nur ein einziger Gleichrichter eingeschaltet
wäre. Die verwendete Schaltung dient lediglich dem Zweck, durch eine von der Wicklung
9 erzeugte Vorspannung die Empfindlichkeit der Gleichrichter zu steigern und eine
Richtungsänderung des Stromes im Diagonalzweig zu ermöglichen.
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Die Wirkungsweise der Anordnung erklärt sich wie folgt: Sobald die
Spule 4, von einem Strom durchflossen wird, wird die Magnetnadel aus ihrer im Bild
beispielsweise senkrechten Lage ausgelenkt. Infolgedessen wird zunächst das Gleichgewicht
der Brücke gestört, so daß über den Diagonalzweig ein Strom fließt.
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Dieser Strom übt in der Spule 4b eine der Wirkung der Meßspule 4,
entgegengerichtete Wirkung aus. Je weiter die Magnetnadel aus ihrer Anfangslage
herausgedreht wird, um so stärker wird der Strom in dem Diagonalzweig, um so stärker
also die Gegenwirkung.
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Infolgedessen ergibt sich ein Gleichgewichts zustand, bei dem die
Wirkungen der Spulen 4,> und, auf die Magnetnadel einander gerade aufheben. Der
zur Kompensation der Meßgröße
erforderliche Strom in der Spule
4b wird von dem InstrumentIo angezeigt und ist bei geeigneter Ausbildung der Elektrolyt-Widerstandsanordnung
proportional dem zu messenden Strom.
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Wenn die beiden Spulen 4, und 4b in gleicher Entfernung von der Magnetnadel
2 angeordnet sind, so tritt Kompensation ein, wenn die Amperewindungen der beiden
Spulen einander gleich sind. Bezeichnet man nun mit N1 die Windungszahl der von
dem zu verstärkenden Strom Jx durchflossenen Meßspule 4, und mit N2 die Windungszahl
der von dem'verstärkten Strom J durchflossenen Kompensationsspule 4b, so ist N,
Jx = also J/Jx = N1/N2, d. h. der Verstärkungsgrad ist durch das Verhältnis der
Windungszahlen der beiden Spulen gegeben.
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Aus der Wirkungsweise der Anordnung folgt ohne weiteres, daß die
Anzeige weitgehend unabhängig von allen Fremdeinflüssen ist. So können z. B. weder
Schwankungen der Transformatorspannung das Meßergebnis beeinträchtigen noch können
Änderungen der Magnetnadel oder des Widerstandes des Elektrolyten in das Meßergebnis
eingehen. Außerdem ist die Anordnung brauchbar für beliebige Stromrichtung in der
Spule 4,, da bei Verschiebung des Brückengleichgewichtes nach der anderen Seite
hin auch die Richtung des über die Spule 41 fließenden Stromes sich umkehrt.
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Ein anderes Ausführungsbeispiel ist in der Fig. 3 dargestellt. I
ist wieder der Elektrolytbehälter, 2 die Magnetnadel, 3, und 3t sind zwei feste
Elektroden, 4 ist die von dem Meßstrom durchflossene Spule, 5 der Speisetransformator
und IO das Meßinstrument; II ist ein Differenztransformator mit zwei Prim'ärwicklungen
und einer Sekundärwicklung, 12 ein Gleichrichter, I3 ein fester Vergleichs-Elektrolyt-Widerstand,
I4 und I5 sind Ohmsche Widerstände.
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Bei dem eben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Kompensation
nicht durch eine auf den Eleklcrolytwiderstand einwirkende Spule, sondern auf elektrischem
Wege unmittelbar in der Meßspule 4 erreicht. Sobald nämlich, z. B. in der dargestellten
Lage der Magnetnadel 2, die Elektrolytwiderstände zwischen den Elektroden 3, und
3o und den Elektroden des Vergleichswiderstandes 13 gleich groß sind, fließen über
beide gegeneinander geschaltete Primärwicklungen des Differenztransformators I I
gleich große Ströme, so daß in der Sekundärwicklung ein Strom nicht induziert werden
kann. Wird nun durch den Meßstrom in der Spule 4 die Magnetnadel aus der bezeichneten
Lage heraus verschoben, dann ändert sich der Widerstanrl zwischen den Elektroden
3, und 3t Infolgedessen wird das Gleichgewicht des Differenztransformators 11 gestört
und in dessen Sekundärspule eine Spannung erregt, deren den Gleichrichter 12 passierende
Halbwellen über das Meßinstrument 10 und den Widerstand 14 verlaufen. Diese Spannung
ist so gerichtet, daß sie in der parallel zum Widerstand 14 liegenden Reihenschaltung
von Widerstand I 5 und Meßspule 4 einen dem Meßstrom entgegengesetzten Strom erzeugt.
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Je weiter die Magnetnadel ausgelenkt wird, um so mehr steigt dieser
Strom an, bis er schließlich den die Meßspule 4 durchfließenden Meßstrom gerade
kompensiert. In diesem Augenblick hört die Einwirkung der Meßspule 4 auf die Magnetnadel
auf. Bei konstant fließendem Meßstrom kommt die Anordnung zur Ruhe, und von dem
Meßinstrument 10 wird der zu messende Strom unmittelbar angezeigt. Änderungen des
Meßstromes Jx haben entsprechende Lageänderungen der Magnetnadel 2 zur Folge, bis
wiederum das Gleichgewicht der Ströme in der Spule 4 eingetreten ist. Der Verstärkungsgrad
n ist in diesem Fall durch die Wahl einer geeigneten Bemessung der Widerstände 14
und 15 gegeben.
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Auch diese Anordnung ist, wie aus ihrer Wirkungsweise sich ohne weiteres
ergibt, unabhängig von Schwankungen, die z. B. durch die Sekundärspannung des Transformators
5, durch Veränderung der Elektrolytflüssigkeit oder der Magnetnadel auftreten können.
Man könnte an sich an Stelle des Vergleichs-Elektrolyt-Widerstandes 13 auch einen
festen Widerstand anordnen. Die Verwendung eines Elektrolytwiderstandes hat jedoch
den Vorteil, daß dieser sich wenigstens annähernd in dem gleichen Maße wie der Elektrolytwiderstand
I durch äußere Einflüsse ändert, was sich auf die Bemessung des Widerstandes günstig
auswirkt.
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Infolge der Verwendung eines nur von der angelegten Spannung abhängigen
Gleichrichterms 12 ist die beschriebene Anordnung zunächst nur brauchbar für die
Verstärkung von Gleichströmen, deren Richtung sich nicht ändert, da der Kompensationsstrom
nur in der durch den Gleichrichter 12 gegebenen Richtung fließen kann. Man kann
jedoch auch für wechselnde Stromrichtung die Anordnung ohne weiteres brauchbar machen,
wenn man z. B. die in der Fig. 2 dargestellte Gleichrichterschaltung mit Hilfserregung
anwendet.