DE838028C - Gleichstromverstärker zum Messen sehr niedriger Spannungen - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 5. MAI 1952

C 2

Jig

Meier Donner, Paris

ist als Erfinder genannt worden

Dk' Erfindung l>etrifft eine Vorrichtung zum Messen sehr geringer Spannungen von der Größenordnung eines Mikrovolts, wobei es sich um Gleichspannungen oder solche handeln kann, deren Wert sich in Abhängigkeit von der Zeit langsam ändert.

Nachfolgend wird die zu messende Spannung üblicherweise ganz allgemein als Gleichspannung l>ezeichnet, obwohl, wie gesagt, in der Praxis langsame Änderungen der Spannung als Funktion der Zeit auftreten können.

Da es für sehr geringe Spannungen keine genügend empfindlichen Meßinstrumente gibt, so ist es üblich, die zu messende Spannung mit Hilfe von Elektronenröhren zu verstärken, um sie so auf einen meßbaren Wert zu bringen. Die Hauptschwierigkeit eines derartigen Verfahrens liegt jedoch in den Änderungen des Xullwertes des Verstärkers, der somit häufiger Einstellungen bedarf, so daß das Verfahren für die Messung sehr geringer Spannungen nicht verwendbar ist. Die Änderungen des Nullwertes ergeben sich beispielsweise aus Änderungen der Spannungsquellen, Änderungen der Charakteristiken der Verstärkerröhren usw.

Man hat bereits vorgeschlagen, diesen Mangel dadurch zu beseitigen, daß man mit Hilfe der zu verstärkenden Spannung einen Hilfsoszillator moduliert. Die so modulierten Schwingungen werden verstärkt und alsdann gleichgerichtet, woraufhin die erhaltene gleichgerichtete Spannung mittels eines Gleichstrommessers gemessen wird. Allerdings vermeidet man die geschilderten Mängel so nur teilweise, da es z. B. nicht möglich ist, Oszillatoren mit der erforderlichen Amplitudenstabilität. herzustellen.

Man hat fernerhin schon vorgeschlagen, den Gleichstrom, der von der Stromquelle kommt, deren Spannung gemessen werden soll, mittels eines Unterbrechers in einen Wechselstrom umzuwandeln. Dieser Wechselstrom wird verstärkt und die Ausgangsspannung des Verstärkers wird durch einen Unterbrecher gleichgerichtet, der mit dem ersten Unterbrecher synchron arbeitet. Dieser Unterbrecl'ier richtet zwar die zu messenden Ströme

ίο gleich, aber nicht die Nebenströme, die sich aus den Änderungen des Verstärkers ergeben, da die NebenstWime im allgemeinen von der Wechselstromfrequenz der zu messenden Spannung verschiedene Frequenzen haben. Die gleichgerichtete Spannung wird an das Meßinstrument angelegt. Die bisherigen Versuche dieser Art haben jedoch nicht zu befriedigenden Ergebnissen geführt, und zwar wegen der Ungleichmäßigkeit in der Arbeit der verwendeten Unterbrecher, bei denen es sich um schwingende Zungen, umlaufende Stromwender oder ähnliche Unterbrecher handelt.

Die Erfindung bedient sich dieses zweiten Verfahrens, führt aber durch Verwendung eines geeigneten Unterbrechers zu sehr guten Ergebnissen.

Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf verschiedene andere Verbesserungen, die weiter unten beschriel>en \verden, und die zur Schaffung einer einwandfrei arbeitenden Vorrichtung beitragen. Gemäß einem ersten Merkmal der Erfindung besteht der Unterbrecher aus einer Stimmgabel, auf deren einem Schenkel gleichzeitig die zur Umformung des Gleictistroms in Wechselstrom sowie die zur Gleichrichtung des verstärkten Wechselstroms dienenden Kontakte angeordnet sind.

Gemäß einem weiteren Merkmal sieht die Erfindung die Verwendung eines Transformators vor, dessen von der zu messenden Spannung gespeiste Primärwicklung aus zwei Teilen besteht. Die beiden Teile werden durch den Unterbrecher unter gleichzeitiger Umkehr des Magnetflusses abwechselnd gespeist. Auf diese Weise ist es möglich, einen Unterbrecher zu benutzen, der im elektrischen Sinne nur einen einzigen 1>eweglichen Kontakt besitzt statt einer solchen, der mit zwei 1>eweglichen Kontakten versehen ist.

Schließlich ist gemäß einem dritten Merkmal gleichstromseitig eine negative Rückkopplung vorgesehen, um gemäß einem an sich bekannten Verfahren die Stabilität und Genauigkeit der Arbeit der gesamten Meßanordnung zu verbessern.

Eine l>eispielsweise Ausführungsform des Erfindtiiigsgegenstandes zeigt die Zeichnung, und zwar ist Fig. ι eine schematische Ansicht der Vorrichtung und

Fig. 2 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Teilansicht der Stimmgabel mit den festen und beweglichen Kontakten.

In l>eiden Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile.

Die Quelle, deren Spannung gemessen werden soll, ist mit 3 bezeichnet. Sie liefert einen Gleich-• strom oder einen sich in Abhängigkeit von der Zeit . langsam ändernden Strom.

Di<; Stimmgabel hat zwei Schenkel 1 und 1'. Der an sich bekannte Verstärker ist mit 2 bezeichnet, während das den Wert der verstärkten Spannung anzeigende Meßgerät das Bezugszeichen 4 trägt. -

Die Eingangsklemmen des Verstärkers 2 werden durch die Sekundärwicklung 7 eines Niederfrequenztransformators 5 gespeist, dessen Kern zweckmäßig lamelliert ist.

Die Primärwicklung 6 dieses Transformators ist in der Mitte angezapft. Ihr Mittelpunkt steht durch den Leiter 8 über den weiter unten beschriebenen Gegenkopplungswiderstand 20 mit einer der Klemmen der Quelle 3 in Verbindung.

Die beiden Enden der Wicklung 6 sind an feste Kontakte 11 und 12 angeschlossen, die den beiden Seiten des beweglichen Kontaktes 10 gegenüberliegen, der von dem Schenkel 1 der Stimmgabel getragen wird. Dieser Kontakt ist gegen den Schenkel elektrisch isoliert und durch einen biegsamen Leiter mit einem Leiter 9 verbunden, der zu dem anderen Pol der Stromquelle 3 führt. Der Verstärker 2 arbeitet auf die Primärwicklung 14 eines mit einem lameliierten Kern versehenen Transformators 13, dessen Sekundärwicklung ebenfa'lls aus zwei Teilen besteht. Die Enden dieser Sekundärwicklung 15 sind an die festen Kontakte 16 und

17 angeschlossen, die den beiden Seiten des beweglichen Kontaktes 18 gegenüberliegen, der zusammen mit dem Kontakt 10 auf dem gleichen Schenkel 1 der Stimmgabel angeordnet ist. Auch der Kontakt

18 ist gegenüber dem Stimmgabelschenkel elektrisch isoliert und durch einen biegsamen Leiter an den Leiter 31 angeschlossen.

Der Leiter 31 führt zu einer der Klemmen eines Kondensators von großer Kapazität 19, während die Mitte der Wicklung 15 durch den Leiter 32 an die andere Klemme dieses Kondensators angeschlossen ist. Der Kondensator dient dazu, die gleichgerichtete Spannung zu glätten, die von dem Kontakt 18 und den damit zusammenarbeitenden Kontakten 16 und 17 geliefert wird.

Die so erhaltene verstärkte Gleichspannung wird dem Meßgerät 4 zugeführt, das, wie aus der Zeichnung ersichtlich, mit dem Gegenkopplungswiderstand 20 in Reihe liegt.

Wie ohne weiteres erkennbar, sichert allein die Tatsache, daß der StimmgabelschenkeJ. sowohl mit dem System 10, 11 und 12 einerseits als auch mit dem System 16, 17 und 18 andererseits arbeitet, selbsttätig den genauen Synchronismus, der zwischen der Erzeugung der Gleichspannung und deren Gleichrichtung am Ausgang des Verstärkers erforderlich ist.

Es liegt weiterhin auf der Hand, daß bei Bedingungen, die bei der Konstruktion des Verstärkers 2 leicht innezuhalten sind, die Gegenwart des Gegenkopplungswiderstandes 20 die erforderliche Regelgenauigkeit und Arbeitsstabilität des Apparates sichert. Die Anordnung des Gegenkopplungselementes in dem Gleichstromteil verbessert die Konstruktion des Verstärkers beträchtlieh, da man sich unter diesen Bedingungen mit der

Möglichkeit des Auftretens unerwünschter Schwingungen praktisch nicht zu beschäftigen braucht.

Die Erfahrung hat gezeigt, daß die Verwendung der Stimmgabel ein genaues Arbeiten verbürgt und daß man mit ihrer Hilfe sehr schwache Spannungen unter Einhaltung eines sehr hohen Genauigkeitsund Stabilitätsgrades verstärken kann.

Wahrscheinlich ergibt sich die 1>efriedigende Arl>eit der Stimmgabel als Unterbrecher aus der

ίο erheblichen schwingenden Masse, die von dem ganzen Stimmgabelschenkel gebildet wird. Diese Masse ist unvergleichlich viel größer als diejenige einer schwingenden Zunge von gleicher Eigenperiode. Selbstverständlich ist die Erfindung von der Richtigkeit dieser Annahme unabhängig.

Gegenüber umlaufenden Stromwendern hat die beschriebene Stimmgabel den Vorteil, daß Gleitkontakte, die die Quelle störender elektromotorischer Kräfte, insl>esondere thermoelekirischen Ursprungs sind, vermieden werden. Solche elektromotorischen Kräfte pflegen die zu messenden schwachen Gleichspannungen zu überlagern und zu verfälschen.

Ein anderer Vorteil, der mit der Verwendung einer Stimmgabel als Unterbrecher verbunden ist, besteht darin, dal.! die Schwingungen der Stimmgat >el mit einem sehr geringen Aufwand an elektrischer Energie unterhalten werden können. Dieser Vorteil wirkt sich besonders bei tragbaren Geräten aus.

Die Schwingungsperiode der Stimmgabel soll gegenüber der kürzestmöglichen Dauer der Schwingungen der zu messenden Spannung genügend klein gehalten werden. Die Erfahrung hat gezeigt, daß eine Eigenschwingungsperiode der Stimmgabel in der Größenordnung von Vsooder V100 Sekunde in der Mehrzahl der Fälle brauchbar war.

In Fig. 2 ist die Stimmgabel in vergrößertem Maßstab in ihren Einzelheiten dargestellt. Man sieht wiederum die festen Kontakte 11 und 12, 16, 17 und die l>eiden elektrisch untereinander verbundenen Teile des beweglichen Kontaktes 10, die auf Isolierstücken 28 angeordnet sind, welche mit dem Schenkel 1 in Verbindung stehen. Diese beiden Teile des beweglichen Kontaktes 10 sind durch einen biegsamen Leiter 21 mit dem Leiter 9 verbunden. Weiter sind aus Fig. 2 die Isolierstücke 29 ersichtlich, die die miteinander elektrisch verbundenen Teile des l>e\veglichen Kontaktes 18 tragen, welche durch einen biegsamen Leiter 22 an den Leiter 3 r angeschlossen sind.

Im linken Teil der Fig. 2 ist schematisch das Antriebssystem der Stimmgabel dargestellt. Dieses System besteht einfach aus einem örtlichen, von der Stromquelle 26 gespeisten Kreis. Der Kreis enthält eine Spule 25, die auf den Stimmgabelschenkel 1 eine Magnetwirkung ausübt, und einen mit der Spule 25 in Reihe liegenden Unterbrecher mit einem festen Kontakt 24 und einem beweglichen Kontakt, dessen Kontaktstück 23 von einem auf den Schenkel 1 Ivefestigten Stück 30 getragen wird.

Das Kontaktstück 23 kann gegenüber dem Schenkel 1 isoliert sein, doch ist dies nicht unbedingt erforderlich.

Das Kontaktstück 23 ist beispielsweise durch einen biegsamen Leiter 27 mit einem Leiter 33 verbunden, der zu einem der Pole der Stromquelle 26 führt.

Die aus den Teilen 23 bis 27 bestehende Anordnung ist in geeigneter Weise abgeschirmt, so daß das Antriebssystem bei seiner Arbeit keinen schädlichen Einfluß auf die Messung der Spannung ausübt.

Falls erforderlich, kann man auf dem zweiten Stimmgabelschenkel 1' eine andere Reihe von Kontakten anordnen, die zu einer zweiten Meßapparatur gehören.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung eignet sich besonders zur Messung von Erdströmen.

Die Vorrichtung kann im einzelnen Abänderungen erfahren, ohne daß damit der Rahmen der Erfindung verlassen wird. So kann die Glättung der gleichgerichteten Spannung durch die Hinzufügung von Selbstinduktionen und zusätzlichen Kondensatoren hinter dem Kondensator 19 noch weiter verbessert werden. Die durch den mit dem Meßgerät 4 in Reihe liegenden Widerstand 20 gebildete Stromgegenkopplung kann durch eine Spannungsgegenkopplung ersetzt werden. In diesem Fall ist der Widerstand 20 parallel mit dem Meßgerät 4 an die Klemmen des Kondensators 19 anzuschließen. Man kann auch eine zusammengesetzte Gegenkopplung verwenden, indem man die Stromgegenkopplung mit der Spannungsgegenkopplung kombiniert usw.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Gleichstromverstärker zum Messen sehr niedriger Spannungen, deren Wert gleichbleibt oder sich in Abhängigkeit von der Zeit nur langsam ändert, dadurch gekennzeichnet, daß der von der zu messenden Spannungsquelle kommende Strom über auf einem schwingenden Körper angeordnete Kontakte in Wechselstrom umgewandelt und der Wechselstrom nach Verstärkung zum Zweck der Messung über auf dem gleichen schwingenden Körper angeordnete Kontakte wieder gleichgerichtet wird, und daß der schwingende Körper ein Schenkel einer Stimmgabel ist.

2. Gleichstromverstärker nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Transformator, dessen von der zu messenden Spannung gespeiste Primärwicklung aus zwei Teilen besteht, die abwechselnd unter gleichzeitiger Umkehrung des Magnetflusses von dem Zerhacker gespeist werden.

3. Gleichstromverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gleichstromteil eine negative Rückkopplung vorgesehen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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