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Meßgleichrichteranordnung für Wechselspannungsmeß einrichtungen
Für
die Messung von Wechseispannungen sind drei grundsätzlich verschiedene Mel3prinzipien
anwendbar: die Effektivwert-, die Flächen- oder Mittelwert- und die Spitzenwertmessung.
Für alle drei Arten ist eine große Zahl von Meßanorenungen und Medmethoden, hauptsächlich
unter Verwendung von Gleichrichterschaltungen, bekannt. In den meisten praktischen
Anwendungsfällen ist die Effektivwertmessung die günstigste, sie erfordert aber
in der Regel einen relativ hohen Aufwand und ist, insbesondere wenn in der Schaltung
Übertrager verwendet werden, nur in einem verhältnismäßlig engen Frequenzbereich
verwendbar. Ein weiterer Nachteil ergibt sich aus der Notwendigkeit, elektrisch
und damit auch mechanisch hochempfindliche Instrumente verwenden zu müssen, sowie
aus der oft recht umständlichen Bedienungsweise.
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Aus diesem Grunde wird an Stelle der Effektivwertmessung häufig die
Spitzenwertmessung angewendet, die einen erheblich einfacheren Aufbau besitzt, jedoch
gegenüber der Effektivwertmessung verschiedene Nachteile aufweist. Diese sind vor
allem darin zu erblicken, daß die Anzeige stark vom Obe rwel lengeha lt der zu messenden
Wechselspant nung abhängig ist (ein bestimmter prozentualer Anteil an Oberwellen
ergibt einen gleich großen prozentualen Anzeigefehler) und daß dieses Meßprinzip
auch in Verbindlung mit einer Vorverstärkung nur geringe Empfindlichkeit aufweist.
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Aufwands- und leistungsmäßig liegt die Mittelwertmessung etwa zwischen
den beiden anderen Meßprinzipien; die bisher unter Anwendung dieses Prinzips entwickelten
Meßeinrichtungen haben ,jedoch verschiedene ins Gewicht fallende Nachteile,
so
daß die Mittelwertmessung bisher nur selten verwendet worden ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Messung
einer vorverstärkten Wechselspannung zu schafen, die bei möglichst vollkommen linearer
Skala des Anzeigeinstruments eine gegenüber der Spitzengleichdrichtung wesentlich
geringere Abhängigkeit von der Kurvenform der zu messenden Wechselspannung zeigt,
hohe Meßgenaüigkeit und Empfindlichkeit aufweist, relativ große Meßströme liefert,
bis zu hohen Frequenzen anwendbar ist, keine störende Trägheit zeigt und trotzdem
mit dem Aufwand für die Spitzengleichrichtung auskommt.
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Die bekannten Anordnungen für Flächengleichrichtung benutzen entweder
eine Diode mit einem Vorwiderstand oder eine Verstärkerröhre in B Betrieb, die im
Anodenkreis das kapazitiv überbrückte Instrument über einen Reihenwiderstand speist.
In beiden Fällen stört bei höheren Frequenzen die parasitäre Kapazität über dem
Vorwiderstand, da sie sich dann auflädt und den Arbeitspunkt verschliebt. Der für
hohe Frequenzen infolgedessen notwendigerweise verhältnismäßig kleine Vorwiderstand
ergibt einerseits stärkere Abweichungen von der fehlerfreien Flächengleichrichtung,
andererseits hat er bei der Diodenschaltung einen entsprechend kleinen Eingangswiderstand
der Meßanordnung zur Folge.
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Die vielseitigen Anforderungen der Aufgabe werden unter Ausschaltung
der angeführten Nachteile bekannter Anordnungen durch eine Flächengleichrichterschaltung
erfüllt, die erfindungsgemäß aus zwei gegensinnig geschalteten, parallel liegenden
Diodenstrecken im Anodenkreis einer Verstärkerröhre mit hohem Innenwiderstand (Pentode)
besteht, die über den hohen Innenwiderstand der Verstärkerröhre mit eingeprägtem
Strom gespeist werden, sowie aus einem kapazitiv überbrückten Anzeigeinstrument
im Stromkreis einer der beiden Diodenstrecken. Die Gleichstromspei,squng der Verstärkerröhre
erfolgt dabei zweckmäßig über einen Ohmschen Widerstand solcher Bemessung, daß nur
ein geringer Prozentsatz des Anodenwechselstromes über ihn abgeleitet wird. Die
Diodenkombination ist kapazitiv an die Anode der Verstärkerröhre gekoppelt.
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Die Anordnung gemäß der Erfindung arbeitet nach dem Prinzip der Mittelwert-
oder Flächengleichrichtung und weist folgende teils bekannte, teils neue Vorteile
auf: Der Anzeigestrom hängt praktisch vollkommen linear von der an das Gitter der
Pentode gelegten Wechselspannung ab. Die Empfindlichkeit der Flächengleichrichtungsschaltung
gemäß der Erfindung ist bis zu einer Größenordnung höher als bei der Spi.tzens.pannungsgleichrichtung
unter der Voraussetzung der Verwendung gleicher Röhren. Ein wesentlicher Vorteil
besteht darin, daß ohne Übersteuerung der Verstäkerröhre relativ hohe MeßstrÖme
erzielbar sind, so daß bei entsprechender Aussteuerung der besonders stark heizspannungsabhängige
untere Teil der Diodenkennlinie weniger EinHuß auf die Größe des gesam-, teh Meßstromes
hat: Damit wird aber auch die Abhängigkeit. von den Hilfspannung und vom Röihrenwechsel
entsprechend geringer. Ferner erlaubt der höhere Meßstrom einerseits die Verwendung
eines robusten Anzeigeinstrumenlts und anden.rseits die Anwendung von Kompensationsschaltungen
zum Zwecke einer starken Nullpunktuntzerdrückung. Ferner ist die Abhängigkeit der
Anzeige vom Oberwellengehalt der zu messenden Spannung erheblich geringer gegenüber
der S>itzenspannungsmessung.
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In dieser Beziehung ist der Unterschied gegenüber der Effektivwertmessung
bei einem Oberwellengehalt bis zu 15 °/o nur geringfügig. Dagegen zeigt die Flächengleichrichtungsanordnung
nicht die oft störende Trägheit der meisten Effektivwertmeßeinrichtungen. Schließlich
ist der Frequenzbereich, in dem diese Flächengleichrichtungsanordnung verwendet
werden kann, nach ohen wesentlich größer als bei den bekannten Anordnungen für dieses
Meßprinzip, da der niedrige Innenwiderstand der Dioden als Außenwiderstand der Verstärkerröhre
wirkt und somit bei gegebener parallel liegender Röhrenkapazität eine entsprechend
hohere Grenzfrequenz ergibt, störende Aufladeeffekte aber nicht auftreten können.
Der Aufwand an Schaltmitteln und die Anforderungen an diese sind nicht größer als
bei Spitzenspannungsgleichrichtung. Die Verwendung einer zweiten Dioden strecke
stellt praktisch keinen Mehraufwand dar, da die meisten modernen Gleichrichterröhren
bereits zwei Systeme in einem Kolben besitzen.
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Im folgenden sollen an Hand der Figuren einige Schaltungsbeispiele
für Meßanordnungen gemäß der Erfindung beschrieben werden. Diese Anordnungen können
in Röhrenvoltmetern. Anzeigeverstärkern, Pegelmeßgeräten und anderen Spezialmeßgeräten
angewendet werden.
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Fig. I zeigt das Prinzipschaltbild einer Flächengleichrichterschaltung
gemäß der Erfindung, wobei mit Rö die als Vorverstärker dienende Pentode bezeichnet
ist, D1 und D2 sind die beiden Dioden, die naturgemäß auch zu einer Duodiode zusammengefaßt
sein können.
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Im Stromkreis der eisen Diode liegt das Anzeigeinstrument J, das
von dem Kondensator C2 überbrückt ist. Die beiden Dioden strecken sind parallel
mit entgegengesetzter Polung über den Koppelkondensator C1 zwischen Anode und Kathode
der Pentode gelegt. Die Diode D1 verhindert die Aufladung des Kondensators C1 auf
die Spitzenspannung, so daß stets reine Flächengleichrichtung gewährleistet ist.
Die Pentode Rü ethält ihren Anodengleichstrom über den Ohmschen Widerstand R, der
so bemessen ist, daß er nur wenige Prozent, höchstens etwa S °/o des gesamten Anodenwechselstromes
ableitet. Die,beirden Diodenstrecken bilden einen sehr niederohmigen Belastungswiderstand
der Pentode, wodurch die Aussfruerungsbegrenzung infolge Stromübernahme fortfällt.
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Außerdem wird die durch I/Cak. Ra bestimmte Meßfrequenzgrenze wesentlich
höher. Der gemessene Strom beträgt etwa 50 Oio des gesamten Anodenwechselstromes
gegenüler höchstens 5 % bei der
Spitzenspannungsmessung. Demnach
ist auch die Empfindlichkeit entsprechend größer, so daß sich derartige Anordnungen
besonders gut für Anzeigeverstärker mit Nullpunktunterdrückung eignen, weil selbst
bei starker Kompensation noch ein ausreichend starker Strom für die Anzeige zur
Verfügung steht.
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Eine Meßgleichrichterschaltung mit Nullpunktunterdrückung der Anzeige
durch einen Kompensationsstrom zeigt Fig. 2. Die Anordnung unterscheidet sich von
der in Fig. 1 gezeigten Anordnung lediglich darin, daß dem Anzeigeinstrument J über
einen regelbaren Vorwiderstand Rv ein Kompensationsstrom JR zugeführt wird. Die
Zufuhr erfolgt an einem Punkt zwischen dem Anzeigeinlstrument und der zugeordneten
Diodenstrecke D2. Durch das Instrument fließt ein Anzeigestrom JAnz= JMess -Das
Meßinstrument zeigt also die Differenz zwischen Meßstrom und Kompensationsstrom
an, wodurch eine Skalendehnung entsprechend dem Grad der Kompensation erzielt wird.
Zum Schutz des Anzeigeinstruments gegen Überlastung beim Ausbleiben der Meßspannung
ist noch ein Trockengleichrichter SGL entsprechender Durchlaß richtung dem Instrument
parallel geschaltet.
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Die Schutzwirkung dieses Gleichrichters beruht darauf, daß die am
Innenwider.stand des Instruments abfallende Gleichspannung verschiedenes Vorzeichen
hat, je nachdem ob der Meßstrom oder der Kompensationsstrom überwiegt.
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Bei einer derartigen Anordnung sind Skalendehnungen in einem Verhältnis
bis zu 1 :50 möglich, d. h. eine 2%ige Änderung des Meßwertes ergibt vollerí Ausschlag
des Instrumentenzeigers.
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Damit ist eine Ablesegenauigkeit bis zu 0,2%# möglich. Das Meßinstrument
kann auch bei diesem hohen Grad der Kompensation nicht überlastet werden, da der
Schutzgleichrichter den Kompensationsstrom übernimmt, sobald der Meßstrom kleiner
als dieser wird.
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Da bei einer so starken Nullpunktunterdrückung Spannungsschwankungen
des benutzten Meßfrequenzgenerators einen merkbaren Anzeigefehlerr verursachen könnten,
wenn der Kompensationsstrom zur gleichen Zeit konstant bleibt, ist es zweckmäßig,
den Kompensationsstrom von der gleichen Spannungsquelle ahzuleiten, so daß sich
derartige Schwankungen ebenfalls kompensieren. Eine Meßanordnung, die mit einer
solchen elastischen Kompensation arbeitet, ist in Fig. 3 wiedergegeben. Diese besteht
aus einer Meßgleichrichterschaltung entsprechend Fig. I, enthaltend die Röhre des
Vorverstärkers Re I und die Dioden D I I und D I 2 90-wie das Anzeigeinstrument
J und einer in gleicher Weise aufgebauten Kompensat ionsgleicb richterschaltung
mit den Röhren Rö II, D II I und D II 2.
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Dem Gitterkreis der Röhre Rö I wird die Meßspan nung UM zugeführt,
während an die Eingangsklemmen der Kompensationsschaltung eine aus dem gleichen
Meßfrequenzgenerator, der die Meßspannungen liefert, abgeleitete Spannung UK zur
Erzeugung des Kompensationsstromes angelegt wird, woliei zur Einstellung desselben
der Potentiometer P2 dient. Dem Instrument J werden die einander entgegengesetzten
Ströme über die Diodenstrecken D I 2 und D II 2 zugeleitet und der Differenzstrom
zur Anzeige gebracht.
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Die Anwendung einer Anordnung mit einer derartig starken Nullpunktunterdrückung
kommt vor allem bei Meßgeräten in Frage, in denen kleine Änderungen elektrischer
oder auch anderer physikalischer Größen, die sich in proportionale Spanzungen umsetzen
lassen, gemessen werden sollen, z. B. als Anzei,geverstärker für die Messung von
Dämpfungsänderungen in der Größenordnung von mN (Millineper). Fig. 4 zeigt in Gestalt
eines Blockschaltbildes ein praktisches Anwendungsbeispiel für eine Anordnung gemäß
der Erfindung. Bei diesem Beispiel soll der Dämpfungsverlauf im Durchlaßbereich
eines Filters I mit Hilfe einer Eichleitung 2 und einem Anzeigeverstärker gemessen
werden.
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Dieser ist durch die gestrichelte Umrahmung gekennzeichnet und enthält
den Vorverstärker 4, den Meßgleichrichter 5, den Kompensationsgleich r ichter 6
und das Anzeigeinstrument 7. Die Meßspannungen und die zur Erzeugung des Kompensationsstromes
dienende Spannung werden von dem gleichen Meßfrequenzgenerator 3 geliefert. Der
Anzeigeverstärker zeigt bei starker Nullpunktunterdrückung mit elastischer Kompensation
Dämpfungsunterschiede von I mN noch zuverlässig an. Die elastische Kompensaflon
ergibt z. B. bei einer Nullpunktunterdrückung 1 : 50 und bei einer Generatorspannungsschwankung
von I% eine Schwankung der Anzeige von nur I % des jeweiligen Instrumentenausschlages,
also um 0,2%# des Meßstromes.
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Bei konstantem Kompensationsstrom würde sich der Ausschlag des Instruments
unter sonst gleichen Bedingungen um 50 % ändern.
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PATENTANSPROCHE: I. Meßgleichrichteranordnung für nach dem Prinzip
der Flächengleichrichtung arbeitende Wechselspannungsmeßeinrichtungen, gekennzeichnet
durch zwei gegensinnig geschaltete, parallel liegende Diodenstrecken im Anodenkreis
eines Vorverstärkers mit hohem Innenwi derstand (Pentode), die über den hohen Innenwiderstand
der Verstarkerröhre mit eingeprägtem Strom gespeist werden, sowie durch ein wechselstrommäßig
überbrücktes Anzeigeinstrument im Stromkreis einer der beiden Diodenstrecken.
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2. Meßgleichrichteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gleichstromspeisung der Verstärkerröhre über einen Ohmschen Widerstand solcher
Bemessung erfolgt, daß nur ein geringer Prozentsatz des Anodenwechselstromes über
ihn abgeleitet wird.
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3. Meßgleichrichteranordnung nach Anspruch I, gekennzeichnet durch
die Anwendung einer Nullpunktunterdrückung der Anzeige durch einen Kompensationsstrom.