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Voltmeter mit logarithmisdier Skala
Um ausreichend genaue Ablesungen
zu erhalten, wenn die Meßspannungen in großen Grenzen schwanken, z. B. von einigen
Mikrovolt bis einige Volt, und zwar ohne die Empfindlichkeit verändern zu müssen,
muß man einem Voltmeter eine logarithmische Empfindlichkeitskurve geben. Die relative
Genauigkeit des so ausgebildeten Gerätes ist bei jedem Wert der Meßspannung konstant,
und die Anzeigeskala trägt vorzugsweise eine Teilung in Dezibel oder Neper.
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Derartige Geräte wurden bereits vorgeschlagen, aber die Ausdehnung
des Meßbereiches erschien unzureichend. Die Erfindung bezweckt daher die Schaffung
eines Gerätes, dessen Grundgedanke seine Anpassung an einen beliebigen Spannungsbereich
ohne grundlegende Änderungen zuläßt.
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Die Erfindung hat ein Voltmeter mit logarithmischer Skala zur Messung
von in weiten Grenzen schwankenden Wechselspannungen an einer einzigen Skalenteilung
zum Gegenstand, welches sich dadurch kennzeichnet, daß es einen Verstärker aufweist,
der aus mehreren in Reihe geschalteten Teilverstärkern besteht und welchem die zu
messende Wechselspannung zugeführt wird, und ein Detektor mit Schwellwert am Ausgang
jedes Teilverstärkers sowie am Ausgang jedes Detektors ein Gleichstromverstärker
angeordnet ist, der aus einer Röhre besteht, deren Anodenstrom - Gitterspannungs-
Charakteristik einen logarithmischen Verlauf hat.
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Handelt es sich z. B. um die Messung von Spannungen, die zwischen
den Werten a und a V gestaffelt sind, so wird die Zahl der Teilverstärker gleich
n und die Verstärkung jedes einzelnen gleich k.
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Zur Vereinfachung der Erläuterung sei im folgenden angenommen, daß
der Spannungsmeßbereich durch das Intervall (a, IO 000 a) Mikrovolt, d. h. 80 Dezibel
dargestellt
wird. Die Teilverstärker sind dann in einer Anzahl von vier mit einer Einzelverstärkung
von 20 Dezibel vorgesehen, mit Ausnahme des Eingangsteilverstärkers, dessen Verstärkungswert
später festgelegt wird.
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Am Ausgang jedes Teilverstärkers ist ein Detektorgleichstromverstärkersystem
vorgesehen. Dieses System liefert einen Gleichstrom, der in Abhängigkeit von dem
Scheitelwert der ihm zugeführten Wechselspannung schwankt, und ist so ausgebildet,
daß I. unterhalb eines gewissen Schwellwertes i1 des Wechselstromes der Gleichstrom
I konstant und gleich einem gewissen Wert IM ist, 2. für Werte des Wechselstromes
zwischen dem Wert i1 und einem zweiten Wert i2 der Gleichstrom I von Ial bis auf
den Wert Null abnimmt.
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Es sind so vier Detektorgleichstromverstärker vorhanden, von denen
jeder einen Gleichstrom liefert, der dem obigen Änderungsgesetz gehorcht. Die vier
Ströme verlaufen in der gleichen Richtung und vereinigen sich in dem Meßgerät, das
anzeigend oder registrierend sein kann.
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Grundsätzlich wird die Anordnung der Detektorgleichstromverstärker
so geregelt, daß bei jedem Wert der in dem Meßbereich angenommenen Spannung ein
einziger Detektorgleichstromverstärker von einem Scheitelwert des Wechselstromes
i1 und i2 erregt wird und folglich einen Gleichstrom I zwischen 0 und IM liefert,
wobei die folgenden Detektoren einen vernachlässigbaren Strom und die vorhergehenden
Detektoren einen Strom gleich IaI liefern.
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Als aktiver Verstärker wird im folgenden ein Verstärker bezeichnet,
der einen Gleichstrom zwischen O und 1M liefert; wenn der erzeugte Strom vernachlässigbar
ist, wird der Verstärker als gesättigt bezeichnet, und wenn dieser Strom gleich
IM ist, wird der Verstärker als beharrend bezeichnet.
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Bei jedem Wert der zu messenden oder aufzuzeichnenden Spannung, der
kleiner oder gleich a V ist, sind die vier Gleichstromverstärker beharrend, und
das Voltmeter erhält 4 IM Bei einer Spannung V zwischen a und 10 a wird der vierte
Detektor auf Grund der Verstärkung der vier Verstärker aktiv, und das Anzeigegerät
wird von dem Strom 3 IM +I I durchflossen. Dieser Strom erreicht 3 1M wenn V gleich
10 a wird.
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Bei einer Spannung V zwischen Ioa und Iooa wird der vierte Verstärker
gesättigt, während der dritte auf Grund der Verstärkung der drei ersten Verstärker
aktiv wird. Das Gerät erhält den Strom 2 1M + I, der 2 IM wird, wenn V gleich 100
a wird.
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Bei einer Spannung V zwischen 100 a und I000 a werden die beiden
letzten Verstärker gesättigt, der zweite wird aktiv, und das Gerät erhält den Strom
1M Q I und ferner IM, wenn V gleich I000 a ist.
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Schließlich werden bei einer Spannung V zwischen oooa und Iooooa
die drei letzten Verstärker gesättigt, der erste wird aktiv, und das Gerät wird
von dem Strom I durchflossen, welcher Null wird, wenn V gleich 10 oooa ist.
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Zusammenfassend: es ändert sich die Anzeige des Galvanometers um
gleiche Größen bei Erregungen, die sich in gleichen Verhältnissen ändern. Das Gerät
spricht bei den Werten a, 10 a, 100 a usw., welche den Schwellwerten der verschiedenen
Detektoren entsprechen, genau logarithmisch an.
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In den Intervallen dieser Werte erreicht man Ausschläge mit einem
fast logarithmischen Verlauf, indem man als Gleichstromverstärker Vakuumröhren mit
veränderlicher Steilheit verwendet, deren Anodenstrom-Steuergitterspannungs-Charakteristik
sich einer logarithmischen Kurve nähert. Daraus folgt, daß eine Teilung in Dezibel
zwischen o und 20, 20 und 40 usw. fast gleiche Unterteilungen aufweisen wird.
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In Wirklichkeit haben die Charakteristiken der Vakuumröhren mit veränderlicher
Steilheit in ihrer ganzen Ausdehnung keinen logarithmischen Verlauf, vielmehr zeigen
sie eine Krümmung in einer Richtung bei I in der Nähe von 1M und eine Krümmung in
der anderen Richtung für I angenähert Null. Praktisch liefern bei einer zugeführten
Spannung in der Nähe von Ioa, Iooa, Ioooa zwei Detektorgleichstromverstärker Strom.
Durch das Zusammenwirken der umgekehrten Krümmungen behält das Änderungsgesetz des
Stromes einen logarithmischen Verlauf selbst für diese Werte. Daraus ergibt sich
eine fast genau lineare Skala in Dezibel, ausgenommen bei den Grenzwerten a und
10 soda, bei welchen diese Kompensation nicht eintritt, woraus sich eine geringe
Störung am Anfang und am Ende der Eichung ergibt.
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Es wurde oben gesagt, daß der Eingangsteilverstärker für Wechselstrom
eine von 20 db abweichende Verstärkung ergibt. In dem ins Auge gefaßten Frequenzband
ergibt nämlich dieser Verstärker die Verstärkung, die erforderlich ist, um die zu
messende oder aufzuzeichnende Höchstspannung einer Stromänderung gleich 4 IM entsprechen
zu lassen. Eine zehnmal kleinere Spannung, nämlich I000 a, muß den in dem ersten
Detektor enthaltenen Schwellwert erreichen.
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Nimmt man a z. B. gleich 10 Mikrovolt (effektiv), so ergibt sich
IOOOa = o,oI V (effektiv). Wenn man die Schwelle bei 0,5 V Gleichspannung festlegt,
muß die dem Detektor zugeführte Spannung im Prinzip 0,5 gleich V (effektiv) sein.
In Wirklichkeit muß 1' diese Spannung unter Berücksichtigung des mit etwa 0,7 angenommenen
Wirkungsgrades des Detektors gleich o,5 V (effektiv) sein. Der Eingangswechselstromverstärker
muß daher eine Verstärkung gleich '5, nämlich eine Verstärkung in Dezibel von etwa
20 log '5 = 34 db ergeben.
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Allgemein wird die Verstärkung des ersten Wechselstromverstärkers
dargestellt durch (20 + Y) db.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen für einen Spannungsbereich
von 80 db an Hand der Zeichnung.
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Fig. I ist ein Gesamtschema der Anordnung der verschiedenen Organe
des Voltmeters; Fig. 2 ist ein Schema für die Ausführung eines Gleichstromverstärkerdetektors;
Fig. 3 a, 3 b, 3 c zeigen die Diagramme der wichtigsten Charakteristiken des Gerätes;
Fig.
4 ist das Schema eines als Sicherheitsorgan dienenden Spannungsbegrenzers; schließlich
ist Fig. 5 das Schema einer Umschaltanordnung zur Erhöhung der Genauigkeit des als
Anzeigegerät benutzten Voltmeters.
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Wie in Fig. I dargestellt, sind I0, 20, 30, 40 die Wechselstromverstärker,
II, 21, 31, 41 die Detektoren mit Schwellwert, I2, 22, 32, 42 die Gleichstromverstärker,
23, 33 die Begrenzer, und G ist die Skala des Anzeigegerätes.
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Der Verstärker 10 ergibt eine Verstärkung von (20 + Y) db, während
jeder der Verstärker 20, 30, 40 eine Verstärkung von 20 db ergibt.
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Wie in Fig. 2 gezeigt, besteht jeder Schwellwertdetektor aus einer
Diode I, deren Kathode auf eine feste positive Vorspannung V, z. B. 1" + f 0,5 V
gebracht ist. Jeder Gleichstromverstärker besteht aus einer Röhre 5 mit veränderlicher
Steilheit, deren Anode 7 mit dem Aleßgalvanometer verbunden ist.
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Die Kathode erhält eine feste Vorspannung Vu. Die negative Vorspannung,
welche an der Anode 2 der Diode I durch den Durchgang des gleichgerichteten Stromes
in dem Widerstand 4 entwickelt wird, wird durch das Siebglied (Widerstand r, Kondensator
C) an das Gitter 6 der Röhre 5 übertragen.
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Der Anodenstrom la der Röhre 5 ändert sich in Abhängigkeit von der
negativen Vorspannung Vg des Gitters, wie in Fig. 3, a, dargestellt.
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Das Änderungsgesetz des Gleichstromes eines Verstärkers, wie 12,
in Abhängigkeit von dem I,ogarithmus der ihr zugeführten Steuerspannung V wird durch
Fig. 3, b, wiedergegeben.
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Der Gesamtstrom, die Summe der vier Teilströme, die durch das Galvanometer
geht, hat den geradlinigen Verlauf, der in Fig. 3, c, mit halblogarithmischen Ordinaten
wiedergegeben ist.
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Die Begrenzer 23, 33 haben die Aufgabe, zu verhindern, daß die nachher
angeordneten Verstärker gesättigt werden, wenn die vorher angeordneten Verstärker
die v orgesellene maximale Ausgangsspannung liefern.
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Sie können, wie Fig. 4 zeigt, aus einer Vakuumröhre 1 bestehen, deren
Anode durch eine Impedanz Z belastet und deren Gitter 2 durch einen Widerstand R
von hohem Wert an klasse gelegt ist, wobei ihre Kathode 3 eine feste orspannung
1'L erhält, die durch die Arbeitsbedingungen des Verstärkers bestimmt wird. 'enn
die dem Gitter zugeführte Wechselspannung den Scheitelwert l L überschreitet, bewirkt
der Gitterstrom in dem Widerstand R einen Spannungsabfall, welcher eine negative
Vorspannung dieses Gitters herbeiführt; die Verstärkung nimmt dann ab, und der Begrenzer
überträgt durch den Kondensator C an den hinter ihm angeordneten Verstärker (z.
B. der Begrenzer 23 an den Verstärker 30 in Fig. I) eine Spannung, die auf einem
Scheitelwert annähernd gleich VL festgehalten bleibt.
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Der Begrenzer ist hinter dem Verstärker 1(1 nach Fig. I unnötig,
weil er bei der höchsten AIeßspannung eine Scheitelspannung von 1 L Volt liefert,
welche die Sättigungsgrenze der unmittelbar hinter ihm angeordneten Organe nicht
überschreitet.
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Bei dem beschriebenen Gerät nehmen die Ausschläge des Galvanometers
bei zunehmender Erregung ab. Wenn man Ausschläge in dem üblichen Sinne erhalten
will, läßt man durch das Galvanometer einen konstanten Kompensationsstrom gleich
4 13> gehen, entgegengesetzt zum Strom 1 = I, + 12 + 13 + 14, 50 daß der resultierende
Strom die Differenz 4 IJ/I ist.
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In der vorliegenden Beschreibung ist angenommen, daß der Meßbereich
sich über 80 db erstreckt. Wenn man I60 Punkte auf der Skala des Gerätes markiert,
kann man !2 db ablesen.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann man die Genauigkeit
in dem Falle steigern wo das Gerät als Anzeigegerät und nicht als Registriergerät
benutzt sird. Zu diesem Zweck verwendet man die Schaltung nach Fig. 5.
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Wie diese Figur zeigt, werden zwischen die Detektoren und die Gleichstromverstärker
Umsehalter 1 bis 8 eingeschaltet, von denen jeder 5 Stellungen a bis e besitzt.
Diese Umschalter sind mechanisch mit einer gemeinsamen Betätigung verbunden, so
daß alle Schaltane sich immer in der gleichen Stellung befinden, und die verschiedenen
Stellungen der Umschalter sind elektrisch miteinander verbunden, wie dies in der
Figur gezeigt ist. Die Detektoren sind mit 13 bis I6 und die Verstärker mit den
entsprechenden Bezugszeichen 9 bis 12 bezeichnet. Die Schaltung ermöglicht es, die
Gitter der Röhren 9 bis I2 an die betreffenden Detektoren I3 bis I6 oder auch parallel
an einen einzigen gleichen Detektor zu legen.
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Beispielsweise soll der Spannungspegel 34,7 db gemessen werden. Wenn
die Umschalter in der Stellung n sind, erfolgt die Ablesung unter den gleichen Verhältnissen,
wie sie oben dargelegt wurden: man liest dann an der Skala einen Wert ab, der zwischen
34,5 und 35 db liegt. Dann bringt man die Umschalter in die Stellung d, d. h. daß
die Gitter der vier Röhren mit veränderlicher Steilheit parallel an die Anode des
aktiven Detektors (im vorliegenden Falle des Detektors 15) geschaltet werden. Der
Gesamtausschlag der Skala findet dann bei 20 db, anstatt bei So db statt. Wenn man
an der Skala eine zweite Skala vorgesehen hat, die entsprechend mit 200 Punkten
markiert ist, kann man so 1/1o db messen. Im Falle einer Meßspannung von 34,7 db
kann man dann an dieser zweiten Teilung den Wert 14,7 ablesen, woraus sich für den
Pegel der wirkliche Wert 20 + 14,7 = 34,7 db ergibt.
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Die vorhergehende Beschreibung, welche den Aufbau und die Wirkungsweise
des Gerätes erläutert, beruht, wie erwähnt, auf einem Meßbereich von So db.
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Offenbar wird für andere Werte von k und von n die Anzahl der Wechselstromverstärker
und der Detektorgleichstromverstärker entsprechend geändert, ebenso wie die Verstärkungsziffern
der Verstärker.
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Ganz allgemein wird das Verhältnis k bestimmt, indem man einerseits
dem Verstärker I0, 20 usw. eine Verstärkung k und andererseits der in Fig. 2 angegebenen
Vorspannung V einen Wert gleich v (k - 1) gibt, wobei v der absolute Wert der Vorspannungsänderung
ist, welche den Strom des Gleichstromverstärkers von 1M auf i übergehen läßt, wie
dies in Fig. 3 a gezeigt wird. Der Anodenstrom geht
von 1M auf i
bei Scheitelspannungen, die sich von V1 auf V2 so ändern, daß v' = k. Der Strom
beginnt v2 bei V2 = V abzunehmen. Er erreicht den Wert i bei V, = V + v = k V2 =
k V. Es wird daher v= V-(kI).
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In allen Fällen bleibt der Grundgedanke der Anordnung und der Wirkungsweise
des Gerätes der gleiche.
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Im Falle einer Auswechslung der Verstärkerröhren kann man die Charakteristiken
des ganzen Gerätes durch eine besondere Regelung beibehalten, die an der Skala und
dem Gitter jeder Röhre vorgesehen ist.