DE888885C

DE888885C - Device for measuring DC voltages of small size

Info

Publication number: DE888885C
Application number: DEN2291D
Authority: DE
Inventors: Cornelis Dorsman
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1941-01-06
Filing date: 1942-01-03
Publication date: 1953-09-07

Description

Vorrichtung zur Messung von Gleichspannungen geringer Größe Für die Messungen von Gleichspannungen gei ringer Größe und insbesondere für die Messung der Klemmenspannung einer Gleichstromquelle mit einem sehr hohen inneren Widerstand sind Vorrichtungen bekannt, bei denen die zu messende Gleichspannung in eine Wechselspannung umgesetzt wird mittels eines Kondensators, der durch die zu messende Gleichspannung geladen wird, während Mittel vorgesehen sind, mit denen die Kondensatorkapazität periodisch mit einer bestimmten Frequenz geändert wird. Dem Kondensator kann in diesem Fall eine Wechselspannung mit einer Amplitude entnommen werden, die der Größe der dem Kondensator zugeführten Gleichspannung proportional ist, und diese Wechselspannung kann nach Verstärkung und gegebenenfalls nach Gleichrichtung auf einfache Weise gemessen werden. Derartige Vorrichtungen sind gleichfalls mit Vorteil anwendbar bei der Bestimmung der Größe von Gleichspannungen mit Hilfe eines Kompensationsverfahrens, bei. dem die erreichte Genauigkeit von der Genauigkeit ab.-hängig ist, mit der die Differenz der Größen der unbekannten und einer bekannten Gleichspannung gemessen werden kann.Device for measuring DC voltages of small magnitudes For the Measurements of DC voltages of small size and especially for measurement the terminal voltage of a direct current source with a very high internal resistance devices are known in which the direct voltage to be measured is converted into an alternating voltage is implemented by means of a capacitor, which is generated by the DC voltage to be measured is charged, while means are provided with which the capacitor capacitance is changed periodically at a certain frequency. The capacitor can be in In this case, an alternating voltage with an amplitude that corresponds to the size can be taken is proportional to the DC voltage applied to the capacitor, and this AC voltage can after amplification and possibly after rectification in a simple manner be measured. Such devices can also be used with advantage when determining the magnitude of direct voltages with the help of a compensation method, at. which the achieved accuracy depends on the accuracy with which the Difference between the values of the unknown and a known DC voltage is measured can be.

Die Patentinhaberin hat nun gefunden, daß die Genauigkeit, mit der mit den oben beschriebenen Vorrichtungen eine Gleichspannung gemessen werden kann, unter Umständen wesentlich geringer ist, als im Hinblick auf den zur Verstärkung der dem Kondensator entnommenen Wechselspannung verwendeten Verstärker erwartet werden dürfte. The patent proprietor has now found that the accuracy with which a DC voltage can be measured with the devices described above, may be significantly less than in terms of reinforcement of the amplifier used from the capacitor taken from the capacitor should be.

Die E.rfindung zeigt einen Weg, der bei Vorrichtungen der beschriebenen Gattung eine wesentlich größere Meßgenauigkeit ermöglicht. The E.rfindung shows a way that in devices of the described Type allows a much greater measurement accuracy.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Meßgenauigkeit durch die Speisequelle des ver- wendeten Verstärkers ungünstig beeinflußt werden kann, wenn diese Speisequelle eine zumindest eine Wechselspannungskomponente enthaltende Speisespannung liefert und die genannte ungünstige Beeinflussung solgar dann auftritt, wenn die gegebenenfalis durch Gleichrichtung erhaltenen und denVerstärlterröhren des Verstärkers zugeführten Speisespannungen (Anoden- und Schirmgitterspannungen, Steuergittervorspannungen od. dgl.) sorgfältig abgeflacht werden. The invention is based on the knowledge that the measurement accuracy by the source of supply of the used amplifier is adversely affected can be if this supply source has at least one AC voltage component containing supply voltage supplies and the aforementioned unfavorable influence solgar occurs when the given rectification and the amplifier tubes supply voltages supplied to the amplifier (anode and screen grid voltages, Control grid biases or the like) are carefully flattened.

Der genannte Übelstand wird offenbar durch kapazitive und/oder induktive Kopplung zwischen den in dem Raum, in dem die Meßvorrichtung angeordnet ist, vorhandenen Netzleitungen einerseits und dem Kondensator mit sich periodisch ändernder Kapazität, dessen Verbindungslebitungen mit dem Verstärker und mit der die zu messende Gleichspannung liefernden Quelle und den mit dieser Quelle verbundenen Leitungen oder Gegenständen andererseits herbeigeführt. Dieser Übelstand wird erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß man die Änderungsfrequenz des Kondensators von der Frequenz der genannten ÄvechseJs;pan-. nungskomponente und von jenen höheren Harmonischen dieser Frequenz, die zu einer störenden Wechselspannungskomponente im Verstärker Anlaß geben können, abweichen läßt und daß die dem Kondensator entnommenen, in ihrer Frequenz verschiedenen Wechselspannungen derart nach der Frequenz getrennt werden, daß von diesenWechselspannungen nur diejenigen, die eine derVariationsfrequenz des Kondensators entsprechende Frequenz besitzen, eine Anzeige verursachen. The mentioned disadvantage is evidently due to capacitive and / or inductive Coupling between those present in the space in which the measuring device is arranged Mains lines on the one hand and the capacitor with periodically changing capacitance, its connection lines with the amplifier and with the DC voltage to be measured supplying source and the lines or objects connected to this source on the other hand brought about. According to the invention, this disadvantage is avoided by that the frequency of change of the capacitor is different from the frequency of the abovementioned equations; pan-. voltage component and those higher harmonics of this frequency that lead to a interfering AC voltage components in the amplifier can give rise to deviate and that the alternating voltages taken from the capacitor, different in frequency are separated according to frequency in such a way that of these alternating voltages only those which have a frequency corresponding to the frequency of variation of the capacitor, create an ad.

Um die frequenzmäßige Trennung der dem Kondensator entnommenen Wechselspannungen zu vereinfachen, wenn die Variationsfrequenz des Kondensators verhältnismäßig niedrig ist, z. B. kleiner als 200 Hz, wird die Variationsfrequenz vorzugsweise derart gewählt, daß sie zumindest annähernd -(s + tl2)n entspricht, wenn n die Frequenz der Wechselspannungskomponente der Speisespannung und s eine ganze Zahl ist. About the frequency separation of the alternating voltages taken from the capacitor to simplify when the frequency of variation of the capacitor is relatively low is e.g. B. less than 200 Hz, the variation frequency is preferably chosen so that it corresponds at least approximately to - (s + tl2) n, if n is the frequency of the alternating voltage component the supply voltage and s is an integer.

Die frequenzmäßige Trennung der Wechselspannungen kann durch das mit dem Verstärker verbundene Anzeigeinstrument selbst in der Weiße erfolgen, daß als solches ein an sich bekanntes, nur für eine bestimmte Frequenz empfindliches An zeigeinstrument verwendet wird. The frequency separation of the alternating voltages can be achieved by the Display instrument connected to the amplifier itself take place in the white that as such a known per se, sensitive only to a certain frequency Indicating instrument is used.

Es ist jedoch empfehlenswert, einen Verstärker zu benutzen, der die Variationsfrequenz des Kondensatolrs selektiv verstärkt, wodurch es möglich wird, ein empfindliches Anzeigeinstrument der allgemein üblichen Type, z. B. ein Drehspulinstrument oder einen Kathodenstrahlanzeiger, zu benutzen. However, it is recommended that you use an amplifier that can handle the Variation frequency of the condensator selectively amplified, which makes it possible a sensitive indicating instrument of the common type, e.g. B. a moving coil instrument or a cathode ray indicator.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der einAusführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der !Erfindung dargestellt ist. The invention is explained in more detail with reference to the drawing, in which an embodiment of a device according to the invention is shown.

Bei der dargestellten Vorrichtung besteht die zu messende Gleichspannung aus dem Unterschied zwischen einer Spannung unbekannter Größe EPH. wie sie z. B. bei der Bestimmung von Säurekonzentrationen (pH-Messungen) vorkommt, und einer einstellbaren Vergleiehsspannung E, bekannter Größe. Die zwischen den Anschlußklemmen I der Vorrichtung gemäß der Erfindung herrschende Unterschiedsspannung wird der Reihenschaltung eines vorzugsweise hochohmigen Widerstandes 2 und eines Kondensators 3 zugeführt, wodurch der Kondensator durch die zu messende Spannung aufgeladen wird. Dadurch, daß die Größe des Kondensators periodisch mit einer bestimmten Frequenz- geändert wird, entsteht zwischen den Anschlußklemmen des Kondensators eine Wechselspannung, deren Größe der Größe der dem Kondensator zugeführten Gleichspannung proportional ist. Die auf diese Weise erhalteneWechselspannung wird in der dargestellten Vorrichtung mit Hilfe von Kopplungskondensatoren, 4, 5 dem Steuezrgitter der Verstärkerröhre 6 und nach weiterer Verstärkung mit Hilfe einer zweiten Verstärkerröhre 7 dem Steuergitter eines Triodelnverstärkersystems zugeführt, das zusammen mit einem Kathodenstrahlanzeiger, der im vorliegenden Fall als Anzeigeinstrument dient, in einer Röhre 8 angeordnet ist. Die Schaltung ist derart gewählt, daß, falls am Kondensator 3 keine Wechselspannungen auftreten und somit Ep11 und EV gleich groß sind, die fluoreszierende Oberfläche des Kathodenstrahlanzeigers eine gleichbleibende Mindestgröße besitzt, während, falls die genannten Spannungen verschienen sind und somit am Kondensator 3 eine Wechselspannung einer der Spannungsdifferenz proportionalen Größe auftritt, die fluoreszierende Oberfläche größer als im erstgenannten Iiall ist und sich außerdem im Rhythmus der Wechselspannung ändert. In the device shown, there is the DC voltage to be measured from the difference between a voltage of unknown magnitude EPH. how they z. B. occurs when determining acid concentrations (pH measurements), and an adjustable one Comparative voltage E, known size. The one between the terminals I of the device according to the invention prevailing difference voltage is the series connection of a preferably high resistance 2 and a capacitor 3 supplied, whereby the capacitor is charged by the voltage to be measured. Because the Size of the capacitor is changed periodically with a certain frequency, there is an alternating voltage between the terminals of the capacitor Size is proportional to the size of the DC voltage supplied to the capacitor. The alternating voltage obtained in this way is used in the device shown with the help of coupling capacitors, 4, 5 the Steuezrgitter the amplifier tube 6 and after further amplification with the aid of a second amplifier tube 7 the control grid a triode amplifier system, which together with a cathode ray indicator, which in the present case serves as a display instrument, arranged in a tube 8 is. The circuit is chosen such that if there are no alternating voltages on the capacitor 3 occur and thus Ep11 and EV are the same size, the fluorescent surface the cathode ray indicator has a constant minimum size, while, if the voltages mentioned are different and thus a AC voltage of a magnitude proportional to the voltage difference occurs fluorescent surface is larger than in the first-mentioned Iiall and also changes in rhythm with the alternating voltage.

Der -Verstärker ist für Speisung aus einem Wechselstromnetz eingerichtet. Die dem Netz entnommene Wechselspannung wird den Anschlußklemmen 9 der Primänvicklunlg eines Netztransformators 10 zugeführt und, nachdem sie von einer Zweiweggleichrichterröhre 11 gleichgerichtet und mit Hilfe eines aus zwei Kondensatoren I2 und einem Reihenwiderstand 13 bestehenden Abflachfilter - abgeflacht worden ist, den Verstärkerröhren 6, 7, 8 zugeführt. The amplifier is set up for supply from an alternating current network. The AC voltage taken from the network is applied to the connection terminals 9 of the Primänvicklunlg a power transformer 10 and fed after it by a full wave rectifier tube 11 rectified and with the help of one of two capacitors I2 and a series resistor 13 existing flat filters - has been flattened, the amplifier tubes 6, 7, 8 supplied.

Da Verstärker- und Speiseschaltungen der in der Figur dargestellten Type als bekannt angenommen werden dürfen und ihre genaue Ausführung für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich ist, wird darauf nicht weiter eingegangen. Since amplifier and feed circuits of the shown in the figure Type may be assumed to be known and their exact design for the present Invention is not essential, it will not be discussed further.

Die Erfindung hat, wie bereits erwähnt, den Zweck, zu verhindern, daß aus dem Starkstromnetz herstammende Wechsel spannungen, die durch kapazitive und/o!der induktive Kopplung zwischen dem Starkstromnetz und dem Kondensator nebst den- mit letzterem verbundenen Leitungen und Vorrichtungen entsprechende Wechselspannungen zwischen den Anschlußklemmen des Kondensators 3 entstehen lassen, einen störenden Einfluß auf die vorzunehmenden Messungen haben können. As already mentioned, the invention has the purpose of preventing that coming from the power network AC voltages that are generated by capacitive and / o! the inductive coupling between the power network and the capacitor, as well AC voltages corresponding to the lines and devices connected to the latter Let arise between the terminals of the capacitor 3, a disturbing Can influence the measurements to be made.

Die Frequenzen der Störspannungen, die infolge der genannten Kopplung auftreten können, entsprechen selbstverständlich der Netzfrequenz und/oder höheren Harmonischen dieser Frequenz, wobei zu berücksichtigen ist, daß einige höhere Harmonische der Netzfrequenz, oder bei einem Gleichstromnetz höhere Harmonische der Grundfrequenz der Wechselspannungskomponente der Netzspannung, häufig eine verhältnismäßig große Amplitude besitzen. Die dadurch verursachten Störungen würden zur Folge haben, daß sich nicht genau feststellen läßt, wann die durch die zu messende Spannung verursachte Wechselspannung gleich Null ist, da unabhängig davon am Kondensator stets eine Wechselspannung auftritt. Gemäß der Erfindung wird ein derartiger störender Einfluß dadurch vermieden, daß die Variationsfrequenz der Kapazität des Kondensators 3 derart gewählt wird, daß sie von der Netzfrequenz und ron jenen höheren Harmonischen dieser Frequenz, die eine Störung veranlassen könnten, abweicht, während die dem Kondensator entnommenen Wechselspannungen mit einer der Variationsfrequenz der Kondensatorkapazität entsprechenden Frequenz erst nach selektiver Verstärkung dem Anzeigeinstrument zugeführt werden. The frequencies of the interference voltages as a result of the coupling mentioned can occur, of course, correspond to the network frequency and / or higher Harmonics of this frequency, taking into account that a few higher harmonics of the mains frequency, or higher in a direct current network Harmonics of the fundamental frequency of the AC component of the mains voltage, often have a relatively large amplitude. The disturbances caused by it would have the consequence that it cannot be determined exactly when the AC voltage caused by the voltage to be measured is zero, as it is independent of which an alternating voltage always occurs on the capacitor. According to the invention such a disruptive influence is avoided that the variation frequency of the Capacity of the capacitor 3 is chosen such that it depends on the line frequency and of those higher harmonics of this frequency that could cause a disturbance, deviates, while the AC voltages taken from the capacitor with one of the Frequency of variation of the capacitor capacitance corresponding frequency only after more selective Gain can be fed to the display instrument.

Die dargestellte Vorrichtung weist zu diesem Zweck einen Röhrengenerator 14 an sich bekannter Schaltung auf, die von dem für den Verstärker vorgesehenen Netzanschlußgerät gespeist wird und Schwingungen erzeugt, deren Frequenz durch den Schwingungskreis 15 bestimmt wird. Die in diesem Kreis auftretenden Schwingungen werden mit Hilfe eines Transformators I6 einer Spule 17 zugeführt, die in einem von einem Dauermagneten 18 erzeugten Magnetfeld beweglich angeordnet ist. The device shown has a tube generator for this purpose 14 known circuit, that of the intended for the amplifier Mains connection device is fed and generates vibrations, the frequency of which is determined by the Oscillating circuit 15 is determined. The vibrations occurring in this circle are fed with the help of a transformer I6 a coil 17, which in a Magnetic field generated by a permanent magnet 18 is movably arranged.

Für die Spule I7 und den Magneten i8 ist mit Vorteil ein an sich bekanntes Lautsprechersystem anwendbar. Wie in der Figur schematisch angegeben ist, ist die Spule 17 mit einer der Elektroden des Kondensators 3 derart mechanisch verbunden, daß die Elektroden in bezug aufeinander in Schwingung versetzt werden und auf diese Weise die Kapazität des Kondensators im Rhythmus der vom Generator 14 erzeugten Schwingungen geändert wird. Eine dem Kondensator 3 zugeführte Gleichspannung wird dann in eine Wechselspannung einer derEigenfrequenz desKreisesIs entsprechenden Frequenz umgesetzt. Diese Wechselspannung wird mit Hilfe des Verstärkers 6, 7, 8 selektiv verstärkt, da die Anodemmpedanz der Röhre 6 aus einem auf die Variationsfrequenz des Kondensators 3 abgestimmten Schwingungskreis 19 besteht.For the coil I7 and the magnet i8, one which is known per se is advantageous Speaker system applicable. As indicated schematically in the figure, the Coil 17 is mechanically connected to one of the electrodes of the capacitor 3 in such a way that that the electrodes are vibrated with respect to one another and to these Way, the capacitance of the capacitor in the rhythm of the generated by the generator 14 Vibrations is changed. A DC voltage supplied to the capacitor 3 becomes then into an alternating voltage corresponding to the natural frequency of the circuit Is Frequency implemented. This alternating voltage is generated with the aid of the amplifier 6, 7, 8 selectively amplified, since the anode impedance of the tube 6 from one to the variation frequency of the capacitor 3 tuned oscillation circuit 19 consists.

Im allgemeinen wird bei geeigneter Wahl der Variationsfrequenz bereits mit Hilfe eines einzigen Schwingungskreises guter Qualität eine ausreichende Selektion erreicht. Im Hinblick darauf wird die Variationsfrequenz vorzugsweise derart gewählt, daß sie (s + 1/2) fl entspricht, wenn n die Netzfrequenz oder bei einem Gleichstromnetz die Grundfrequenz der Wechselspannungskomponente der Netzspannung und s eine ganze Zahl und vorzugsweise größer als I ist. Wenn z. B. n = 50 Hz, so beträgt die Variationsfrequenz vorzugsweise z. B. 125 Hz.In general, with a suitable choice of the variation frequency a sufficient selection with the help of a single oscillation circuit of good quality achieved. In view of this, the variation frequency is preferably chosen in such a way that that it corresponds to (s + 1/2) fl if n is the network frequency or in the case of a direct current network the fundamental frequency of the alternating voltage component of the mains voltage and s a whole Number and preferably greater than I. If z. B. n = 50 Hz, the variation frequency is preferably e.g. B. 125 Hz.

Durch die genannten Maßnahmen wird erreicht, daß etwaige am Kondensator 3 auftretende, vom Speisenetz herrührende Störspannungen das Anzeigeinstrument nicht beeinflussen und eine sehr große Meßgenauigkeit ist daher gewährleistet. The measures mentioned ensure that any on the capacitor 3 occurring interference voltages from the supply network are not affected by the display instrument influence and a very high measurement accuracy is therefore guaranteed.

Claims

PATENT CLAIMS: I. Device for measuring DC voltages small size, especially for measuring a with the help of a compensation method obtained difference voltage of a DC voltage of known magnitude and a DC voltage unknown quantity at which the direct voltage to be measured is converted into an alternating voltage is converted by means of a capacitor, which is generated by the DC voltage to be measured is charged, while means are provided, with the help of which the capacitor capacitance can be changed periodically with a certain frequency, and at which the AC voltage obtained through an amplifier that is designed to be fed with at least one a supply voltage containing an alternating voltage component is set up, a Indicating instrument is supplied, characterized in that the variation frequency the capacitor capacitance depends on the frequency of the named alternating voltage component and from those higher harmonics of this frequency that lead to a disturbing alternating voltage component in the amplifier can give rise to deviations and that those taken from the capacitor AC voltages of different frequencies are separated in terms of frequency in such a way that that of these alternating voltages only those that have a frequency of variation of the capacitor have the appropriate frequency, cause a display.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the frequency of variation corresponds to the capacitor capacitance, at least approximately (s + 2/2) 11, if n the Frequency of said alternating voltage component and s is an integer.

3. Apparatus according to claim I or 2, characterized in that that used to amplify the DC voltage converted into AC voltage Amplifier selectively amplifies the frequency of variation of the capacitor capacitance.

4. Apparatus according to claim I, 2 or 3, characterized in that that the supply voltage of the amplifier is also adjusted to the required frequency of variation of the capacitor tuned generator is supplied, and that the generator vibrations generated a movable coil in a permanent magnetic field excite, which is mechanically connected to the capacitor and in this way the Capacitor electrodes are set in oscillation with respect to one another.