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Meßeinrichtung für kleine Gleichspannungen, insbesondere Thermo-Spannungen
Gegenstand
der Erfindung ist eine Einrichtung zum Messen kleiner Gleichspannungen, insbesondere
Thermo-Spannungen, im Kompensationsverfahren.
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Bekannte Einrichtungen dieser Art enthalten ein galvanometrisches
Meßsystem und einen elektromagnetischen Kraftgeber. Die Kräfte des Meßsystems und
des Kraftgebers werden mittels eines Waagebalkens gegeneinander ausgewogen.
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Dabei wird durch den Waagebalken eine Stromquelle gesteuert, deren
Strom den Kraftgeber betätigt. Man läßt den Strom an einem Ohmschen Widerstand,
welcher in Reihe mit dem Thermoelement und dem galvanometrischen Meßsystem geschaltet
ist, einen Spannungsabfall erzeugen, der der Thermo-Spannung entgegengerichtet ist
und erreicht so, daß der Strom ein Maß für die Thermo-Spannung ist. Der Vorteil
solcher Einrichtungen besteht darin, daß sich ein Gleichgewichtszustand der Einrichtung
einstellt, in welcher in dem das Thermoelement enthaltenden Stromkreis kein Strom
fließt und daß infolgedessen schwankende Ohmsche Widerstände des Thermoelementes
und der Zuleitungen desselben zur Meßeinrichtung das Meßergebnis nicht beeinflussen.
Der Nachteil solcher Einrichtungen besteht darin, daß es besonderer, auf den die
Thermo-Spannung abbildenden Strom ansprechender Geräte bedarf, wenn die Thermo-Spannung
registriert werden soll.
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Andere bekannte Einrichtungen, welche eine Registrierung kleiner
Spannungen gestatten, l>esitzen einen Waagebalken, an welchem die Kraft eines
die Thermo-Spannung messenden galvanometrischen Meßsystems gegen die Spannkraft
einer Feder ausgewogen wird. Der Waagebalken steuert den Lauf eines Motors, welcher
die Feder spannt und gleichzeitig das Schreibmittel einer Registriereinrichtung
stellt. Im Gleichgewichtszustand ist der Motor in eine Stellung gelaufen, in welcher
er der Feder eine Spannkraft erteilt hat, welche die Kraft des galvanometrischen
Meßsystems kompensiert. Eine derartige Einrichtung hat den Vorteil, daß sie eine
unmittelbare Registrierung ermöglicht, hat aber den Nachteil, daß die Thermo-Spannung
einen Strom durch die galvanometrische Meßeinrichtung treiben muß. Dieser Strom
ist durch schwankende Widerstände des Kreises, in denen er fließt, beeinflußbar;
er ist also nicht unbedingt ein genaues Maß der Thermo-Spannung.
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Bekannt sind ferner Meßeinrichtungen, bei denen der Unterschied (Fehlerspannung)
zwischen Meß-und Gegenspannung über eine geeignete Verstärkereinrichtung (Zerhacker
und Röhrenverstärker) einem elektrischen Stellmotor zugeleitet wird, der - die Schreib-
oder Anzeigeeinrichtung betätigend - erst zur Ruhe kommt, wenn beide Spannungen
gegeneinander genau abgeglichen sind.
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Die Gegenspannung wird bei den bisher bekanntgewordenen Anordnungen
von einem - durch den Stellmotor betätigten - Potentiometer abgegriffen, welches
an eine Konstant-Spannungsquelle, z. B. Normalelement, angeschlossen ist.
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Bei diesen bekannten Meßeinrichtungen hängt die Genauigkeit einmal
von der Konstanz der Spannungsquelle ab, welche der Lieferung der Gegenspannung
dient, und andererseits von der Genauigkeit des Potentiometerabgriffes. Da zumeist
eine Fehlergrenze von nicht mehr als io-3 gefordert ist, ergeben sich zwangläufig
relativ teuere, umfangreiche und umständliche Einrichtungen für die Konstantspannungsquelle.
Ebenso sind die an das Potentiometer gestellten Anforderungen sehr hoch, wobei noch
erschwerend hinzukommt, daß infolge des unvermeidlichen Gleitkontaktes durch Korrosion,
Abnutzung usw. zusätzliche Fehler auftreten.
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Die Erfindung weist einen Weg, wie man bei den Meßeinrichtungen des
eingangs beschriebenen Prinzips diese Nachteile vermeiden kann, d. h. ohne Konstantspannungsquelle
und ohne Verwendung eines immer mit Fehlern behafteten Kontaktabgriffes auskommt
unter gleichzeitiger Erzielung einer hohen Meßgenauigkeit.
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Gemäß der Erfindung wird mit dem Stellmotor eine seinem Stellweg
proportionale mechanische Kraft erzeugt, welche eine die Gegenspannung liefernde
»Stromwaage« steuert. Die Steuerung geschieht beispielsweise in der Weise, daß der
Stellmotor die Spannung einer an dem Waagehebel der Stromwaage angreifenden Feder
ändert Bei Ausbildung der »Stromwaage« nach Art einer Laufgewichtswaage kann die
Steuerung aber auch in der Weise erfolgen, daß der Motor das Laufgewicht der Waage
verstellt. Im Ausgangsstromkreis der »Stromwaage« liegt ein Widerstand, und der
an diesem erzeugte Spannungsabfall wird als Kompensationsspannung der Meßspannung
entgegengeschaltet. Zur Erzielung einer möglichst kurzen Einschwingzeit der Stromwaage
wählt man letztere zweckmäßig so, daß ihr Waagehebel -z. B. durch Verwendung eines
induktiven Abgriffs für diesen - unmittelbar, d. h. ohne Zwischenschaltung von pneumatischen
oder hydraulischen Mitteln den Kompensationsstrom steuert.
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Es sei bemerkt, daß die erwähnten »Stromwaagen« schlechthin, bei
denen bekanntlich die von einer Meßgröße ausgeübte Kraft gegen eine von einer veränderlichen
elektrischen Größe ausgeübte Gegenkraft selbsttätig ausgewogen wird, zum Stand der
Technik zu zählen sind. Ferner sei darauf verwiesen, daß mit sogenannten Schwenkspulkompensatoren
arbeitende Einrichtungen zur Aufzeichnung kleiner Gleichspannungen, insbesondere
von Thermoelementen, bekanntgeworden sind, bei denen ebenfalls keine verstellbaren
Potentialabgriffe mehr Verwendung finden. Diese Einrichtungen sind indessen ganz
anders als der Erfindungsgegenstand aufgebaut. Es handelt sich dort um einen Proportionalverstärker
im Zusammenhang mit einem üblichen Linienschreiber. Mit dem Erfindungsvorschlag
dagegen liegt ein echter Kompensationsschreiber vor, der eine um mindestens eine
Zehnerpotenz höhere Anzeigegenauigkeit gewährleistet als die erwähnte Einrichtung.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematisierter
Darstellung wiedergegeben.
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Mit I ist ein Thermoelement bezeichnet, dessen Temperaturangaben
angezeigt bzw. registriert werden sollen. Über den im Thermoelementenkreis liegenden
Widerstand 2 wird die Kompensationsspannung der Meßspannung (EMK des Thermoelementes)
entgegengeschaltet. Der Unterschied zwischen der auftretenden Thermo-Spannung und
der herrschenden Kompensationsspannung wird über eine Verstärkereinrichtung 3 (Zerhacker
und Röhrenverstärker) als Wechselsteuerspannung einem Wechselstromstellmotor 4 zugeleitet.
Der Stellmotor verändert über ein Getriebe 5 - proportional seinem Stellweg - die
Spannung einer Feder 6, die mit ihrem einen Ende an dem Waagehebel 7 einer sogenannten
»Stromwaage« angreift.
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Zu diesem Zweck ist das andere Ende der Feder an einer Spindelmutter
8 befestigt, die auf einer durch den Stellmotor über das Getriebe 5 angetriebenen
Spindel 9 läuft. Im vorliegenden Falle ist als »Stromwaage« eine solche gewählt,
bei der - zur Erzielung einer möglichst kurzen Einschwingzeit -durch den Waagehebel
unmittelbar, d. h. ohne Zwischenschaltung einer pneumatischen oder hydraulischen
Hilfskraft, ein elektrischer Kompensationsstrom ausgesteuert wird. Aus diesem Grunde
ist am Waagehebel ein induktiver Abgriff 10 vorgesehen. Der ausgesteuerte Strom
durchfließt nach Verstärkung und Gleichrichtung bei ii die im
Felde
eines Permanentmagneten sich bewegende Tauchspule I2, deren Richtkraft der Kraft
der Feder 6 am Waagehebel 7 entgegenwirkt. In Reihe mit der Tauchspule 12 ist ein
Widerstand I3 geschaltet. Der an diesem Widerstand auftretende Spannungsabfall wird
nach Glättung durch Siebmittel 14 über den Widerstand 2 als Kompensationsspannung
der Thermo-Spannung entgegen geschaltet. Der Stellmotor 4 betätigt gleichzeitig
die Schreib- oder Anzeigevorrichtung, was bei I5 angedeutet ist. Der Stromwaagenverstärker
11 wird vom gleichen Netzanschlußgerät betrieben, das ohnehin für den Verstärker
3 der Fehlerspannung zwischen Thermo- und Gegenspannung vorbanden sein muß. Da die
Wirkungsweise einer »Stromwaage« bekannt ist, dürften sich nach dem Vorstehenden
weitere Ausführungen bezüglich der Funktion der Meßeinrichtung erübrigen. pATENTANSPR0CHE:
I. Einrichtung zum Messen kleiner, insbesondere von Thermoelementen gelieferter
Gleichspannungen durch Kompensation mittels einer künstlich erzeugten Gegenspannung,
bei welcher der Unterschied (Fehlerspannung) zwischen der auftretenden Meßspannung
und der herrschenden Gegenspannung nach Verstärkung einen die Gegenspannung steuernden
Stellmotor so lange verstellt, bis beide Spannungen gegeneinander genau abgeglichen
sind, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Stellmotor eine seinem Stellweg proportionale
mechanische Kraft erzeugt wird, welche eine die Gegenspannung liefernde »Stromwaage«
steuert.