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Verstärker zur Messung kleiner Gleichströme und kleiner Wechselspannungen
niederer Frequenz
Diese Erfindung bezieht sich auf Verstärker zur Messung kleiner
Gleichströme und Wechselspannungen niederer Frequenz nach dem Kompensationsprinzip
mit Photozelle und gasgefüllter Röhre.
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Verstärker dieser Art haben jedoch den Nachteil, daß der Verstärkerfaktor
verhältnismäßig eng begrenzt ist und daß die großen Ausgangsleistungen welche für
moderne Verstärker besonders in der Schwerindustrie erforderlich sind, niemals erreicht
werden können.
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Die Einstellgeschwindigkeit dieses Verstärkers läßt vieles zu wünschen
übrig, und die Lichtmenge, welche zur Steuerung dieser Verstärkerart notwendig ist,
erzwingt ungünstige Konstruktionen, die industriellen Anforderungen in keiner Weise
gewachsen sind.
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Es ist zwar bekannt, die Kathode einer Photozelle an eine gasgefüllte
Röhre zu legen und gewisse Steuereffekte zu erzielen. Es is.t weiterhin bekannt,
eine Phasensteuerung an gasgefüllten Röhren vorzunehmen.
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Man kennt auch nach dem Kompensationsprinzip arbeitende Verstärker
mit einer Photozelle, die direkt eine gasgefüllte Röhre steuert.
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Alle bekannten Meßanordnungen und Geräte der vorerwähnten Art sind
entweder für denZweck der Erfindung nicht verwendbar oder lassen nur unbefriedigende
Ergebnisse erzielen.
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Erfindungsgemäß werden diese Nachteile beseitigt und ein im Aufbau
einfaches, sicher arbeitendes Gerät mit vielseitiger Verwendungsmöglichkeit dadurch
geschaffen, daß bei einem Verstärker der vorerwähnten Art sowohl an der Gitter-Kathoden-Strecke
der Röhre als auch an der über ein Spiegelgalvanometer von einer Lichtquelle beeinflußten
Photozelle eine phasenverschobene, zur Anodenwechselspannung proportionale und gegenphasige
Steuerspannung liegt, derart, daß im Kompensationskreis nur verkürzte Spannungs-
bzw. Stromimpulse zur Wirkung kommen. Dabei ist der Fluß des Anodenstromes von der
Größe und Phase der Spannung am Gitter der Röhre in Abhängigkeit gebracht. Der auf
das Galvanometer zur Verringe rung des auf die Photozelle fallenden Lichtes einwirkende
Rückführungsstrom ist im ganzen oder so weitgehend wie möglich in Phase mit dem
Röhrenausgangsstrom gebracht.
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Durch den so geschaffenen Verstärker wird eine Verstärkung in einem
Ausmaß erreicht, wie sie durch die bekannten Verstärker nicht möglich ist, und zwar
erhält man eine Spannungsverstärkung um das zehnmillionenfache, beispielsweise von
einer Eingangsleistung von 10 Mikrovolt 100 Volt Ausgangsleistung. Der Verstärker
nach der Erfindung stellt eine große Vereinfachung auf dem Gebiet des Röhrenverstärkerbaues
dar, denn eine einzige Röhre ersetzt einen äußerst komplizierten Verstärker, der
sonst für eine derartig hohe Verstärkung mit den bisherigen Geräten notwendig wäre.
Darüber hinaus ist der neue Verstärker beträchtlich billiger und wird direkt mit
dem Wechselstromnetz betrieben, ohne daß er einen Gleichrichter benötigt.
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Durch die vielen Vorteile, die dieser Verstärker bietet, wird das
Anwendungsgebiet von elektrischen Verstärkern beträchtlich erweitert. Dabei besitzt
der Verstärker eine einzige gasgefüllte Triodenröhre, die mit Netzwechselstrom gespeist
wird, deren Anodenstromzufluß über einen Teil der positiven halben Welle verhindert
wird und der erst zu einem Zeitpunkt zu fließen beginnt, welcher von der durch die
jeweilige Impedanz der Photozelle gesteuerten Phase einer Hilfswechselspannung abhängt.
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Es ist zweckmäßig, ein hochempfindliches und stark gedämpftes Galvanometer,
vorzugsweise nach Art der Aufhängegalvanometer, zu verwenden, dessen Systemaufhängung
vorzugsweise so straff gemacht wird, daß das Gerät etwas von seiner Empfindlichkeit
einbüße. Das Galvanometer kann ebenfalls mit Mitteln zum Begrenzen der Blewegung
des Reflektorspiegels ausgerüstet sein.
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Die photoelektrische Zelle kann von der gasgefüllten oder vakuum-
bzw. oberflächenempfindlichen Art sein, obgleich es vorzuziehen ist, eine argongefüllte,
mit Caesiumlage auf Silberoxyd ausgerüstete Art zu verwenden. Es ist ebenfalls wünr
schenswert, Mittel zur Abschirmung des auf die Photozelle fallenden Lichtes vorzusehen.
Ebenso können optische Gitter oder geschlitzte Masken im Lichtstromkreis angeordnet
werden, um die Empfindlichkeit des Verstärkers zu erhöhen.
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Die Steuerung des Ausgangsstromes der Röhre wird so durchgeführt,
daß über den ersten Teil der positiven halben Welle kein Strom fließt. An einem
bestimmten Punkt dieser positiven halben Welle, welcher sich durch die Phase und
die Größe des Gitterstromes bestimmt, wird die Röhre gezündet.
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Nach einem sehr schnellen Anstieg fließt wieder ein Strom, dessen
Stärke von der Anodenspannung, der Impedanz des Ausgangsstromkreises und der Charakteristik
der Röhre gesteuert wird. Dieser Strom hört auf, wenn die positive halbe Welle vorüber
ist. Um den Ausgangsstrom mit der auf die Photozelle fallenden Lichtmenge zu ändern,
wird der Zeitpunkt, an dem das Zünden während der positiven halben Welle durchgeführt
wird, geändert und, um keinen Ausgangsstrom zu erhalten, so lange hinausgezögert,
daß das Zünden der Röhre sehr nahe dem Ende der positiven halben Welle und schließlich
überhaupt nicht mehr erfolgt. Je früher der Zündpunkt liegt, desto schwieriger ist
die Steuerung des Gerätes und um so größere Ausgangsleistung von der Photozelle
und um so mehr auf die Photozelle fallendes Licht ist erforderlich.
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Deshalb ist es notwendig, die Zeit, während der der Strom fließt,
soviel wie möglich zu verkürzen, so daß die Verwendung einer Röhre, welche einen
sehr hohen Spitzenstrom gestattet, für diesen Zweck geeignet ist.
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Der größte Rückführungsstrom, welcher auf das Galvanometer einwirkt,
um den Lichtschein von der Photozelle abzulenken, muß in Phase oder so weitgehend
wie möglich in Phase zur maximalen Ausgangsleistung des Anodenstromes sein, andernfalls
tritt die maximale Rückstoßwirkung, die auch durch ein Glätten nicht vermieden werden
kann, nicht zu dem Zeitpunkt auf, in welchem die größte Ausgangsleistung erreicht
ist, sondern mit Phasennacheilung, wodurch die Ausgangsleistung Änderungen ihres
Wertes erfährt, welche mit den Bedingungen für die Stabilität der Anordnung nicht
vereinbar sind. Durch die Eingangsleistung der Röhre wird der Lichtschein von der
Photozelle abgelenkt und wieder zu ihr zurückgebracht. Dieses ist der Anfangspunkt
von Schwingungen, welche schwer zu beherrschen sind, soll nicht zu viel von der
Empfindlichkeit des Galvanometers eingebüßt werden.
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DerAusgangsstrom fließt, wie vorerwähnt, wirklich nur über einen
sehr kleinen Teil einer positiven Welle und natürlich überhaupt nicht über die negative
halbe Welle. Deshalb werden große Kondensatoren und Drosseln verwendet, um den Strom,
nachdem er den Rückffi,hrwiderstand durchflossen hat, zu glätten. Dieses erleichtert
die Steuerung der Röhre. Gemäß den vorerwähnten Bedingungen muß Vorsorge dafür getragen
werden, daß der Rückführstrom nicht völlig geglättet wird, welches das einfachste
Mittel zur Vermeidung von Phasenänderungen ist. Nur in Ausnahmefällen ist es notwen-
dig,
hinsichtlich der Phase im Galvanometerstrom in bezug auf die Phase im Anodenstromkreis
mehr zu tun.
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Eine verbesserte Steuerung der Röhre wird durch Änderung der Größenordnung
der Kennbildneigung und gleichzeitige Änderung der Phase der Kennbildneigung erreicht.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der
Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigt Fig. I ein vereinfachtes Stromkreisdiagramm
und Fig. 2 ein vollständiges Arbeitsstromkreisdiagramm der ,erfindungsgemäßen Anordnung.
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In der nachfolgenden Beschreibung sind zweckmäßig die gleichen Teile
mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet, wobei die zu messende Stromquelle als
ein Thermoelement dargestellt ist. Es ist selbstverständlich, daß auch andere Stromquellen
mit schwachem Gleichstrom oder Wechselstrom niederer Frequenz an Stelle des Thermoelementes
damit gemessen werden können.
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In Fig. I der Zeichnung enthält der erste Stromkreis das Thermoelement
I, das Galvanometer 2 und den normalen Widerstand 3. Der zweite Stromkreis enthält
die Sekundärwindung des Transformators 4, eine gasgefüllte Triodenröhre 5, den Registrierapparat
6 und das Meßgerät 7. Zur Steuerung der gasgefüllten Triodenröhre 5 sind eine photoelektrische
Zelle 8 sowie ein von einer separaten Windung I7 des Transformators 4 gespeister
Kondensator g vorgesehen.
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Andere Windungen des Transformators 4 versorgen die Kathode der gasgefüllten
Triodenröhre 5 sowie die Glühlampe 10, deren Licht durch einen Spiegel des Galvanometers
2 auf die Photozelle 8 zurückgeworfen wird. Wenn der zu messende Strom sehr gering
ist, können zwei optische Gitter oder Blenden II und I2 vorgesehen werden, welche
in bekannter Weise verwendet werden und wobei die Empfindlichkeit der Anordnung
proportional der Anzahl der Schlitze in den Gittern oder der Blenden erhöht werden
kann. Um den Anoden strom nach seinem Durchfließen des Widerstandes 3 zu glätten,
sind ein Kondensator I3 und eine Drossel I4 vorgesehen. Der Widerstand 15 begrenzt
die Ausgangsleistung des Kondensators I3. Ein Thermoverzögerungsschalter 16 verhindert
das Fließen des Anodenstromes, bevor die Kathode heiß ist.
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Das Gerät arbeitet vollständig mit Netzwechselstromspeisung. Die
gasgefüllte Röhre 5 wirkt als ein gittergesteuerter Gleichrichter, wobei Anodenstrom
nur dann abgegeben wird, wenn die Gitterspannung einen negativen Wert hat, der geringer
als eine gewisse kritische Spannung ist, die von der jeweiligen Anodenspannung abhängt.
Die Beziehung zwischen dem Gitter- und Anodenpotential eines solchen Stromkreises
wird durch die Röhrencharakteristik bestimmt. Je niedriger die Gitterspannung ist,
desto eher wird die gasgefüllte Triodenröhre während der positiven halben Welle
zünden und um so größer wird der mittlere gleichgerichtete Gleichstrom sein, welcher
das Gerät durchfließt. Die Gitterspannung der gasgefüllten Triodenröhre 5 wird durch
eine Brückenanordnung bestimmt. Das Gitter ist über einen kleinen Kondensator g
mit einem Punkt der Schaltung verbun den, der negativer ist als die Kathode. Das
Gitter ist mit der Kathode über die Photozelle 8 verbunden, deren Polarität so gewählt
wird, daß die Photokathode negativ ist, wenn die Röhrenanode positiv ist. Die Gitterspannung
in Beziehung zur Kathode wird durch die relative Impedanz des Kondensators g und
der Photozelle bestimmt. Da die Impedanz der Photozelle 8 von der auf die Photokathode
fallenden Lichtstärke abhängt, ist die Gitterspannung und folglich der gleichgerichteteAnodenstrom
in dem zweiten Stromkreis, welcher die gasgefüllte Röhre, den normalen Widerstand
3 und den Registrierapparat 6 enthält, von der auf die Zelle 8 fallenden Lichtmenge
abhängig.
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Zusätzlich tritt eine Phasensteuerwirkung auf, insoweit eine Verzögerung
zwischen den Phasen der Anodenwechselspannung und der an der Wicklung I7 angenommenen
Hilfsgitterspannung besteht, wenn letztere über die Kapazität des Kondensators g
und die sich ändernde Impedanz der Photozelle 8 als Phasenkette abgenommen wird.
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Somit wird der Teil der halben Periode, während welcher die gasgefüllte
Triodenröhre Anodenstrom führt, weiter beeinflußt, und dementsprecbend weicht der
mittlere Gleichstrom von den Werten ab, die er haben würde, wenn die Photozelle
8 und der Kondensator g als konstante Widerstände wirken würden.
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Die Spannung des zu messenden. Thermoelementes I bringt das Galvanometer
2 im ersten Stromkreis zum Ausschlagen, wodurch mehr Licht auf die Photozelle 8
fällt, so daß der Strom vom zweiten Stromkreis zunimmt, bis die Spannung über dem
Widerstand 3 gleich und entgegengesetzt der Spannung des Thermoelementes I ist.
Der Registrierapparat 6 und das Meßgerät 7 erhalten deshalb einen Strom, welcher
genau proportional der Spannung des Thermoeleinentes I ist. Irgendeiner Anderung
dieser Spannung folgt der Strom im Ausgangsstromkreis so schnell, daß ein Schnelltintenschreiber-Registrierapparat
verwendet werden kann.
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Da ein sehr kleiner Widerstand 3 gewählt werden kann, kann der zum
Ausgleich der Spannung im ersten Stromkreis notwendige Strom im zweiten Stromkreis
sehr groß sein. Die Verstärkung hängt lediglich von der Wahl des Widerstandes 3
ab. Die Genauigkeit dieses Verstärkers ist außerordentlich groß, wobei selbst bei
einer Entfernung von etwa 5 cm zwischen Galvanometer und Photozelle Spannungen von
der Größenordnung eines Millivolts und weniger praktisch ohne Meßfehler gemessen
werden können.
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Der Widerstand des Ausgangsstromkreises beeinflußt die Messung nicht,
so daß eines der Geräte 6 oder 7 entfernt werden kann oder beide in großer Entfernung
vom Verstärker verwendet werden können. Die Änderung des Widerstandes der verbindenden
Drähte durch Änderung der Temperatur hat ebenfalls keine Einwirkung auf die Meß-
ergebnisse.
In allen solchen Fällen wird eine winzige Zu- oder Abnahme des Lichteffektes auf
die Photozelle den notwendigen Strom hervorrufen und Ausgleich mit der Spannung
des Thermoelementes wiederherstellen. Somit ist es z. B. bei Vergrößerung des Widerstandes
im Ausgangsstromkreis notwendig, den mittelbaren Wert der Spannung im Ausgangsstromkreis
zu erhöhen, um den mittleren Ausgangsstrom, welcher zum Ausgleich des Eingangs stromes
notwendig ist, hoohzuhalten. An Stelle des Lichtfleckes, der beispielsweise IO°/o
der Photozelle 8 bedeckt, um den notwendigen Ausgangs strom vor der Änderung des
Widerstandes zu erhalten;, kann z. B. durch eine kleine Bewegung des Galvanometers
I I °/o der Photozelle bedeckt werden, wodurch der Ausgangsstrom wieder auf seinen
richtigen Wert gebracht ist.
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Ein kleiner Ausschlag des Galvanometers und daraus folgend eine kleine
Lichtzunahme auf der Photozelle genügt, um die Ausgangsleistung der Röhre in großem
Maße zu ändern. Eine gute gasgefüllte Röhre schließt die Wirkung des Gitterstromes
vollständig aus. DieNeigung der Kennlinie oder einer entsprechenden Abhängigkeitsbeziehung
ist höher als die irgendeiner Hochvakuumröhre.
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Gleichzeitig ist die Ausgangsleistung größer.
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Um die Empfindlichkeit und dadurch die Genauigkeit des Verstärkers
zu erhöhen, wird vorzugsweise ein gut gedämpftes, hochempfindliches Galvanometer
verwendet. Gleichzeitig kann eine größere Entfernung zwischen Galvanometer und Photozelle
gewählt werden, wobei jedoch die. nötige Lichtstärke der Lichtquelle mit größer
werdender Entfernung beträchtlich zunehmen muß.
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In gewissen Fällen, besonders beim Messen von PH (Wasserstoff-Ionen-Konzentration)
mit Glaselektroden, wird der Widerstand der Eingangsstromquelle sehr groß, bis zu
50 bis 100 Megohm.
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In diesem Fall ist die Empfindlichkeit eines gewöhnlichen Galvanometers
nicht groß genug, so daß der Strom vor dem Eintritt in das Galvanometer verstärkt
werden muß. An Stelle des einzelnen Galvanometers tritt in bekannter Weise eine
Anordnung, welche aus einer Elektrometerröhre und einer Kommutatoreinrichtung besteht,
die den hohen Widerstandsstromkreis öffnet und schließt, wobei gleichzeitig der
Ausgangs stromkreis der Elektrometerröhre so beeinflußt wird, daß diese einen gerichteten
Strom zum Galvanometer gibt.
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Eine andere Lösung ist die, daß eine Elektroden röh,re und eine Anordnung
für Nullpunkteinstellung, die auch bekannt ist, verwendet wird.
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Die Wahl der Gitterspannung ist für das Arbeiten des Verstärkers
wichtig. Wenn diese Spannung dem übrigen Teil des Stromkreises angepaßt wird, kann
die Anordnung so empfindlich gefacht werden, daß die volle Ausgangsleistung schon
erreicht wird, wenn die volle Beleuchtungsbreite der Photozelle nur sehr klein ist.
Ein-Potentiometer mit hohem Widerstand an den Anschlüssen, 17 gibt die Möglichkeit,
diese Spannung genau den besonderen Eigenschaften der Photozelle und der anderen
Teile anzupassen. Ein Begrenzungsanschlag im Galvanometer verhindert für dieses
das Überschreiten des Punktes, an dem die Ausgangsleistung der Röhre ihren größten
Wert erreicht hat. Die Glühlampe ebenso wie die Röhre und die Photozelle werden
vorzugsweise mit Unterspannung betrieben, um ihre Lebensdauer auf mehr als I000
Stunden zu erhöhen. Die Versorgungsspannung fiir die Glühlampe ist um einige Prozent,
beispielsweise etwa 100/o, herab gemindert, während dadurch die Le-Lebensdauer der
Glühlampe verlängert wird, entsteht der Eindruck, daß dieses die Empfindlichkeit
der Anordnung in hohem Maße herabmindert. Dies ist jedoch nicht der Fall, da die
größte Empfindlichkeit der Photozelle im roten Teil des Spektrums liegt. Durch Verringern
der Versorgungsspannung für die Glühlampe wird dieser Teil des Spektrums viel weniger
beeinflußt als andere Komponenten, so daß es also möglich ist, die Spannung ohne
großen Verlust an Empfindlichkeit zu verringern. Die Anwendung dieser beiden Mittel,
nämlich der verringerten Spannung sowie einer rotempfindlichen Zelle, hat deshalb
die kombinierte Wirkung, die Lebensdauer der Lampe zu verlängern, ohne daß großer
Verlust an Empfindlichkeit auftritt. Da der Verstärker über seinen ganzen Ausgangsbereich
stabil ist, kann man weiterhin folgern, daß es möglich ist, die Röhre ohne Nachteil
mit Unterspannung zu betreiben.
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Die Photozelle ist zweckmäßig eine argongefüllte, mit Caesiumbelag
auf Silberoxyd ausgeführte Photozelle, welche sehr gute Ergebnisse gibt.
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Ein Verstärker der beschriebenen Art kann auf zweierlei Art erreicht
werden. Die beschriebene Ausführungsform arbeitet nach der Beschreibung in der Weise,
daß bei Zunahme des auf die Photozelle fallenden Lichtes der Anodenstrom ebenfalls
zunimmt. Diese Anordnung hat viele Vorteile, es besteht jedoch keine Schwierigkeit,
die Ausführung so zu gestalten, daß der Anodenstrom gleich Null ist, wenn die volle
Lichtstärke auf die Photozelle einwirkt. Es ist erklärt worden, daß durch Rückführung
vom Röhrenstromkreis in den Eingangsstromkreis der Verstärker stabilisiert wird
und daß ein hochempfindliches Galvanometer verwendet werden müßte. Es ist schwer,
beide Bedingungen gleichzeitig anzuwenden, da ein selbsterregter Stromkreis erhalten
wird und ein hochempfindliches Galvanometer leicht zu schwingen anfängt.
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Um mögliche Schwingungen zu verringern, wird der zurückgeführte Strom
nicht geglättet. Es wird also der Spitzenstrom zurückgeführt. Der mittlere Gleichstrom,
welcher zurückgeführt wird und den Eingangsstrom kompensiert, muß aus ähnlichen
Gründen kleiner als ein I Milliampere sein. Dies bedeutet natürlich nicht, daß der
Strom, welcher tatsächlich durch das Galvanometer fließt, ebenso groß ist. Es besagt
nur, daß der theoretische, jedoch in Wirklichkeit nicht bestehende Eingangsstrom
und der theoretische Strom, welcher diesen kompensiert, -kleiner als vorerwähnt
sein sollte.
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Der tatsächliche Strom wird aus der Differenz die-
ser
zwei Ströme gebildet, wobei seine Größe von der Empfindlichkeit des Galvanometers
abhängt.
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Es besteht natürlich eine Beziehung zwischen der Empfindlichkeit des
Galvanometers und dem maximalen Strom, da ein weniger empfindliches Galvanometer
einen größeren Strom zuläßt, ohne daß Schwingungen auftreten. Der Wert von I Milliampere
ist für ein straff aufgehängtes Galvanometer, welches eine Fadenlänge von 5 bis
7,5 cm aufweist, und für einen maximalen Ausgangsstrom von 30 Milliampere gewählt.
Der normale Widerstand in einem solchen Verstärker wird durch die Beziehung der
Eingangs spannung bestimmt, welche der jeweils gewünschten Ausgangsleistung anzupassen
ist. Sie kann deshalb nicht frei geändert werden, wie es notwendig wäre, um die
notwendige Beständigkeit zu erlangen. Dieses kann jedoch durch Steigerung des Widerstandes
im Galvanometerstromkreis erreicht werden, indem entweder ein Galvanometer mit höherem
Widerstand gewählt oder ein Widerstand in Reihe mit dem Galvanometer geschaltet
wird. Das gleiche Ergebnis nämlich, die Reduzierung der Energie der Schwingungen
im Galvanometer bis zu einer Grenze, kann natürlich auch dadurch erreicht werden,
daß man (Schutzwiderstand) zu dem Galvanometer einen Nebenschluß einschaltet.
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Wie in Fig. I dargestellt, ist die Kathode der Photozelle mit dem
Gitter verbunden. Hierdurch wird eine wirksame und empfindliche Anordnung erzielt.
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Es mag hervorgehoben werden, daß die parallele Schaltung der Photozelle
zu dem Gitter, wie in dieser Ausführungsform dargestellt, viele Vorteile insofern
ergibt, daß es in Serie mit dem Kondensator geschaltet ist, welcher durch die Sekundärwicklung
des Transformators gespeist wird.
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Die beiden in Fig. I dargestellten, Geräte 6 und 7 sind nur ein mögliches
Ausführungsbeispiel. Dieser Verstärker löst das Problem, eine durch ein Thermoelement
gemessene Temperatur (oder irgendeinen physiWalischen Wert, der von elektromotorischer
Kraft abhängt), welche durch selbsttätige Potentiometer gemessen wird, an mehr als
einer Stelle wiedergeben zu können. Um das gleiche Resultat bei anderen Potentiometern
zu erreichen, muß man sich auf Wiederholungsgetriebe verlassen.
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Die Verwendung des neuen Verstärkers lermöglicht es, ein Gerät 6 in
der Werkstatt und das andere Gerät 7 in einem Büro oder an einer zentralen Schalttafel
anzubringen.
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Der Verstärker ist in erster Linie zum Messen von Gleichstrom vorgesehen.
Wenn Wechselstrom niederer Frequenz gemessen werden soll, muß eine bekannte Gleichstromkennlinienneigung
verwendet werden. Die Frequenz des Galvanometers muß dann groß sein, wobei ein Schnellschreibregistriergerät
notwendig ist, wenn eine Verzerrung der aufgezeichneten Kurve vermieden werden soll.
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Ein mehr ins einzelne gehender Stromkreis, ähnlich dem der Fig. I,
ist in Fig. 2 dargestellt. Die Anschlüsse A und B dieses Verstärkers müssen mit
dem Thermoelement oder der Spannung verbunden werden, welche gemessen werden soll.
C ist mit dem Gehäuse und Erde verbunden. D und E müssen mit den Geräten verbunden
werden, welche die Ausgangsleistung messen. Die Hauptversorgung kann an F, G auf
der einen Seite, an H, I, J auf der anderen Seite angeschlossen werden, wodurch
es möglich ist, den Verstärker auf irgendeine Spannung zwischen 200 und 250 Volt
einzustellen.
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K und L müßten mit einem Widerstandsthermometer verbunden werden,
welches die Temperatur der kalten Verbindungen des Thermoelementes mißt, wodurch
ein selbsttätiger Ausgleich im Falle einer Änderung dieser Temperatur erreicht wird.
Der normale Widerstand 3 in Fig. I ist durch einen Satz von Widerständen 3 a, 3
b, 3 c und 3d sowie den Potentiometerschalter I8 ersetzt. Die Anwendung eines Schalters
erlaubt die Änderung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers entsprechend der zu
messenden Spannung. Die Widerstände 19 sind zum Verringern der Energie des durch
das Galvanometer fließenden Stromes in dem Maße vorgesehen, daß der Verstärker stabil
bleibt. Der Widerstand 20 ist zur Begrenzung der Wechselstromkomponente im Ausgangsstromkreis
vorgesehen.
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Für den Widerstand 21 ist ein hoher Wert von 10 000 Ohm gewählt worden.
Hierdurch wird der Verstärkerstrom begrenzt, wenn die Verbindung mit dem Thermoelement
aufgehoben ist. Die Anordnung des Transformators 4 und der gasgefüllten Röhre 5
bleibt unverändert. Die Photozelle 8 ist mit einer Abschirmung oder Maske 22 ausgerüstet;
das von der Lampe 10 kommende Licht geht durch die Linse 23 und fällt nach seiner
Reflexion durch den Spiegel des Galvanometers 2 auf die Maske 22, wenn das Galvanometer
in der Nullpunktlage ist. Ein Teil der Linse 23 ist verdunkelt, so daß das Kreissegment
des auf die Photozelle zurückgeworfenen Lichtfleckes ebenfalls einen Segmentabschnitt
und eine scharfe Kante von beträchtlicher Länge aufweist, welche parallel zur Abschirmung
22 verläuft. Die geringste Bewegung des Galvanometerspiegels ruft einen Lichtspalt
über die ganze Länge der Photozelle hervor, wodurch die äußerste Leistung der Anordnung
ausgenutzt wird.
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Die Abschirmung 22 kann erforderlichenfalls zur Vereinfachung der
Einstellung der Lage des Galmanometers drehbar angeordnet werden. Selbst der größte
Ausschlag des Galvanometers ist bei dieser Anordnung so klein, daß eine Einstellung
des Nullpunktes nur notwendig ist, wenn sehr kleine Spannungen gemessen werden sollen.
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Der Kondensator 13 sowie die Drossel 14 sind wie in Fig. I vorgesehen.
Der Widerstand 15 begrenzt den Kondensator-Spitzenstrom und verhin dert unregelmäßiges
Zurücksteuern der Röhre. Das Thermorelais I6 bleibt unverändert. Um Radiostörungen
auszuschalten, sind ein anderer kleiner Kondensator 24 und eine Drossel 25 vorgesehen.
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Der Kondensator 26 ist notwendig, da immer eine Möglichkeit besteht,
daß das mit A und B verbundene Thermoelement geerdet wird, wodurch eine kleine Gleichstromspannung
zwischen den zwei geerdeten Punkten das Arbeiten des Verstärkers
stören
könnte. Der Kondensator 26 kann durch einen großen Widerstand und/oder eine Drossel
ersetzt werden. Um die Einstellung der Geräte im Ausgangsstromkreis zu prüfen, ist
eine Normalzelle 27 vorgesehen. Die Normalzelle 27 ist nicht nur zur Nacheinstellung
gewöhnlicher Geräte nützlich, sondern wird besonders wichtig, wenn Geräte mit unterdrücktem
Nullpunkt verwendet werden, wobei die Nullpunkteinstellung nicht auf andere Weise
geprüft werden kann.
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Der Gleichrichter 28 ist mit einer Sekundärwicklung des Transformators
4 und mit der Brückenanordnung 29 verbunden, welche für den Ausgleich der Temperaturänderung
an den mit A, B verbundenen kalten Enden des Thermoelements vorgesehen ist. Der
erste Stromkreis des Verstärkers enthält den Widerstand 30 a, welcher einen Teil
der Diagonalen der Brücke bildet. Falls der Widerstand der vier Teile der Brücke
gleich ist, wird kein Strom, der durch diesen Spannungsteil des Thermoelementes
fließt, gemessen, ohne beeinflußt zu werden. Wenn jedoch das Widerstandsthermiometer,
das mit den Anschlüssen K und L verbunden ist, einem Temperaturwechsel ausgesetzt
wird, ändert sich sein Widerstand, worauf dann ein kleiner Strom durch den Widerstand
30 a zu fließen beginnt und der Spannungsabfall die Wirkung der Temperaturänderung
an den kalten Enden des Thermoelementes ausgleicht. Die Widerstände 30 b und 30
c sind für Thermoelemente mit verschiedenen Charakteristiken vorgesehen. Der Widerstand
3I kann so eingestellt werden, daß er den Brückenstromkreis bei der normal gewählten
Temperatur ausgleicht. Da die Ausgleichsspannung gewöhnlich sehr klein ist, haben
die Netzschwankungen der Hauptspannungsversorgung praktisch keinen Einfluß auf die
Meßgenauigkeit; in einigen Fällen kann jedoch der Ausgleichsstromkreis von einer
Batterie gespeist werden.
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Es ist klar, daß die Teile eines solchen Verstärkers nach der Eingangs-
und Ausgangsleistung gewählt werden müssen. Als Ausführungsbeispiel ohne Begrenzung
des Erfindungsbereiches werden nachfolgend einige Daten für eine praktische Ausführungsform
eines Verstärkers mit I8 Millivolt Eingang und 30 Milliampere Ausgang gegeben: Zweckmäßig
wird als Röhre 5 eine Cossor-Röhre G. Dt. 4 B. verwendet. Der Transformator 4 möge
primär Anschlüsse bei - 10 Volt Nullpunkt, 200, 240 Volt, sekundär 200 Volt 30 Milliampere,
50 Volt 10 Milliampere haben. Als Thermoverzögerungsschalter I6 wird ein solcher
mit 4 Volt 3 Ampere verwendet. Als- Galvanometerlampe wird eine solche mit Io,3
Volt 0,5 Ampere (unterspannt) und als Gleichrichter 28 ein solcher mit 2 Volt benutit.
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Die Drossel 14 möge 20 Henry 400 Ohm haben. Die Entfernung zwischen
Galvanometer und Photozelle kann mit 20 cm gewählt werden. Das Galvanometer 2 kann
ein 50 - Ohm - Galvanometer sein mit einer Empfindlichkeit von I,5 mm pro Meter
für I Mikrovolt an den Anschlüssen. Der Kondensator 13 kann einen Wert von 20 Mikrofarad
350 Volt Arbeitsspannung haben. Der Kondensator 24 kann 0,I Mikrofarad haben. Der
Kondensator 26 möge 0,02 Mikrofarad haben. Der Kondensator 9 hat Ioo Pikofarad.
Der Widerstand 20 hat I000 Ohm, wenn ein Gerät mit etwa 1500 Ohm verwendet wird.
Der Widerstand 15 hat 100 Ohm. Der Widerstand 3 d hat o,6 Ohm. Der Widerstand 19
d hat 50 Ohm. Die Glühlampe 10 ist eine gewöhnliche 1 2-Volt-6-Watt-Lampe. Die photoelektrische
Zelle ist, wie vorerwähnt, eine mit Argon gefüllte und Caesiumlage auf Silberoxyd
aufweisende Photozelle nach den Vorschriften der britischen Normen.
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Die Brückenwiderstände3I besitzen jeder 100 Ohm.
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Der Serienwiderstand 29 wird so gewählt, daß er den Strom bis auf
einige Millivolt verringert. Die Widerstände30o, 30b, 30c hängen von den jeweiligen
Thermoelementen ab. Als Drossel 25 kann eine gewöhnliche SW-Drosselspule, eine Eddystone
I022 oder ähnliche Typen verwendet werden. Der Widerstand 21 ist nicht erforderlich,
wenn nach dem Aufbau des Geräts die Lampe so eingestellt wird, daß kein Licht auf
die Photozelle fällt, wenn keine Spannung an ihren Anschlüssen ist. Zur Einstellung
des Gerätes im Ausgangsstromkreis wird der Widerstand 3 a so gewählt, daß er zusammen
mit den Widerständen 3 b, 3 c, 3 all 42 Ohm ergibt.
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Der Widerstand 19a hat ungefähr 7000 Ohm. Der Ausgangsstrom der Normalzelle
27 beträgt etwa 25 Milliampere.
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Der Verstärker ist nicht nur in wissenschaftlichen und industriellen,
Laboratorien nützlich, wo keine Erschütterungen auftreten, sondern eignet sich im
besonderen Ausmaße für Werkstätten. Es müssen deshalb Vorkehrungen getroffen werden,
daß Erschütterungen das Galvanometer nicht erreichen können, da jedes empfindliche
Galvanometer Schwingungen aufnimmt. Diese Frequenzen können unter günstigen Umständen
verstärkt werden, wobei sie im Registriergerät oder irgendeinem Gerät im Ausgangsstromkreis
wiedergegeben werden.
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Um diese Erschütterungen auszuschalten, werden das Galvanometer 2,
die Lampe Io und die Photozelle 8 zusammen auf einer Platte angebracht. Die Platte
selbst wird auf Schwammgummikissen oder ähnlichem Material aufgebaut, welches Schwingungen
absorbiert. Für den Transport des Gerätes sind Schrauben und Muttern zum Befestigen
an der Platte vorgesehen. Wenn das Gerät im Gebrauch ist, werden die Muttern gelöst,
wobei die Befestigungslöcher so groß sind, daß zwischen Platte und Gehäuse keine
metallische Verbindung besteht. Somit werden keine Erschütterungen das Galvano meter
erreichen. Wahlweise kann die Platte auch auf Stahlfedern gesetzt werden.
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Die Ausführung des Galvanometers selbst beeinflußt die Möglichkeit
der Entstehung von Schwingungen beträchtlich. Gelenkgeräte sind am wenigsten empfindlich
gegenüber Schwingungen, jedoch ist bei ihnen die Stromempfindlichkeit sehr gering
Galvanometer mit aufgehängter Spule und einem oder zwei Lagern zeigen gute Ergebnisse.
Die besten Erfolge jedoch werden bei Geräten mit Polstücken und mit straff aufgehängter
Spule erzielt, wenn der Faden der Instrumente so straff gespannt ist, daß
Io
bis I50/o Empfindlichkeit gegenüber Geräten, welche eine weniger straffe Aufhängung
aufweisen, verlorengehen.
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Um die Temperatur innerhalb des Gehäuses zu senken,, wird die Wärme,
welche von der Röhre 5 und dem Transformator 4 erzeugt wird, durch eine Lüftung
abgeleitet, wobei diese Teile in einem besonderen Gehäuseteil untergebracht sind.
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Wenn die Verstärkung sehr groß ist, können das Galvanometer 2 und
die Lampe 10 außerhalb des Verstärkergehäuses an der Wandung angebracht werden,
um die Entfernung zwischen Photozelle und Galvanometer zu vergrößern. In diesem
Falle können Galvanometer höchster Empfindlichkeit verwendet werden, wobei irgendein
Strom, welcher mit einem hochempfindlichen Galvanometer zu messen ist, in solchem
Maße verstärkt werden kann, daß ein Tinteuschreiber oder Motor für eine Messung
Verwendung finden kann.