Thermospannungsfreier Gleichspannungs-Kompensator
Zur Messung von Spannungen mit Fehlern oder mit einer Auflösung < 10 - 6 V ist es bekannt, sogenannte thermospannungsfreie Kompensatoren zu verwenden.
Bei einem bekannten thermospannungsfreien Kompensator nach Diesselhorst und Hausrath ist eine kleinste Spannung von 10-8 V einstellbar. Diese Kompensatoren sind dadurch gekennzeichnet, dass im Kompensationskreis keine Schaltkontakte der zur Spannungseinstellung benötigten Dekadenschalter liegen. Im Kompensationskreis sind nur feste Verbindungen vorgesehen. Die zeitlich veränderlichen Spannungen, die an den Schaltkontakten beim Betätigen der Schalter entstehen, gehen dann nicht voll, sondern nur zum geringen Bruchteil als Fehlerspannung in die Ausgangsspannung ein. Zur Einstellung der Spannungen sind im allgemeinen fünf Kurbel-Doppeldekaden vorgesehen. Jede Doppeldekade besteht dabei aus einer Haupt- und Hilfsdekade. Für jede 1 stufige Doppeldekade werden somit 2 X 10 Widerstände hoher Präzision benötigt.
Der Kompensationswiderstand des Kompensators muss niederohmig sein, um eine Auflösung von 10-8 V zu ermöglichen. Soll dann auch noch ein Bereich von etwa 1 V erreicht werden, so sind hohe Hilfsströme von 0,1 A nötig, so dass entsprechend leistungsfähige und damit teuere Batterien oder Netzgleichrichter erforderlich sind.
Zur Messung von Spannungen bis zu etwa 10-6 V ist es nicht notwendig, thermospannungsfreie Kompensatoren zu verwenden. Hierfür werden beispielsweise Kompensatoren nach Raps verwendet, die im Prinzip aus einem Spannungsteiler bestehen, den ein Hilfsstrom bekannter Grösse durchfliesst. Die zu messende Spannung wird über einen Nullindikator gegen den Spannungsteiler geschaltet. Bei derartigen Kompensatoren ist der Kompensationswiderstand wesentlich höherohmiger und der Hilfsstrom dementsprechend niedriger. Es entfallen ferner alle besonderen Massnahmen, um eine thermospannungsfreie Schaltung zu erzielen. Kompensatoren nach Raps benötigen darüber hinaus nur etwa 60 O/o der Widerstände eines Diesselhorst-Kompensators.
Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, einen Gleichspannungs-Kompensator zu schaffen, mit dem kleine Spannungen mit einer Auflösung unter 10-8 V gemessen werden können und darüber hinaus Spannungen bis über 10 V bei entsprechend grösserer Auflösung, unter Vermeidung der aufwendigen und besonderen thermospannungsfreien Schaltung des Diesselhorst-Hausrath-Kompensators und Anwendung des wesentlich einfacheren Spannungsteilerprinzips.
Die Erfindung bezieht sich auf einen thermospannungsfreien Gleichspannungs-Kompensator mit einem von einem Hilfsstrom bestimmter Grösse durchflossenen Spannungsteiler. Die Erfindung besteht darin, dass die Einspeisung des Hilfsstromes über die verstellbaren, einen veränderlichen Widerstand ergebenden Abgriffe des Spannungsteilers erfolgt und die zu messende Spannung gegen die Spannung an einem dem gewählten Mess- bereich entsprechenden Abgriff eines weiteren, dem ersten Spannungsteiler an dessen Klemmen mit konstantem Innenwiderstand parallelgeschalteten Spannungsteilers mit festen Abgriffen geschaltet ist, und dass die Einstellung der Kompensationsspannung durch Verstellung der Abgriffe des ersten Spannungsteilers erfolgt.
Die Erfindung wird mit weiteren vorteilhaften Ausbildungen anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Die Erfindung macht von einem Kompensator nach dem Spannungsteilerprinzip Gebrauch. In der Fig. 1 ist der Spannungsteiler des Kompensators als Vierpol 1 mit den Klemmen a, b, c, d dargestellt. Fig. la zeigt die bekannte Schaltung, bei welcher der konstante Widerstand des Spannungsteilers über die Klemmen a, b mit einem konstanten Hilfsstrom Ih gespeist wird. An den Klemmen c, d, an die über einen Nullindikator die zu messende Spannung geschaltet wird, entsteht eine Spannung Uk, die der Stellung des veränderbaren Abgriffes des Kompensators entspricht. Die Erfindung geht nun von der Überlegung aus, dass durch Anlegen eines gleichen Stromes 1h an die Klemmen c, d an den Klemmen a, b die gleiche Spannung Uk, die der Kurbelstellung entspricht, entsteht.
In der Fig. 1b ist diese Schaltungsart angedeutet. Jeder Schalterstellung ist genau ein Teilwiderstand Ms zugeordnet, so dass gilt Spannung Ued = M5 1ab und Uab = Ms 1cd
Diese Umkehrbarkeit gilt auch für beliebig komplizierte Spannungsteilerschaltungen, wie beispielsweise die nach Raps, Feussner usw.
Der bekannte Kompensator nach der Fig. la hat an den hier als Ausgangsklemmen verwendeten Klemmen c, d einen variablen, von der Kurbelstellung abhängigen Innenwiderstand, an den hier als Hilfsstromklemmen verwendeten Klemmen a, b einen konstanten Innenwiderstand.
Wird nun nach der Erfindung der Kompensator nach der Fig. 1b an den Klemmen c, d mit einem Konstantstrom 1h betrieben, so kann die der Kurbelstellung entsprechende Spannung an den Klemmen a, b mit Hilfe eines in der Fig. tc dargestellten Ausgangsspannungsteilers mit den Widerständen 2, 3 und entsprechenden festen Abgriffen e, f, beispielsweise im Verhältnis 1:1000, geteilt werden.
Der Ausgangsspannungsteiler kann als Festspannungsteiler in einfacher Weise extrem thermospannungsfrei und dessen Teilwiderstand 3 sehr niederohmig ausgeführt werden.
Für den Spannungsteiler 1 kann auch ein an sich bekanntes Wendelpotentiometer verwendet werden, ohne dass eine Thermospannung am Schleifkontakt stört.
Die Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem der Kompensator aus einer Widerstandskaskadenschaltung 4 nach Rasp mit beispielsweise vier Kurbelschaltern 5, 6, 7, 8 besteht. An die veränderbaren Abgriffe 7, 8 des Kompensationsspannungsteilers ist eine Konstantstromquelle 9 angeschaltet, welcher der Hilfsstrom Ih entnommen wird. An die Enden 10, 11 des konstanten Widerstandes des Kompensationsspannungsteilers ist ein fester Ausgangsspannungsteiler 12 mit Abgriffen 13 bis 17 angeschaltet, gegen den über einen nicht weiter dargestellten Nullindikator die zu messende Spannung geschaltet wird.
Der Ausgangsspannungsteiler 12 kann so bemessen sein, dass an den Klemmen 16, 17 Spannungen 10-2 V mit einer Auflösung von 10-9 V thermospannungsfrei gemessen werden können, während an den Klemmen 17, 15 bzw. 17, 14 bzw. 17, 13 höhere Spannungen von 10-1 V bis 10 V nicht thermospannungsfrei mit einer Auflösung von 10-6 V messbar sind.
Der Kompensations-Spannungsteiler 1 kann beispielsweise so bemessen werden, dass sein konstanter Widerstand (zwischen 10 und 11) etwa 1000 Q beträgt. Der Ausgangsspannungsteiler 12 kann beispielsweise so bemessen werden, dass dessen Gesamtwiderstand etwa 4000 Q beträgt und der Widerstand für die kleinste Stufe (Klemmen 16, 17) etwa 5 Q. Der Illüfsstrom muss etwa 10-2 A betragen, um an 1000 Q eine Spannung von 10 V zu erzeugen. Hinzu kommt noch der Strom durch den Spannungsteiler 12.
Der Hilfsstrom 1h wird, abweichend von den bisherigen Gepflogenheiten, nicht über Widerstände aus einer Konstantspannungsquelle, sondern der geregelten Konstantstromquelle 9 entnommen.
Für die Funktion der Konstantstromquelle 9 kann es nötig sein, dass der sich durch die Stellung der Kurbelschalter 5 bis 7 ändernde Lastwiderstand nicht zu stark absinkt. Dem kann, wie nicht weiter dargestellt, durch eine zusätzliche Kurbeldekade von einfachen Widerständen, z. B. Schichtwiderständen, abgeholfen werden, die mit einer der Kurbeln 5, 6 des Kompensators mechanisch gekuppelt und so geschaltet ist, dass sie den Lastwiderstand ungefähr konstant hält.
Durch den erfindungsgemässen Kompensator werden folgende Vorteile erreicht. Es wird ein relativ einfacher Spannungsteiler 1 verwendet, der ohne grosse technische Schwierigkeiten herstellbar ist. Der veränderbare Spannungsteiler 1 ist hochohmig, beispielsweise 100 QiStufe gegen 1 Q/Stufe bei bekannten Kompensatoren nach Diesselhorst, so dass nur ein geringer Hilfsstrom 1...
10 mA erforderlich ist. Der erftndungsgemässe Kompensator ist ferner einfach mit hoher Genauigkeit herzustellen, und es werden keine besonderen Ansprüche an die verwendeten Stufenschalter und deren Pflege gestellt. Es können auch Wendelpotentiometer verwendet werden, wobei durch ein solches Potentiometer zwei Dekaden ersetzt werden. Es sind zehngängige Wendelpotentiometer bekannt, die dreistellig ablesbar sind. Bekannte Diesselhorst-Kompensatoren mit mehr als zwei Kurbeldekaden benötigen beispielsweise Schalter und Widerstände mit unganzen Werten, die auch nicht untereinander gleich sind.
Die Bereichsumschaltung ist ebenfalls sehr einfach.
Sie erfolgt am Spannungsteiler 2, 3 (Fig. lc) oder 12 (Fig. 2), dessen Ausgangswiderstand in den niedrigen Spannungsbereichen niedrig ist, wie es zur Erzielung einer hohen Spannungsempfindlichkeit des verwendeten Nullindikators nötig ist. Die Spannung der unteren Abgriffe e, f nach der Fig. 2 lässt sich zur Vermeidung von Thermospannungen auch getrennt, unter Umgehung von sonst üblichen Messstellenwählern und Umpolschaltern, an besondere Klemmen führen.
Die Leistungsaufnahme eines erfindungsgemässen Kompensators für einen Bereich von 10 mV bis 10 V, einschliesslich Konstantstromquelle mit einer Stabilisierung von 104, liegt bei etwa 1 Watt. Die Konstantstromquelle lässt sich dabei leicht in den Kompensator mit einbauen.
Nachstehend wird anhand der Fig. 3 bis 5 eine besonders zweckmässige Ausbildung des zweiten Spannungsteilers und insbesondere die Ausbildung des Teilwiderstandes für den niedrigsten Spannungsbereich beschrieben.
Die Fig. 3 zeigt den Spannungsteiler 31, der aus den Teilwiderständen 32, 33 und 34 bestehen möge.
Der Messkreis für die Messung kleinster Spannungen besteht aus dem Widerstand 34, einem Nullindikator 20 und einer Quelle 30, deren Spannung Ex zu messen ist.
Der Gesamtwiderstand des Spannungsteilers 31 kann beispielsweise 10 000 Q betragen. Der Teilwiderstand34 für den kleinsten Bereich kann einen Wert von etwa 1 Q haben. Dieser niedrige Wert ist bei der Messung kleinster Spannung günstig für die Verwendung eines Nullindikators grosser Spannungsempfindlichkeit. Für den Widerstand 34 ist ein Widerstandsmaterial mit kleinem Temperaturkoeffizienten verwendet. Gemäss der Erfindung ist der Widerstand 34 derart ausgebildet, dass die unvermeidbaren Schweiss-Löt- oder Klemmstellen, die die Anschlüsse 36, 37 für den Teilerstrom und die Anschlüsse 38, 39 für die abzugreifende Messspannung bilden, voneinander getrennt liegen, so dass im Messkreis (Anschlüsse 38, 39) keine vom Spannungsteilerstrom I durchflossenen Anschlüsse vorhanden sind.
Die Fig. 4 zeigt eine mögliche Ausführungsform des Widerstandes 34. Verwendet ist Widerstandsblech in Mäanderform. Die der Stromzuführung dienenden Lötstellen 36, 37, die vom Spannungsteilerstrom durch flossen werden, sind normal ausgeführt, beispielsweise durch Hartlötung. Die Leitungen 120, 121 können aus Kupfer bestehen. An die Messkreisabgriffe 38, 39 sind flache Kupferbänder 40, 41 oder Bleche in Streifenform hart angelötet. Die Kupferbänder 40, 41 sind über thermospannungsarme Weichlötstellen 46, 47 mit beispielsweise aus dem gleichen Material bestehenden Drähten 42, 43 verbunden, die zum Messkreis führen, wie in Fig. 3 angedeutet ist. Auf den so gebildeten Widerstand 34 wird eine nicht weiter dargestellte isolierende Lage (beispielsweise Glimmer) aufgelegt. Der Widerstand 34 wird dann an der strichpunktierten Linie 130 zusammengefaltet.
Die Fig. 5 zeigt einen derart zusammengefaltetenWiderstand. Die isolierende Zwischenlage ist mit 120 bezeichnet. Wie ersichtlich, liegen die nach 42, 43 führenden Spannungsabgriffe über die Verbindungsstellen 38, 39 hinaus zum Temperaturausgleich auch auf der Kupferseite (40, 41) flach aufeinander. Die Weichlötstellen 46, 47 zwischen den Kupferstreifen 40, 41 und den weiterführenden Kupferdrähten 42, 43 lassen sich mit thermospannungsarmen Weichlot auf einfache Weise thermospannungsarm machen.
Durch das Zusammenfalten des Widerstandes wird die zu störenden Thermospannungen führende Temperaturdifferenz an den Lötstellen 38, 39 auf einen äusserst geringen Wert gebracht. Die viel verwendete Widerstandslegierung Manganin nach WM 43 hat z. B. eine Thermospannung gegen Kupfer von etwa 10-6 V/grd.
Eine Temperaturdifferenz von 10-2 grd erzeugt eine Thermospannung von 10-8 V, die die Grösse der verlangten Messunsicherheit ist. Durch die erfindungsgemässe Konstruktion und einen zweckentsprechenden Einbau des Widerstandes 34 in ein nicht weiter dargestelltes Gehäuse guter Wärmedämmung kann diese Unsicherheit noch unterschritten werden.