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.
Thermal voltage-free DC voltage compensator
To measure voltages with errors or with a resolution <10-6 V, it is known to use compensators that are free of thermal stresses.
In a known thermal stress-free compensator according to Diesselhorst and Hausrath, a minimum voltage of 10-8 V can be set. These compensators are characterized by the fact that there are no switching contacts of the decade switches required for voltage setting in the compensation circuit. Only permanent connections are provided in the compensation circuit. The voltages that vary over time that arise at the switch contacts when the switch is operated are then not fully incorporated into the output voltage as an error voltage, but only to a small fraction. In general, five crank double decades are provided for setting the tensions. Each double decade consists of a main and auxiliary decade. For every 1 level double decade, 2 X 10 resistors of high precision are required.
The compensation resistor of the compensator must be low in order to enable a resolution of 10-8 V. If a range of about 1 V is to be achieved, then high auxiliary currents of 0.1 A are required, so that correspondingly powerful and therefore expensive batteries or power rectifiers are required.
To measure voltages up to approx. 10-6 V it is not necessary to use compensators free of thermal stress. For example, rapeseed compensators are used for this, which in principle consist of a voltage divider through which an auxiliary current of known magnitude flows. The voltage to be measured is switched to the voltage divider via a zero indicator. In such compensators, the compensation resistor is significantly higher and the auxiliary current is correspondingly lower. There are also no special measures to achieve a thermal voltage-free circuit. In addition, oilseed rape compensators require only about 60% of the resistances of a Diesselhorst compensator.
The invention has set itself the task of creating a DC voltage compensator with which small voltages can be measured with a resolution below 10-8 V and, in addition, voltages up to over 10 V with a correspondingly greater resolution, while avoiding the complex and special thermal stress-free Circuit of the Diesselhorst-Hausrath compensator and application of the much simpler voltage divider principle.
The invention relates to a thermal voltage-free DC voltage compensator with a voltage divider through which an auxiliary current of a certain magnitude flows. The invention consists in that the supply of the auxiliary current takes place via the adjustable, variable resistance taps of the voltage divider and the voltage to be measured against the voltage at a tap corresponding to the selected measuring range of another, the first voltage divider at its terminals with constant Internal resistance is connected in parallel voltage divider with fixed taps, and that the adjustment of the compensation voltage is done by adjusting the taps of the first voltage divider.
The invention will be explained in more detail with further advantageous developments with reference to exemplary embodiments shown schematically in the drawing.
The invention makes use of a compensator based on the voltage divider principle. In Fig. 1, the voltage divider of the compensator is shown as a four-pole 1 with the terminals a, b, c, d. Fig. La shows the known circuit in which the constant resistance of the voltage divider is fed via the terminals a, b with a constant auxiliary current Ih. At the terminals c, d, to which the voltage to be measured is switched via a zero indicator, a voltage U occurs which corresponds to the position of the variable tap of the compensator. The invention is based on the idea that the same voltage Uk, which corresponds to the crank position, is produced by applying the same current 1h to the terminals c, d at the terminals a, b.
This type of circuit is indicated in FIG. 1b. Exactly one partial resistance Ms is assigned to each switch position, so that voltage Ued = M5 1ab and Uab = Ms 1cd applies
This reversibility also applies to voltage divider circuits of any complexity, such as those according to Raps, Feussner, etc.
The known compensator according to FIG. La has a variable internal resistance depending on the crank position at the terminals c, d used here as output terminals, and a constant internal resistance at the terminals a, b used here as auxiliary current terminals.
If, according to the invention, the compensator according to FIG. 1b is operated at the terminals c, d with a constant current 1h, the voltage corresponding to the crank position at the terminals a, b can be adjusted with the aid of an output voltage divider shown in FIG 2, 3 and corresponding fixed taps e, f, for example in the ratio 1: 1000, are divided.
The output voltage divider can be designed as a fixed voltage divider in a simple manner extremely free of thermal stress and its partial resistance 3 can be designed with very low resistance.
A helical potentiometer known per se can also be used for the voltage divider 1 without a thermal voltage interfering with the sliding contact.
FIG. 2 shows an embodiment in which the compensator consists of a resistor cascade circuit 4 according to Rasp with, for example, four crank switches 5, 6, 7, 8. A constant current source 9, from which the auxiliary current Ih is drawn, is connected to the variable taps 7, 8 of the compensation voltage divider. A fixed output voltage divider 12 with taps 13 to 17 is connected to the ends 10, 11 of the constant resistance of the compensation voltage divider, against which the voltage to be measured is switched via a zero indicator, not shown.
The output voltage divider 12 can be dimensioned so that voltages 10-2 V with a resolution of 10-9 V can be measured without thermal stress at the terminals 16, 17, while at the terminals 17, 15 or 17, 14 or 17, 13 higher voltages of 10-1 V to 10 V cannot be measured without thermal stress with a resolution of 10-6 V.
The compensation voltage divider 1 can be dimensioned such that its constant resistance (between 10 and 11) is approximately 1000 Ω. The output voltage divider 12 can be dimensioned, for example, so that its total resistance is approximately 4000 Ω and the resistance for the smallest stage (terminals 16, 17) approximately 5 Ω. The auxiliary current must be approximately 10-2 A in order to achieve a voltage of 1000 Ω Generate 10 V. In addition, there is also the current through the voltage divider 12.
In contrast to the previous practice, the auxiliary current 1h is not drawn from a constant voltage source via resistors, but from the regulated constant current source 9.
For the constant current source 9 to function, it may be necessary that the load resistance, which changes as a result of the position of the crank switches 5 to 7, does not drop too much. This can, as not further shown, by an additional crank decade of simple resistors such. B. sheet resistors, which is mechanically coupled to one of the cranks 5, 6 of the compensator and connected so that it keeps the load resistance approximately constant.
The following advantages are achieved by the compensator according to the invention. A relatively simple voltage divider 1 is used, which can be produced without great technical difficulties. The variable voltage divider 1 has a high resistance, for example 100 Qi steps against 1 Q / step in known compensators according to Diesselhorst, so that only a small auxiliary current 1 ...
10 mA is required. The compensator according to the invention is also easy to manufacture with high accuracy, and no special demands are made on the tap changers used and their maintenance. Helical potentiometers can also be used, two decades being replaced by such a potentiometer. Ten-turn spiral potentiometers are known that can be read as three digits. Known Diesselhorst compensators with more than two crank decades, for example, require switches and resistors with non-integral values that are not equal to one another.
Switching between ranges is also very easy.
It takes place at the voltage divider 2, 3 (Fig. 1c) or 12 (Fig. 2), the output resistance of which is low in the low voltage ranges, as is necessary to achieve a high voltage sensitivity of the zero indicator used. The voltage of the lower taps e, f according to FIG. 2 can also be fed separately to special terminals in order to avoid thermal stresses, bypassing the otherwise usual measuring point selectors and polarity reversal switches.
The power consumption of a compensator according to the invention for a range from 10 mV to 10 V, including a constant current source with a stabilization of 104, is approximately 1 watt. The constant current source can easily be built into the compensator.
A particularly expedient design of the second voltage divider and, in particular, the design of the partial resistance for the lowest voltage range is described below with reference to FIGS. 3 to 5.
3 shows the voltage divider 31, which may consist of the partial resistors 32, 33 and 34.
The measuring circuit for measuring the smallest voltages consists of the resistor 34, a zero indicator 20 and a source 30 whose voltage Ex is to be measured.
The total resistance of the voltage divider 31 can be 10,000 Ω, for example. The partial resistance 34 for the smallest area can have a value of approximately 1Ω. This low value is favorable when measuring the smallest voltage for the use of a zero indicator with high voltage sensitivity. For the resistor 34, a resistor material with a small temperature coefficient is used. According to the invention, the resistor 34 is designed in such a way that the unavoidable welding, soldering or clamping points, which form the connections 36, 37 for the divider current and the connections 38, 39 for the measuring voltage to be tapped, are separated from one another, so that in the measuring circuit ( Connections 38, 39) there are no connections through which the voltage divider current I flows.
4 shows a possible embodiment of the resistor 34. Resistance sheet metal in a meandering shape is used. The soldering points 36, 37 which are used for supplying current and which are flowed through by the voltage divider current are of normal design, for example by brazing. The lines 120, 121 can be made of copper. Flat copper strips 40, 41 or metal sheets in strip form are hard soldered to the measuring circuit taps 38, 39. The copper strips 40, 41 are connected via soft soldering points 46, 47 with low thermal stresses to wires 42, 43, for example made of the same material, which lead to the measuring circuit, as is indicated in FIG. 3. An insulating layer (for example mica), not shown further, is placed on the resistor 34 formed in this way. Resistor 34 is then folded together at dash-dotted line 130.
Figure 5 shows such a collapsed resistor. The insulating intermediate layer is designated by 120. As can be seen, the voltage taps leading to 42, 43 also lie flat on top of one another on the copper side (40, 41) beyond the connection points 38, 39 for temperature compensation. The soft solder points 46, 47 between the copper strips 40, 41 and the continuing copper wires 42, 43 can be made low in thermal stress in a simple manner with low-thermal soft solder.
By folding the resistor together, the temperature difference leading to disruptive thermal voltages at the soldered points 38, 39 is brought to an extremely low value. The much used resistance alloy Manganin according to WM 43 has z. B. a thermal voltage against copper of about 10-6 V / grd.
A temperature difference of 10-2 degrees generates a thermal voltage of 10-8 V, which is the size of the required measurement uncertainty. Due to the construction according to the invention and an appropriate installation of the resistor 34 in a housing with good thermal insulation, which is not shown, this uncertainty can still be exceeded.