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Schaltungsanordnung zur Messung von Gleichspannungen mittels einer
Wheatstoneschen Brücke Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung von Gleichspannungen
mittels einer Wheatstoneschen Brücke, die es ermöglicht, innerhalb eines wahlweise
einstellbaren Spannungsbereiches eine gegenüber bekannten Spannungsmeßgeräten höhere
Meßgenauigkeit zu erzielen.
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Bei den bekannten elektrischen Spannungsmeßgeräten läßt sich im allgemeinen
die Meßgenauigkeit nicht über 0,20/0 steigern. Schwankungen der Meßgröße um einen
Betrag, der kleiner ist als 0,20/0 der Meßgröße, lassen sich somit mit Hilfe der
bekannten Geräte nicht mehr feststellen.
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In bestimmten Fällen besteht nun aber das Bedürfnis, Abweichungen,
die innerhalb dieses Bereiches der Meßgenauigkeit von 0,20/0 liegen, festzustellen
bzw. Sorge dafür zu tragen, daß die Meßgröße in noch engeren Grenzen, als sie durch
die vorerwähnte Meßgenauigkeit gegeben sind, konstant bleibt. Für solche Zwecke
reicht die Empfindlichkeit der bekannten Meßgeräte nicht aus.
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Diesem Mangel wird bei einer Schaltungsanordnung, bei der in dem
einen Zweig einer Wheatstoneschen Brücke eine Elektronenröhre liegt, dadurch abgeholfen,
daß erfindungsgemäß das Gitter der Röhre unter Zwischenschaltung einer Gitterspannungsquelle
mit einem einstellbaren Abgriff eines Spannungsteilers, der im anderen, kathodenseitigen
Zweig der Brücke liegt, verbunden ist, und daß die zu messende Spannung an den Speisespannungspunkten
der Brücke angeschlossen ist.
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Wenn also die zu messende Spannung beispielsweise 95 Volt beträgt,
so würde bei den bekannten Geräten bei einem Meßbereich von 100 Volt und einer 100-Skala
eine Meßgenauigkeit von 0,20/0 erzielt werden.
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Dadurch, daß bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung die ganze
Skala für einen Meßbereich von beispielsweise 90 bis 100 Volt verwendet werden kann,
so daß einem Skalenstrich ein Wert von 0,1 Volt entspricht, wird eine zehnfach größere
Ablesegenauigkeit erzielt.
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Wird zur Erzielung des Brückengleichgewichtes der Spannungsteiler
an einer solchen Stelle abgegriffen, die der an die Klemmen der Speisediagonale
der Brücke angelegten Spannung entspricht, so wird jede Abweichung von diesem Spannungswert
durch den um ein Vielfaches genaueren Ausschlag des in der Brücken-Meßdiagonale
liegenden Galvanometers angezeigt.
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Es sind schon zur Messung von Wechselspannungen dienende Schaltungsanordnungen
bekannt, bei denen die Wechselspannung an das Steuergitter einer Verstärkerröhre
angelegt wird und bei denen Mittel vorgesehen sind, die den Nullpunkt des Gerätes
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zustellen gestatten und eine Anderung der Krümmung der Gitterspannungs-Anodenstrom-Charakteristik
der Röhre ermöglichen.
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Von diesen bekannten Geräten unterscheidet sich die erfindungsgemäße
zur Messung von Gleichspannungen dienende Schaltungsanordnung dadurch, daß die Gleichspannung
nicht an das Gitter der Röhre, sondern an eine der Brückendiagonalen angelegt wird
und diese Gleichspannung den Anodenstrom der : Röhre liefert. Im Gegensatz zu diesen
bekannten Schaltungsanordnungen, die lediglich einer Nullpunktkorrektion dienen,
bietet die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung die Möglichkeit, den Nullpunkt eines
Gerätes an jede beliebige Stelle eines bestimmten Spannungsbereiches zu verlegen,
so daß der Nullpunkt des Gerätes nicht dem Spannungswert Null, sondern einem beliebig
einstellbaren Spannungswert entspricht.
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Im Grunde entspricht die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung derjenigen
Einrichtung, die bei Längenmeßgeräten unter der Bezeichnung »Nonius-Ablesung« bekannt
ist.
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Der Abgriff am Spannungsteiler erfolgt gemäß weiteren Ausbildungsformen
des Erfindungsgedankens entweder mittels eines an einem Potentiometer angreifenden
Läufers oder an fest angeordneten Anzapfungen. Gemäß einer weiteren zweckmäßigen
Maßnahme liegen vor dem Brückengalvanometer ein
Vorwiderstand und
ein Gleichrichter. Das Galvanometer wird nicht als Nullinstrument verwendet; sein
Zeigerausschlag ist vielmehr dem Spannungsbetrag proportional, um den die zu messende
Spannung von dem Spannungswert abweicht, bei dem die Brücke im Gleichgewicht ist,
wodurch eine lineare Skaleneinteilung erhalten wird. Mit Hilfe eines Wechselschalters
und unter Vorschaltung eines Widerstandes kann das Brückengalvanometer in weiterer
Ausgestaltung des Erfindungsgedankens als Voltmeter verwendet werden.
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Zur Eichung des Spannungsteilers, der zweckmäßigerweise als ein mit
einem Läufer versehenen Potentiometer ausgebildet ist, wird an die Speisespannungspunkte
der Brücke ein Voltmeter gelegt, wobei die Eichung so durchgeführt wird, daß bei
bestimmten Spannungswerten an der Brücke Gleichgewicht herrscht.
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Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
ist in schematischer Weise in der Zeichnung dargestellt und im folgenden noch ausführlicher
beschrieben.
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An die Klemmen einer Wheatstoneschen Brücke, deren einzelne Zweige
mit 1, 2, 3 und 4 und deren Meßdiagonale mit 5 bezeichnet sind, ist an den Endpunkten
6 und 7 der Speisediagonale ein Voltmeter 8 angeschlossen; im Zweig 1 liegt eine
Röhre, beispielsweise eine Triode 9, während im Zweig 2 ein Potentiometer 10 angeordnet
ist, dessen durch einen Läufer gebildeter Abgriff mit dem Gitter 12 der Röhre verbunden
ist. Die Kathode 13 dieser Röhre ist mit dem Verzweigungspunkt 14 des Potentiometerzweiges
2 verbunden, während die Anode 15 an den Verzweigungspunkt 16 des Zweiges 3 angeschlossen
ist, so daß die Röhre durch die Meßspannung selbst gespeist wird. Eine die Polarisation
des Gitters bestimmende Spannungsquelle 17 liegt in dem Stromkreis zwischen Gitter
12 und Potentiometerabgriff 11.
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In den Zweigen 3 und 4 liegen bekannterweise Widerstände 18 bzw.
19. In der Brückendiagonale 5 liegen ein Mikroamperemeter oder ein Galvanometer
20 und vorzugsweise ein Widerstand 21, der veränderlich sein kann, und ein Gleichrichter
22, der durch die Brückendiagonale 5 Strom nur in einer Richtung fließen läßt.
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Für jeden Wert der zu messenden Spannung V0, der beliebig gewählt
werden kann, gibt es eine Stellung des Läufers am Potentiometer, bei der Brückengleichgewicht
herrscht, wenn diese Spannung an den Klemmen 6 und 7 liegt. Bei dieser Brückenabstimmung
zeigt das Mikroamperemeter 20 auf Null. Es ist leicht einzusehen, daß; wenn die
Spannung einen von V0 verschiedenen Wert V annimmt, in den Mikroamperemeter ein
Strom i fließt, der der Spannungsdifferenz VV0 proportional ist und sich nach der
Gleichung bestimmt: K = K (V-V0).
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Bei einer entsprechenden Wahl der verschiedenen Brückenelemente ist
es möglich, einen Proportionalitätskoeffizienten K zu erzielen, der der jeweils
gewünschten Vergrößerung der Ablesegenauigkeit entspricht. Wenn man also beispielsweise
ein übliches Voltmeter mit einem Meßbereich von 150 Volt verwendet, so kann man
mit dem Regelorgan des Spannungsteilers solche verschiedenen Einstellungen vornehmen,
daß sie den einzelnen aufeinanderfolgenden Spannungswerten V0, beispielsweise von
10 zu 10 Volt, entsprechen und erreichen, daß die ganze von 0 bis 100 reichende
Skala des Mikroamperemeters
einem Intervall von 10 Volt des Voltmeters entspricht.
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Eine Spannungssteigerung von 10 Volt, die auf dem Voltmeter einem
Ausschlag der Nadel um eine Skaleneinheit entspricht, ergibt auf der Skala des Mikroamperemeters
einen Ausschlag der Zeigernadel um zehn Skaleneinheiten dieser Skala, so daß die
Ablesegenauigkeit um das Zehnfache gesteigert wird.
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Die Verwirklichung des Erfindungsgedankens ist keineswegs an die
in der Zeichnung dargestellte Ausführungsform gebunden, die hinsichtlich der Anordnung
und der Art der einzelnen Elemente wie auch bezüglich der Gesamtanordnung beliebig
geändert werden kann.
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Beispielsweise kann man das Voltmeter und das Mikroamperemeter in
ein und demselben Gehäuse anordnen. Da die einzelnen Elemente der Brücke wenig sperrige
Organe sind, kann man an der Stelle des Läufers 11 verschiedene Anzapfungen an dem
Widerstand 10 vorsehen. Für eine bestimmte Anzahl von Spannungswerten Io, beispielsweise
für die Werte 40, 50, 60 ... bis 100 Volt, können die entsprechenden Anzapfungen,
die ein für allemal bei der Herstellung des Gerätes vorgesehen wurden, mit einem
Schalter in bekannter Weise wahlweise abgegriffen werden.
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Um die Vereinfachung des Gerätes noch weiter zu treiben, kann man
auch das Voltmeter 8 weglassen und an dessen Stelle mittels eines Wechselschalters
das Mikroamperemeter einmal zwischen den Klemmen 6 und 7 und das anderemal in die
Diagonale 5 einschalten, da dieses Instrument auch als Voltmeter verwendet werden
kann, wenn ihm ein Widerstand vorgeschaltet wird. Des weiteren könnte man auf den
Gleichrichter in der Brückendiagonale verzichten und an dessen Stelle ein Galvanometer
mit einem Nullpunkt in der Mitte der Meßskala verbinden, um auf diese Weise jede
Veränderung der Spannung nach größeren oder kleineren Werten im Verhältnis zu der
Ausgangsspannung festzustellen.
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Schließlich kann das Gerät auch als Über- bzw.
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Unterspannungsrelais oder auch als Anzeigegerät verwendet werden,
das auf Grund der stark vergrößerten Meßgenauigkeit innerhalb sehr enger Grenzen
wirksam ist, wenn gemäß einer unteren Ausbildungsform des Erfindungsgedankens an
dem Galvanometer bewegliche oder starre Kontakte vorgesehen sind, die für ein sehr
kleines Spannungsintervall noch genügend weit voneinander entfernt angeordnet sein
müssen.
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PATENTANSPRtYCHE: 1. Schaltungsanordnung zur Messung von Gleichspannungen
mittels einer Wheatstoneschen Brücke, in deren einem Zweig eine Elektronenröhre
liegt, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter der Röhre unter Zwischenschaltung
einer Gitterspannungsquelle mit einem einstellbaren Abgriff eines Spannungsteilers,
der im anderen, kathodenseitigen Zweig der Brücke liegt, verbunden ist, und daß
die zu messende Spannung an den Speisespannungspunkten der Brücke angeschlossen
ist.