DE1051386B - Elektronisch gesteuerter Motorzaehler mit Kompensationsschaltung zur Gleichstrom- und stromlosen Spannungsintegration - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die zur Zeit üblichen Gleichstrommotorzähler besitzen folgende ungünstigen Eigenschaften: Die Spannungs-Drehzahl-Kennlinie ist nicht linear, d. h., der Gesamtdrehwinkel ist nur in erster Näherung proportional dem Strom-Zeit-Integral (Ladung) oder dem Spannungs-Zeit-Integral. Besonders große Abweichungen von der Linearität treten am Anfang der Kennlinie (Anlaufgrenze) und bei sehr hohen Drehzahlen auf. Auch im mittleren Bereich der Kennlinie, dem eigentlichen Arbeitsbereich des Motorzählers, ist die erreichbare Genauigkeit nicht sehr groß. Der brauchbare Arbeitsbereich erstreckt sich meistens nur über eine Zehnerpotenz. Zudem ist die Drehzahl noch von der abgenommenen Leistung abhängig, und es muß infolgedessen mit einer Veränderung dear Kennlinie in Funktion von Zeit, Belastung und Temperatur gerechnet werden. Da der klassische Motorzähler einen größeren Stromverbrauch aufweist, kann er zur Spannungsintegration nur bei kleinem Innenwiderstand der Spannungsquelle herangezogen werden und besitzt einen zu großen Eigenverbrauch zur Messung hoher Spannungen.

Es sind eine ganze Reihe von Bestrebungen bekanntgeworden, die darauf abzielten, die hier aufgezählten Fehler des klassischen Motorzählers zu beseitigen, In den meisten Fällen wurde versucht, durch Umänderungen mechanischer Art an dem das Zählwerk antreibenden Motor die Eigenschaften dieses Motors so zu verändern, daß mit dem Motorzähler brauchbare Resultate erzielt werden konnten. Durch alle diese Versuche wurden jedoch nur geringfügige Verbesserungen erzielt, die in der Hauptsache darin bestehen, daß die Linearität der Drehzahl-Spannungs-Kennlinie im mittleren Arbeitsbereich etwas verbessert und die Anlaufgrenze etwas herabgesetzt wurde. Die eigentlichen Fehlerquellen, Abhängigkeit der Drehzahl von der abgenommenen Leistung, Vorbandensein einer Anlaufgrenze, zu kleiner brauchbarer Arbeitsbereich und zu großer Stromverbrauch wurden hierdurch nicht beseitigt und konnten auf diese Weise auch nicht beseitigt werden, da jeder Gleichstrommotor diese die Zählerqualitäten herabmindernden Eigenschaften naturbedingt besitzen muß.

Da mit dem klassischen Motorzähler die Integration sehr kleiner Ströme auf Grund des zu großen Stromverbrauchs der benutzten Motoren, welcher sich wegen der zum Antrieb des Zählwerks benötigten Leistung nicht beliebig verkleinern läßt, überhaupt nicht durchführbar ist, Hefen andere Bestrebungen darauf hinaus, durch Vorschalten eines elektronischen Stromverstärkers vor den Motorzähler die Integration sehr kleiner Ströme möglich zu machen. Solche Geräte, die seit längerer Zeit bekannt sind, weisen natürlich alle Fehlerquellen auf, die durch den Elektronisch, gesteuerter Motorzähler

mit Kompensationsschaltung

zur Gleichstrom- und stromlosen

Spannungsintegration

Anmelder:

Dipl.-Phys. Dr. Walter Walisch,
Scheidt/Saar, Eichendorffstr. 18

Dipl.-Phys. Dr. Walter Walisch, Scheidt/Saar_r
ist als Erfinder genannt worden

Motorzähler bedingt sind, und erfordern für den Stromverstärker einen sehr hohen gerätemäßigen Aufwand.

Aus anderen Gebieten der Meßtechnik sind dagegen Methoden und Apparaturen bekannt, die es gestatten, z. B. Ströme, Spannungen, Widerstände oder das Verhältnis von Strömen oder Spannungen sehr genau dadurch zu bestimmen, daß die zu messende Größe in einer Brücken- oder Kompensationsschaltung mit einer sehr genau einstellbaren Vergleichsgröße verglichen wird, und daß die einstellbare Größe von Hand oder durch einen Servomechanismus so lange verändert wird, bis das Brückengleichgewicht erreicht ist.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei einem direkt oder über einen Verstärker angetriebenen Motorzähler die naturbedingten Fehler nicht beseitigt werden können und daß sich wesentliehe Verbesserungen nur durch Verwendung einer Kompensationsmethode erzielen lassen. Ein geeignetes Vergleichselement ist vorhanden, da es Gleichspannungsgeneratoren mit streng linearer Drehzahl-Spannungs-Kennlinie gibt. Die Erfindung, die sich auf einen elektronisch gesteuerten Motorzähler zur Gleichstrom- und stromlosen Spannungsintegration bezieht, besteht darin, daß eine der zu integrierenden Größe proportionale Spannung der Spannung eines eine linare Drehzahl-Spannungs-Kennlinie aufweisenden Gleichspannungsgenerators gegengeschaltet und die entstehende Differenzspannung verstärkt einem mit dessen Generator mechanisch starr gekuppelten Gleichstrommotor so zugeführt ist, daß eine Änderung der zu integrierenden Größe eine derartige

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Änderung der Drehzahl des Motors und damit auch forderten starren Kupplung eine genaue Proportiodes Generators hervorruft, daß die vom Generator nalität zwischen Qq und Ω ^, und es gilt:
abgegebene Spannung die am Verstärker liegende _{Q = m = U{i}__{g)fb und Q = Q /d = u{i )/w>} Difterenzspannung zu verkleinern bestrebt ist und '
daß der Gesamtdrehwinkel der Motor-oder Generator- 5 Die Winkelgeschwindigkeiten von Generator- und welle als Maß für die gesuchte Größe dient. Motorachse sind demnach streng proportional der am Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher Ausgang des Umwandlers abgegebenen Spannung U. erläutert. Gewährleistet der Umwandler eine strenge Pro-Die zu integrierende Größe X liegt am Eingang des portionalität zwischen der Meßgröße X und der strom-Umwandlers A, dessen Beschaffenheit von der Art io los abgegebenen Spannung U — diese Bedingung und der Größenordnung der zu integrierenden läßt sich bei Strom- und Spannungsintegration prak-Größe — im Falle der Stromintegration dient z. B. tisch mit beliebiger Genauigkeit und bei anders geein den Umständen entsprechend dimensionierter arteten Meßgrößen meistens mit ausreichender GeWiderstand von ausreichender Belastbarkeit und nauigkeit realisieren—, so gilt:
Temperaturkonstanz für diesen Zweck — bestimmt 15 Q_a = cX(l-e)/b und Q_M = cX(l-s)/bd.
wird. Am Ausgang des Umwandlers wird eine der zu

integrierenden Größe X exakt proportionale Gleich- Demnach sind im Gleichgewichtszustand die spannung U = cX abgegeben. Der Proportionalitäts- Winkelgeschwindigkeiten von Motor- und Generatorfaktor zwischen U und X sei c. Der eine Pol der achse dem jeweiligen Wert der Meßgröße X genau Ausgangsklemmen für die Spannung U liegt direkt 20 proportional, und der Gesamtdrehwinkel jeder Achse am Eingang des Verstärkers S. Der andere Pol ist zwischen zwei Zeiten ist dem Integral der Meßgröße über die Wicklung des Generators G mit dem Ver- zwischen diesen Zeiten genau proportional, wenn die stärker B verbunden. Ist die vom Generator abge- Änderungen der Meßgröße so langsam erfolgen, daß gebene Spannung E, so liegt am Verstärker die Span- die Anordnung sich praktisch immer im Gleichnung U + B oder U — B an. Besitzt der Verstärker 25 gewichtszustand befindet.

den \^rerstärkungsfaktor k, so wird an seinem Aus- Der Gleichgewichtszustand bleibt auch bei verhältgang die Spannung V = Ti (U+ E) abgegeben. Die nismäßig schnellen Änderungen der Meßgröße immer Spannung V liegt an der-Wicklung des Motors M, eingestellt, da jede Abweichung vom Gleichgewichtsdessen Achse direkt oder über ein Getriebe starr mit zustand momentan eine um den Verstärkungsfaktor k der Achse des Generators verbunden ist, so daß die 30 vergrößerten Veränderung der an der Motorwicklung Winkelgeschwindigkeit Qq der Generatorachse pro- anliegenden Spannung V zur Folge hat, welche die portional der Winkelgeschwindigkeit Ω μ der Motor- Abweichung vom Gleichgewichtszustand rückgängig achse ist. Bei richtig vorgenommener Polung von zu machen bestrebt ist.

Motor- und Generatorwicklung liegt am Verstärker Der Eingangswiderstand des Integrators ist prakdie Spannung U — B an, und es gelten folgende Be- 35 tisch identisch mit dem Eingangs widerstand des Verziehungen (bei falscher Polung liegt U + E am Ver- stärkers und läßt sich demnach durch Verwendung stärker und die Anordnung beginnt zu schwingen): entsprechender Elektronenröhren sehr groß machen, jj _ y -.. ■ so daß sowohl sehr kleine Ströme als auch sehr große

„ , _ . . . _ - , ., Spannungen ohne nennenswerten Leistungsverlust

E = bQ_G mit 6 = Proporüonahtatsfaktor ^ _{integriert werden können}_

zwischen h und U₀. Die Belastung der Motor- oder Generatorachse, die

V =k (U-E). Qualität der Drehzahl-Spannungs-Kennlinie des

Q_M = aV mit a = Proportionalitätsfaktor Motors sowie Änderungen im Verstärkungsfaktor

zwischen V und Ωμ· wirken sich nur auf das Korrektionsglied ε aus und

Q₀ = dQ_M mit i = Proportionalitätsfaktor ⁴⁵ £^abe* demnach keinen Einfluß auf das gemessene

zwischen Q₀ und Q₁₁. Resultat, so daß die Anordnung beliebig große

Leistungen abgeben kann und daß Änderungen in der

Im Gleichgewicht gilt: abgegebenen Leistung keine Fehler verursachen

Ε = ΙΩ_α=ΙαΩ_Μ = αΒαν=ώα1_ί(υ-Ε). ^k°^nnen· ^Die Qualität des Verstärkers ist neben-

■ ^{M v} ' 5° sächlich.

Daraus errechnet sich: Eine Anlauf grenze besteht nicht, da der Generator

2? _ υ/η λ. l/aiidJi) t>^ei der Winkelgeschwindigkeit Null keine Spannung

- abgibt.

. Mit abdk > 1, dieser Fall läßt sich durch einen ge- Die erreichbare Genauigkeit wird ganz allein von

nügend großen Verstärkungsfaktor k und durch ent- 55 der Güte der Drehzahl-Spannungs-Kennlinie des

sprechende Wahl der andern Proportionalitätsfaktoren Gleichspannungsgenerators bestimmt,

sehr leicht realisieren, wird: Die Erfindung wird an Hand des folgenden Aus-

i/a&dA = _e«l,tmdesgilt:B=t7(l-e). führungsbeispiels, welches alle' gemachten Voraus-

Setzungen in ausreichendem Maße erfüllt, naher er-

Die Generatorspannung E wird demnach allein von 60 läutert:

U bestimmt, und Änderungen in den verschiedenen Ein Netzteil, bestehend aus Netztransformator, Proportionalitätsfaktoren haben praktisch keinen Ein- Gleichrichter und Siebgliedern, liefert die zum Befiuß mehr auf den Wert von E. trieb des Verstärkers erforderlichen Gleich- und Andererseits besteht voraussetzungsgemäß eine Wechselspannungen. Die erste Verstärkerstufe besteht genaue Proportionalität zwischen der leistungslos ab- 65 aus einer Doppeltriode (z.B. ECC 83), deren Kathoden gegriffenen Generatorspannung £ und der Winkel- gemeinsam über einen Kathodenwiderstand (z.B. IkQ) geschwindigkeit Qq der Generatorachse — diese an den geerdeten negativen Pol der im Netzteil erstrenge Proportionalität wird von vielen Gleichspan- zeugten Gleichspannung geführt sind, und deren nungsgeneratoren unter den vorliegenden Betriebs- Anoden über je einenAnodenwiderstand (z.B. 40OkQ) bedingungen gewährleistet — sowie wegen der ge- 70 an den Enden eines Symmetrierpotentiometers (z. B.

Claims (3)

50 kiJ) liegen, dessen variabler Mittelabgriff mit dem positiven Pol der im Netzteil erzeugten Gleichspannung, der Anodenspannung, verbunden ist. Die Anoden der Doppeltriode liegen ferner über Gitterableitwiderstände (z.B. 200kQ )an den Steuergittern von zwei 5 steilen Endpentoden (z. B. EL 84), deren Kathoden verbunden und über einen Kathodenwiderstand (z. B. 2 kQ) geerdet sind. Die Schirmgitter der beiden Pentoden liegen direkt, die Anoden über Arbeitswiderstände (z. B. 4 kQ) an der Anodenspannung. Die Ausgangsspannung des Verstärkers, d. h., die Spannung zwischen den beiden Anoden der Pentoden, liegt an einer Wicklung eines kleinen Gleichstrommotors (z. B. Servomotor) mit zwei getrennten Wicklungen. Die zweite Wicklung dient als Generatorwicklung und gibt eine der Drehzahl des Motors genau proportionale Gleichspannung ab. Die Achse des Motors ist über ein umschaltbares Getriebe mit dem Zählwerk verbunden. An das Zählwerk werden keine besonderen Anforderungen gestellt, da die vom Motor abgegebene Leistung keinen Einfluß auf die Drehzahl hat, so daß es auch möglich ist, die Drehbewegung des Motors in eine lineare Verschiebung (z. B. Papiervorschub eines Registriergerätes oder Zeigerstellung eines Schreibers) zu transformieren, ohne daß die Genauigkeit darunter leidet. Parallel zur Generatorwicklung liegt ein Kondensator (z. B. Ο,ΙμΡ), der die bei kleiner Drehzahl abgegebene wellenförmige Gleichspannung etwas glättet. Ein Pol des Generators ist über einen Gitterableitwiderstand (z. B. 50 kß) mit einem Gitter der Doppeltriode verbunden. Das andere Gitter der Doppeltriode ist über einen Gitterableitwiderstand geerdet. Der zweite Pol des Generators liegt über einen Schutzwiderstand an einem Pol der der zu integrierenden Größe proportionalen Spannung, deren zweiter Pol geerdet ist und ist zudem über einen Kondensator (z. B. 0,5 \iF), welcher steile Änderungen der Meßgröße etwas abpuffert, geerdet. Zur Stromintegration läßt man den Strom durch einen temperaturunabhängigen Widerstand von bekannter Größe fließen und integriert den hierbei an diesem Widerstand entstehenden Spannungsabfall. Da der Widerstand beliebig groß gemacht werden kann, lassen sich auf diese Weise noch Ströme von 1 Mikroampere mit ausreichender Genauigkeit integrieren. Es sind mehrere Widerstände verschiedener Größe in die Anordnung eingebaut, so daß mit einem Gerät Ströme in einem Bereich von 9 Zehnerpotenzen (mit einer Genauigkeit von ±0,1%) integriert werden können. Zur Integration sehr kleiner Spannungen von der Größenordnung mV transformiert man die Spannung mit Hilfe eines Kompensationsverstärkers oder eines vollautomatischen Registrierpotentiometers ■—· z. B. durch Steuerung eines linearen Hilfspotentiometers mit der Schreibvorrichtung eines solchen Registrierpotentiometers — in eine proportionale größere Spannung und integriert diese verstärkte Spannung mit der erfindungsgemäßen Anordnung. Auch beliebige Meßgrößen, welche sich mit Hilfe eines linearen Potentiometers, an dessen Enden eine konstante Spannung anliegt, oder einer anderen Vorrichtung, in eine der Meßgröße proportionale Spannung transformiert werden können, lassen sich mit der erfindungsgemäßen Anordnung integrieren. Besonders gut läßt sich die erfindungsgemäße Anordnung zur Ladungsmessung bei direkten oder indirekten coulometrischen Titrationen verwenden. Hierbei läßt man den Elektrolysestrom vorteilhaft durch einen derartig bemessenen Widerstand fließen, daß das von der erfindungsgemäßen Anordnung gemessene Integral des Spannungsabfalls, der durch den Elektrolysestrom an diesem Widerstand erzeugt wird, die Stellung des an den »Motorgenerator« gekoppelten Zählwerks so verändert, daß die Konzentration der zu integrierenden Substanz oder deren Molzahl sofort abgelesen werden kann. Ist die zu integrierende Größe bereits graphisch dargestellt, so kann man das gesuchte Integral leicht dadurch ermitteln, daß man die Kurve von einem vollautomatischen Lichtzeigerfolgegerät nachfahren läßt. Das Lichtzeigerfolgegerät ist dabei mit einem linearen Potentiometer, an dessen Enden eine konstante Spannung anliegt, gekoppelt. Demnach ist die am Mittelabgriff dieses Potentiometers abgegriffene Spannung der Meßgröße proportional, und man kann das Integral der ursprünglichen Meßgröße, d. h. den Flächeninhalt unter der vorgelegten Kurve, dadurch bestimmen, daß man mit der erfindungsgemäßen Anordnung das Integral der vom Potentiometer abgegebenen Spannung bestimmt. Bei dem hohen Wert des in der erfindungsgemäßen Anordnung erzielten Verstärkungsfaktors (etwa 1000), der ausgezeichneten Linearität der Drehzahl-Spannungs-Kennlinie des Generators (Abweichungen sind kleiner als 0,1%) und der durch die Schaltung bedingten kurzen Ansprechzeit des Motors, dessen Wicklung eisenfrei ist und an sich schon ein sehr kleines Trägheitsmoment besitzt, lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Motorzähler sowohl bei der Integration von kurzzeitigen Impulsen als auch bei der Integration langsam veränderlicher Meßgrößen so große Genauigkeiten erreichen, daß sich mit den üblichen Kontrollmeßmethoden keine Fehler mehr feststellen lassen. Patentansprüche:

1. Elektronisch gesteuerter Motorzähler zur Gleichstrom- und stromlosen Spannungsintegration, dadurch gekennzeichnet, daß eine der zu integrierenden Größe proportionale Spannung der Spannung eines eine lineare Drehzahl-Spannungs-Kennlinie aufweisenden Gleichspannungsgenerators gegengeschaltet und die entstehende Differenzspannung verstärkt einem mit dem Generator mechanisch starr gekuppelten Gleichstrommotor so zugeführt ist, daß eine Änderung der zu integrierenden Größe eine derartige Änderung der Drehzahl des Motors und damit auch des Generators hervorruft, daß die vom Generator abgegebene Spannung die am Verstärker liegende Differenzspannung zu verkleinern bestrebt ist und daß der Gesamtdrehwinkel der Motor- oder Generatorwelle als Maß für die gesuchte Größe dient.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Verstärker erzielte Spannungsverstärkung so groß gewählt ist, daß Änderungen in dieser Verstärkung und Abweichungen von der Linearität der Drehzahl-Spannungs-Kennlinie: des benutzten Gleichstrommotors sowie Änderungen dieser Kennlinien im Betrieb, z. B. durch Veränderungen der vom Motor mechanisch abgegebenen Leistung, keinen Einfluß auf die Drehzahl des mit dem Motor starr gekuppelten Generators haben, so daß die Drehzahl beider ausschließlich von der zu integrierenden Größe abhängt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Motor und Generator von