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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-s V einstellbar.
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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 lOstufige Doppeldekade werden somit 2. 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.
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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
600/0 der Widerstände eines Diesselhorst-Kompensators.
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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.
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Die Erfindung bezieht sich auf einen thermospannungsfreien Gleichspannungs-Kompensator
mit einem kontaktlosen Kompensationskreis, mit einem von einem Hilfsstrom bestimmter
Größe durchflossenen Spannungsteiler. Die Erfindung besteht darin, daß die verstellbaren,
einen veränderlichen Widerstand ergebenden Abgriffe des Spannungsteilers mit einer
geregelten Konstantstromquelle verbunden sind, von der die Einspeisung des Hilfsstromes
erfolgt, daß die zu messende Spannung gegen die Spannung an einem dem gewählten
Meßbereich entsprechenden Abgriff eines weiteren, dem ersten Spannungsteiler an
dessen Klemmen mit konstantem Innenwiderstand parallelgeschalteten Stufen-Spannungsteilers
mit festen Abgriffen geschaltet ist und daß die Einstellung der Kompensationsspannung
im Meßbereich durch Wahl der Abgriffe des Stufen-Spannungsteilers und die
Feineinstellung
durch Verstellung der Abgriffe des ersten Spannungsteilers erfolgt.
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Die Erfindung wird mit weiteren vorteilhaften Ausbildungen an Hand
von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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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.
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Fig. la zeigt die bekannte Schaltung, bei welcher der konstante Widerstand
des Spannungsteilers über die Klemmen a, b mit einem konstanten Hilfsstrom ll, 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
desKompensators entspricht. Die Erfindung geht nun von der Überlegung aus, daß durch
Anlegen eines gleichen Stromes llz an die Klemmen c, d an den Klemmen a, b die gleiche
Spannung Ul, die der Kurbelstellung entspricht, entsteht. In der F i g. 1 b ist
diese Schaltungsart angedeutet. Jeder Schalterstellung ist genau ein Teilwiderstand
Ms zugeordnet, so daß gilt Spannung Ucd = Ms 1ab und Uab = Ms 1cd Diese Umkehrbarkeit
gilt auch für beliebig komplizierte Spannungsteilerschaltungen, wie beispielsweise
die nach Raps, Feußner usw.
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Der bekannte Kompensator nach der Fig. 1 a hat an den hier als Ausgangsklemmen
verwendeten Klemmen c, d einen variablen, von der Kurbelleitung abhängigen Innenwiderstand,
an den hier als Hilfsstromklemmen verwendeten Klemmen a, b einen konstanten Innenwiderstand.
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Wird nun nach der Erfindung der Kompensator nach der Fig. lb an den
Klemmen c, d mit einem Konstantstrom l, betrieben, so kann die der Kurbelstellung
entsprechende Spannung an den Klemmen a, b mit Hilfe eines in der F i g. 1 c dargestellten
Ausgangsspannungsteilers mit den Widerständen 2, 3 und entsprechenden festen Abgriffen
e, f beispielsweise im Verhältnis 1 : 1000 geteilt werden.
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Der Ausgangsspannungsteiler kann als Festspannungsteiler in einfacher
Weise extrem thermospannungsfrei und dessen Teilwiderstand 3 sehr niederohmig ausgeführt
werden.
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Für den Spannungsteiler 1 kann auch ein an sich bekanntes Wendepotentiometer
verwendet werden, ohne daß eine Thermospannung am Schleifkontakt stört.
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Die F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem der Kompensator
aus einer Widerstandskaskadenschaltung 4 nach Raps 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.
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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 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-t 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
9 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.
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Der Hilfsstrom 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.
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Der Hilfsstrom 1h wird, abweichend von den bisherigen Gepflogenheiten,
nicht über Widerstände aus einer Konstantspannungsquelle, sondern der geregelten
Konstantstromquelle 9 entnommen.
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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.