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Einrichtung zum Messen der EMK einer Elektrizitätsquelle Die Erfindung
bezieht sich auf eine Einrichtung, mit der die elektromotorische Kraft (EMK) von
Spannungsquellen, wie Thermo-Elementen und PH-Elektroden, gemessen werden kann,
die eine geringe Gleichspannung, z. B. von der Größenordnung von 10 mV, liefern
und die gleichzeitig, sei es durch ihre Eigenschaften, sei es dadurch, daß lange
Zuleitungen erforderlich sind, einen verhältnismäßig großen Innenwiderstand aufweisen.
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Da die einwandfreie Verstärkung derart kleiner Gleichspannungen nicht
oder wenigstens nicht mit einfachen Mitteln gelingt, ist man auf die Verwendung
von Drehspulmeßwerken angewiesen. Schaltet man nun ein solches Drehspulmeßinstrument
direkt an die zu messende Spannungsquelle, so entsteht durch den vom Meßinstrument
verbrauchten Strom ein Spannungsabfall am Innenwiderstand der Spannungsquelle, so
daß nicht deren elektromotorische Kraft, sondern eine um diesen inneren Spannungsabfall
verminderte Spannung gemessen wird.
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Man kann zwar den Innenwiderstand der Spannungsquelle durch entsprechende
Eichung berücksichtigen; diese Maßnahme verliert jedoch ihre Wirkung, wenn sich
der genannte Innenwiderstand im Laufe der Zeit oder durch Auswechseln der Spannungsquelle
ändert. Eine solche Änderung des Innenwiderwiderstandes tritt beispielsweise bei
Thermo-Elementen stets auf.
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Durch Erhöhung der Empfindlichkeit des Meßinstrumentes kann man selbstverständlich
dessen Stromverbrauch und damit auch die Abhängigkeit der Messung von Änderungen
des Innenwiderstandes der Spannungsquelle vermindern. Diese Maßnahme findet jedoch
andererseits darin ihre Grenze, daß man das Meßinstrument möglichst robust ausführen
möchte.
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Um von Änderungen des Innenwiderstandes der Spannungsquelle vollkommen
unabhängig zu sein, ist es erforderlich, stromlos zu messen. Eine solche stromlose
Messung ist beispielsweise durch das bekannte Kompensationsverfahren möglich, bei
dem eine besondere Kompensationsspannungsquelle, deren Spannung leicht meßbar bzw.
bestimmbar und im übrigen veränderbar ist, mit der zu messenden Spannungsquelle
unter Zwischenschaltung eines Nullinstrumentes zusammengeschaltet wird. Die Kompensationsspannung
wird dann so lange verändert, bis das Nullinstrument Stromlosigkeit anzeigt und
folglich die Kompensationsspannung den Wert der zu messenden Spannung besitzt.
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Dieses bekannte Kompensationsverfahren, das in Gestalt verschiedener
Kompensationsschaltungen aus-
geführt wird, besitzt jedoch den Nachteil, daß die
Messung nicht direkt erfolgt, sondern daß jeweils eine Ablesung der zu messenden
Spannung erst nach Vornahme der Kompensation möglich ist. Es fehlt also bei diesen
nach dem Kompensationsprinzip arbeitenden Einrichrungen eine direkte Anzeige. Der
gewünschte Meßwert wird vielmehr erst nach dem Tätigwerden einer Bedienungsperson
gewonnen.
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Zur Durchführung des Abgleiches bei derartigen Kompensationseinrichtungen
hat man auch selbsttätige Einrichtungen entwickelt, die jedoch infolge ihres komplizierten
Aufbaues verhältnismäßig teuer sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und robuste
Einrichtung zum Messen der EMK einer Elektrizitätsquelle zu schaffen, deren Meßgenauigkeit
von Anderungen des Innenwiderstandes dieser Elektrizitätsquelle unabhängig ist.
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Diese Einrichtung soll vor allem nicht so kostspielig sein wie die
bekannten selbsttätigen Kompensatoren.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird nun nicht das bekannte Kompensationsprinzip
verwendet; vielmehr geht die Erfindung von dem üblichen einfachen Drehspul-Spannungsmesser
aus und macht ihn durch Einbeziehung in eine besondere Schaltung für den
vorliegenden
Zweck geeignet. Um diese Aufgabe lösen zu können, beschränkt man sich jedoch darauf,
daß ein gegebenes Meßinstrument innerhalb einer gegebenen, festen Schaltung nur
an einer einzigen Stelle des gesamten Meßbereiches genau mißt, weil nur an dieser
Stelle der zu messenden Spannungsquelle kein Strom entnommen wird. Man nimmt es
also bewußt in Kauf, daß die Anzeige unterhalb und oberhalb dieses Wertes mit gewissen
Fehlern behaftet ist.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Messen der EMK
einer Elektrizitätsquelle mit im Verhältnis zum endlichen Widerstand eines unmittelbar,
gegebenenfalls über Zuleitungen, an die Quelle angeschlossenen, zum Ablesen der
EMK dienenden Spannungsmessers nicht zu vernachlässigenden Innenwiderstandes und
besteht darin, daß gleichsinnig parallel zu der Elektrizitätsquelle über einen Vorwiderstand
eine Hilfsspannungsquelle solcher Spannung angeschlossen ist, daß bei einer vorbestimmten
Spannung der Elektrizitätsquelle diese keinen Strom führt, im Sinne der Erzielung
einer unabhängig vom Innenwiderstand der Elektrizitätsquelle einschließlich der
Zuleitungen derselben genauen Messung an der der vorbestimmten EMK entsprechenden
Stelle des Meßbereiches des Spannungsmessers.
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Es wird also auch bei der Einrichtung gemäß der Erfindung wie bei
den bekannten Kompensatoren eine Hilfsspannungsquelle verwendet, obgleich hier keine
Kompensation stattfindet. Je nach der Größe der Hilfsspannung und den übrigen Daten
der Schaltung, d. h. dem genannten Vorwiderstand und dem Innenwiderstand des Spannungsmessers,
liegt nun der Punkt, an dem eine genaue und von Anderungen des Innenwiderstandes
der Elektrizitätsquelle unabhängige Messung erfolgt, an einer bestimmten Stelle
des Meßbereiches.
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Eine Meßeinrichtung mit den vorstehend beschriebenen Eigenschaften
ist für viele praktische Anwendungsfälle außerordentlich nützlich. So kann man beispielsweise
die Temperatur eines Ofens. die durch ein Thermo-Element gemessen wird. in unmittelbarer
Nähe einer vorbestimmten Temperatur in jedem Falle genau messen. Man kann auf diese
Weise auch einen einfachen, billigen und dennoch völlig zuverlässigen Regler aufbauen,
indem man beispielsweise dem Zeiger des Meßinstrumentes eine Kontakteinrichtung
zuordnet. Die erfindungsgemäße Einrichtung bietet gerade in einem solchen Falle
noch den besonderen Vorteil, daß man unterhalb der vorbestimmten Solltemperatur
oder auch oberhalb derselben die Tendenz des zeitlichen Temperaturverlaufes genau
verfolgen kann, wenn auch bei größerer Abweichung vom Sollwert die Meßgenauigkeit
entsprechend absinkt.
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In Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist weiterhin vorgesehen.
daß die Hilfsspannungsquelle einstellbar ist. Dadurch kann diejenige Stelle des
Meßbereiches, an der die Einrichtung stromlos und damit genau mißt, willkürlich
verschoben werden.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, daß die Hilfsspannungsquelle mit einer
der Skala des Spannungsmessers entsprechenden Einstellskala versehen ist.
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Diese Skala gibt also nicht die jeweils von der Hilfsspannungsquelle
abgegriffene Spannung an, sondern diejenige Spannung einer an die Einrichtung angeschlossenen
zu messenden Spannungsquelle, die bei
Einstellung auf diesen Punkt stromlos gemessen
wird.
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Eine solche Skala erleichtert selbstverständlich die Einstellung des
gewünschten Meßpunktes innerhalb des Meßbereiches sehr.
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Wenn man eine durch die gemessene EMK dargestellte Meßgröße, beispielsweise
eine Temperatur messen will, wird vorgeschlagen, daß die Skala des Spannungsmessers
und die vorgenannte Einstellskala der Hilfsspannungsquelle in dieser Meßgröße, also
beispielsweise der Temperatur, geeicht sind. Man kann also jederzeit den gewünschten
Wert der Meßgröße, bei dem die Messung stromlos und damit genau erfolgen soll, leicht
mit einem Handgriff an der genannten Einstellskala einstellen.
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In Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist weiterhin vorgesehen,
daß der Spannungsmesser einen einstellbaren Sollwertanzeiger hat. Dieser Zeiger
dient zur Markierung desjenigen Wertes der zu messenden EMK, der jeweils stromlos
gemessen werden kann.
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Vorzugsweise steht der Einsteller der Hilfsspannungsquelle mit diesem
Sollwertzeiger in Einstellverbindung. Dadurch wird erreicht, daß mit einem einzigen
Handgriff durch Drehen des Sollwertzeigers auf den gerade gewünschten Wert auch
die dazugehörige Hilfsspannung, die eine stromlose Messung an diesem Punkt des Meßbereiches
gestattet, mit eingestellt wird.
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Es ist nicht erforderlich, noch besonders zu erwähnen, daß mit dem
Sollwerteinsteller in an sich bekannter Weise ein Kontakt verbunden sein kann, der
mit einem an dem Zeiger des Spannungsmessers befindlichen Gegenkontakt zusammenarbeitet
und zur Durchführung irgendwelcher Regelaufgaben verwendet werden kann. Desgleichen
können selbstverständlich an Stelle derartiger Kontakte auch andere Schalteinrichtungen
optischer oder elektrischer Art mit dem Sollwertzeiger und dem beweglichen Zeiger
des Spannungsmessers verbunden sein. Die Erfindung bezieht sich jedoch nicht auf
die Ausbildung derartiger Kontakteinrichtungen od. dgl.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung in einem Beispiel näher
erläutert.
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In der Zeichnung stellt das Thermo-Element T die zu messende Elektrizitätsquelle
dar und ist an den Klemmen K an einen Spannungsmesser M, beispielsweise ein Drehspul-Millivoltmeter,
angeschlossen.
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Außer dem beweglichen Zeiger W dieses Spannungsmessers ist noch ein
Sollwertzeiger 0 vorgesehen, der von Hand auf jede beliebige Stelle der Skala eingestellt
werden kann. In der Zeichnung ist die Anordnung von Kontakten an den beiden Zeigern
angedeutet. Diese Kontakte berühren sich, wenn die beiden Zeiger an derselben Stelle
der Skala stehen.
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An den Spannungsmesser M ist ferner über einen Vorwiderstand R eine
einstellbare Hilfsspannung angeschlossen. Diese Hilfsspannung wird von einem aus
einer Batterie oder einer anderen Gleichspannungsquelle gespeisten Potentiometer
P geliefert. Die vorgenannte Hilfsspannungsquelle ist so bemessen, daß sie, unter
Berücksichtigung der sonstigen Daten der Schaltung, für den gesamten Meßbereich
des Spannungsmessers M ausreicht.
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Die Hilfsspannungsquelle dient dazu, den von dem Spannungsmesser
benötigten Strom besonders an der Stelle des Meßbereiches zu liefern, an der der
zu messenden Elektrizitätsquelle, im vorliegenden Beispiel also dem Thermo-Element,
kein Strom entnommen werden soll. An dieser Stelle fließt also. wie auch bei kleineren
und größeren Werten, ein bestimmter
Strom durch den Vorwiderstand
R, der an diesem einen gewissen Spannungsabfall zur Folge hat.
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Die an dem Spannungsmesser M anliegende und von diesem angezeigte
Spannung ist also um den vorgenannten Spannungsabfall niedriger als die gerade eingestellte
Hilfsspannung. Je nach Wahl des VorwiderstandesR, der im übrigen keinesfalls kritisch
ist, muß also für den jeweils vorgesehenen Meßbereich des Spannungsmessers M eine
mehr oder weniger große einstellbare Hilfsspannung vorgesehen sein.
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Ist diese Hilfsspannung nun auf einen bestimmten Wert fest eingestellt,
der einer bestimmten Stelle innerhalb des Meßbereiches des Spannungsmessers M entspricht,
dann wird sich beimAnheizen eines Ofens, dessen Temperatur durch das Thermo-Element
T gemessen wird, folgendes Bild zeigen: Bei niedriger Temperatur, d. h. im unteren
Teil des Meßbereiches des Spannungsmessers M, wird die Anzeige des Zeigers W mit
einem gewissen Fehler behaftet sein. Dieser Fehler ist um so größer, je größer der
Stromverbrauch des Spannungsmessers M ist. Mit zunehmender Temperatur und damit
Annäherung an den voreingestellten Wert wird jedoch die Genauigkeit der Anzeige
des Spannungsmessers M immer größer, bis schließlich bei Erreichen der voreingestellten
Temperatur unter der Wirkung der Hilfsspannung eine stromlose und damit fehlerfreie
Messung erfolgt.
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An dieser Stelle des Meßbereiches machen sich Änderungen des Innenwiderstandes
des Thermo-Elementes und seiner Zuleitungen überhaupt nicht bemerkbar, so daß man
ohne weiteres beschädigte Zuleitungen durch neue austauschen kann, ohne eine Nacheichung
der Meßeinrichtung vornehmen zu müssen. Auch das Auswechseln des Thermo-Elementes
selbst, beispielsweise infolge Beschädigung, ist ohne weiteres möglich, sofern nur
das neueThermo-Element die gleiche Charakteristik besitzt. Erfahrungsgemäß schwanken
jedoch die Charakteristiken der gebräuchlichen Thermo-Element-Paare viel weniger
als ihre Innenwiderstände, die ja in erster Linie vom Querschnitt und von der Länge
der Einzeldrähte abhängen.
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Oberhalb des eingestellten Wertes sinkt die Meßgenauigkeit selbstverständlich
wieder entsprechend.
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Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß in der Nähe des voreingestellten
Punktes nur die Differenz zwischen der Meßspannung und der Hilfsspannung einen Strom
durch das Thermo-Element verursacht, so daß auch bei Abweichungen von dem voreingestellten
Wert die Anzeige des Spannungsmessers M nur verhältnismäßig wenig von dem Innenwiderstand
der Elektrizitätsquelle, also hier des Thermo-Elementes, abhängig ist.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung besteht darin,
daß die Leistung für den Betrieb des Spannungsmessers im wesentlichen nicht von
dem Thermo-Element - und in dem voreingestellten Punkt sogar überhaupt nicht von
diesem -, sondern praktisch nur von der Hilfsspannungsquelle geliefert wird. Deshalb
kann diese Leistung so groß gewählt werden, daß ein verhältnismäßig robustes Meßwerk
verwendet werden kann.
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Die zu jedem Punkt des Meßbereiches des Spannungsmessers M gehörige
Hilfsspannung läßt sich beim Bau der Einrichtung leicht messen oder auch berechnen.
Zweckmäßig versieht man die Skala des Potentiometers oder sonstigen Einstellers
für die Hilfsspannung mit einer Einteilung und Beschriftung,
die sich auf die Stellen
des Meßbereiches des Spannungsmessers bezieht, an denen jeweils ohne Stromentnahme
aus der zu messenden Elektrizitätsquelle gemessen wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
entspricht die gemessene Gleichspannung einer Temperatur. Zweckmäßig ist deshalb
nicht nur die Skala des Spannungsmessers M, sondern auch die Skala der Hilfsspannungsquelle
in Temperaturgraden geeicht.
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Gemäß Zeichnung ist der Einsteller der Hilfsspannungsquelle unabhängig
von dem einstellbaren Sollwertzeiger O des Spannungsmessers M. Man kann diese beiden
Einsteller jedoch über entsprechende Getriebe oder sonstige Verbindungen in Einstellverbindung
miteinander bringen, so daß bei Einstellen des Sollwertzeigers auf einen bestimmten
Wert des Meßbereiches gleichzeitig die Hilfsspannung auf einen solchen Wert eingestellt
ist, daß an dieser Stelle des Meßbereiches eine stromlose Messung, bezogen auf die
zu messende Elektrizitätsquelle, erfolgt.
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Erfolgt die Speisung des Potentiometers aus einer Spannungsquelle,
deren Spannung sich allmählich ändert, z. B. aus einer Batterie, so kann man Maßnahmen
treffen, um die Gesamtspannung am Potentiometer vor der Messung oder zu einem anderen,
bestimmten Zeitpunkt auf den besagten Sollwert zu bringen. Um nachzuprüfen, ob die
Gesamtspannung richtig ist, wird dann beispielsweise die Verbindung des Thermo-Elementes
T mit der Meßeinrichtung durch einen Schalter unterbrochen; ist dann die Gesamtspannung
am Potentiometer gleich dem Sollwert, so muß das InstrumentM den eingestellten Grenzwert
anzeigen.
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Wenn die Speisespannung für das Potentiometer von einer Spannungsquelle,
z. B. dem Lichtnetz, geliefert wird, in der Spannungsschwankungen auftreten können,
so kann man die Spannung am Potentiometer durch an sich bekannte Mittel stabilisieren,
z. B. durch eine geeignete Gasentladungsröhre, wie eine mit Neon gefüllte Stabilisatorröhre,
oder eine geeignete Kristalldiode, deren Arbeitspunkt im sogenannten Zener-Bereich
gewählt ist.
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In bestimmten Fällen, z.B. bei Verwendung von Thermo-Elementen, die
der Korrosion ausgesetzt sind, kann es erwünscht sein, von Zeit zu Zeit den Innenwiderstand
Rt des Thermo-Elementes nachzuprüfen.
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Hierzu kann der Spannungsmesser M der erfindungsgemäßen Einrichtung
mit einer Widerstandsskala versehen sein, auf der eine Einstellmarke für den einstellbaren
Sollwertzeiger 0 vorgesehen ist. Im kalten Zustand des Thermo-Elementes wird dann
der Sollwertzeiger O auf diese Einstellmarke gebracht und gleichzeitig die an den
Klemmen des Spannungsmessers M anliegende Hilfsspannung auf den zugehörigen Wert
eingestellt. Der Ausschlag des Spannungsmessers ist nun ein Maß für den Wert des
ihm parallel geschalteten Widerstandes Rt, der dann unmittelbar auf der Widerstandsskala
abgelesen werden kann.
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In dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Einstellbarkeit
der Kompensationsspannung dadurch erzielt, daß ein Potentiometer P mit einstellbarem
Abgriff verwendet wird, das vorzugsweise mit dem Sollwertzeiger 0 des Spannungsmessers
gekuppelt ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt,
sondern umfaßt auch jede andere Schaltung, die an den Klemmen des Spannungsmessers
M eine Spannung erzeugt,
wobei die Größe dieser Spannung entsprechend
der Lage bzw. mit Hilfe des einstellbaren Sollwertzeigers des Spannungsmessers eingestellt
wird.
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Obwohl das Prinzip der erfindungsgemäßen Einrichtung für den Fall
einer Spannungsbemessung an einem Thermo-Element beschrieben wurde, ist die Anwendungsmöglichkeit
der Erfindung nicht auf diesen Fall beschränkt. Die erfindungsgemäße Einrichtung
eignet sich ebenfalls zur Messung der Spannung von pßl-Elektroden unabhängig von
deren Innenwiderstand sowie für viele andere ähnliche Zwecke.