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Einrichtung zur Messung des Wertes einer veränderlichen Größe Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung des Wertes einer veränderlichen
Größe mittels eines elektrischen Kondensators, der durch eine Schaltvorrichtung
in regelmäßigen Abständen zwischen eine von der zu messenden Größe beeinflußte Quelle
eines elektrischen Potentials und den Eingangskreis einer Meßschaltung geschaltet
wird.
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Unter dem Ausdruck »Messung« sollen im nachfolgenden sowohl die Anzeige
als auch die Registrierung als auch die Regelung oder auch die Kombination von zwei
oder allen drei Maßnahmen verstanden werden.
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Bei einer bekannten Einrichtung der genannten Art, die zur Messung
des plI-Wertes einer Flüssigkeit dient, wird der Kondensator abwechselnd an die
Elektroden der auf die pH-Werte ansprechenden Einrichtung sowie an die Eingangsklemmen
der Meßschaltung angeschlossen. Dabei wird der Kondensator während des Überganges
von dem Anschluß an die Elektroden der Spannungsquelle zum Anschluß an den Eingangskreis
der Röhre von allen potentialführenden Teilen einschließlich Erde so weit wie möglich
getrennt gehalten.
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Bei dieser Einrichtung wirkt sich jedoch die Kapazität zwischen Speicherkondensator
und Erde in Verbindung mit der Spannung zwischen den Elektroden und Erde so aus,
daß über die eine der Elektroden ein kleiner Gleichstrom gezogen wird. Wenn das
Relais, welches den Speicherkondensator schaltet, mit hoher Frequenz arbeitet, z.
B. mit Netzfrequenz oder noch schneller, so kann dieser Strom genügend groß werden,
um eine Fehlmessung zu verursachen, und zwar insbesondere deshalb, weil es schwierig
ist, mit hoher Frequenz arbeitende Relais zu bauen, die extrem niedrige Streukapazitäten
aufweisen. Andererseits kann ein angemessener Isolationswiderstand durch die Verwendung
geeigneter Isolationsmaterialien erreicht werden.
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Ziel der Erfindung ist es, eine Einrichtung der erwähnten Art zu
schaffen, bei welcher der beschriebene schädliche Einfluß der Kapazitätseffekte
ausgeschaltet ist.
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Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß der Kondensator
abwechselnd zunächst an den einen Pol der Potentialquelle und an die eine Klemme
des Eingangs der Meßschaltung und dann an den anderen Pol der Potentialquelle und
an die andere Klemme der Meßschaltung anschaltbar ist.
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Eine zweckmäßige Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß
eine Quelle eines bekannten veränderbaren Bezugspotentials in regelmäßigen, dem
Schaltrhythmus des Kondensators entsprechenden Abständen an die Meßschaltung angeschlossen
ist und ein Potential einführt, das dem von der veränderlichen Größe abgeleiteten
Potential entgegengesetzt ist, und daß die Meßschaltung Mittel enthält, welche auftretende
Potentialunterschiede verstärken und die Bezugspotentialquelle automatisch so nachstellt,
daß der Zustand des Potentialabgleichs aufrechterhalten bleibt.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht
und im nachstehenden im einzelnen an Hand der Zeichnung näher beschrieben.
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Fig. 1 zeigt eine Schaltung einer Einrichtung gemäß der Erfindung;
Fig. 2 gibt ein Ersatzschaltbild wieder; Fig. 3 bis 5 zeigen Abwandlungen der Schaltung
nach Fig. 1.
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Fig. 1 zeigt zunächst die Spannungsquelle, die in dem dargestellten
besonderen Fall aus zwei Elektroden GE, RE gebildet wird, welche in eine Flüssigkeit
eingetaucht sind, deren pE-Wert gemessen werden soll. Die Flüssigkeit selbst liegt
auf Erdpotential, wie angedeutet, und elektrische Anschlußleitungen sind von den
Elektroden an die Ausgangsklemmen D und B herausgeführt.
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Die Meßschaltung umfaßt eine Röhre V, deren Eingangskreis, zwischen
Kathode und Gitter der Röhre liegend, bei D1 und Bt seine eingangsseitigen Anschlußklemmen
hat. Die Kathode ist geerdet, wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, und die Eingangsleitung
enthält einen Kondensator C3. Die Ausgangs-
leistung der Röhre V
wird im allgemeinen durch einen Verstärker, der bei A angedeutet ist, weiter verstärkt.
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Der Verstärker steuert einen Stellmotor M, der seinerseits die Einstellung
des Potentiometers P regelt.
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Die Ausgangsspannung dieses Potentiometers wird unter Kontrolle des
Schalters E1 an den Eingangskreis der Röhre gegeben: Auf diese Weise verstellt der
Motor M die Ausgangsspannung des Potentiometers in dem Sinne, daß an dem Eingang
der Meßschaltung eine Spannung entsteht, welche gleich ist derjenigen, die von den
Elektroden her an den Eingang gegeben wird. Dies geschieht so lange, bis der Unterschied
der verglichenen Spannungen Null ist.
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Die jeweilige Verstellung des Motors betätigt gleichzeitig eine Anzeigeeinrichtung,
die den Wert anzeigt.
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Ein Speicherkondensator ist durch C1 dargestellt.
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Seine beiden Beläge sind an die Kontakte K1 und K, herausgeführt.
die ihrerseits so angeordnet sind, daß sie abwechselnd mit den Ausgangsklemmen B
und D der Elektroden GE, RE bzw. mit den Eingangsklemmen D1 und B1 der Meßschaltung
verbunden werden. Die Betätigung der Kontakte B und Bl, D und Dl sowie K1 und -
erfolgt im Laufe einer Arbeitsperiode in nachstehender Reihenfolge: K2 B1 schließt
0 K1 B schließt 2,0 K1 B öffnet 13,0 K2 B1 öffnet 15,0 K2 D1 schließt 17,0 D1 E1
öffnet 19,0 K1 D schließt 21,0 K1 D öffnet 44,0 D1 E1 schließt 46,0 K2 D1 öffnet
48,0 Wenn diese Reihenfolge eingehalten wird, dann ist die tatsächliche Dauer zwischen
dem Schließen und Öffnen der Kontakte nicht besonders kritisch. In der rechts stehenden
Reihe sind als Beispiel diejenigen Zeiten in msec angeben, zu denen die jeweiligen
Kontakte im Laufe der Arbeitsperiode etwa betätigt werden.
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Zunächst soll der Einfluß der Streukapazitäten noch vernachlässigt
werden; dann ist ein Gleichgewichtszustand erreicht, wenn die Spannung am Eingangswiderstand
Rg während einer Arbeitsperiode konstant bleibt. Wenn man Gitterstrom unberücksichtigt
läßt, so ist dieser konstante Wert »Null«; diese Annahme soll der Einfachheit halber
hier gemacht werden.
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Es wird Bezug genommen auf das Ersatzschaltbild nach Fig. 2. Darin
ist die Potentiometerausgangsspannung durch Vp angedeutet, die Spannung der Elektroden
gegen Erde durch Ve sowie die Spannung der Elektroden GE und RE durch Va bzw. Vb.
Im Zustand des Gleichgewichts, der hier zugrunde gelegt ist, ist die Spannung an
C3 gleich Vp, und die Spannung am Speicherkondensator C1 ist Ve+ Vb; außerdem ist
Vp dann gleich Va- Vb. Vp ist also, sobald Gleichgewicht erreicht ist, ein Maß für
die Differenz der Elektrodenpotentiale und ist unabhängig von dem Potential Ve,
das gegenüber Erde besteht.
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Falls Vp kleiner ist als Va - Vb, wird ein negatives Signal dem Widerstand
Rg zugeführt, sobald die Kontakte Dl, E1 schließen, während ein positives Signal
immer
dann an Rg entsteht, wenn K1D und K D1 schließen. Dabei wird im Laufe einer Anzahl
von Arbeitsperioden die Spannung an C3 im Mittel etwas absinken. Es kommt also ein
Signal wechselnden Vorzeichens und bestimmter Phasenlage zustande, welches dem Verstärker
zugeführt wird.
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Ist Vp indessen größer als Va- Vb, so kehrt sich die Phase des Signals
um. Wie bereits erwähnt, wird dieses Signal nach geeigneter Verstärkung dazu benutzt,
den Stellmotor M anzutreiben, welcher seinerseits dann Vp so lange verändert, bis
der Gleichgewichtszustand erreicht ist. Der Motor M kann beispielsweise ein mechanisches
Relais sein, das von einem Galvanometer in bekannter Weise gesteuert wird; er kann
aber auch ein elektrischer Wechsel-oder Gleichstrommotor sein.
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Nunmehr soll der Einfluß der Streukapazitäten innerhalb des Relais
betrachtet werden, wobei wiederum Bezug genommen wird auf Fig. 2, in der die Kapazitäten
zwischen allen Punkten, welche im Gleichgewichtszustand ein konstantes Potential
gegenüber Erde führen - das sind PunkteB, D, Bl, D1, E1 -, keine Wirkung ausüben
und daher nicht mit eingezeichnet sind.
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Wenn sich der Kontakte, von B1 nach D1 und zurückbewegt, so wird
durch das Laden und Entladen der StreukapazitätenCd, Ce, Cf, Ch, Ci ein geringfügiger
Stromfluß aus dem Potentiometer her verursacht, der jedoch insbesondere dann nichts
schadet, wenn das Potentiometer von kleinem Innenwiderstand ist. Von der Spannungsquelle,
die zu messen ist, wird jedenfalls infolge der Ladung und Entladung der Streukapazitäten
keinerlei Gleichstrom entzogen: Vorausgesetzt, daß eine zweckentsprechende Kontaktfolge
eingehalten wird und daß der Speicherkondensator C1 groß ist gegenüber den Streukapazitäten
Ca Cb, Cc, Cg und Cj (was sich ziemlich leicht erreichen läßt), so wird der Kontakte
schon immer dann auf das Potential von D gehoben, bevor er mit D tatsächlich in
Eingriff kommt, und gleicherweise auf das Potential von B gesenkt, ehe er B erreicht.
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Der Speicherkondensator C1 mag beispielsweise den Wert 1000 pF haben,
womit er etwa tausendmal größer wäre als die betreffenden Streukapazitäten.
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Die Streukapazitäten Ca, Cb, Cc, Cg und Cj verursachen zwar einen
geringfügigen Stromfluß vom Potentiometer her, der jedoch keine nachteiligen Wirkungen
hat, ziehen aber keinen nennenswerten Gleichstrom aus den einen hohen Innenwiderstand
besitzenden Elektroden.
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Somit wird die Genauigkeit der Messung durch die im Relais und im
Zusammenhang mit dem Speicherkondensator auftretenden Streukapazitäten so gut wie
nicht beeinträchtigt. Das Ziel der Erfindung ist daher erreicht.
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Wenn die vom Potentiometer abgenommene Spannung einen niedrigen Innenwiderstand
hat, kann sie unmittelbar an den Eingangskreis der Röhre V gelegt werden, wie dies
in den Fig. 1 und 2 sowie auch in der Fig. 3 dargestellt ist, die eine etwas abgeänderte
Art veranschaulicht, in der die Potentiometerspannung an den Eingangskreis angeschlossen
werden kann. Bei direktem Anschluß liegt also mit dem Potentiometer kein Widerstand
in Reihe, so daß Ströme, seien sie auch noch so klein, keinen Einfluß auf die Genauigkeit
der Messung ausüben können.
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Es besteht aber auch die Möglichkeit, das Potentiometer P ständig
an den Eingangskreis angeschlossen
zu lassen, und zwar über einen
geeigneten Widerstand Rb, wie das in den Fig. 4 und 5 angedeutet ist.
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In diesem Fall ist der Zusatzkontakt E1 überflüssig; der Einfluß der
Streukapazitäten ist jetzt größer; das Potential, welches die Spannungsquelle gegenüber
Erde führt, hat jedoch keinen Einfluß auf die Messung. Diese Anordnung ist also
insbesondere dann geeignet, wenn das Relais mit niedrigen Frequenzen betrieben wird.
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In allen gezeigten Anordnungen besitzen die Kondensatoren C1 und
C3 einen sehr hohen Leckwiderstand; ebenfalls sind die Zuführungsleitungen und Relaiskontakte
hochwertig isoliert.
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Die Schaltkontakte, von denen die Rede war, können durch eine elektromagnetische
Vorrichtung betätigt werden, welche mit den Kontakten mechanisch gekoppelt, aber
trotzdem von ihnen elektrisch abgeschirmt ist; dabei können sich die Kontakte in
einem Schutzgehäuse befinden, das in Fig. 1 mit X bezeichnet ist. Die zum Elektromagneten
gehörende Schaltung kann etwa durch motorgetriebene Nocken gesteuert werden, wodurch
das erforderliche intermittierende bzw. stoßweise Ansprechen erreicht wird.