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Ohmmeterschaltung mit einem Spannungsmesser linearer Skalenteilung
Die Erfindung betrifft eine Ohmmeterschaltung mit einem Spannungsmesser linearer
Skalenteilung, beruhend auf der Erfassung des bei einem vorgegebenen, durch eine
Regelschaltung erzeugten Konstantstrom am Prüfling auftretenden Spannungsabfalles,
vorzugsweise für Prüflinge zwischen 0,5 und 108 Ohm, mit einem in Reihe mit dem
Prüfling liegenden Hilfswiderstand, an dem eine als Istwert für die Konstantstromregelung
dienende Steuerspannung abgegriffen ist, die in Differenz mit einer Stromsollwert-Spannung
die Regelschaltung beaufschlagt, und mit einer Gegenspannungsquelle in Reihe mit
dem Spannungsmesser.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ohmmeterschaltung
hoher Genauigkeit mit einem Spannungsmesser linearer Teilung zu schaffen, die einen
für die Praxis geeigneten, verhältnismäßig geringen Aufwand erfordert und die zugleich
ohne Änderung des Schaltungsprinzips sowohl sehr kleine als auch sehr große Widerstände
zu messen gestattet, insbesondere Prüflinge zwischen 0,5 und 108 Ohm.
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Durch die deutsche Auslegeschrift 1 201 477 ist eine Schaltung bekannt,
die im Prinzip zwar als Widerstandsmeßschaltung aufgefaßt werden kann, an sich jedoch
zum Ermitteln des Spannungsabfalles an einem Prüfling mit nichtlinearer Stromspannungskennlinie
und größer als etwa 1 Giga-Ohm bei einem vorgegebenen konstanten Strom dient. Demgegenüber
besteht die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe darin, jene Schaltung so zu
verbessern und abzuwandeln, daß damit das eingangs bereits genannte Ziel erreicht
wird.
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Durch die deutschen Auslegeschriften 1 103 458 und 1113 748 ist fernerhin
ein direkt anzeigendes Ohmmeter mit mehreren Meßbereichen bekannt.
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Dieses arbeitet jedoch im Gegensatz zur Erfindung mit einer Spannungsteilerschaftung,
an der eine konstante Spannung anliegt. Der eine der beiden Teilerwiderstände, dem
ein Voltmeter parallel geschaltet ist, bildet den zu messenden Widerstand Rx. Die
Schaltung ist so ausgelegt, daß bei Rx = cc das Instrument Vollausschlag zeigt.
Die Skala besitzt demnach auch keine lineare Teilung. Außerdem sind zur Kompensation
des endlichen Eigenwiderstandes des Meßinstrumentes etwas aufwendige, in den einzelnen
Meßbereichen jeweils unterschiedliche Schaltungsmaßnahmen erforderlich, die bei
der Schaltung nach der Erfindung entfallen.
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Durch »ETZ-A« TZ-A « vom 1. 12. 1954, H. 23, ist sodann die Schaltung
eines Präzisionswiderstandsmessers mit linearer Anzeige bekannt, der allerdings
nur Widerstände bis zu 3 Megohm erfaßt. Dieser
arbeitet jedoch nach einem anderen
Prinzip. Hier beruht die Widerstandsmessung auf einer Strom- und nicht auf einer
Spannungsmessung wie bei der Schaltung nach der Erfindung. Außerdem ist der den
Prüfling durchfließende Strom nicht stabilisiert, was bei der betreffenden Schaltung
auch nicht angängig wäre.
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Neben den Widerstandsnormalien sind einstellbare, mechanisch miteinander
gekoppelte Eichwiderstände erforderlich, was für den praktischen Aufbau eines solchen
Gerätes ungünstig ist. Fernerhin wird in dieser Literaturstelle die Prinzipschaltung
für einen linear anzeigenden Widerstandsmesser mit Spannungs-Meßinstrument angegeben,
bei dem jedoch die Forderung »Rn > Rx« erfüllt sein muß. Es wird aber zugleich
darauf hingewiesen, daß sich dieses Prinzip nicht für lineare Widerstandsmeßgeräte
mit direkt anzeigendem Gleichspannungsinstrument eignet, jedenfalls nicht über den
gesamten in der Praxis wichtigen Bereich. Demgegenüber ist dies bei der Schaltung
nach der Erfindung der Fall.
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Die Erfindung besteht darin, daß als Quelle für die Gegenspannung
der Ausgang eines Spannungsteilers und als Quelle für die Stromsollwert-Spannung
der Ausgang eines weiteren Spannungsteilers dient und daß beide Spannungsteiler
von der die Konstantstromregelschaltung speisenden Energiequelle gespeist sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben oder
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen
Ohmmeterschaltung.
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F i g. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild; Fig. 2 und 3 zeigen eine in
der Praxis bewährte Schaltung. Gleiche Teile wie in F i g. 1 sind mit denselben
Bezugszeichen versehen.
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Wie aus F i g. 1 ersichtlich, fließt, geliefert aus einer Stromquelle
Q, über einen Stellwiderstand 12 durch den unbekannten Widerstand Rx ein Strom,
der unabhängig vom Widerstandswert innerhalb des 809 629/963
jeweiligen
Meßbereiches gleichbleibend ist (Konstantstrom). Die hierbei an Rx und an einem
mit Rx in Serie liegenden Hilfswiderstand Rs abfallende Gesamtspannung UmfUs wird
mit einer Gegenspannung Ug in Reihe geschaltet und die verbleibende Differenzspannung
einem Drehspulvoltmeter V zugeführt. Die Gegenspannung Ug hat den gleichen Wert
wie die Spannung Us, so daß bei Rx = 0 der Instrumentenzeiger in Nullstellung geht.
(Ein unmittelbares Anschließen des Voltmeters an die Klemmen für den Widerstand
Rx ist nur bei relativ kleinen Rx-Werten möglich. Bei größeren Rx-Werten würde die
Belastung der Spannung Um durch das Meßwerk erhebliche Meßfehler zur Folge haben.)
Der Widerstand Rs ist vorhanden, um den Meßstrom stabilisieren zu können. Der Spannungsabfall
an Rs in Differenz mit der Stromsollwert-Spannung am Teilerwiderstand R 2 dient
als Steuerspannung eines Gleichstromverstärkers G, dessen Eingangsstufe mit einem
Feldeffekt-Transistor bestückt ist, so daß sich ein hoher Eingangswiderstand ergibt.
Der Widerstand R 2 bildet mit einem Widerstand R 1 einen Spannungsteiler, der ebenso
wie ein Spannungsteiler von der Stromquelle Q gespeist wird. Der Spannungsteiler
P liefert die Gegenspannung Ug.
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Der in F i g. 2 wiedergegebene Teil der Ohmmeterschaltung ist in
Fig. 1 vereinfacht dargestellt. Die AnschlußpunkteO1, 02 und 03 entsprechen den
Punkten 01 bis 03 in Fig. 1.
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Über einen SchalterS, der normalerweise eingeschaltet ist, liegt
parallel zu den Anschlußklemmen Ol a und 02 für Rx ein Taster Ta mit Ruhekontakt.
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Dieser wird erst dann gedrückt, wenn Rx angeschlossen ist. Durch Öffnen
des Schalters S kann der Taster außer Betrieb gesetzt werden, was beispielsweise
beim Ausmessen der Widerstandscharakteristik von Potentiometern vorteilhaft ist.
Die Überbrückung der Rx-Klemmen durch Ta und S verhindert, daß die Abschaltautomatik
für das Voltmeter, die an Hand von Fig. 3 noch beschrieben wird, bei nicht angeschlossenem
Prüfling anspricht.
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Die Schaltung enthält Eichwiderstände Rml bis Rm n (Fig. 2), die
zugleich Normalwiderstände sind und die dem Höchstwert von Rx im jeweiligen Meßbereich
entsprechen. Sie werden durch einen Meßbereichsschalter Sm zwangläufig mit umgeschaltet
und so einzeln in BereitstelIung gebracht. Zum Abgleichen des Gerätes auf den Maximalwert
von Rx (= Endpunkt der Instrumentenskala) wird durch einen Schalter Sa der Meßwiderstand
(Normalwiderstand) des jeweiligen Bereiches eingeschaltet, wozu Sa in Stellung 1
zu bringen ist. Der Abgleich erfolgt mittel seines Potentiometers im Verstärkerteil,
das in Fig. 3 mit P 1 bezeichnet ist und mit dem sich der Meßstrom in geringem Maße
verändern läßt. In Stellung 2 des Schalters Sa wird die Gegenspannung abgeglichen
(Nullanzeige des Instruments). In Stellung 3 erfolgt das Messen. Entsprechend der
Anzahl der vorgesehenen Meßbereiche sind in Fig. 2 an Stelle des Widerstandes Rs
der Fig. 1 mehrere, durch eine Schaltebene Sm2 des Schalters Sm einschaltbare Widerstände
Rsl bis Rsn vorgesehen.
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F i g. 3 gibt die Schaltung eines erprobten Muster- -gerätes in Einzelheiten
wieder, jedoch ohne den schon in Fig. 2 gezeigten Teil. Von den acht Stellungen
des Meßbereichsschalters, deren Anzahl auch kleiner oder größer sein kann, wurden
wie in Fig. 2 der Übersichtlichkeit wegen nur drei Stellungen ge-
zeichnet. Der Gleichstromverstärker
G der F i g. 1 besteht in Fig. 3 aus einem dreistufigen Verstärker mit Transistorverstärkerelementen
T3, T4 und Tf.
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Davon ist das Verstärkerelement Tf ein Feldeffekttransistor. Infolge
des sehr hohen Eingangswiderstandes von Tf ergibt sich eine sehr geringe Be lastung
des WiderstandesRs, was sich günstig auf die Meßgenauigkeit auswirkt.
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Zur Speisung der Meßschaltung dient die Batterie Q, deren Spannung
9 V beträgt.
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Um nicht nach jedem Meßbereichswechsel einen neuen Abgleich vornehmen
zu müssen und um in jedem Bereich mit optimalem Stromstabilisierungsfaktor zu arbeiten,
werden durch den-Meßbereichsschalter solche Widerstände des Gerätes, die Einfluß
auf den Arbeitspunkt und auf den Stabilisierungsfaktor haben, mitumgeschaltet (SchalterebenenSm3
und Sm4 in Fig. 3). Wird eine besonders hohe Konstanz des einmal erfolgten Abgleichs
gewünscht, so ist es vorteilhaft, eine 12-V-Batterie zu verwenden und zwischen Batterie
und Meßgerät einen transistorisierten Spannungsstabilisator zu schalten, der auf
9 V Ausgangsspannung eingestellt wird. Durch ihn wird eine Abnahme der Spannung
infolge Alterung der Batterie weitgehend ausgeglichen. Werden ein zusätzlicher Schalter
und ein entsprechender Vorwiderstand eingebaut, so kann das Voltmeter auch zur Kontrolle
der Batteriespannung benutzt werden.
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Der Meßstrom je Bereich ist so gewählt, daß an Rx maximal die Spannung
1 V abfällt (im 10-Q-Bereich also 100 mA, im lQ0-Q-Bereich 10 mA usf. bis zum Bereich
100 mQ mit einem Meßstrom von 10-5 mA).
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Um zu verhindern, daß bei defektem Prüfling oder einem solchen, dessen
Wert den jeweils eingestellten Meßbereich wesentlich übersteigt, der Instrumentenzeiger
über den Skalenendpunkt hinaus abgelenkt wird, ist eine Automatik vorgesehen (Transistor
T1, Relais A mit den Kontakten al und a2), die in diesem Fall das Instrument aus-
und eine Signallampe oder ein Schauzeichen einschaltet. Bei Rx= oo wird nämlich
der Transistor T2 durch die Regelung völlig geöffnet.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß sie bei verhältnismäßig geringem Aufwand die Herstellung von Ohmmetern mit großem
Meßumfang und von hoher Genauigkeit ermöglicht, bei denen der Meßwert der linearen
Skalenteilung wegen besonders leicht ablesbar ist.
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Ein weiterer Vorteil ist, daß der Erfindung in allen Meßbereichen
das gleiche Meßprinzip zugrunde liegt.