DE2616429A1

DE2616429A1 - Verfahren zur digitalen und analogen anzeige einer elektrischen eingangsspannung und vorrichtung zur ausuebung dieses verfahrens

Info

Publication number: DE2616429A1
Application number: DE19762616429
Authority: DE
Inventors: Soichiro Yasunaga
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-12-23
Filing date: 1976-04-14
Publication date: 1977-06-30
Also published as: DE2616429C3; JPS5285464U; US4081745A; JPS5937733Y2; DE2616429B2

Description

Soichiro YASUNAGA, 2-28 Denenchofu, Ohta-ku, Tokyo / JAPAN

Verfahren zur digitalen und analogen Anzeige einer elektrischen Eingangsspannung und Vorrichtung zur Ausübung dieses Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur digitalen und analogen Anzeige einer elektrischen Eingangsspannung und eine Vorrichtung zur Ausübung dieses Verfahrens.

Es ist bekannt, eine unbekannte Eingangsspannung zu messen und sowohl eine digitale Anzeige als auch eine analoge Anzeige vorzusehen, welche die Größe der Eingangsspannung repräsentiert. Herkömmlich wurde dies dadurch bewerkstelligt, daß die Eingangsspannung an unabhängig angeordnete Digital- und Analog-Meßsysteme angelegt wurde. Eine solche Anordnung ist relativ kostspielig und weist den weiteren Nachteil auf, daß die entsprechenden analogen und digitalen Werte voneinander verschieden sein können statt einander präzis zu entsprechen, was erwünqoht wäre.

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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß eine stabile Arbeitsweise gesichert ist und daß die analoge und digitale Anzeige gleichzeitig und präzis in Koinzidenz erfolgt.

Das erfinderische Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die unbekannte spannung über ein anfänglich ausgeglichenes Potentiometer, welches einen verstellbaren schieber aufweist, angelegt wird, daß die Position eines solchen Schiebers eingeregelt wird, um das Potentiometer in einen ausgeglichenen Zustand zurückzubringen und somit eine analoge Anzeige der unbekannten spannung vorzusehen, welche dem Ausmaß einer solchen Einstellung entspricht, daß der absolute Wert des Potentials, welches durch das Potentiometer hindurch besteht, gemessen wird, daß ein Fluß von Impulsen nach einem Impulszähler hin in Ansprecherwiderung auf eine Änderung bei der absoluten gemessenen Spannung initiiert wird, daß eine Digitalanzeigevorrichtung in Ansprecherwiderung auf den Impulszähler getrieben wird, daß eine analoge spannung erzeugt wird, welche der Zählung in dem Impulszähler entspricht, und daß die Impulszählung beendet wird, wenn die absolute gemessene spannung und die erzeugte analoge spannung sich im Gleichgewicht befinden.

Die erfinderische Vorrichtung ist gekennzeichnet durch ein automatisches, servobetätigtes, selbstausgleichendes Potentiometer, Mittel für das Anlegen einer unbekannten spannung an das genannte Potentiometer, um dieses in Unbalanz zu bringen und in dem genannten Potentiometer eine ausgleichende spannung, der genannten unbekannten Spannung proportional, zu erzeugen, durch Analoganzeigemittel, die an das genannte Potentiometer angeschlossen werden, um eine Analoganzeige der genannten ausgleichenden spannung zu erbringen, Mittel für das Messen der genannten ausgleichenden Spannung und zum Erbringen einer Ausgangsspannung, welche dieser entspricht, Analog-in-Digital-Verwandlungsmittel, welche die genannte gemessene Ausgangsspannung empfangen und eine digitale Anzeige derselben geben, durch einen Digital-in-Analog-Umwandler für das Umwandeln der genannten Digitalanzeige in eine analoge Spannung sowie durch Mittel für das Vergleichen der genannten gemessenen und

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analogen Spannungen und für das Beendigen der genannten Analog-in-Digital-Umwandlung, wenn die genannten gemessenen und analogen Spannungen sich im Äquilibrium befinden.

Vorzugsweise wird nach der Erfindung eine unbekannte Spannung, die zu messen ist, am Eingang eines automatischen, servobetätigten Potentiometers angelegt, welches, wenn es durch eine unbekannte Spannung unsymmetrisch belastet wird, servobetätigt wird, um einen ausgeglichenen Zustand wiederherzustellen, wobei das für eine solche Wiederherstellung notwendige Ausmaß der Verschiebung auf einer Skala als eine analoge gemessene Größe der Eingangsspannung angezeigt wird. Der Absolutwert der spannung durch das Potentiometer hindurch wird gemessen und nach einer ausgleichermittelnden Schaltung hin geliefert, welche bei einer Änderung bei dem genannten Absolutwert ein Kontrollgatter betätigt, um Impulse von einem Impulsgenerator her nach einem Satz Binärzähler hin zu übermitteln, deren Ausgangssignale über einen Binär-Dezimal-Umsetzer an ein Digitalanzeigegerät angelegt werden. Die Zähler-Ausgangssignale werden auch in eine analoge spannung verwandelt, die nach der ausgleichermittelnden Schaltung hin gespeist wird, un wenn die umgewandelte analoge Spannung der absoluten ermittelten Spannung gleich ist, wird die Impulszählung beendet. Um die Eingangsspannungen der einen oder der anderen Polarität anzuzeigen, werden die Impulse selektiv nach dem Plus- oder Minuseingang der Binärzähler hin eingespeist, und zwar mittels einer Torschaltungsanordnung, welche mittels eines Komparators gesteuert wird, der die absolute Spannung und die umgeformte analoge Spannung empfängt und bestimmt, welche die größere ist, mit dem Zweck, die Torschaltungsanordnung entsprechend zu betätigen.

Vorzugsweise ist für das erfinderische Meßgerät ein automatisches, servobetatigtes, selbstausgleichendes Potentiometer vorgesehen, an welches die unbekannte spannung angelegt wird, wobei das Potentiometer eine zugeordnete Anzeiger-Skala aufweist, zum Messen - als analogen Wert - des Ausmaßes der Einstellung, um einen ausgeglichenen Zustand bei dem Potentiometer wiederherzustellen. Eine unsymmetrische Belastung der Potentiometer-Schaltung betätigt ein

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Kontrollgatter für das Übermitteln von Impulsen von einem Impulsgenerator her nach einer Binärzähleranordnung hin, welche eine Digitalanzeigevorrichtung treibt. Die Zählersignale werden in eine analoge Spannung umgewandelt und das Kontrollgatter läßt zu, daß das Zählen fortdauert, bis diese analoge Spannung die ursprüngliche, unsymmetrische Spannung erreicht hat. Wenn Eingangsspannungen der einen oder der anderen Polarität zu messen sind, wird eine Gatteranordnung betätigt, um die zu zählenden Impulse nach den positiven oder negativen Eingängen der Binärzähler hin zu übertragen, und zwar unter der Kontrolle beziehungsweise Steuerung öines Komparators, welcher die größere der unsymmetrischen Spannung und der umgewandelten analogen Spannung bestimmt und die Gatteranordnung entsprechend einstellt.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung, in der im Blockdiagramm ein Ausführungsbeispiel eines digital und analog anzeigenden Spannungsmeßgerätes dargestellt ist, näher erläutert.

Auf die Zeichnung Bezug nehmend, wird eine unbekannte Spannung Ex, die gemessen werden soll, über die Eingangsklemmen IP eines automatischen, servobetatigten Potentiometers durch ein Filter F hindurch, um allgemeine Störgeräusche oder Fremdgeräusche zu entfernen, angelegt. Die gefilterte Eingangsspannung wird auf der einen Seite über einen niederohmigen Widerstand RL und auf der anderen

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Seite über einen Zerhacker (Chopper) C nach dem primären eines Eingangstransformators M hin angelegt, wobei der Zerhacker C durch eine konventionelle Wechselstromlieferquelle getrieben wird. Die sekuadäre Seite des Transformators M ist mit einem Servoverstärker SA verbunden, dessen Ausgang an die wotorwicklung MW des Servomotors SM angelegt wird. Die Feldwicklung FW des Servomotors ist über die Anschlußklemmen T mit einer konventionellen Wechselstromquelle verbunden.

Die Potentiometer-Schaltung enthält eine Hezmgsspaimungsquelle E, welche mit dem Widerstand PO und PX parallel geschaltet ist. Die Seite der Eingangsspannung, welche an den Widerstand HL angelegt wird, wird auch an einen Schieber BO angelegt, der zu Eichungszwecken manuell einstellbar sein kann, während des Betriebes jedoch fixiert ist. Der Servomotor SM ist mit dem Schieber BX mechanisch verbunden, um so den Schieber BX am Widerstand PX entlang soweit notwendig zu verschieben, um das Potentiometer wieder in einö ausgeglichene oder Null-Kondition zu bringen. Ein bewegbarer Anzeiger Q mit einer zugehörigen fixierten Skala S ist mit dem Servomotor SM ebenfalls mechanisch verbunden, und die endgültige Position des Anzeigers Q relativ zu der Skala ergibt eine analoge Anzeige (Al) der unbekannten Eingangsspannung.

Der bewegbare Schieber BX ist über einen hochohmigen Widerstand RH mit der Seite des niedrigohmigen Widerstandes HL verbunden, weg von dem Eingang, so daß die Potentiometer-Schieber über die Widerstände RL und RH verbunden sind. Falls die Werte der Widerstände RL und RH entsprechend durch R_n und R repräsentiert werden und die

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Spannung, welche zwischen dem fixierten oder üezugsschieber BO und dem verstellbaren Schieber BX besteht, durch E dargestellt wird, wird eine Kompensationsspannung E, durch das Potentiometer über den Widerstand RL einer

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Größe angelegt, die durch die Gleichung gegeben ist:

E, = R₁ x E

^b JL £ (I)

R R

Der Eingangstransformator N des Servoverstärkers dafür empfängt eine Spannung, welche der Summe der Kompensation-b-Spannung E, plus der unbekannten Eingangsspannung E proportional ist. üer Servomotor dreht sich dann in

der entsprechenden Richtung gemäß dem Vorzeichen dieser zusammengesetzten Spannung, um den beweglichen Schieber BX in einer Richtung zu verschieben, um ein Äquilibrium oder den ausgeglichenen Zustand wiederherzustellen.

Wenn das Potentiometer Äquilibrium erreicht hat,

Ε_χ + E_b = 0 oder (ila)

^Eb ⁼ ~^Ex*

Für E, aus der obigen Gleichung I wird eingesetzt

R₁ χ E = - E (IHa)

1 ρ χ

und für E aufgelöst

E = -(R₁ + R, )E oder (HIb)

ρ 1 η χ

^Rl

E = - (^Rh + 1) E . (HIc)

P τΓ~ ^x
^Rl

Falls die Größe des Widerstandes RH als ausreichend größer als diejenige des Widerstandes RL ausgewählt wird, wird ein Näherungswert für E durch die folgende

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P 23 624 Gleichung gegeben , Jm_m

^Hh

Falls die Größe des Widerstandes HH beispielsweise 1.000 mal diejenige des Widerstandes RL beträgt, wird somit die Wirkung, eine Spannung von verschiedenen Volt an den Schieber BX anzulegen, durch eine unbekannte Eingangsspannung in der Größenordnung von einigen Millivolt erreicht.

Die Potentialdiff erenz, welche über die Schieber '30 und BX besteht, wird in Form eines absoluten liiertes, das heißt, unabhängig von der Polarität eines solchen Potentials, durch eine die absolute Spannung ermittelnde Schaltung AL gemessen und erscheint als positive Spannung an dem Ausgang der Schaltung AL. Irgendeine Änderung bei diesem absoluten Spanmxngsausgang wird dazu benutzt, um über eine ausgleichermittelnde Schaltung CB das Zählen von Impulsen durch einen Satz von Binärzählern Nl, N2, N3, etc. zu triggern. ΓΗ r> Impulse werden durch einen Taktimpulsgenerator PD erzeugt, dessen Ausgang an ein Steuer-UND-Gatter G_n angelegt wird, dessen Ausgang an den Eingang des Binärzählers angelegt wird, und zwar über eine Polaritätssteuerschaltung, welche später beschrieben wird. Ausgangssignale von den Binärzählern N1-N3 werden durch einen Binär-Üezimal-Umsetzer D in einen Digitalwert verwandelt, der nach einer Digitalanzeigevorrichtung DI hin geliefert wird. Ausgangssignale von den Binärzählern N1-N3 her werden auch in eine entsprechende analoge Spannung (E ) durch einen Digital-in-Analog-Umsetzer L uingewandelt, und die somit erzeugte analoge Spannung E wird nach der ausgleichermittelnden Schaltung CB hin eingespeist.

Solange sich der absolute Spannungswert (Absolutspannungswert) mit der analogen Spannune; E im Äquilibrium befin-

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. AA -

det, speist die ausgleichermittelnde Schaltung ein Signal ''O" nach dem UND-Gatter G„ ein, während, wenn diese Spannungen ungleich sind, die ausgleicherinittelnde Schaltung das Signal "1" nach dem UND-Gatter G_n hin liefert. Somit übermittelt das UND-Gatter G_n Impulse nur, wenn die ausgleichermittelnde Schaltung CB eine Änderung zwischen dem absoluten Ausgangswert der Schaltung AL und der erzeugten analogen Spannung E ermittelt, und läßt zu, daß eine solche Zählung fortdauert, bis ein ausgeglichener Zustand zwischen diesen Spannungen wiederhergestellt ist. Daher zählen die Binärzähler für eine Zeitspanne, welche der Zeit entspricht, die benötigt wird, um das Potentiometer in einen ausgeglichenen Zustand durch Verschiebung des verstellbaren Schiebers BX zurückzubringen, welcher durch den Servomotor SM mit einer konstanten Rate getrieben wird. Die Anzahl der Impulse, die während dieser ^eit gezählt wird, ergibt daher eine Anzeige der Größe der unbekannten Eingangsspannung, welche in digitaler Form zur gleichen Zeit angezeigt wird, zu der eine analoge Anzeige durch den Zeiger ^ an der Skala S gegeben wird.

Die erzeugte analoge Spannung E bildet in Wirklichkeit

(¹JiI Feedback von den Binärzählern her, welches verwendet wird, um die impulszählende Schaltung zu steuern und somit große Genauigkeit bei der gemessenen Zählung durch eine solche Schaltung sicherzustellen.

Da die unbekannte Eingangsspanmmg E positiv oder negativ sein kann, wird vorzugsweise für das Messen von Spannungen der einen oder der anderen Polarität Vorkehrung getroffen. Zu diesem Zweck wird der Fluß von Impulsen, welche das UND-Gatter G„ passieren^ durch eine Polaritätskontrollschaltung, die zwischen dem Gatter G_n und den Binärzählern Nl-3 angeordnet ist, selektiv kontrolliert. Diese Schaltung besteht aus zwei UND-Gattern G₁ und 6 ,

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welche auf der einen Seite mit dem Ausgang des Steuer-UND-Gatters G„ parallel geschaltet sind und auf der anderen Seite mit den entgegengesetzten Seiten eines Wechselrichters If, der mit dem Ausgang eines !Comparators CP verbunden ist. Der Komparator CP empfängt als Eingänge die absolute gemessene Spannung von der die absolute Spannung ermittelnden Schaltung AL her und die erzeugte analoge Spannung Ü von dem Digital-Analog-Umsetzer L her.. Wenn die absolute gemessene Spannung die regenerierte analoge Spannung überschreitet, gibt der Komparator CP einen Ausgangsimpuls "1", während, wenn die analoge Spannung die gemessene Spannung überschreitet, der Komparator- Aus gang "0" ist. Wenn die Komparator-Ausgangsspannung "1" ist, wird sie an den Eingang des Gatters G, angelegt, und wenn ein Impuls "1" durch das Steuer-Gatter G.. übertragen wird, als ein Signal "1", gibt das Gatter G₁ einen Ausgangsinipuls, welcher an den Plus-Eingang der Üinärzähler-Anordnung angelegt wird, um die Zählung zu erhöhen. Der '¹I" Ausgang wird durch den Wechselrichter H gewendet und wird folglich als "0" nach dem anderen Gatter G₀ hin übertragen, so daß, wenn das Gatter G₀ einen "1" Impuls von dem Impulsgenerator her empfängt, es geschlossen bleibt und der nejrative Eingang der Zähler unbeeinflußt ist.

Andererseits wird, wenn der Komparator einen "0" Ausgang gibt, dieser Ausgang durch das Verknüpfungsglied bzw. Gatter G, empfangen, das, wenn der Taktimpuls "1" auch empfangen wird, geschlossen bleibt. Der "0" Ausgang-Impuls wird durch den -vechselrichter Il gewendet und urird daher an das andere Gatter G als ein "1" Signal angelegt, welches, wenn es mit einem "1" Impuls von dem Impulsgenerator her verknüpft wird, dadurch die Übertragung eines Impulses zur Folge hat, der an die negative Seite der Binärzähler-Anordnung angelegt wird. Es ist daher zu erkennen, daß, wenn der absolute Meßwert den erzeugten

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Analogwert überschreitet, die Impulse die tiinärzählung erhöhen, während, wenn der absolute Meßwert kleiner als der erzeugte Analogwert ist, die Impulse von dem Binärzähler her subtrahiert werden, mit entsprechenden Änderungen bei der Digitalanzeigevorrichtung.

Die Potentiometer-Schieber BO und BX werden auch an eine polaritätsidentifizierende Schaltung P angeschlossen, die nachprüft, ob die Eingangsspannung nach dem Potentiometer hin positiv '· '· ·■ negativ ist, und eine entsprechende Anzeige nach der Anschlußklemme SB hin liefert.

Obgleich in der Zeichnung nicht dargestellt, könnte die Anschlußklemme SB an die Dijritalanzeigevorrichtung angeschlossen werden, um eine positive oder negative Anzeigevorrichtungsanzeige unter passenden Umständen zu betätigen, oder falls operationale Anwendung der digitalen Zählung in Fra.r;e kommt, benutzt werden, wie es in diesem Zusammenhang erforderlich sein mag.

Die unbekannte Eingangsspannung kann offensichtlich von jedem Abtastungselement her abgeleitet werden, welches geeignet ist, eine Spannungsänderung als eine Funktion einer gemessenen Variablen zu ergeben. Solche Elemente können einschließen: Thermoelemente, pH-Verstärker, Gasanalysatoren, Strahlungsmeßinstrumente, photoelektrische Zellen, Smoke-Dichte-Zellen, Konverter und dergleichen. Demgemäß kann die digitale Anzeige für operationale Zwecke benutzt werden, wobei sie z. B. bei ■ ·>"ηι Kontroll-Computer verwendet wird, oder sie kann bei einem Printer für die Recordation verwendet werden. Ähnlich kann ein Schreibstift an den Servomotor SM angeschlossen werden, zur automatischen Aufzeichnung der analogen Anzeige.

Die Anordnung von Differentialwiderständen RH, RL dient

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praktisch dazu, kleine unbekannte Eingangsspannungen zum Zwecke der digitalen Messung zu verstärken, so daß für diesen Zweck kein Operationsverstärker benötigt wird und somit eine hohe Stabilität möglich ist.

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Claims

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ANSPRÜCHE

J Verfahren z"ur digitalen und analogen Anzeige einer elektrischen "■" Eingangsspannung, dadurch gekennzeichnet, daß die unbekannte Spannung über ein anfänglich ausgeglichenes Potentiometer, welches einen verstellbaren Schieber aufweist, angelegt wird, daß die Position eines solchen Schiebers eingeregelt wird, um das Potentiometer in einen ausgeglichenen Zustand zurückzubringen und somit eine analoge Anzeige der unbekannten Spannung vorzusehen, welche dem Ausmaß einer solchen Einstellung entspricht, daß der absolute Wert des Potentials, welches durch das Potentiometer hindurcb besteht, gemessen wird, daß ein Fluß von Impulsen nach einem Impulszähler hin in Ansprecher widerung auf eine Änderung bei der absoluten gemessenen Spannung initiiert wird, daß eine Digitalanzeigevorrichtung in Ansprecherwiderung auf den Impulszähler getrieben wird, daß eine analoge Spannung erzeugt wird, welche der zählung in dem Impulszähler entspricht, und daß die Impulszählung beendet wird, wenn die absolute gemessene spannung und die erzeugte analoge Spannung sich im Gleichgewicht befinden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unbekannte spannungen der einen oder der anderen Polarität angezeigt werden und daß die Schritte eingeschlossen sind, die absolute gemessene Spannung toad die erzeugte analoge Spannung zu vergleiche, um zu bestimmen, welche größer ist, und daß

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der Impulsfluß nach dem Zähler hin selektiv gesteuert wird, um den gezählten Wert in Ansprecherwiderung auf einen solchen Vergleich zu erhöhen oder zu vermindern.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Spannung an das genannte Potentiometer durch eine Kombination relativ niedriger und relativ hoher elektrischer Widerstände angelegt wird, wobei die genannte, absolute, gemessene Spannung größer ist als die genannte unbekannte Spannung, um einen Faktor, welcher dem Verhältnis der genannten Widerstände im wesentlichen entspricht.
4. Digital und analog anzeigendes elektrisches Spannungsmeßgerät, gekennzeichnet durch ein automatisches, servobetätigtes, selbstausgleichendes Potentiometer, Mittel für das Anlegen einer unbekannten spannung an das genannte Potentiometer, um dieses in Unbalanz zu bringen und in dem genannten Potentiometer eine ausgleichende spannung, der genannten unbekannten spannung proportional, zu erzeugen, durch Analoganzeigemittel, die an das genannte Potentiometer angeschlossen werden, um eine Analoganzeige der genannten ausgleichenden Spannung zu erbringen, Mittel für das Messen der genannten ausgleichenden Spannung und zum Erbringen einer Ausgangsspannung, welche dieser entspricht, Analog-in-Digital-Verwandlungsmittel, welche die genannte gemessene Ausgangsspannung empfangen und eine digitale Anzeige derselben geben, durch einen Digital-in-Analog-Umwandler für das Umwandeln der genannten Digitalanzeige in eine analoge spannung sowie durch Mittel für das Vergleichen der genannten gemessenen und analogen spannungen und für das Beendigen der genannten Analog-in-Digital-Umwandlung, wenn die genannten gemessenen und analogen spannungen sich im Äquilibrium befinden.
5. Elektrisches Spannungsmeßgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Spannungen der einen und/oder anderen Polarität angezeigt werden und daß Mittel vorgesehen sind für das Be-

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stimmen der größeren der genannten gemessenen Spannung und der genannten analogen Spannung, und daß die digitale Anzeige, welche durch die genannten Analog-in-Digital-Umwandlungsmittel gemäß der genannten Ermittlung erbracht wird, erhöht oder vermindert wird.
6. Elektrisches Spannungsmeßgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte unbekannte Spannung an das genannte Potentiometer über einen Differentialelektrowiderstand angelegt wird, damit die ausgleichende Spannung über das Potentiometer um einen Faktor größer ist als die genannte unbekannte Spannung, welcher dem Verhältnis des Differentialwiderstandes entspricht, wodurch kleine unbekannte Spannungen gemessen und ohne Verstärkung umgewandelt werden können.

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