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Vorrichtung zur Prüfung der Linearität und der Ladungsempfindlichkeit
eines Gleichstromverstärkers Für piezoelektrische Messungen, beispielsweise Druckmessungen,
verwendet man Gleichstromverstärker, an die sehr hohe Anforderungen hinsichtlich
ihrer Linearität und der Konstanz ihres Verstärkungsgrades gestellt werden müssen,
wenn das Ergebnis der Messung qualitativ und quantitativ richtig sein soll. Letzteres
ist vor allem dann erforderlich, wenn es sich um die Indizierung von Verbrennungsmotoren
handelt.
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Die üblichen Methoden der Stabilisierung reichen hei diesen Gleichstromverstärkern
nicht ohne weiteres aus, um den Verstärkungsgrad über lange Zeit konstant zu halten.
Abgesehen davon wird ja der Verstärkungsgrad oftmals dem Meßvorgang angepaßt, indem
in den Gitterkreis der Elektrometerröhre Zusatzkondensatoren eingeschaltet werden.
Es war nun bisher üblich, daß durch Eichung mit bekannten Drücken festgestellt wurde,
welche Meßspannung am Gitter der Elektrometerröhre bei einem bestimmten Druck auftrat.
Meist wurde sogar noch gleichzeitig der Verstärkungsgrad des Verstärkers mit in
die Eichung einbezogen und damit festgestellt, welcher Ausschlag am Anzeigegerät,
beispielsweise des Leuchtpunktes an einem Kathodenstrahloszillographen, einem gewissen
Druck entspricht. Zwischen dem zu messenden Druck und,dem Ausschlag soll in einem
möglichst weiten Bereich eine lineare Abhängigkeit vorhanden sein.
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Dieses Eichverfahren schließt nun eine Reihe von Unsicherheiten ein.
Beispielsweise ist es nicht möglich, die Eichung nachzukontrollieren während des
Meßvorganges. Hat sich also zufällig einer
der im Gitterkreis liegenden
Kondensatoren oder der Verstärkungsgrad des Verstärkers oder die Empfindlichkeit
des Kathodenstrahloszillographen geändert, so wird das Meßergebnis falsch, ohne
daß es möglich ist, den Fehler aufzudecken, vor allem, wenn es sich um eine vorübergehende
Änderung der genannten Werte handelt.
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Es ist der Vorschlag gemacht worden, ein Eichgerät an den Gitterkreis
der Elektrometerröhre anzuschließen, mit dessen Hilfe man bekannte Spannungen auf
das Gitter der Elektrometerröhre aufbringen kann. Auf diese Weise kann man den Spannungsverstärkungsgrad
des Gleichstromverstärkers ermitteln. Entscheidend für die Meßgenauigkeit ist aber
nicht die Spannungsverstärkungsempfindlichkeit, sondern die Ladungsempfindlichkeit
des Verstärkers. Denn der Piezo-Quarz erzeugt bei seiner Verwendung beispielsweise
als Druck- oder Kraftmeßgerät ja eine elektrische Ladung Q, die der aufgebrachten
Meßkraft proportional ist. Durch die Größe der dem Quarz parallel geschalteten Kapazitäten
C ist die wirksame Meßspannung U am Gitter entsprechend der Bestimmung
bestimmt.
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Man hat nun versucht, die Ladungsempfindlichkeit damit festzustellen,
daß man einen Kondensator bekannter Größe auf eine bekannte Spannung aufgeladen
hat und die somit gegebene Ladung auf den Gitterkreis aufbrachte. Bei Beobachtung
des Ausschlages des Anzeigegerätes ließ sich somit die Ladungsempfindlichkeit des
Verstärkers ermitteln. Nicht möglich war es mit diesem Verfahren, die Linearität
des Verstärkers zu kontrollieren, und gleichfalls war eine Kontrolle der Ladungsempfindlichkeit
während des eigentlichen Meßvorganges nicht möglich.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht nun, die Ladungsempfindlichkeit
des Verstärkers und gleichzeitig die Abhängigkeit der Ladungsempfindlichkeit von
der Größe der aufgebrachten Ladung festzustellen, d. h. also zu kontrollieren, ob
zwischen Ladung und Anzeige eine lineare oder anders geartete Funktion besteht.
Der Eich- und Kontrollvorgang ist auch während der Messung durchführbar. Erreicht
wird dies dadurch, daß ein Stufenschalter an einem Spannungsteiler Spannungen abnimmt,
die von Stufe zu Stufe um den gleichen Betrag anwachsen. Mit Hilfe eines Spannungsmessers
läßt sich die Gesamtspannung, die am Spannungsteiler anliegt, und damit der Wert
der Spannung der einzelnen Stufen ermitteln. Mit dem Stufenschalter ist ein Wechselschalter
verbunden, der über Kontaktzungen den Gitterkreis des M:eßverstärkers teils an Erde,
teils an einen Kondensator legt, der seinerseits während der Erdungsperiode des
Gitters auf die Spannung aufgeladen wurde, die der Stellung des Stufenschalters
entspricht. Um nun die Feststellung der Ladungsempfindlichkeit und die Kontrolle
der Linearität während des Meßvorganges ausführen zu können, ist in dem Gitterkreis
der Elektrometerröbre ein Schalter vorgesehen, der es ermöglicht, das piezoelektrische
Druckelement mit seinem Kabel von dem Gitterkreis abzuschalten und den Gitterkreis
an einen variablen Kondensator zu legen, der vorher auf die gleiche Kapazität abgestimmt
wurde, die das piezoelektrische Druckelement mit seinem Kabel besitzt. Während des
Meßvorganges kann also nunmehr bei der die Ladungsempfindlichkeit bestimmenden Eingangskapazität
des Gitterkreises die Ladungsempfindlichkeit in Abhängigkeit von der Größe der aufgebrachten
Ladung kontrolliert werden, ohne daß diese Eichladungsmengen durch die während des
Meßvorganges zeitlich stark veränderlichen Ladungsmengen, die vom Druckelement erzeugt
werden, beeinflußt sind.
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Jede Stufe des Spannungswählschalters entspricht einer bekannten Eichladungsmenge.
Von Meßverstärkern dieser Art wird nun gefordert, daß sowohl sehr kleine Ladungsmengen
als auch um Größenordnungen größere Ladungsmengen zum vollen Ausschlag des nachgeschalteten
Anzeigegerätes führen. Die erforderliche Angleichung der Empfindlichkeit wird durch
die übliche Zuschaltung von Kapazitäten in den Eingangskreis des Verstärkers erreicht.
Wenn die Eichladungen nunmehr in ihrer Größe nicht regelbar gemacht sind, so kann
man den Verstärker nicht in sämtlichen Empfindlichkeitsbereichen eichen. Denn selbst
wenn die Eichladungen entsprechend einer Stufe des Spannungswählschalters für die
größte Empfindlichkeit des Verstärkers schon mehr als einen vollen Ausschlag des
Anzeigegerätes ergeben würden, würden sämtliche Stufen des Spannungsteilers andererseits
noch nicht in der Lage sein, eine Eichladung zu ergeben, die im Fall der erforderlichen
kleinsten Empfindlichkeit des Verstärkers die Kontrolle des gesamten Aussteuerbereiches
des Verstärkers ermöglichte. Der erwünschte Regelbereich für die Ladungsempfindlichkeit
des Verstärkers ist mindestens z : roo. Der Spannungswählschalter müßte also über
zoo Stufen haben, wenn er die Eichung des gesamten Bereiches der Ladungsempfindlichkeit
ermöglichen sollte. Zweckmäßigerweise wird man aus Preis- und übersichtsgründen
nur etwa 8 Stufen wählen.
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Die Größe der Eichladung hängt nun ab von der Größe der Spannung je
Stufe des Spannungswählschalters und von der Größe des Eichkondensators. Den Eichkondensator
kann man aber nicht beliebig groß machen, da er ja während des Meßvorganges dem
Gitter parallel geschaltet bleibt. Durch seine Größe wird also die höchste Empfindlichkeit
des Meßverstärkers begrenzt. Wird mit einer kleinen Ladungsempfindlichkeit des Verstärkers
gearbeitet, also mit einer großen Gesamtkapazität des Gitterkreises, so spielt es.
keine Rolle, ob der Eichkondensator vergrößert wird. Um eine Eichmöglichkeit für
den gesamten, zwischen den beiden Ertremen liegenden Bereich zu schaffen, ist erfindungsgemäß
vorgesehen, sowohl die an dem Spannungsteiler des Wählschalters anliegende Spannung
als auch die Größe des Eichkondensators einstellbar zu machen. Die kleinste vorhandene
Kapazität des Eichkondensators soll dabei eine
solche sein, daß
mit der kleinsten, am Spannungsteiler des Spannungswählschalters angelegten Spannung
mindestens zwei Schaltstufen des Spannungswählschalters erforderlich sind, um den
Aussteuerbereich des Verstärkers im Fall der höchsten Ladungsempfindlichkeit auszusteuern.
Auf diese Weise erhält man bei der höchsten Empfindlichkeit des Verstärkers wenigstens
noch drei Eichpunkte, so daß noch mit einiger Sicherheit die Empfindlichkeit des
Verstärkers und die Linearität der Eichlinie festgestellt werden kann. Die Größe
des Eichkondensators und die Größe der zuschaltbaren Eichkondensatoren müssen durch
Messung einmal festgestellt werden. Die Eichspannungen, die zusammen mit den Eichkondensatoren
die bekannten Eichladungen ergeben, lassen sich an einem Voltmeter einstellen und
ablesen. Zweckmäßigerweise werden dabei über einen regelbaren Widerstand und einen
entsprechend markierten Spannungsmesser solche Werte eingestellt, daß sich runde
Ladungswerte je Stufe des Spannungswählschalters ergeben (beispielsweise i X i o-9
Coulomb, 2 X 10-9 Coulomb, 3 X 10-9 C usw.).
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In Abb. i ist die schematische Schaltskizze der erfindungsgemäßen
Eichvorrichtung gegeben. Mit i ist der Stufenspannungswählschalter für die Eichspannungen
bezeichnet. Die Eichspannungen, die durch Spannungsabfall an den Widerständen :2
entstehen, sind den einzelnen Segmenten 3 des Stufenschalters zugeführt und werden
durch den Schleifer 4 von dort abgenommen. Die Widerstände 2 sind im allgemeinen
auf gleiche Werte abgeglichen, um gleiche Spannungsstufen zu ergeben. Sie können
aber auch auf andere Werte abgestimmt werden, beispielsweise entsprechend einer
hyperbolischen Charakteristik, wenn der Verstärker auf die Einhaltung einer solchen
Charakteristik kontrolliert werden soll. 5 bezeichnet die Eichspannungsquelle, die
mit dem einen Pol, meist mit dem Pluspol, an Erde angelegt ist. Mit dem Widerstand
6 ist die Eichspannung in weiten Grenzen regelbar. Das Voltmeter 7 läßt die genaue
Ablesung der eingestellten Eichspannung zu. 8 ist der Eichkondensator bekannter
Größe, dem durch den Schalter 9 weitere Eichkondensatoren io zugegeschaltet werden
können. Der Eichkondensator 1o kann dann auch als veränderlicher Kondensator ausgebildet
werden, dessen Kapazitätswert an einer Skala abgelesen werden kann. Der Wechselschalter
i i besteht beispielsweise aus der Nockenscheibe 12 und den beiden Zungen 13 und
14 mit ihren entsprechenden Kontaktplatten 15 und 16. Dabei ist die Anordnung so
vorgenommen, daß die Kontaktfeder 14 ihre Gegenplatte 15 berührt, wenn die Kontaktfeder
13 ihre Gegenplatte 16 berührt. Werden die Kontaktfedern 13 und 14 durch die isolierte
Zugstange 17 in die andere Endlage gezogen, so berührt die Kontaktfeder 14 die Gegenplatte
16, während die Kontaktfeder 13 ohne Gegenkontakt bleibt. Der Wechselschalter ist
mechanisch, beispielsweise durch Montage der Nockenscheibe 12 und des Schleifers
4 auf der gleichen Welle, oder elektrisch, beispielsweise durch Ausbildung des Wechselschalters
als Relais, mit dem Spannungswählschalter i verbunden.
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Der Gitterkreis 18 besteht aus der Eingangsklemme i9 für das piezoelektrische
Druckelement mit seinem Kabel. Durch den Schalter 2o kann das Gitter 21 der Elektrometerröhre
entweder an den Kabeleingang i9 oder den Kondensator 22 gelegt werden. Mit 23 und
24 sind die veränderlichen oder festen Zusatzkapazitäten bezeichnet. 25 stellt die
Elektrometerröhre dar.
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Die Funktion des Eichgerätes ist nun folgende: Durch den Schleifer
4. werden an dem Stufenschalter bekannte Eichspannungen abgegriffen. Die mit dem
Stufenschalter irgendwie gekuppelte Nockenscheibe 12 bringt die Kontaktfedern nun
in eine solche Lage, daß der Eichkondensator 8 oder die ihm parallel geschalteten
Kondensatoren über die mit 15 in Berührung gehaltene Zunge 14 auf die mittels 4
abgegriffene Spannung aufgeladen werden, während die Zunge 13, ihrerseits mit Erde
verbunden, durch die Berührung der Kontaktplatte 16 den Gitterkreis geerdet hat.
Wird der Stufenschalter nunmehr weitergedreht, so wird vermittels der Form der Nockenscheibe
12 oder bei Ausbildung des Wechselschalters als elektrisches Relais durch entsprechende
Kontaktgabe bewirkt, daß der aufgeladene Eichkondensator 8 über die Zunge 14 und
die Kontaktplatte 16 auf den zuvor auf Erdpotential gebrachten Gitterkreis entladen
wird. Entsprechend den dort vorhandenen Kapazitäten ergibt sich nun über -den an
der Elektrometerröhre angeschlossenen Verstärker ein Ausschlag des Anzeigegerätes,
der einer bekannten Ladungsmenge entspricht. Wird der Stufenschalter beispielsweise
von Stufe zu Stufe gedreht, so ergibt sich in Abhängigkeit von der Zeit ein Verlauf
der Eichspannungen bzw. der Ausschläge des Anzeigegerätes und der dazugehörigen
Stellungen des Wechselschalters, der in Abb. 2 schematisch wiedergegeben ist. Die
obere Kurve 26 kennzeichnet die beiden Stellungen der Kontaktzungen. Die obere Horizontale
entspricht dabei der Stellung der Zunge 13 an 16 und 14 an 15, während die untere
Horizontale der Stellung 14 an 15 und 13 ohne Gegenkontakt entspricht. Die Kurvenzüge
27 geben die Größe der Spannungen wieder, die von dem Stufenschalter bei den entsprechenden
Stellungen des Wechselschalters i 1 bzw. der Nockenscheibe 12 (Zahlen 4o bis 46,
66 bis 70) von der Zunge 4 abgegriffen werden. Die Kurvenzüge 27 entsprechen auch
der Anzeige des dem Verstärker nachgeschalteten Gerätes. Die Amplituden sind dann
bekannten, auf das Gitter aufgebrachten Ladungen proportional, der Eichwertmillimeterausschlag
je Coulomb also unmittelbar ablesbar.
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Die Funktion des Schalters 2o ist nun folgende: Bevor die Messung
mit Hilfe des bei i9 angeschlossenen Druckelementes beginnt, wird eine Eichladung
auf das Gitter der Elektrometerröhre gegeben, wobei der Schalter 2o die Verbindung
zwischen 21 und i9 herstellt. Nach Umlegen des Schalters in die Stellung, die einer
Verbindung von 21 mit 22 entspricht, wird die gleiche Eichladung
nochmals
auf das Gitter 2-i gegeben und der Kondensator 22 so lange verstellt, bis in beiden
Stellungen des Schalters 2o die gleiche Eichladung den gleichen Ausschlag des Anzeigegerätes
zur Folge hat. Der Kondensator 22 ist dann auf die gleiche Kapazität wie der bei
z9 angeschlossene äußere Meßkreis abgestimmt, so daß zur Vornahme der Eichung während
der Messung der äußere Meßkreis durch den Kondensator 22 ersetzt werden kann.