DE1120715B - Device for measuring the value of a variable quantity - Google Patents

Description

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.Means for measuring the value of a variable quantity Die The invention relates to a device for measuring the value of a variable Size by means of an electrical capacitor, which is controlled by a switching device at regular intervals between a source influenced by the quantity to be measured an electrical potential and the input circuit of a measuring circuit switched will.

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. In the following, the expression "measurement" should include both the display as well as the registration as well as the regulation or even the combination of two or all three measures can be understood.

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. In a known device of the type mentioned, which is used for measurement the pI value of a liquid is used, the capacitor is alternately connected to the Electrodes of the device responding to the pH values and to the input terminals connected to the measuring circuit. Thereby the capacitor becomes during the transition from the connection to the electrodes of the voltage source to the connection to the input circuit the tube from all potential-carrying parts including earth as far as possible kept separate.

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. In this device, however, the capacitance between the storage capacitor has an effect and earth in connection with the voltage between the electrodes and earth so that a small direct current is drawn across one of the electrodes. If that Relay, which switches the storage capacitor, works at high frequency, e.g. B. with mains frequency or even faster, this current can be sufficiently large to cause a mismeasurement, especially because it is difficult is to build high-frequency relays with extremely low stray capacitances exhibit. On the other hand, a reasonable insulation resistance can be achieved by using suitable insulation materials can be achieved.

Ziel der Erfindung ist es, eine Einrichtung der erwähnten Art zu schaffen, bei welcher der beschriebene schädliche Einfluß der Kapazitätseffekte ausgeschaltet ist. The aim of the invention is to provide a device of the type mentioned create, in which the described detrimental influence of the capacity effects is turned off.

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. This object is achieved according to the invention in that the capacitor alternately first to one pole of the potential source and to one terminal the input of the measuring circuit and then to the other pole of the potential source and can be connected to the other terminal of the measuring circuit.

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. An expedient embodiment is characterized in that a source of a known variable reference potential in regular, the Switching rhythm of the capacitor connected to the measuring circuit at corresponding intervals and introduces a potential that is derived from the variable quantity Potential is opposite, and that the measuring circuit contains means which occur Increase potential differences and automatically readjust the reference potential source so that that the state of the equipotential bonding is maintained.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und im nachstehenden im einzelnen an Hand der Zeichnung näher beschrieben. The invention is illustrated in the drawing, for example and described in more detail below with reference to the drawing.

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. Fig. 1 shows a circuit of a device according to the invention; 2 shows an equivalent circuit diagram; 3 to 5 show modifications of the circuit according to Fig. 1.

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. Fig. 1 first shows the voltage source that is shown in the special case is formed from two electrodes GE, RE, which are immersed in a liquid are immersed whose pE value is to be measured. The liquid itself lies to ground potential, as indicated, and electrical connection lines are from the Electrodes led out to output terminals D and B.

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. The measuring circuit comprises a tube V, whose input circuit, between Cathode and grid of the tube lying, at D1 and Bt its input-side connection terminals Has. The cathode is grounded, as can be seen from the drawing, and the input line includes a capacitor C3. The initial power of the tube V is generally further amplified by an amplifier, which is indicated at A.

Der Verstärker steuert einen Stellmotor M, der seinerseits die Einstellung des Potentiometers P regelt. The amplifier controls a servomotor M, which in turn controls the setting of the potentiometer P regulates.

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.The output voltage of this potentiometer is controlled by the Switch E1 to the input circuit of the tube: This is how the Motor M the output voltage of the potentiometer in the sense that at the input the measuring circuit produces a voltage which is equal to that generated by the Electrodes is given to the input. This continues until the difference of the voltages compared is zero.

Die jeweilige Verstellung des Motors betätigt gleichzeitig eine Anzeigeeinrichtung, die den Wert anzeigt.The respective adjustment of the motor actuates a display device at the same time, which shows the value.

Ein Speicherkondensator ist durch C1 dargestellt. A storage capacitor is represented by C1.

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.Its two pads are brought out to contacts K1 and K. which in turn are arranged so that they alternate with the output terminals B and D of the electrodes GE, RE or with the input terminals D1 and B1 of the measuring circuit get connected. The actuation of contacts B and Bl, D and Dl as well as K1 and - takes place in the course of a working period in the following order: K2 B1 closes 0 K1 B closes 2.0 K1 B opens 13.0 K2 B1 opens 15.0 K2 D1 closes 17.0 D1 E1 opens 19.0 K1 D closes 21.0 K1 D opens 44.0 D1 E1 closes 46.0 K2 D1 opens 48.0 If this sequence is followed, then the actual duration is between the closing and opening of the contacts is not particularly critical. In the one on the right As an example, the times in msec at which the respective Contacts are operated in the course of the working period.

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. First of all, the influence of the stray capacitances should be neglected will; then a state of equilibrium is reached when the voltage at the input resistance Rg remains constant during a working period. If one disregards grid current then this constant value is "zero"; this assumption is intended for simplicity be made here.

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. Reference is made to the equivalent circuit diagram according to FIG. 2. Therein the potentiometer output voltage is indicated by Vp, the voltage of the electrodes to earth through Ve and the voltage of the electrodes GE and RE through Va and Vb, respectively. In the state of equilibrium, which is the basis here, the tension is on C3 is equal to Vp, and the voltage across storage capacitor C1 is Ve + Vb; moreover is Vp then equals Va- Vb. As soon as equilibrium is reached, Vp is a measure of is the difference between the electrode potentials and is independent of the potential Ve, that exists opposite earth.

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. If Vp is less than Va - Vb, a negative signal will be given to the resistor Rg supplied as soon as the contacts Dl, E1 close, while a positive signal always then arises at Rg when K1D and K D1 close. Doing so will over the course of a number the voltage at C3 drops slightly on average during periods of work. So it comes in Signal with changing sign and specific phase position, which the amplifier is fed.

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. However, if Vp is greater than Va- Vb, the phase of the signal is reversed around. As already mentioned, this signal is used after suitable amplification to to drive the servomotor M, which in turn then changes Vp until the state of equilibrium is reached. The motor M can, for example, be a mechanical one Be a relay controlled by a galvanometer in a known manner; he can but also an electric AC or DC motor.

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. Now the influence of the stray capacitances within the relay should are considered, reference is again made to FIG. 2, in which the capacitances between all points which in the equilibrium state have a constant potential lead towards earth - these are points B, D, Bl, D1, E1 - have no effect and are therefore not shown.

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. If the contact moves, from B1 to D1 and back, it will by charging and discharging the stray capacitances Cd, Ce, Cf, Ch, Ci a slight amount Caused current flow from the potentiometer, but in particular then nothing is harmful if the potentiometer has a low internal resistance. From the voltage source, which is to be measured is in any case due to the charging and discharging of the stray capacitances No direct current withdrawn: Provided that an appropriate contact sequence is observed and that the storage capacitor C1 is large compared to the stray capacitances Ca Cb, Cc, Cg, and Cj (which is pretty easy to achieve) make the contacts always then raised to the potential of D before he actually enters with D Intervention comes, and likewise lowered to the potential of B before it reaches B.

Der Speicherkondensator C1 mag beispielsweise den Wert 1000 pF haben, womit er etwa tausendmal größer wäre als die betreffenden Streukapazitäten. The storage capacitor C1 may have the value 1000 pF, for example, with which it would be about a thousand times larger than the relevant stray capacities.

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. The stray capacitances Ca, Cb, Cc, Cg and Cj cause one slight current flow from the potentiometer, but this has no adverse effects has, but do not draw any significant direct current from the high internal resistance own electrodes.

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. Thus, the accuracy of the measurement is determined by the in the relay and in the Stray capacitances occurring in connection with the storage capacitor as well as not affected. The aim of the invention is therefore achieved.

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. When the voltage taken from the potentiometer has a low internal resistance it can be connected directly to the input circuit of the tube V, like this is shown in Figs. 1 and 2 and also in Fig. 3, which is a slightly modified Illustrates way in which the potentiometer voltage is connected to the input circuit can be. With a direct connection there is no resistance with the potentiometer in series, so that currents, no matter how small, have no effect on the accuracy can exercise the measurement.

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. But there is also the possibility of the potentiometer P constantly connected to the input circuit to let, and through one suitable resistance Rb, as indicated in Figs.

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.In this case, the additional contact E1 is superfluous; the influence of Stray capacity is now greater; the potential that the voltage source opposite Earth leads, but has no influence on the measurement. So this arrangement is particularly suitable when the relay is operated at low frequencies.

In allen gezeigten Anordnungen besitzen die Kondensatoren C1 und C3 einen sehr hohen Leckwiderstand; ebenfalls sind die Zuführungsleitungen und Relaiskontakte hochwertig isoliert. In all of the arrangements shown, capacitors have C1 and C3 has a very high leakage resistance; likewise are the feed lines and relay contacts high quality insulated.

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. The switching contacts of which we were talking can be through an electromagnetic Device that is mechanically coupled to the contacts, but is still electrically shielded from them; the contacts in a protective housing, which is designated by X in Fig. 1. The one to the electromagnet belonging circuit can be controlled for example by motor-driven cams, whereby the required intermittent or intermittent response is achieved.

Claims (2)

PATENTANSPRÜCHE: 1. 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, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (Cl) abwechselnd zunächst an den einen Pol (B) der Potentialquelle (RE, GE) und an die eine Klemme (B) des Eingangs der Meßschaltung (C3, Rg, V) und dann an den anderen Pol (D) der Potentialquelle und an die andere Klemme (E) der Meßschaltung anschaltbar ist. CLAIMS: 1. Device for measuring the value of a variable Size by means of an electrical capacitor, which is controlled by a switching device in regular intervals between a source influenced by the quantity to be measured an electrical potential and the input circuit of a measuring circuit switched is, characterized in that the capacitor (Cl) alternately first to the one pole (B) of the potential source (RE, GE) and one terminal (B) of the input the measuring circuit (C3, Rg, V) and then to the other pole (D) of the potential source and can be connected to the other terminal (E) of the measuring circuit. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Quelle (P) eines bekannten veränderbaren Bezugspotentials in regelmäßigen, dem Schaltrhythmus des Kondensators (C) 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 (V) enthält, welche auftretende Potentialunterschiede verstärken und die Bezugspotentialquelle (P) automatisch so nachstellt, daß der Zustand des Potentialabgleichs aufrechterhalten bleibt. ~~~~~~~~ In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 888 885; USA.-Patentschrift Nr. 2678422. 2. Device according to claim 1, characterized in that one Source (P) of a known variable reference potential in regular, the switching rhythm of the capacitor (C) are connected to the measuring circuit at corresponding distances and introduces a potential that is derived from the variable quantity Potential is opposite, and that the measuring circuit contains means (V) which Increase potential differences and the reference potential source (P) automatically readjusts so that the equipotential bonding condition is maintained. ~~~~~~~~ Documents considered: German Patent No. 888 885; U.S. Patent No. 2678422.