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Die Erfindung betrifft eine elektrische Meßanordnung,
enthaltend:
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- wenigstens N+1 Anschlußklemmen, deren Potentiale im
Betrieb wenigstens N Pilotspannungen definieren, wobei N
eine ganze Zahl ist, die wenigstens gleich Eins ist;
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- eine elektronische Meßschaltung, die wenigstens N+1
Eingangsklemmen aufweist, deren Potentiale im Betrieb für
diese Schaltung wenigstens N Bildspannungen definieren,
die für entsprechende Pilotspannungen repräsentativ sind,
wobei diese Schaltung ein Bezugspotential verwendet, das
mit dem Potential der ersten Anschlußklemme verknüpft
ist;
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- einen ersten Spannungsteiler, der zwischen der ersten
Anschlußklemme und der zweiten Anschlußklemme angeschlossen
ist und einen ersten Zwischenpunkt aufweist, der mit der
zweiten Eingangsklemme der Meßschaltung verbunden ist, und
der ein vorbestimmtes Spannungsverhältnis einführt.
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Eine Vorrichtung dieser Art ist beispielsweise im britischen
Patent GB-A-1 603 648 in Form eines elektrischen Zählers für
elektrische Energie beschrieben, bei dem Anschlußklemmen die
Verbindung mit einem elektrischen Energienetz ermöglichen
und der eine von einer integrierten Schaltung gebildete
Energiemeßschaltung enthält, deren Eingangsklemmen mit den
Anschlußklemmen verbunden sind.
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Wie die unterschiedliche Anschlußweisen darstellende Figuren
dieses Patents zeigen, ist ein derartiger Zähler offenbar an
die Art des Netzes anzupassen, an das er angeschlossen
werden soll.
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Im allgemeinen lassen sich ansonsten Vorrichtungen, die
elektrische Schaltungen zum Messen mindestens eines (bzw.
mehrerer) elektrischen Parameters enthalten, üblicherweise
nur mit einem Anschlußmodus betreiben, und sobald sie in
einer anderen Weise eingesetzt werden, besteht die Gefahr,
daß sie kein Signal abgeben, daß sie nur falsche Meßwerte
liefern oder daß sie sogar zerstört werden.
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Ein Problem besteht insbesondere, wenn eine Vorrichtung der
im Oberbegriff festgelegten Art an ein elektrisches Netz
sowohl mit N+1 Anschlußklemmen als auch mit N+2 Klemmen
angeschlossen werden soll, so daß gegebenenfalls eine
zusätzliche Anschlußklemme benützt werden kann, wenn die erste
Klemme und die zusätzliche Klemme auf demselben Potential
oder auf zwei unterschiedlichen Potentialen liegen, deren
Differenz eine Störspannung darstellt, und die Meßschaltung
dennoch ein vom Vorliegen einer derartigen Störspannung
unabhängiges Antwortverhalten aufweisen soll.
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In diesem Zusammenhang besteht das Ziel der vorliegenden
Erfindung im wesentlichen darin, dieses erste Problem zu
lösen.
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Hierzu ist die erfindungsgemäße Vorrichtung im wesentlichen
dadurch gekennzeichnet, daß sie neben den im Oberbegriff
genannten Elementen zusätzlich folgende Elemente enthält:
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- eine zusätzliche Anschlußklemme, die wahlweise auf das
Potential der ersten Anschlußklemme oder auf ein anderes
Potential gebracht werden kann,
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- eine zusätzliche Eingangsklemme, die mit der zweiten
Eingangsklemme der Meßschaltung einen Differenzeingang für
diese Schaltung bildet und
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- einen zweiten Spannungsteiler, der zwischen der ersten
Anschlußklemme und der zusätzlichen Anschlußklemme
angeschlossen ist, und einen zweiten Zwischenpunkt aufweist,
der mit der zusätzlichen Eingangsklemme der Meßschaltung
verbunden ist und ein Spannungsverhältnis einführt, das im
wesentlichen gleich dem von dem ersten Spannungsteiler
eingeführten Spannungsverhältnis ist,
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wodurch die zwischen der zweiten Eingangsklemme und der
zusätzlichen Eingangsklemme definierte Spannung im
wesentlichen repräsentativ für die Spannung zwischen der zweiten
Anschlußklemme und der zusätzlichen Anschlußklemme ist,
unabhängig davon, ob diese auf das gleiche Potential wie die
erste Anschlußklemme gebracht ist oder nicht.
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Falls zwei Anschlußklemmen, die die erste Anschlußklemme,
aber nicht die zusätzliche Anschlußklemme enthalten,
wenigstens eine Spannung definieren, die für einen in einem
Nebenschlußwiderstand fließenden Strom repräsentativ ist,
enthält die Anordnung vorteilhafterweise einen
Speisetransformator, dessen Primärwicklung zwischen der zusätzlichen
Anschlußklemme und der zweiten Anschlußklemme angeschlossen
ist und dessen Sekundärwicklung galvanisch mit der ersten
Anschlußklemme verbunden ist.
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Aufgrund dieser Anordnung ist es möglich, bei einer Testbank
mehrere Meßvorrichtungen mit an den beiden Anschlußklemmen
dieser Vorrichtungen zur Verfügung stehenden Energie zu
versorgen, ohne hierbei die durch deren Nebenschlußwiderstände
fließenden Ströme wesentlich zu verändern und ohne das
Potential der zusätzlichen Anschlußklemme jeder Vorrichtung
auf dasjenige der entsprechenden ersten Anschlußklemme zu
bringen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere an den
Fall angepaßt, in dem die Meßschaltung eine Meßschaltung für
die elektrische Leistung oder die elektrische Energie ist
oder in dem diese Vorrichtung dazu bestimmt ist, an ein
elektrisches Energienetz angeschlossen zu werden, das
wenigstens einen Phasenleiter und einen neutralen Leiter
aufweist, wobei die erste und die zweite Anschlußklemme im
Betrieb vorteilhafterweise auf das Potential des Phasenleiters
beziehungsweise auf das Potential des neutralen Leiters
gebracht sind.
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In diesem Fall ist weiterhin vorzugsweise vorgesehen, daß
die Anschlußklemmen, die auf Potentiale gebracht sind, deren
Differenz für den im Nebenschlußwiderstand fließenden Stroh
repräsentativ ist, die erste und die dritte Klemme sind.
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Im übrigen ist die Serienimpedanz des ersten
Spannungsteilers wenigstens gleich 500 kX, und das Verhältnis der
Serienimpedanz des ersten Spannungsteilers zu derjenigen des
zweiten Spannungsteilers ist wenigstens gleich Eins.
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Schließlich lassen sich die mit der Erfindung angestrebten
Vorteile dann am besten erzielen, wenn dieses Verhältnis in
der Nähe eines festen, vorbestimmten Wertes liegt, oder
anders gesagt, im Vergleich zwischen den Vorrichtung im
wesentlichen gleich bleibt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich
eindeutig aus der nachfolgenden, erläuternden und in keiner
Weise einschränkenden Beschreibung unter Bezug auf ein
besonderes Ausführungsbeispiel und die beiliegende Zeichnung,
in der
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- Figur 1 ein Diagrarnin einer Testbank für elektromechanische
Elektrizitätszähler ist;
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- Figur 2 ein Diagramm eines elektronischen
Elektrizitätszählers, mit dem sich die Vorteile der Erfindung nutzen
lassen ist; und
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- Figur 3 ein Diagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist.
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Ein klassischer elektromechanischer Einphasenzähler CTa, CTb
oder CTn (Figur 1) enthält eine Stromspule ECa, ECb oder ECn
und eine Spannungsspule ETa, ETb oder ETn.
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Ein derartiger Zähler weist demnach die Form eines Vierpols
auf, also einer mit vier Anschlußklemmen 1a, 2a, 3a, 4a; 1b,
2b, 3b, 4b, usw. versehenen Vorrichtung.
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Üblicherweise werden diese Zähler in Gruppen in einer mit
einer Stromquelle I und einer Spannungsquelle V
ausgestatteten Testbank überprüft, wobei die Stromspulen mehrerer
derartiger Zähler in Serie an die Stromquelle angeschlossen
sind und die entsprechenden Spannungsspulen parallel an der
Spannungsquelle anliegen.
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Soweit die Strom- und Spannungsquellen der Testbank richtig
ausgelegt sind, lassen sich mit dieser Technik die besten
Meßergebnisse erzielen, da sämtliche Stromspulen der Zähler
vom selben Strom durchflos sen werden und gleichzeitig
sämtliche Spannungsspulen der Zähler am selben Potential
anliegen.
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Diese Technik geht dennoch davon aus, daß die Anschlüsse 1a
und 4a jedes Zählers entkoppelt und die anliegenden
Potentiale unabhängig voneinander sind, da sonst in den Zählern
nicht mehr das gleiche Stromsignal fließen würde, je nachdem
ob sie mehr oder weniger weit von der Stromquelle entfernt
sind.
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Eine derartige Einschränkung ist die eigentliche Ursache für
das Problem, das auftritt, wenn ohne Änderung des
Testverfahrens und der entsprechenden Testbank ein elektronischer
Zähler vom in der Figur 2 gezeigten Typ getestet werden
soll, der im wesentlichen aus einem Dreipol besteht, also
aus einer nur mit drei Anschlußklemmen wie 1, 2 und 3
versehenen Vorrichtung.
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Der in dem bereits zitierten Patent GB-A-1 603 648
detailliert beschriebene und in Figur 2 gezeigte Zähler, auf den
hier beispielhaft Bezug genommen sei, enthält im
wesentlichen eine elektronische Schaltung 5 zum Messen der
Energie, einen zwischen der ersten und der zweiten
Anschlußklemme 1 und 2 angeschlossenen Spannungsteiler R1, R2, einen
zwischen den Anschlußklemmen 1 und 3 liegenden
Nebenschlußwiderstand 6 sowie eine elektrische Speiseschaltung 7, die
ebenfalls zwischen der ersten und zweiten Anschlußklemme 1
und 2 angeschlossen ist.
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Während des Betriebs des Zählers am elektrischen Energienetz
liegt die zweite Klemme 2 am neutralen Leiter N, und die
Klemmen 1 und 3 sind mit dem aktiven Phasenleiter L1
verbunden, so daß der Nebenschlußwiderstand 6 von den in diesem
Leiter fließenden Strom durchflossen wird.
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Der Spannungsteiler R1, R2 enthält zwei Widerstände R1 und
R2 mit ungleichen Werten, von denen der größere R1 mit der
zweiten Klemme verbunden ist.
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Hierdurch wird der durch die gemeinsame Klemme der
Widerstände R1 und R2 gebildete Zwischenpunkt 8 auf ein Potential
gebracht, das sehr nahe an demjenigen der Klemme 1 liegt,
aber dennoch eine Differenz zu diesem aufweist, die die
Spannung zwischen den Klemmen 1 und 2, also den Leitern L1
und N, wiederspiegelt.
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Die Meßschaltung 5 enthält im wesentlichen drei
Meßeingangsklemmen 5a, 5b und 5c, die im einzelnen an die
Anschlußklemme 1, einen Zwischenpunkt 8 und die Klemme 3 angeschlossen
sind, so daß die von der Schaltung 5 zwischen ihren Klemmen
5a und 5c aufgenommene Spannung demnach dem durch den
aktiven Leiter L1 fließenden Strom entspricht.
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Weiterhin enthält diese Schaltung wenigstens einen
elektrischen Speiseeingang 5p, der mit dem Ausgang der Schaltung 7
verbunden ist, der ein im Verhältnis zum Potential an der
ersten Anschlußklemme 1 im wesentlichen konstantes Potential
bereitstellt.
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Die Schaltung 5 verfügt einerseits über ein an der Klemme 5a
liegendes Potential, das sie als Referenzpotential nutzen
kann, und andererseits über eine zwischen den Klemmen 5a und
5b anliegende Spannung, die der Spannung zwischen den
Leitern L1 und N entspricht, und schließlich verfügt sie über
eine zwischen den Klemmen 5a und 5c liegende Spannung, die
dem im Leiter L1 fließenden Strom entspricht, so daß sie in
der Lage ist, an einem Ausgang 5s ein Signal entsprechend
der über die Leiter L1 und N geführten elektrischen Leistung
oder Energie abgeben kann.
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Obgleich derartige Zähler im Betrieb zahlreiche Vorteile
aufweisen, insbesondere bei der Vorbeugung gegen Betrug,
ergibt sich ein Anschlußproblem bei herkömmlichen
Testbänken, wie ein Vergleich der Figuren 1 und 2 unmittelbar
deutlich macht.
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Die Figur 3 verdeutlicht mehrere erfindungsgemäße Maßnahmen
zum Beheben des im Zusammenhang mit dem Oberbegriff
festgestellten Problems, sowie von Problemen, wie sie speziell bei
elektrischen Energiezählern und -verhältnissen entsprechend
den Figuren 1 und 2 auftreten.
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Aus Gründen der Klarheit, sind Elemente in den Figuren 2 und
3, die einander entsprechen, mit denselben Bezugszeichen
gekennzeichnet.
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Neben den bereits im Zusammenhang mit der Figur 2
beschriebenen Elementen enthält die in Figur 3 gezeigte Vorrichtung
zunächst eine zusätzliche Anschlußklemme 4, die auf ein
anderes Potential, als die Klemme 1 gebracht werden kann oder
im Gegensatz hierzu auf dasselbe Potential wie diese Klemme
gebracht werden kann, und zwar mittels eines lösbaren
Leiters 9, der die Anschlußklemmen 1 und 4 entweder verbindet
oder nicht.
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Damit die nachfolgende Beschreibung besser verständlich ist,
sei darauf hingewiesen, daß der lösbare Leiter 9, der eine
einfache Schraube sein kann, während des Überprüfens des
Zählers in der Testbank gelöst ist und vom Installieren
dieses Zählers am elektrischen Netz wieder angebracht wird.
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Die Meßschaltung 5 enthält an jeder Seite eine zusätzliche
Eingangsklemme 5d, die zusammen mit der zweiten
Eingangsklemme 5b einen Differenzeingang dieser Meßschaltung
darstellt.
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Die Formulierung "Differenzeingang", so wie sie hier
gebraucht wird, dient als Hinweis auf die Tatsache, daß die
Eingangsklemmen 5b und 5d an hochohmige Eingänge eines
Differenzverstärkers angeschlossen sind, oder zumindest an eine
einen derartigen Verstärker kennzeichnende symmetrische
Eingangsstufe mit zwei Transistoren, die in der Schaltung 5
vorgesehen sein kann, wie dies bei der Meßschaltung der Fall
ist, die in dem bereits erwähnten britischen Patent
beschrieben ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält ansonsten einen
zweiten Spannungsteiler R3, R4, der zwischen der ersten
Anschlußklemme und der zusätzlichen Anschlußklemme vorgesehen
ist und aus zwei Widerständen mit unterschiedlichen
Widerstandswerten
R3 und R4 besteht, von denen der kleinere, R4,
an die erste Anschlußklemme angeschlossen ist.
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Demnach liegt der durch die gemeinsamen Anschlußklemmen der
Widerstände R3 und R4 gebildete Zwischenpunkt 10, der an der
zusätzlichen Eingangsklemme der Meßschaltung angeschlossen
ist, in Abwesenheit des Leiters 9 auf einem Potential, das
demjenigen der Klemme 1 relativ nahe kommt, deren Differenz
zu diesem jedoch, die für Spannung zwischen den Klemmen 1
und 4 repräsentiert.
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Genauer gesagt führt der zweite Spannungsteiler R3, R4 ein
im wesentlichen gleiches Spannungsverhältnis wie der erste
Spannungsteiler R1, R2 ein, was bedeutet, daß das Verhältnis
(R4/R3) so nah wie möglich am Verhältnis (R2/R1) liegt und
im Idealfall mit diesem übereinstimmt.
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Unter diesen Umständen und unter der Annahme, daß Px das
elektrische Potential der Referenzklemme x bezeichnet, kann
man zeigen, daß gilt:
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P5b-P5d = k (P&sub2;-P&sub4;), mit k = R2/(R1+R2) = R4/(R3+R4).
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Es zeigt sich, daß auch dann, wenn die Klemmen 1 und 4 durch
den Leiter 9 verbunden sind, die Klemmen 1 und 2 und
folglich und die Klemnien 4 und 2 durch den ersten
Spannungsteiler R1, R2 getrennt bleiben, und daß die Rechnung zum selben
Ergebnis führt.
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Anders ausgedrückt, entspricht die am Differenzeingang 5b,
5d der Meßschaltung 5 angelegte Spannung der Spannung
zwischen der zweiten Anschlußklemme 2 und der zusätzlichen
Anschlußklemme 4, unabhängig davon, ob die letztere auf
demselben Potential wie die erste Anschlußklemme 1 liegt
oder nicht.
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In einer gewerblichen und bevorzugten Ausführung der
Erfindung werden die erste und die dritte Eingangsklemme 5a und
5c der Meßschaltung 5 tatsächlich durch Zwischenklemmen des
Nebenschlußwiderstandes 6 gebildet, wobei sie in diesem Fall
natürlich nicht völlig auf dem Potential der Anschlußklemmen
1 und 3 liegen, die Spannung an den Klemmen 5a und 5c jedoch
immer noch die Spannung an den Klemmen 1 und 3
wiederspiegelt. In dieser Ausführungsform enthält, wie dargestellt,
die Schaltung 5 eine potentiale
Referenzpotential-Eingangsklemme 5r, die direkt mit der ersten Anschlußklemme 1
verbunden ist und deren Potential, das sehr nahe an demjenigen
der Klemme 5a und 5c liegt, als internes Referenzpotential
für die Meßschaltung 5 dient.
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Ein weiteres sehr vorteilhaftes Merkmal der Erfindung
besteht darin, daß in einer Vorrichtung wie der in Figur 3
gezeigten zum Versorgen der Meßschaltung mit zwischen den
Leitern 1 und 2 zur Verfügung stehender Energie ein
Speisetransformator 11 eingesetzt wird, dessen Primärspule 11a
zwischen der zusätzlichen Anschlußklemme 4 und der zweiten
Anschlußklemme 2 angeschlossen ist und dessen
Sekundärwicklung llb galvanisch mit der ersten Anschlußklemme 1
verbunden ist.
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Mit der Bezeichnung galvanische Verbindung wird hier auf
zwei Leiter Bezug genommen, deren elektrischen Potentiale im
Zusammenhang stehen und sich zwangsläufig in koordinierter
Weise verändern, zum Beispiel deshalb, weil diese Leiter
untereinander durch einen dritten verbunden sind, wie dies
in dem in Figur 3 gezeigten Diagramm der Fall ist.
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Die Sekundärspule 11b des Speisetransformators 11 ist mit
einem üblichen Wechselstrom-Gleichstrom-Umsetzer 7
verbunden, bei dem ein Gleichrichter und ein Tiefpaßfilter benutzt
werden, und der ausgehend vom Referenzpotential der Klemme 1
und der an der Sekundärspule 11b abgegriffenen
Wechselspannung die Erzeugung einer bipolaren und stabilen
Gleichspannung
ermöglicht, die auf das Potential der Anschlußklemme 1
bezogen ist, wobei der Umsetzer 7 an den Speiseklemmen 5p
und 5q der Meßschaltung 5 angeschlossen ist.
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Der Transformator 11 der nach dem Entfernen des Leiters 9
lediglich eine galvanische Entkopplung zwischen der ersten
Klemme 1 und der zusätzlichen Klemme 4 bewirkt, damit die
Schaltung 5 nach wie vor mit einer auf das Potential der
Klemme 1 bezogenen Speisespannung versorgt wird, wobei der
Transformator weder eine besondere Meßqualität noch eine
besonders hohe Isolierungsgüte aufweisen muß, ersetzt
besonders vorteilhaft Meßtransformatoren, die beim Stand der
Technik sehr häufig eingesetzt werden, um Meßschaltungen wie
5 mit Eingangssignalen an Klemmen wie 5a, 5c, 5b und 5d zu
versorgen.
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Wie der Durchschnittsfachmann anhand der vorhergehenden
Beschreibung überprüfen kann, steht das mittlere Potential
(P5d+P5b)/2 am Differenzeingang der Schaltung 5 mit den
Potentialen der Anschlußklemmen 1, 2 und 4 in folgendem
Zusammenhang:
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(P5d+P5b)/2 = (1-k) P&sub1; + k (P&sub2;+P&sub4;/2), so daß:
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P5d+P5b-2 P&sub1; = k (P&sub2;+P&sub4;-2 P&sub1;).
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Das am Differenzeingang 5d, 5b der Schaltung 5 vorliegende
mittlere Spannungsniveau (P5d+P5b-2 P&sub1;)/2 hängt also nicht
nur von der Nutzspannung P&sub2;-P&sub1;, sondern auch von der
parasitären Spannung P&sub4;-P&sub1; ab, die auftreten kann, sobald der
Leiter 9 entfernt ist.
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Somit sind zunächst besondere Vorkehrungen erforderlich, um
schädliche Effekte beim Auftreten dieser Gleichtaktspannung
zu beseitigen.
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Wie im folgenden gezeigt, lassen sich derartige Vorkehrungen
jedoch relativ leicht realisieren.
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Zunächst muß der Differenzverstärker der Eingangsstufe, an
den die Klemmen 5b und 5d angeschlossen sind, einen erhöhten
Gleichtakt-Unterdrückungsfaktor aufweisen.
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Tatsächlich reicht ein Unterdrückungsgrad in der
Größenordnung von 54 dB, der einem Verhältnis von 500/1 entspricht,
aus, um den durch die Überlagerung eines Gleichtaktsignals
V/2 auf ein Differenzsignal V erzeugten relativen Fehler auf
einen Wert von 0,1 % zu begrenzen.
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Ansonsten muß das Verhältnis der Spannungsteiler R1, R2
einerseits und R3, R4 andererseits derart angeglichen sein,
daß die relative Abweichung zwischen dem Verhältnis und dem
theoretischen Wert k begrenzt wird.
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Hierzu kann zumindest einer der Teiler in
Dickfilmtechnologie derart hergestellt werden, daß er sich durch
Laserschneiden abgleichen läßt, wobei der bei dem Verhältnis
maximal zulässige relative Fehler beispielsweise in der
Größenordnung von 0,2 % liegt.
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In der Praxis empfiehlt es sich auch, den Serienwiderständen
R1+R2 einerseits und R3+R4 andererseits hinreichend große
Werte zuzuordnen, um die an der Spannungsquelle der Testbank
anliegende Last zu begrenzen, wobei ein Wert von 500 kX für
R1+R2 und/oder R3+R4 bei Betriebsspannungen in der
Größenordnung von 250 Volt hierfür ausreicht.
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Ansonsten lassen sich die Anforderungen an die
Gleichtaktunterdrückung dadurch reduzieren, daß dem Verhältnis R1/R3
(also auch im Verhältnis R2/R4) ein Wert von wenigstens
gleich eins zugeordnet wird.
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Schließlich lassen sich die erfindungsgemäßen Vorteile umso
besser erreichen, je mehr das Verhältnis (R1+R2)/(R3+R4) bei
einem festen und vorherbestimmten Wert liegt, also von einer
Vorrichtung zur nächsten im wesentlichen gleich bleibt.
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Dieses letzte Merkmal hat nämlich zur Folge, daß alle Zähler
derselben Herstellungs- und Testreihe auf derselben Testbank
eng benachbarte Verhältnisse (R&sub1;+R&sub2;)/(R&sub3;+R&sub4;) aufweisen, die
idealerweise gleich sind; dies trägt dazu bei, daß die
Zähler während des Tests mit exakt gleichen Spannungs- und
Stromsignalen versorgt werden.