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Schaltungsanordnung zum Messen von Gleichspannungen bei verhältnismäßig
hohem Widerstand des Meßwertgebers, insbesondere für das Messen von pH-Werten
Es
ist bekannt, zum Messen von Gleichspannungen, die von einem Meßwertgeber mit verhältnismäßig
hohem Widerstand, z. B. von einem pH-Wertgeber erzeugt werden, eine zwei möglichst
gleichartige Elektronenröhrensysteme enthaltende Brückenschaltung zu verwenden.
Bei diesen bekannten Anordnungen wird das Gitter der einen Elektronenröhre von dem
Meßwertgeber beleinflußt, während die zweite Elektronenröhre von. diesem Meßwert
nicht beeinflußt wird. Bei einer derartigen Beeinflussung der Brückenschaltung durch
den Meßwertgeber ändert sich der Widerstand der von dem Meßwertgeber beeinflußten
Elektronenröhre und somit auch der diese Elektronenröhre durchfließende Strom entsprechend
der jeweiligen Größe der Meßspannung. Der Widerstand der zweiten Elektronenröhre
bleibt jedoch konstant und demzufolge auch der diese zweite Elektronenröhre durchfließende
Strom. Die Brückenschaltung wird von einer Gleichstromquelle1 gespeist. In. den
beiden Anodenstromkreisen der beide Elektronen röhren liegt je ein. hochohmiger
Widerstand. und die Differenz der an diesen beiden Widerständen entstehenden Spannungsabfälle
wirkt a.uf ein in der Meßdiagonale der Brückens eh altung liegendes Meßgerät, das
beispielsweise ein Anzeige- oder Schreibgerät mit Drehspulmeßwerk sein kann, ein.
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Bei diesen. helan nten Anordnungen muß beso,nders darauf geachtet
werden, daß die von den Gittern der beiden Elektronenröhren ausgehenden
Gitterströme
keinen allzu starken Störeinfluß auf die Spannungsmessung ausüben. Man ging daher
bisher stets in der Weise vor, daß man eine Elektronenröhre besonderer Art, vorzugsweise
eine Elelctro meterröhre, benutzte, die sich durch einen besondes kleinen Gitterstrom
auszeichnete. In diesem Falle war der von dem Gitterstrom an dem Meßwertgeber hervorgerufene
Spannungsabfall so klein, daß er innerhalb der gewünschten Meßgenauigkeit lag. Hierbei
wurde das Gitter der zweiten, vom Meßwertgeber nicht beeinflußten Elektronenröhre
über einen hochohmigen Widerstand mit der Kathode dieser Röhre verbunden, wobei
dieser Widerstand ungefähr dem mittleren Wert der Widerstandsgrenzwerte entsprach.
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Ein weiterer Nachteil der bekannten Schaltungen besteht darin, daß
das erwähnte, in der Meßdiagonale liegende Meßgerät mit allen anderen Teilen der
Meßanordnung, also auch mit dem Stromkreis des Meßwertgebers, galvanisch verhunden
ist. Infolgedessen, war es grundsätzlich nicht möglich, beispielsweise zwecks Herbeiführung
einer Gegenkopplung, den Ausgangs stromkreis des erwähnten Meßinstrumentes mit dem
Eingangsstromkreis des Meßwertgebers durch zusätzliche Leitungen galvanisch zu verbsinden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
zum Messen von Gleichspannungen1 bei verhältnismäßig hohem Widerstand des Meßwertgebers
zu schaffen, bei der die Nachteile der bekannten Anordnungen vermieden werden. Dies
geschieht dadurch, daß unter Verwendung zweier möglichst gleichartiger, in einer
Brückenschaltung liegender und unabhängig voneinander arbeitender Elektronenröhrensystem.e
der Meßwertgeber durch zwei in Reihe geschaltete, zweckmäßig gleich große und etwa
das 50- bis 1 oofache des Meßwergeberwiderstandes betragerade Widerstände überbrückt
Ist, wobei die beiden Gitter der beiden Elektronenröhrensysteme in an sich bekannter
Weise gleichzeitig durch die Meßspannung so beeinflußt werden, daß der eine Anodenstrom
zu- und der andere gleichzeitig ab nimmt.
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Zweckmäßig liegt die erfindungsgemäße Brückenschaltung an einer Wechselspannung,
so daß die beiden Elektronenröhrensysteme gleichzeitig als elektrische Ventile und
als Verstärker arbeiten.
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Eine weitere Ausgestaltung des Erfindungsgedankens liegt darin, daß
an der Brückenschaltung, zweckmäßig über einen Isoliertransformator, eine ähnliche,
als phasenempfindliches Gleichrichteranordnung wlrleende und ebenfalls von einer
Wechselstromquelle gespeiste Brückenschaltung angeschlossen ist.
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In der Fig. I ist eine dem Stande der Technik entsprechende Birückenschaltung
zum Messen von Gleichspannungen dargestellt, wie sie insbesondere zum Messen von
pH-Werten Verwendung findet.
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Die Fig. 2 zeigt eine der Erfindung entsprechende Ausführungsform.
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In Fig. I bezeichnen I und 2 die beiden Elektronenröhren (Trioden),
deren Kathoden miteinander verbunden1 und einerseits mit dem negativen Pol einer
Gleichspannungsquelle 3 und andererseits mit dem positiven Pol einer weiteren, zur
Erzeugung der erforderlichen Gittervorspannung dienenden Gleichstromquelle 4 verbunden
sind, während die Anoden der beiden Elektronenröhren I und 2 über je einen Vorwiderstand
5 bzw. 6 mit dem positiven Pol der Gleichstromquelle 3 verbunden sind. An den beiden
Anoden liegt außerdem das Meßgerät 7, das vorzugsweise ein hochempfindliches Anzeige-
oder Schreibgerät mit Drehspulmeßwerk ist. Der Meßwertgeber 8 ist einerseits mit
dem Gitter der Elektronenröhre I und andererseits mit dem negativen Pol der Gleichstromquelle
4 verbunden. Das Gitter der Elektronenröhre 2 ist über einen hochohmigen, festen
Widerstand 9 mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle 4 verbunden, wobei
der Widerstand g dem Mittelwert der Grenzwiderstandswert des Meßwertgebers 8 entspricht.
Um eine Abgleichung der Brückenschaltung in dem Sinne vornehmen zu können', daß
der Zeiger des Meißgerätes 7 auf Null einspielt, wenn die vom Meßwertgeber 8 abgegebene
Spannung gleich Null ist, ist ein als Stromteiler geschalteter Schleifdrahtwiderstand
10 vorgesehen, welcher ermöglicht, die beiden auf das Meßgerät 7 in entgegengesetztem
Sinne einwirkenden Spannungsabfälle gleich groß zu machen, wenn die Meßspannung
gleich Null ist.
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Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Mit I ist eine zwei DAreielektrodenröhrensysteme enthaltende Doppelelektronenröhre,
eine sogenannte Doppeltriode, bezeichnet, deren Anoden über je einen Vorwiderstand
5 bzw. 6 und einen zur Nullpunkteinstellung dienenden Schleifdrahtwiderstand 10
mit der Sekundärwicklung eines Transformators II verbunden sind, und deren Kathode
unmittelbar mit dieser Sekundärwicklung verbunden ist. Der Meßwertgeber 8 ist durch
zwei hachohmige Widerstände 12, 14 und einen weiteren Widerstand 14 überbrückt.
Die beiden hochohmigen Widerstände werden zweckmäßig so bemessen, daß sie entsprechend
der jeweils geforderten Meßgenauigkeit (I bis 2%) das IOO- bis 50fache des Widerstandes
des. Meßwertgebers betragen. Bei pH-Messungen beispielsweisse liegt der Widerstand
des Meßwertgebers 8, der in diesem Falle als Glaselektrode ausgebildet ist, in den
Grenzen von 5 bis 20 Megaohm. Infolgedessen muß, wenn: eine Meßgenauigkeit von 2
O/o gefordert wird, die Summe der Widerstände 12 und I3 fünfzigmal so groß sein
wie der Höchstwiderstand des Meßwertgebers 8, also 1000 Megohm. Die Widerstände
I2 und I3 müssen also in diesem Falle je 500 Megohm betragen.
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Es sei hier bereits bemerkt, daß bei der erfindungsgemäßen Anwendung
der Gegenkopplungsschaltung diese Widerstände sehr viel kleiner bemessen werden
können, weil sich in dem Falle der Widerstand des Eingangsstromkreises des Meßwertgebers
8 stark erhöht.
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Die beiden Gitter der Röhre 1 sind mit den äußeren Enden der Widerstände
12 und 13 verhunden, während die inneren Enden dies er Wide1rstände unmittelbar
miteinander und mit dem negativen Pol der Gitterspannungsquelle 4 verbunden sind,
deren positiver Pol an der Kathode liegt.
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Wenn die Diagonale dieser Brückenschaltung, ähnlich wie bei der bakannten
Anordnung nch Fig. 1, mit einem Meßgerät 7 überbrückt und der Meßwertgeber 8 unmittelbar
an die äußeren Enden der Widerstände 12 und 13, also unter Wegfall des Widerstandes
14, angeschlossen ist, und wenn der Meßwertgeber 8 keine Spannung abgibt, wird zunächst
der Schleifkontakt am Widerstand 10 so eingestellt, daß dieses Meßgerät stromlos
wird.
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Sobald der Meßwertgeber 8 eine Spannung erzeugt, wirken an den Gittern
der Elektronenröhre 1 zwei gleich große, aber entgegengesetzt gerichtete Gleichspannungen
in dem Sinne, daß der im Vorwiderstand 5 fließende Strom zunimmt und der im Vorwiderstand
6 fließende Strom in gleichem Maße abnimmt oder umgekehrt.
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Be!i der erfindungsgemäßen Anordnung nach Fig. 2 kann die Speisung
in; der bisher üblichen Weise, ähnlich wie dies in Fig. 1 angedeutet ist, durch
eine Gleichspannungsquelle 3 erfolgen. Gemäß der Erfindung ist es aber besonders
zweckmäßig, die Speisung dieser Brückenschaltung mit einer Wechselspannung durchzuführen.
Es hat sich nämlieb gezeigt, daß in diesem Falle der Einfluß der Gitterströme auf
die Spannungsmessung bedeutend kleiner ist als bei Speisung der Brückenschaltung
durch eine Gleichstromquelle.
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Ein weiterer Vorteil der Speisung dieser Brückenschaltung durch eine
Wechselspannung liegt darin, daß man an der Diagonale der Brückenschaltung eine
Wechselspannung abnehmen kann, mit der, zweckmäßig über einen Isoliertransformator
15 mit Mittelanzapfung 16 der Sekundärwicklung, eine zweite, ähnlich aufgebaute
Brückenschaltung beeinflußt werden kann.
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Diese zweite Brückenschaltung, die dann zugefügt wird, wenn es sich
darum handelt, eine Gegenkopplung anzuwenden, weist die ebenfalls als Doppeltriode
arbeitende Röhre 17, zwei gleich große Vorwiderstände 18 und 19 und einen Speisetransformator
20 auf und wirkt als phasenempfindliche Gleichrichteranordnung. Sie ermöglicht daher,
an ihrer Diagonale einen Gleichstrom abzunehmen, der ein als Anzeige-, Schreib-
oder Zählgerät ausgebildetes Meßinstrument 21 und außerdem einen Widerstand 14 durchfließt.
Die an dem Widerstand 14 auftretende Gleichspannung ist mit der von Meßwertgeber
8 erzeugten Gleichspannung so hintereinandergeschaltet, daß diese beiden Spannungen
entgegengesetzt gerichtet sind, also im Sinne einer Gegenkopplungsschaltung wirken,
gemeinsam also die erstgenannte Brückenschaltung mit der Röhrer 1 beeinflussen.
Zur Beseitigung der Wechselstromkomponente des dem Meßgerät 21 und dem Widerstand
14 zugeführten Gleichstromes ist ein diese Wechselstromkomponente aufnehmender Kondensator
22 vorgesehen.
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Auch bei der zweiten Brückenschaltung mit der Doppelröhre 17 ist eine
zum Erzeugen der Gittervorspannung erforderliche Gleichstromquelle 23 vorgesehen.
Zwecks Vereinfachung der Meßanordnung können die Transformatoren 11 und 20 in einem
einzigen Transformator vereint werden, wobei dieser dann mit isolierten und zweckmäßig
elektrostatisch abgeschirmtem Sekundärwicklungen versehen werden kann. Außerdem
kann auch der Isoliertransformator 15 zweckmäßig eine elektrostatische Abschirmung
zwischen seinen Wicklungen erhalten. Auf diese Weise erhält man besonders saubere
und übersichtliche Potentialverhältnisse in der ganzen Meßanordnung.