Spannungs-Kompensation

Das Verfahren der Spannungs-Kompensation ist ein Verfahren der elektrischen Messtechnik zur stromlosen Messung einer elektrischen Spannung. Eine der dazu erfundenen Varianten wird auch als poggendorffsche Kompensationsschaltung bezeichnet.

Spannungs-Kompensator (Prinzip)
$U_{K}$ wird an $U_{x}$ angeglichen.
Oben nach Johann Christian Poggendorff,
unten nach Lindeck und Rothe

Funktion

Die Schaltungen arbeiten nach folgendem Prinzip: Eine Kompensationsspannung $U_{K}$ wird gebildet, mit der zu messenden Spannung $U_{x}$ verglichen und so lange nachgestellt, bis Gleichheit festgestellt wird (Abgleich). In DIN 1319-2 wird diese Methode auch Nullabgleichs-Messmethode genannt.

Geräte dieser Bauart sind weitestgehend durch Elektrometerverstärker oder Instrumentenverstärker mit Feldeffekttransistoren abgelöst worden, welche Spannungen ebenfalls nahezu stromlos messen können. Die Methode wird als Gegenkopplung in elektronischen Schaltungen weiterhin angewendet.

Grundlage

Bei Abgleich ist

$U_{x}=U_{K}={\frac {R_{1}}{R_{0}}}U_{0}$

bzw.

$U_{x}=U_{K}={\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}U_{0}$

Der aus den Widerständen und der Speisespannung $U_{0}$ ausrechenbare oder bei entsprechender Konstruktion an der Schaltung unmittelbar ablesbare Wert von $U_{K}$ liefert den Messwert für $U_{x}$ . Diese Messmethode vermeidet jegliche Belastung (Stromentnahme) von $U_{x}$ bei Abgleich. Damit sind Messungen der Leerlaufspannung selbst an hochohmigen Quellen möglich.

Mit einer Spannungsquelle mit einem fest eingestellten präzisen Wert $U_{0}>U_{x}$ und digital einstellbaren Widerständen sind Präzisionsmessungen möglich.

Auch die Wheatstone-Brücke und jede andere zu Messungen verwendete Brückenschaltung arbeitet nach diesem Prinzip.

Selbstabgleichende Spannungs-Kompensation

Grundaufbau des selbstabgleichenden Spannungs-Kompensators

Bei der selbstabgleichenden Spannungs-Kompensation wird die Spannungsdifferenz $U_{d}=U_{x}-U_{K}$ nicht angezeigt, sondern verstärkt auf den Motor eines Motorpotentiometers gegeben, der den Schleifer nachstellt, bis Abgleich erreicht ist. Dann ist $U_{d}$ = 0; der Motor bekommt keine Spannung mehr und bleibt stehen. Der Schleifer wird gekoppelt mit einem Zeiger vor einer Skale, so dass unmittelbar der Messwert abgelesen werden kann.

Weite Verbreitung hat der selbstabgleichende Kompensator im Kompensations-Messschreiber gefunden, wobei der Motor zusammen mit dem Schleifer und Zeiger auch eine Schreibfeder bewegt.

Der Verstärkungsfaktor ist auf die Größe des Messbereichs ohne Einfluss, aber für das dynamische Verhalten wesentlich:

Bei zu kleiner Verstärkung entsteht kriechendes Verhalten – bis zum Hysterese-Effekt aufgrund der Ansprechschwelle des Motors.
Bei zu großer Verstärkung schwingt der Schleifer über – bis zum Zustand ungedämpfter Schwingung aufgrund der Trägheit der mechanischen Teile.

Literatur

Melchior Stöckl und Karl Heinz Winterling: Elektrische Messtechnik. 8. Auflage. Teubner, 1987, S. 135 ff.
Rudolf Holze: Leitfaden der Elektrochemie. 1. Auflage. Teubner, 1998, ISBN 3-519-03547-2, S. 224 bis 229.

Basierend auf einem Artikel in:

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