Elektrisches Meßgerät

Elektrisches Meßgerät

Patentansprüche:
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1.
Das elektrische Meßgerät ist dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgerät ein akustisches, optisches oder mechanische Signal abgibt, wenn die Meßwerte außerhalb eines vorher freiwählbaren Bereiches liegen.

2.
Elektrisches Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es weitgehend elektronisch aufgebaut ist.

3.
Elektrisches Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Konverter physikalische Größen in elektrische Geichspannungen umwandelt, damit auch sie gemessen werden können.

4.
Elektrisches Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereichsfestlegung durch eine (numerische) Tastatur, Potentiometer (mit Skala) oder einem PC, über entsprechende Schnittstelle, erfolgt.

5.
Elektrisches Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehere Voltmeter angeschlossen werden können, die die Bereichsende- oder anfangspunkte anzeigen.

6.
Elektrisches Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Tendenzanzeige vorhanden ist, die die Meßgröße im Verhältnis zum Referenzpunkt (Bereichsende- oder anfangspunkte) anzeigt.

Elektrisches Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgrößen variabel eingestellt werden können (z.B. Summer: leise, mittel, laut).

Elektrisches Meßgerät
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Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Meßgerät zu schaffen, daß es ermöglicht schnell und sicher festzustellen ob bestimmte physikalische Größen, z.B. Spannungen, innerhalb eines bestimmten Bereiches liegen.
Diese Probleme werden mit den in den Patentansprüchen aufgeführten Merkmalen gelöst.
Das elektrische Meßgerät ist ein kleines handliches elektronisches Meßgerät mit dem man sehr schnell und einfach feststellen kann ob physikalische Größen (nach einer entsprechender Konvertierung, sofern nötig), innerhalb eines bestimmten Bereiches (z.B. U >12V oder U<12V oder U>12V und U<15V) liegen. Wird der Bereich verlassen ertönt z.B. ein akustisches Signal.
Der Vorteil besteht darin, daß die Aufmerksamkeit nicht auf eine optische Anzeige gerichtet werden muß. Dies ist z.B. bei (digitalen) Voltmetern der Fall.
Sollen z.B. bei einen PKW die Sicherungen überprüft werden stellt man bei diesem Gerät die Spannung auf 12V. Hier es nicht wichtig, daß die Spannung z.B. 12,45V oder 12,7V beträgt, sondern nur ob sie größer als 12V ist.
Die Minusmeßleitung wird an Masse des PKWs angeschlossen. Mit der Plusmeßleitung werden nacheinander die Sicherungen abgetastet. Jedesmal wenn die Sicherung in Ordnung ist, ertönt der Summer. Da man nicht mehr auf eine optische Anzeige achten muß, geht das überprüfen wesentlich schneller und die Gefahr mit der Meßspitze abzurutschen und dadurch evtl. einen Kurzschluß oder sonstigen Schaden zu verursachen, ist wesentlich geringer da die volle Konzentration bei den Meßspitzen bleiben kann.

Besondere Eigenschaften des Gerätes:
- voll elektronischer Aufbau
- extrem geringer Energieverbrauch
- einfacher Schaltungsaufbau
- preiswerte, gängige Bauteile
- geringe Produktionskosten
- schaltet sich bei Bedarf automatisch ein und aus
- Batteriebetrieb möglich
- sehr gute Ergänzung zu einen Voltmeter, Multimetergerät

Vorteile :

Praktisch, preiswert, handlich, robust

Der elektrische Meßgerät ist praktisch, weil man die Augen nicht auf einen bestimmten Punkt richten muß, sondern einfach nur auf das akustische Signal wartet.
Er ist preiswert, weil er kein teure Analog,- oder Digitalanzeige benötigt.
Er ist handlich, weil er recht klein in seinen Abmessungen ist und ein sehr geringes Gewicht besitzt.
Die Schaltung kann einfach in digitale Voltmeter integriert werden.

Anwendungsbereich:

Sehr praktisch beim Warten auf Signale, z.B. bei langsamen Multivibratoren, bei Relaisschaltungen, Logikschaltungen, Wasserstandsmeldern, allgemeine Pegel, Niveaumeldern oder Meßwertaufnehmern, überprüfen von vielen Meßpunkten.
Zu benutzen z.B. als Akustische Warn,- oder Signallampe.
Bei Elektronikschaltungen zum Überprüfen ob überall auch die volle Versorgungsspannung anliegt beziehungsweise überall Masse anliegt.

Beschreibung der Erfindung anhand der Fig. 1:
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Das Gerät besteht hauptsächlich aus 4 Komponenten:

Konverter
Eingabe
Auswerteschaltung
Ausgabe

Konverter:
Der Konverter konvertiert physikalischen Größen (z.B. Schallpegel, Druck, Temperatur, Magnetfelder, Elektrische Felder) in eine elektrische Gleichspannungen. z.B. Temperatur -> Spannung (30 Grad -> 30V).
Liegt schon eine elektrische Gleichspannung vor die im passenden Spannungsbereich liegt kann der Eingang "Elektr. Spannungen benutzt werden.
Dem Konverterausgang kann eine astabile bzw. monostabile Kippstufe hinterhergeschaltet werden, damit z.B. auch Nadelimpulse „gehört" werden können.
(Holdschaltung).

Auswerteschaltung:
Sie wertet die eingehenden Daten aus und gibt entsprechende Daten aus.

Eingabe:
Hier wird der Referenzwert oder die Referenzwerte eingegeben, um eins oder mehrere (Spannungs)-Fenster zu erzeugen. Als Eingabegerät kann eine (numerische) Tastatur, Potentiometer (mit Skala) oder ein PC dienen.
Erfolgt die Eingabe mit einen Potentiometer mit Skala kann z.B. ein Digitalvoltmeter angeschlossen werden, um einen genauere Einstellung des Referenzwertes zu ermöglichen.
Es wird auch eingestellt ob die Ausgabe aktiv wird, wenn der Meßwert den Referenzwert überschritten oder unterschritten hat oder einen vorgegeben Bereich verlassen hat (Fensterdiskriminator)

Ausgabe:
Die Ausgabe kann akustisch (z.B. Summer, Klingel, Buzz, Sprache), optisch (z.B. Stroboskoplampe), elektrisch (z.B. OpenCollector) und/oder mechanisch (z.B. Vibrationsmelder) erfolgen.
Eine Tendenzanzeige (z.B. Balkendiagramm) kann kontinuierlich die Meßgröße anzeigen (in Bezug zu dem Referenzwert).
Die Ausgansgrößen können variabel eingestellt werden (z.B. Summer: leise, mittel, laut)
Beschreibung des Beispiels, Figur 2:

Es gibt 2 Betriebsarten:
1. Spannungssummer
2. Funktion als Durchgangssummer, Konverter aktiv (Strom/Spannung)

Beschreibung der Betriebsart Spannungssummer:
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a) Es wird geprüft ob eine bestimmte Mindest-Spannung erreicht wird, wenn sie erreicht wird ertönt der Summer

Die Spannung, die geprüft werden soll wird an die Buchse IN + und IN - (+ an IN + und - an IN -) angeschlossen und der Schalter S1 auf SS (Spannungssummer) gestellt, Schalter S3 auf NI (Nicht Invertiert) und das Poti R10 auf den Wert gestellt der geprüft werden soll, die Skala ist mit 2 Skalen versehen (1 - 40V und 10 - 400V). Durch den Schalter S2 (x10, x1) kann zwischen den beiden Skalen gewechselt werden. Da eine Skala nicht sehr exakt ist, und ein Poti nicht ganz linear ist, kann an die Buchsen Voltmeter ein Voltmeter angeschlossen werden. Hierdurch wird die Toleranz nur noch durch das Voltmeter bestimmt.
Die Eingangsspannung muß ein Mindestwert von ca. 0,7V haben.
Durch den Widerstand R4 erhält der Transistor T1 sein Basisstrom. Transistor T1 leitet. Der Transistor T2 erhält sein Basisstrom über den Widerstand R1. Der Transistor T2 leitet. IC IC1 und IC IC2 erhalten Versorgungsspannung. Dies heißt, daß das Gerät hierdurch automatisch eingeschaltet wird. Über die Widerstände R5, R6 und dem Schalter S3,a gelangt die Spannung auf den + Eingang des Operationsverstärkers. Wenn die Eingangsspannung am + Eingang des OPs größer ist, als die am -Eingang, die durch das Poti R10 eingestellt wurde, liegt am Ausgang des OPs eine Spannung an, die den Transistor T3 über den Widerstand R11 ansteuert und dazu führt, daß der Summer B ertönt. Durch den Ausgang des OPs wird auch der FET-Transistor T5 angesteuert. Sein Anschluß OC (Open Collecto) ermöglicht es externe Geräte oder Signalgeber anzusteuern bzw. hohe Leistungen zu schalten. Der Transistor T4 ist zu Transistor T5 invertiert. OCI steht für OpenCollectorInvertiert.
Die Transistoren T1 und T2 hat einen sehr hohen Verstärkungsfaktor, so daß R4 sehr hochohmig sein kann.

b) Es wird geprüft ob eine bestimmte Mindest-Spannung unterschritten wird, wird sie unterschritten ertönt der Summer

Die Spannung, die geprüft werden soll wird an die Buchse IN + und IN - (+ an IN + und - an IN -) angeschlossen und der Schalter S1 auf SS (Spannungssummer) gestellt, Schalter S3 auf IV (Invertiert) und das Poti R10 auf den Wert gestellt der geprüft werden soll, die Skala ist mit 2 Skalen versehen (1 - 40V und 10 - 400V). Durch den Schalter S2 (x10, x1) kann zwischen den beiden Skalen gewechselt werden. Da eine Skala nicht sehr exakt ist, und ein Poti nicht ganz linear ist, kann an die Buchsen Voltmeter ein Voltmeter angeschlossen werden. Hierdurch wird die Toleranz nur noch durch das Voltmeter bestimmt.
Durch den geschlossenen Schalter S3,c erhält die Schaltung ihre Versorgungsspannung.
Über die Widerstände R5, R6 und dem Schalter S3,a gelangt die Spannung auf den - Eingang des Operationsverstärkers. Wenn die Eingangsspannung am - Eingang des OPs kleiner ist, als die am +Eingang, die durch das Poti R10 eingestellt wurde, liegt am Ausgang des OPs eine Spannung an, die den Transistor T3 über den Widerstand R11 ansteuert und dazu führt, daß der Summer B ertönt. Durch den Ausgang des OPs wird auch der FET-Transistor T5 angesteuert. Sein Anschluß OC (Open Collector) ermöglicht es externe Geräte oder Signalgeber anzusteuern bzw. hohe Leistungen zu schalten. Der Transistor T4 ist zu Transistor T5 invertiert. OCI steht für OpenCollectorInvertiert.

Die Z-Diode ZD1 und der Widerstand R5 schützen den OP vor zu hohen Spannungen.
Da der Eingangswiderstand des OPs extrem hochohmig ist können auch die Widerstände R5, R6, R7, R8 recht hochohmig ausfallen. Dies bewirkt, daß der Eingangswiderstand der Schaltung sehr hoch ist.
Der Kondensator C1 blockt störende HF-Signale ab.
Mit dem Trimmpoti R9 muß einmalig die exakte Spannung, die am Poti R10 anliegen soll, eingestellt werden, da die Ausgangsspannung des Festspannungregler-ICs Herstellungstoleranzen unterworfen ist.

Beschreibung der Betriebsart Durchgangssummer:
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Die Komponente die auf Durchgang geprüft werden soll wird an die Buchse IN + und IN - angeschlossen, der Schalter S1 auf DS (Durchgangssummer), der Schalter S3 auf NI (Nicht Invertiert).
Sofern die zu prüfende Komponente leitend ist fließt ein Strom über folgende Bauteile: Transistor T1 (Emitter, Basis) Widerstand R4, Schalter S1, Buchse IN -, Prüfobjekt, Buchse IN +, Schalter S1, Widerstand R12 und Diode D1. Transistor T1 leitet. Der Transistor T2 erhält sein Basisstrom über den Widerstand R1. Der Transistor T2 leitet. IC IC1 und IC IC2 erhalten Versorgungsspannung. Dies heißt, das das Gerät hierdurch automatisch eingeschaltet wird. Über die Widerstände R5 und R6 gelangt eine Spannung auf den + Eingang des Operationsverstärkers. Da auf den - Eingang des OPs Masse anliegt liegt am Ausgang des OPs eine Spannung an, die den Transistor T3 über den Widerstand R11 ansteuert und dazu führt, daß der Summer B ertönt.
Die Diode D1 ist eine Schutzdiode, die das Gerät gegen Fremdspannungen schützt. Die Z-Diode ZD1 und der Widerstand R5 schützen den OP vor zu hohen Spannungen.
Die Transistoren T1 und T2 haben einen sehr hohen Verstärkungsfaktor, so daß R4 sehr hochohmig sein kann. Da der Eingangswiderstand des OPs extrem hochohmig ist können auch die Widerstände R5, R6, R7, R8 recht hochohmig ausfallen. Dies bewirkt, daß der Strom der durch das Prüfobjekt fließt sehr gering sein kann. Der Kondensator C1 blockt störende HF-Signale ab.

Wahl der Bauteile:
Der OP (IC2) sollte hochohmige Eingänge (M Ohm) und sehr geringe Stromaufnahme (1,2µA z.B. MAX406 von MAXIM) aufweisen.
Das Spannungsregler-IC IC1 kann vorteilhafterweise durch eine Spannungsreferenz oder eine Leuchdiode, als Referenzspannung, ersetzt werden um den Stromverbrauch zu verringern.
Das Potentiometer kann ein 10-Gang-Wendel-Potentiomter sein um eine genauere und feinere Einstellung zu errreichen.
Damit bei beiden Betriebsarten eine hohe Fremdspannungsfestigkeit erreicht wird, sollten die Widerstände R2, R3, R4, R5, R6, R7, R12 möglichst hochohmig sein, die Diode D1 eine hohe Sperrspannung aufweisen und der Kondensator C1 eine hohe Nennspannung aufweisen.
Die Widerstände R2, R3 und R7,R8 können durch je einen Widerstand ersetzt werden.
Die Transistoren T4 und T5 sind optional.
Der Transistor T1 kann vorteilhafterweise durch ein OP (z.B. MAX406), der als Komperator geschaltet, ist ersetzt werden, damit die Eingangmindestspannung an IN nicht ca. 0,7V betragen muß, sondern z.B. Werte von ca. 1mV erreicht werden können. Der OP würde dann direkt von der Versorgungsspannung der Schaltung gespeist. Bei einer Betriebsspannung von 9V und einem Betriebsstrom von 1,2µA ergibt das eine Aufnahmeleistung von 10,8 µW. Die liegt weit unter der Selbstentladung einer Batterie, sofern solche eingesetzt wird.

Zusammenfassung
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Das elektrische Meßgerät ist ein kleines handliches elektronisches Meßgerät mit dem man sehr schnell und einfach feststellen kann ob physikalische Größen (nach einer entsprechender Konvertierung, sofern nötig), innerhalb eines bestimmten Bereiches (z.B. U >12V oder U<12V oder U>12V und U<15V) liegen. Wird der Bereich verlassen ertönt z.B. ein akustisches Signal.
Durch den Einsatz moderner elektronischer Komponenten konnte das elektrische Meßgerät einfach aufgebaut werden und zeichnet sich durch sehr geringen Stromverbrauch aus, sodaß eine Batterie sehr lange hält.

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