DE2603212A1 - Kraftflussmessgeraet - Google Patents

Description

OR im« DIPUINS M. SC. DIPL.-Cif.i. JR. DII»L.-I"HY». HÖGER - STELLRECHT - GFiIESSQACH - HAECKER PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

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13. Januar 1976

Walker Magnetics Group, Inc. Rockdale Street

Worcester, Mass. Ol 606/USA

Kraftflußmeßgerät

Die Erfindung betrifft ein Kraftflußmeßgerät mit einer Meßspule, die mit dem sich während der Meßzeit änderndem Kraftfluß verkettet ist, sowie mit einer die Ausgansspannung der Meßspule integrierenden Einrichtung, bestehend aus einem erstem Verstärker mit hoher Verstärkung, zwischen dessen Eingangs- und Ausgangsanschluß ein Integrierkondensator geschaltet ist, wobei sich die Verstärkerausgangsspannung als integral zu dem dem Verstärker zugeführten und der Meßspulenausgangsspannung proportionalen Strom über der Meßzeit ändert.

Allgemein bezieht sich die Erfindung auf Fluxmeter bzw. auf Kraftflußmesser, die so ausgebildet sind, daß durch elektronische Integrierung der in einer Meßspule erzeugten Spannung der Fluß

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bestimmt werden kann; der Integriervorgang erstreckt sich dabei über einen Testzeitraum, während welchem sich der mit der Meßspule verkettete Fluß um einen Betrag ändert, der gemessen werden soll.

üblicherweise sind solche Kraftflußmesser so aufgebaut, daß sie elektronische Integratorschaltungen, üblicherweise sogenannte Miller-Integratoren verwenden. Bei einer solchen Integratorschaltung ist ein integrierender Kondensator über Ausgangs- und Eingangsanschluß eines invertierenden Verstärkers geschaltet, so daß sich die Ausgangsspannung des Verstärkers als Funktion des Zeitintegrals eines Stroms ändert,der dem Eingangsanschluß des Verstärkers zugeführt wird.

Zur Durchführung einer Messung wird der Integrierkondensator kurzzeitig kurzgeschlossen, beispielsweise mittels eines Druckknopfschalters, um so den Ausgang des Meßinstrumentes auf Null zu bringen; daraufhin wird dann die zu messende Kraftflußänderung mit der Meßspule in Wirkverbindung gebracht. Der Wert des Integrals wird dann als Funktion der sich ergebenden Ausgangsspannung des Integrators abgelesen.

üblicherweise besteht der als Integrator ausgewählte Verstärker aus einer Verstärkerschaltung, die nur einen sehr niedrigen Betrag eines Vorspannungsstroms benötigt sowie eine äußerst kleine Offset-Spannung aufweist, um so Fehler im Ausgangssignal zu vermeiden, die auf eine Integration des Vorspannungsstroms und der Offset-Spannung zurückzuführen sind. Fehlt ein Eingangssignal, dann erscheint das Fehlersignal als Restdrift des Ausgangssignals, üblicherweise wird daher dem Eingangsanschluß eines solchen Verstärkers ein Kompensations- oder Korrekturstrom zugeführt,um auf diese Weise mindestens teilweise jegliche Restdrift auszuschalten; dieser Kompensationsstrom wird üblicherweise bei Fehlen eines

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Eingangssignals zur Erzielung minimaler Drift von Hand eingestellt und justiert. Allerdings ändert sich der optimale Wert des KompensationsStroms üblicherweise als Funktion verschiedener Einflüsse, beispielsweise Temperatur, Alterung der Komponenten usw., worauf im folgenden nicht weiter eingegangen wird, da es sich hier um für Fachleute vertraute Begriffe handelt. Um daher eine genaue Messung durchführen zu können, ist es normalerweise erforderlich, unmittelbar vor Vornahme einer solchen erneuten Messung den Wert des Kompensationsstroms erneut von Hand einzustellen und zu justieren. Es versteht sich, daß dieser Einstellungsvorgang relativ zeitraubend ist, da die Drift, die das Zeitintegral lediglich des nicht kompensierten Offset-Stroms ist, eine beobachtbare Höhe erreichen muß, bevor irgendwelche weiteren Einstellungen vorgenommen werden können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Kraftflußmeßgerät zu schaffen, welches mit hoher Präzision arbeitet, jedoch die mühsam von Hand vorzunehmenden Justierarbeiten zur Kompensation von Drift-, Offset- und Vorspannungseinflüssen nicht mehr benötigt.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von den eingangs genannten Fluxmetern oder Kraftflußmessern und besteht erfindungsgemäß darin, daß eine zweite Verstärkerschaltung hoher Verstärkung vorgesehen ist, zwischen dessen Eingangs- und Ausgangsanschluß ein zweiter Integrierkondensator geschaltet ist, daß zwischen den Meßzeiten dem Eingang des zweiten Verstärkers über eine Schaltungsanordnung ein Strom zugeführt ist, der sich als Funktion der Ausgangsspannung des ersten Verstärkers ändert, daß eine Schaltungsanordnung vorgesehen ist, die dem Eingang des ersten Verstärkers einen der Ausgangsspannung des zweiten Verstärkers proportionalen Korrekturstrom in der Weise zuführt, daß die Ausgangsspannung des ersten Verstärkers zu Null gemacht ist, wobei zwischen den Meßzeiten dieser Korrekturstrom automatisch auf

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einen solchen Wert einstellbar ist, daß der Vorspannungsstrom für den ersten Verstärker kompensiert ist.

Bei der Erfindung ist vorteilhaft, daß trotz erhöhter Meßgenauigkeit die Bedienung des Geräts vereinfacht ist, da nämlich der zur Kompensation der Hauptintegratorschaltung benötigte
Kompensationsstrom automatisch auf optimale Größe eingestellt wird. Vorteilhaft ist weiterhin, daß die automatische Einstellung auf optimale Größe jeweils zwischen den einzelnen Meßzeiträumen erfolgt, der Einfluß der erzielten optimalen Einstellung jedoch auch während des Meßvorgangs aufrechterhalten bleibt.

Das erfindungsgemäße Fluxmeter ist äußerst zuverlässig und von einfachem und preiswertem Aufbau.

Zusammengefaßt besteht die Erfindung darin, daß ein Fluxmeter oder Kraftflußmesser zur Verfügung gestellt wird, bei dem ein Kraftfluß durch Integration einer Spannung gemessen wird, die während eines Test- oder üntersuchungszeitraums von einer Meßspule erzeugt wird, die für diesen Zeitraum mit dem sich hierbei ändernden, zu messenden Kraftfluß verkettet ist. Die Spulenspannung wird von einer Schaltung integriert, die aus einem ersten invertierenden Verstärker in Verbindung mit einem Integrierkondensator besteht, der den Ausgangsanschluß des Verstärkers mit seinem Eingangsanschluß verbindet, so daß die Ausgangsspannung des Verstärkers sich als Zeitintegral des Stromes ändert,der dem Eingangsanschluß zugeführt wird, abzüglich selbstverständlich des Vorspannungsstroms für den Verstärker selbst. Darüberhinaus ist ein zweiter, im wesentlichen ähnlicher Integrator vorgesehen, dessen Ausgangssignal den Wert eines Kompensationsstroms kontrolliert, der dem Eingangsanschluß des ersten Integrators zugeführt wird. Dieser zweite Integrator wird

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selektiv von einem Strom beaufschlagt, der sich als Funktion der Ausgangsspannung des ersten Integrators ändert; auf diese Weise und bei entsprechender Schaltung sorgt der Korrekturstrom am Ausgang des zweiten Integrators dafür, daß die Ausgangsspannung des ersten Verstärkers oder Integrators reduziert bzw. völlig zu Null gemacht wird.

Zwischen den Testperioden wird die selektiv einschaltbare Verbindung zwischen dem Eingang des zweiten Integrators und dem Ausgang des ersten Integrators in der Weise vorgenommen, daß sich der Korrekturstrom oder Kompensationsstrom automatisch auf einen Wert einstellt, der jede Veränderung im Vorspannungsstrom des ersten Integrators kompensiert. Dabei ist die Größe des Integrierkondensators im zweiten Integrator so ausgewählt, daß sich während eines Testzeitraums, d.h. wenn die Verbindung zwischen dem Ausgang des ersten Integrators und dem Eingang des zweiten Integrators unterbrochen ist, der Wert des Korrekturoder Kompensationsstroms nicht oder nicht wesentlich verändert.

Der daher jeweils in den Intervallen zwischen den einzelnen Meßzeiträumen arbeitende zweite elektronische Integrator ist so eingestellt, daß er einen kompensierenden Vorspannungsstrom erzeugt und dem Hauptintegrator zuleitet, der von solcher Größe ist, daß jede Restdrift ausgeglichen wird.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und in diesen niedergelegt bzw. können mit weiteren Vorteilen der nachfolgenden Beschreibung entnommen werden, in welcher anhand der Zeichnung auf Aufbau und Wirkungsweise eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung genauer eingegangen wird. Dabei zeigen:

Figur 1 ein schematisches Schaltungsbeispiel

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für ein Fluxmeter bekannter Art und

Figur 2 eine erfindungsgemäße Schaltung für

ein den erforderlichen Kompensationsstrom für den Hauptintegrator automatisch einstellendes Fluxmeter.

Der Darstellung der Figur 1 läßt sich anhand einer bekannten Schaltung zunächst die Test- oder Meßspule 11 entnehmen, durch welche der zu messende Fluß eingeführt wird. Der eine Anschluß der Meßspule ist mit Masse verbunden, der andere Anschluß ist über einen einstellbaren Widerstand Rl mit einer elektronischen, integrierenden Schaltung 13 verbunden. Der Widerstand Rl dient zur Empfindlichkeitseinstellung des Integrators mit Bezug auf die von der Meßspule entwickelte Spannung, so daß Meßspulen unterschiedlicher Größe und Windungszahlen verwendet werden können. Die Integratorschaltung 13 umfaßt einen Verstärker Al mit hoher Verstärkung, dem ein Rückkopplungskondensator Cl so zugeordnet ist, daß der Ausgangsanschluß des Verstärkers Al mit seinem Eingangsanschluß verbunden ist. üblicherweise können dabei abwechselnd verschiedene Kondensatorwerte vorgesehen sein, so daß ümschaltmöglichkeiten vorhanden sind, die eine Flußmessung für verschiedene Flußstärken, d.h. von unterschiedlichen Höhen des zu messenden Flusses, möglich machen.

Dem Kondensator Cl ist ein Schalter Sl parallel geschaltet, der einen kurzfristigen Kurzschluß des Kondensators ermöglicht, so daß die Integratorschaltung vor einem Meßvorgang zurückgestellt werden kann. Während der Meßperiode selbst wird der von der Meßspule erfaßte Fluß durch den zu messenden Betrag geändert und die sich ergebende, am Ausgang der Integratorschaltüng entwickelte Spannung wird von einem Voltmeter N gemessen. Das Voltmeter kann ein analoges oder ein digitales Voltmeter sein

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und kann, falls gewünscht, auch eine geeignete Bereichsumschaltung aufweisen.

Um präzise Meßgenauigkeit zu erreichen, wird der Verstärker Al
üblicherweise sorgfältig ausgewählt; bei dem Verstärker kann
es sich daher beispielsweise um einen mittels Chopper oder Zerhacker stabilisierten Verstärker handeln, der über sehr niedrige und stabile Offset-Spannungswerte und Vorspannungsströme verfügt. Trotz sorgfältiger Auswahl der verwendeten Bauteile ergibt sich jedoch üblicherweise eine gewisse Restdrift, die auf
die Integration des Verstärkervorspannungsstroms selbst zurückzuführen ist. Es ist daher üblich, einen einstellbaren Kompensationsstrom vorzusehen. Der Darstellung der Figur 1 läßt sich ein System entnehmen, bei der ein solcher Kompensationsstrom
durch einen Widerstand R2 fließt und von einer einstellbaren
Spannungsquelle stammt, die von einem Potentiometer R3 gebildet ist, welches in geeigneter Weise zwischen positive und negative Bezugsspannungen geschaltet ist.

Beim Betrieb des Systems wird der Kompensationsstrom bevorzugt
unmittelbar vor einem Meßvorgang neu eingestellt, da der Offset-Reststrom über der Zeit und über der Temperatur, aber auch unter dem Einfluß anderer Umweltbedingungen,Veränderungen unterworfen sein kann. Um den Kompensations- oder Vorspannungsstrom einzustellen, wird das Potentiometer R3 von Hand so lange verstellt, bis bei offenem Schalter Sl keine beobachtbare Drift mehr festgestellt werden kann. Nachteilig ist bei einem solchen Verfahren daß ein solcher Einstellungsvorgang einen beträchtlich zeitraubenden Prozeß darstellt, da nur der Offset-Reststrom integriert wird und die Drift sich relativ langsam aufbaut, bevor sie eine präzise beobachtbare Höhe erreicht.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 wird demgegenüber der
Kompensationsstrom nicht von einer festen oder von Hand

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einstellbaren Quelle gewonnen, sondern von einer zweiten Integratorschaltung, die insgesamt mit dem Bezugszeichen 15 versehen ist. Die Integratorschaltung 15 ähnelt der Hauptintegratorschaltung 13 insofern, als sie ebenfalls einen invertierenden Verstärker A3 und einen Rückführkondensator C2 umfaßt, so daß sich die Ausgangsspannung des Verstärkers A3 als Funktion des Zeitintegrals eines dem Eingangsanschluß des Verstärkers zugeführten Stroms verändert und abbildet. Ein in den Rückführpfad in Reihe mit dem Kondensator C2 geschalteter Widerstand R3 sorgt für eine Phasenverschiebung bei höheren Frequenzen, wodurch sich ein stabiler Betrieb des Systems ergibt, wenn dies, wie weiter unten noch genauer erläutert wird, in geschlossener Schleifenschaltung betrieben wird.

Der Integrator 15 wird selektiv beaufschlagt von einem Strom, der proportional zu der von der Hauptintegratorschaltung 13 erzeugten Ausgangsspannung ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist dieser Strom umgekehrt proportional zur Ausgangsspannung, es versteht sich jedoch, daß der Strom auch direkt zu der Ausgangsspannung proportional, d.h. in Phase sein kann, falls an irgendeiner anderen Stelle im System eine Inversion des Signals vorgenommen wird. Bei dem Schaltungsbeispiel der Figur 2 ist ein invertierender Verstärker A2 vorgesehen, welcher für die Umkehrung der abgeleiteten Größe sorgt, während ein Schalter S2 selektiv die Eingangsverbindung mit der Integratorschaltung 15 herstellt oder diese unterbricht.

Im Betrieb ist zwischen den einzelnen Meßvorgängen der Schalter S2 geschlossen, so daß eine geschlossene Rückführungsschleife gebildet ist, die beide Integratorschaltungen umfaßt. Untersucht man die Schaltung der Figur 2, dann läßt sich feststellen, daß der gebildete Gleichstromrückführpfad die Tendenz entwickelt, die AusgangsSpannung am Ausgangsanschluß des Verstärkers Al auf

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Null, d.h. auf lokales Massepotential zurückzuführen, indem die Größe des durch den Widerstand R2 fließenden Kompensationsstrom auf einen Wert eingestellt wird, der gerade gleich ist dem Offset-Reststrom des Verstärkers Al. Zwar erreicht wegen der Gegenwart der beiden Integratorschaltungen der Kompensationsstrom den gewünschten Wert relativ langsam; dieser Prozeß erfordert jedoch keinen manuellen Eingriff oder die Aufmerksamkeit der Bedienungsperson und kann während der Aufwärm- und Stabilisierungszeit stattfinden, die üblicherweise für solche Schaltungssysteme vorgesehen ist, bevor dann tatsächlich die Messungen durchgeführt werden.

Da jeder der Integratorschaltungen 3,5,15 bei Wechselstromsignalen eine 90 Phasenverschiebung erzeugen würde, würde das geschlossene Rückführsystem, sieht man von der Gegenwart des Widerstandes R3 ab, nicht stabil sein. Es läßt sich jedoch feststellen, daß der Widerstand R3 in der geschlossenen Rückführschleife eine Dämpfungswirkung entwickelt, indem er für höhere Frequenzen die Phasenverschiebung der Integratorschaltung 15 auf Null zurückführt.

Zur Durchführung einer Flußmessung wird der Schalter S2 geöffnet und der Fluß durch die Meßspule 11 wird in der gleichen Weise wie bei den bekannten Systemen geändert; der Wert des Integrals wird dann als Ausgangsspannung der Integratorschaltung 13 abgelesen. Da die Rückführschleife in der Weise arbeitet, daß sie die Ausgangsspannung der Hauptintegratorschaltung vor Öffnung des Schalters S2 auf Null hält, ergibt sich der Vorteil, daß zum Kurzschließen des Hauptintegrierkondensators Cl kein gesonderter Schalter erforderlich ist. Darüberhinaus arbeitet die Integratorschaltung 15 bei geöffnetem Schalter S2 im wesentlichen als Halteschaltung und hält den durch den Widerstand R2 fließenden Kompensationsstrom auf dem zuletzt erreichten Wert,

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bevor der Meßvorgang begonnen hatte. Es versteht sich, daß der Wert des Kondensators C2 so ausgebildet wird, daß sich die Ausgangsspannung der Integratorschaltung 15 während einer üblichen Meßzeit nicht wesentlich verändert; dabei sind irgendwelche Veränderungen, die auf den Bedarf eines Vorspannungsstroms des Verstärkers A3 zurückzuführen sind, lediglich von zweiter Größenordnung und daher vernachlässigbar. Da erwartet werden kann, daß sich die Eingangseigenschaften der Hauptintegratorschaltung und ihres Verstärkers Al, d.h. die Offset-Werte und die Vorspannungsstromwerte während der relativ kurzen Zeit des Meßvorgangs nicht oder nur sehr wenig ändern, läßt sich feststellen, daß man zu außerordentlich präzisen Messungen mit der Schaltung der Figur 2 gelangen kann, wobei der Kompensationsstrom in der Halteschaltung auf seinem optimalen Wert aufrechterhalten wird.

Wie weiter vorn schon erwähnt, kann die Invertierung des Signals, die bei der Schaltung der Figur 2 so dargestellt ist, daß sie zwischen der Hauptintegratorschaltung und dem Eingang der zweiten Integratorschaltung auftritt, auch an irgendeiner anderen Stelle in der Schaltung vorgenommen werden, beispielsweise zwischen dem Ausgang der zweiten Integratorschaltung und dem Widerstand R2, über den der der Hauptintegratorschaltung zugeführte Kompensationsstrom fließt. Auf jeden Fall versteht es sich jedoch, daß der Kompensationsstrom in der Weise zugeführt wird, daß er die Tendenz einer Reduzierung der Ausgangsspannung der Hauptintegratorschaltung aufweist. Bei der Darstellung der Figur 2 ist gezeigt, daß die die Flußänderung angebende Spannung direkt am Ausgang der Hauptintegratorschaltung abgenommen wird; es versteht sich aber, daß diese Spannung auch am Ausgang des Inverterverstärkers Λ2 abgenommen werden kann, der gleichfalls das gewünschte Integral darstellt, wobei dann lediglich eine Vorzeichenumkehrung vorgenommen werden muß.

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Zusammengefaßt ergibt sich, daß man durch die Hinzufügung einer zweiten Integratorschaltung, die zwischen den Untersuchungszeiträumen mit der ersten Integratorschaltung in einer geschlossenen Rückführschleife zusammenwirkt, für eine automatische Einstellung des der Hauptintegratorschaltung zugeführten Kompensationsstroms sorgt, so daß sich minimale Drifteinflüsse ergeben. Darüberhinaus arbeitet während der tatsächlichen Untersuchtungszeit die zweite Integratorschaltung als Halteschaltung und hält in wirksamer Weise während des Untersuchungszeitraums den Kompensationsstrom auf optimalem Wert.

Der Erfindung gelingt daher die Lösung mehrerer auf diesem Fachgebiet wesentlicher Probleme und es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern in üblicher Weise Gleichwerten und äquivalenten Lösungen innerhalb des erfindungsgemäßen Rahmens zugänglich ist.

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Claims (6)

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1. Kraftflußmeßgerät mit einer Meßspule, die mit dem sich während der Meßzeit änderndem Kraftfluß verkettet ist, sowie mit einer die Ausgangsspannung der Meßspule integrierenden Einrichtung, bestehend aus einem erstem Verstärker mit hoher Verstärkung, zwischen dessen Eingangs- und Ausgangsanschluß ein Integrierkondensator geschaltet ist, wobei sich die Verstärkerausgangsspannung als Integral zu dem dem Verstärker zugeführten und der Meßspulenausgangsspannung proportionalen Strom über der Meßzeit ändert, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Verstärkerschaltung (A3) hoher Verstärkung vorgesehen ist, zwischen dessen Eingangs- und Ausgangsanschluß ein zweiter Integrierkondensator (C2) geschaltet ist, daß zwischen den Meßzeiten dem Eingang des zweiten Verstärkers (A3) über eine Schaltungsanordnung (A2, S2, R4) ein Strom zugeführt ist, der sich als Funktion der Ausgangsspannung des ersten Verstärkers (Al) ändert, daß eine Schaltungsanordnung (R2) vorgesehen ist, die dem Eingang des ersten Verstärkers (Al) einen der Ausgangsspannung des zweiten Verstärkers (A3) proportionalen Korrekturstrom in der Weise zuführt, daß die Ausgangsspannung des ersten Verstärkers (Al) zu Null gemacht ist, wobei zwischen den Meßzeiten dieser Korrekturstrom automatisch auf einen solchen Wert einstellbar ist, daß der Vorspannungsstrom für den ersten Verstärker (Al) kompensiert ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Integrierkondensator (C2) so bemessen ist, daß sich während eines Meßzeitraums der Wert des dem Eingang des ersten Verstärkers (Al) zugeführten Korrektur- oder Kompensationsstroms nicht wesentlich ändert.

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3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter, invertierender Verstärker (A2) vorgesehen und zwischen den ersten (Al) und den zweiten Verstärker (A3) derart geschaltet ist, daß ein geschlossener und sämtliche drei Verstärker (Al, Λ2, A3) umfassender Rückführkreis gebildet ist.

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem Integrierkondensator (C2) des zweiten Verstärkers (A3) ein Widerstand (R3) geschaltet ist zur Erzeugung einer stabilisierenden Phasenverschiebung im Rückführkreis.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangskreis des ersten Integrierverstärkers (Al) von einem einstellbaren Widerstand (Rl) gebildet ist, der den Ausgangsanschluß der Meßspule (11) mit dem Eingangsanschluß des Integrierverstärkers verbindet.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung zur Zuführung des Kompensationsstroms zum ersten Integrierverstärker (Al) aus einem Widerstand (R2) mit hohem Widerstandswert besteht, der zwischen dem Eingangsanschluß des ersten Integrierverstärkers (Al) und einer Spannungsquelle geschaltet ist, die sich als Funktion der Ausgangsspannung des zweiten Verstärkers (A3) ändert.

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