Spitzenspannungsmesser zur Ausmessung einmaliger Vorgänge.
Es sind elektrisehe Spitzenspannungsmes- ser bekannt geworden, die ein Ventil aufweisen, über das ein Kondensator auf den Höchstwert einer Überspannungswelle aufgeladen wird. Durch ein elektrostatisches Messinstru- ment kann dieser Spannungshöchstwert am Kondensator gemessen werden. Sollen nun raseh verlaufende Vorgänge ausgemessen werden, wie sie vor allem bei Xberschlägen als Stoss-bzw. Überspannungswellen auftreten, dann reicht unter Umständen diese Schaltung nient mehr zu genügend genauer Messung aus.
Is'ür solche Fälle ist schon ein Spitzenspannungsmesser vorgeschlagen worden, der aus einer geeigneten Kombination zweier derartiger Ventilkreise besteht. Diese Anordnung ist zwar universel verwendbar, ihr Aufwand aber auch entsprechend grosser.
In Laboratorien sowie in Prüffeldern kommt es häufig vor, dass die auszumessende Spannung eine Stossspannung oder ein rasch abklingender Wellenzug ist. Durch die Erfindung wird ein einfacher und trotzdem lei stungsstarker Spitzenspannungsmesser zur Ausmessung dieser kürzesten Überspannungs- vorgänge dadurch geschaffen, dass parallel zu dem Messkondensator ein zweiter Kondensator über einen sehr hochohmigen Widerstand angeschlossen ist, dessen Ladespannung unter Berücksichtigung des Umladungsverhältnisses mit Hilfe des statischen Voltmeters gemessen wird.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt zunäehst den bekannten Spit zenspannungsmesser, bei dem ein Messkondensator 4 über ein Gleichrichterventil 3 von den an Spannung liegenden Klemmen 1 und 2 aus aufgeladen wird. Die Spannung wird dabei durch ein parallel zum Messkondensator geschaltetes elektrostatisches Voltmeter 5 gemessen.
Die Grenze der hiermit messbaren höchsten Frequenz ist. dadurch gezogen, dass bei festliegender Grösse der Entladezeitkonstante Te = Cm. Ra (Cn, ist die Kapazität des Messkondensators, Ra ist der Ableitwiderstand des Ventils in der Sperrphase) der innere Widerstand des Ventils bei höherer Frequenz nicht mehr gestattet, den Messkondensator ohne grossen Spannungsabfall auf volle Spannung aufzuladen.
Um kürzeste Spanmmgsvorgänge zu erfassen, muss die Aufladung des Messkonden- sators sehr schnell vor sich gehen. Das kann erreicht werden, indem entweder der Messkondensator verkleinert oder mehrere Ventile parallel geschaltet werden, oder ein Ventil genommen wird, dessen innerer Widerstand entsprechend klein ist. Hierdurch wird die Entladezeitkonstante natürlich stark verklei- nert.
Nachdem bei der Bestimmung der Grenzfrequenz des bekannten Spitzenspannungs messers die Entladezeitkonstante mit Rücksicht auf die gerade noch möglieh sichere Ablesung des elektrostatischen Instrumentes mit etwa 500 Sek. festgelegt war, kann bei der abgeänderten Auslegung, also bei stark reduzierter Entladezeitkonstante, eine direkte Spannungsablesung in der bisherigen Weise nicht mehr erfolgen. Diese Ablesung wird nach Fig. 2 dadurch wieder möglich gemacht, dass an dem Messkondensator 4 über einen sehr hochohmigen Umladewiderstand 6 der eigentliehe Anzeigekondensator 7 und an diesen erst das elektrostatische Instrument 5 angeschlossen wird.
Der Anzeigekondensator 7 (Ca) wird dabei zweckmässigerweise so gross gemacht, dass die Entladezeitkonstante für den Ablesevorgang
Ta = (Ca + Cm)Ra mindestens wieder 500 Sek. wird. Den Umladewiderstand (6) Ru wird man etwa 2 oder 3 Grössenordnungen kleiner wählen als den Ableitwiderstand Ra des oder der Ventile 3. Man erreieht damit, dass der während der Umladung des Messkondensators 4 auf den Ablesekondensator 7 über den Ventilableitwiderstand Ra abfliessende Ladvngsanteil vollständig ver nachlässigbar ist gegen die zur Ausmessung gelangende Ladung.
Gleichzeitig ist bei dieser Bemessung von R"dafur gesorgt, dass wäh- rend der Aufladung des Messkondensators 4 auf den Anzeigekondensator 7 keine Ladung kommt. Es ist dabei ja zu bedenken, dass der Umladewiderstand in der Grössenordnung von etwa 1010 Ohm liegen wird, zusammen mit der Grösse des Umladekondensators von mindestens etwa 20-10-12 M ergibt sieh damit eine Zeitkonstante für die Aufladung des Anzeige- kondensators von etwa 0, 2 Sek. Für die Aufladung des Messkondensators stehen aber nur Zeiten von längstens 10-5 Sek. zur.
Verfü- yang-dans Gerät soll ja in erster Linie zur Ausmessung sehr rasch verlaufender Vorgänge dienen. Selbst wenn man für diese Ladezeit von 10-5 Sek. eine Rechteekspannung vom Be t. rag lJ5 am Messgerät annimmt, dann würde der Anzeigekondensator nur auf etwa 3, 5 10-5 Cg aufgeladen werden. Rechnet man noch für die hier eingesetzten Werte mit einer Umladung 1 : 10, d. h. Ca = 10. Cm dann beträgt die Fälschung des Ableseergebnisses durch die während der Aufladung von Cm direkt auf Ca kommende Ladung etwa 0, 035 /o.
Ein Ausführungsbeispiel des Gerätes ist in Fig. 3 dargestellt. 1 und 2 sind die Anschlussklemmen des eigentlichen Spitzenspannungsmessers, 3 ist ein Ventil mit sehr kleinem innern Widerstand und relativ hoher Sperrspannung, 4 ist der Messkondensator, 9 ein parallel dazu liegender Trimmerkondensator, 7 der Umladekondensator Ca, an den über das abgeschirmte Kabel 10 das elektrostatische Messinstrument 5 angeschlossen ist. Die Heizung des elektrischen Ventils 3 erfolgt über eine abgeschirmte Wicklung 14 und einen Isoliertransformator 16 von einem beliebigen Wechselspannungsnetz 32 aus, wobei zwischen Isoliertransformator 16 und Netz noch der Isoliertransformator 31 eingeschaltet ist. Auf dem Transformator 16 ist ausserdem noch eine Wicklung 15 untergebracht, die am selben Potential liegt, wie die Heizwicklung 14, und die ebenfalls abgeschirmt ist.
Mit Hilfe dieser Wicklung 15 wird über ein Potentiometer 18 und einen Vollweggleichrichter 19 in den Ven tilkreis eine Gleichspannung eingefügt, die den Anlaufstrom dieses Ventils kompensieren soll.
20 ist ein Glättungskondensator, 21 der Parallelwiderstand zu dem Überbrüekungskonden- sator 22, an dem die Kompensationsspannung entsteht. Zur Ausmessung der beiden Polaritä- ten ist der Umschalter 23 vorgesehen ; bei jedem Wechsel der Stosspolarität ist dieser Sehalter entsprechend umzustellen. 46 ist ein Trimmerkondensator, der so eingestellt wird, dass bei beiden Polaritäten das Umladeverhältnis der Summe aus der Kapazität des Messkondensators und der zugehörigen Schaltkapa- zität zu der Kapazität des Ablesekondensators konstant bleibt. Eine derartige Einstellung ist erforderlich, da sich bei einer Umschaltung die Schaltkapazität verändert.
Bei der Ausmessung derartiger Stossvorgänge ist darauf zu aehten, dass das Potential bei 27, unter Umständen gegen Null angehoben wird, so dass zwischen ihm und dem Erdanschlusspunkt 12 des Ableseinstrumentes ein beträchtlicher Spannungsuntersehied auftreten kann. LTm nun die Übertragung dieser hohen Stossspannung auf den Beobachtungs- platz, also zum Instrument 5, und damit eine Gefährdung des Beobachters zu vermeiden, ist im vorliegenden Fall ausser dem Umladewiderstand 6 ein Entkopplungswiderstand 8 vorgesehen, der eine Potentialdifferenz zwischen den Punkten 12 und 27 verhindert.
Beide Widerstände sind sehr hochohmig, sie liegen in der Grossenordnung von etwa 109 bis : 101 Q. Auf diese Weise wird die ganze Ableseeinrichtung 5, das abgeschirmte Kabel 10 und der Ablesekondensator 7 gegen die hohen Stossspannungen abgeriegelt ; am Beobach- tungsplatz selbst können keine erhöhten Span nungen mehr auftreten. Bei dem Aufbau des Spitzenspannungsmessers ist dann allerdings zu beachten, dass zwischen dem am Erdungspunkt 27 liegenden Abschirmgehäuse 30 und dem abgeschirmten Kabel 10 während des Stossvorganges eine ganz beachtliche Spannungsdifferenz herrscht.
Dieser Tatsache ist cladurch Rechnung getragen, dass an der Durehführungsstelle des Kabels 10 durch das Gehäuse 30 eine Isolierbuchse 29 vorgesehen ist.
Aus ähnlichen Gründen der Isolation erfolgt auch die Zuleitung der Netzspannung 32 durch eine Isolierbuchse 28 und über einen Zwisehentransformator 31. Das unmittelbare Aufbringen der Netzwieklung auf dem Transformator 16 ist nicht zu empfehlen, da die beiden Wicklungen 14 und 15 mit sehr kleiner Kapazität gegen den Kern des Transformators 16, d. h. mit grossem Abstand von diesem, ausgeführt werden müssen ; anderseits muss aber auch die Netzwicklung einen grossen Span nungsabstand von dem Kern 16 erhalten.
Es liesse sich bei Verwendung eines Transformators kaum vermeiden, dass auf diese Weise zwischen den Wieklungen 14 und 15 und der Abschirmung der Netzwicklung grosse störende Kapazitäten entstehen ; bei der gewählten Anordnung besteht diese Gefahr nicht.
Parallel zu dem Messinstrument 5 ist noch eine Kurzschlusstaste 11 vorgesehen, um nach jedem Stoss, d. h. also nach jeder Messung, das Instrument 5 bzw. den Ablesekondensator 7 und den Messkondensator 4 entladen zu kön- nen, würde man dies unterlassen, dann würde mit der Zeit, d. h. mit einer grosseren Zahl von Stössen, der Ablesekondensator 7 auf die volle Spitzenspannung des Messkondensators 4 aufgeladen werden.
Wenn man auch in Sonderfällen diesen Vorgang vielleicht so ausnützen wird, dass man das Instrument 5 erst nach dem zweiten oder dritten Stoss abliest, weil ein einmaliger Stoss einen zu kleinen Ausschlag am Voltmeter 5 erzeugt, so wird man normalerweise doeh, wie eingangs schon er wähnt, nach jedem Stoss den Kurzschliesser 11 betätigen. Zweckmässig geht man sogar so vor, dass das Instrument im normalen Zustand über den Taster 11 kurzgeschlossen und erst kurz vor der Auslösung der Stossspannung kurzzeitig geöffnet wird.
In Fig. 3 ist für den Anschluss des Spitzen spannungsmessers ein kapazitiver Spannungsteiler vorgesehen ; 26 bezeichnet dabei den Leitungsanschluss, 25 den Hochspannungskondensator und 24 den Teilerkondensator. Während bei der Auswahl des Messkondensators 4 bzw. des Kondensators 9 und 31 darauf geachtet werden muss, dass diese Kondensatoren frequenzunabhängig sind, d. h. Luft oder Glimmer als Dielektrikum besitzen, ist bei der Auswahl der Kondensatoren 24 und 25 nur darauf zu sehen, dass die Übersetzung des Spannungsteilers frequenzunabhängig ist, was aueh schon erreicht wird, wenn für die beiden Konden- satoren das gleiche Dielektrikum, auch wenn es frequenzabhängig ist, benützt wird.
Zweckmässig macht man den Teilerkondensator 24 etwa zwei bis drei Grössenordnungen grösser als die Summe der über das oder die Ventile 3 unmittelbar aufzuladenden Messkondensatoren.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Spitzenspannungsmessers mit Kondensatorum- ladung ist in Fig. 4 dargestellt. In dieser Ausführung ist der Spitzenspannungsmesser in erster Linie vorgesehen zur Bestimmung der Stossspannungsdifferenz zwischen zwei Wick- lungpunkten l und 2 einer Transformatorwicklung 38, die bei 40 einpolig geerdet ist und die auf die freie Klemme 39 gestossen wird. Die eigentliche Messeinrichtung ist hier in einem Abschirmgehäuse 45 untergebracht, das mit der Kathode des Ventils 3 verbunden ist.
Die Heizung dieses Ventils erfolgt durch einen Spezialtransformator 36, dessen Heizwicklung 34 mit kleinster Erdkapazität ausgeführt wird, um zu vermeiden, dass eine zusätz- liche Erdkapazität des als Heiztransformator verwendeten Spezialtransformators 36-das Messergebnis beeinflusst. Eine zusätzliche Erd- kapazität macht sich besonders dann ungün- stig bemerkbar, wenn der Prüfling nur eine kleine Längskapazität aufweist. Die Netzwick- lung dieses Transformators ist mit 37 bezeich- net.
Durch das Ventil 3 wird der Messkondensator 4 aufgeladen, der sich über den Umladewiderstand 6 auf den Ablesekondensator 7 entlädt, der leicht abnehmbar in die Klemmen 41 und 42 eingehängt ist.
Wie schon vorgeschlagen, wird auch hier zum Ausmessen der Ladung des Anzeigekon- densators 7 dieser aus dem Aufladeteil des Messgerätes entfernt und an die Klemmen 43 und 44 des einpolig an Erde angeschlossenen elektrostatischen Messinstrumentes 5 angelegt.
Durch dieses Verfahren erreicht man, dass der eigentliche Spitzenspannungsmesser nicht mit der zusätzlichen Erdkapazität des elektrosta- tischen Instrumentes 5 belastet wird. Dasselbe ist auch durch spezielle, automatisch wirkende Schaltmittel zu erreichen. Bekanntlich wird der Stossgenerator meist durch eine Druck knopfsteuerung ausgelöst. Verwendet man hierbei ein zusätzliches Zeitrelais zur Umschal- tung des Kondensators, so wird dadurch der Umladewiderstand ersetzt, und das statische Voltmeter besitzt Erdpotential, da bei dieser Ausführung das Umschaltelement für die volle Stossspannung isoliert ist.
Bei dem Aufbau des eigentliehen Spitzen- spannungsmessers ist sowohl ein Ventil kleinster Eigenkapazität zu wählen, ebenso darf der Messkondensator 4 nur eine kleine Ka. pazi- tät besitzen. Um trotzdem auf dem Ablesekon- densator 7 eine nennenswerte Spannung aufzubringen, wird man die Stossversuche mit der, mit Rücksicht auf die Sperrspannung des Ventils 3 möglichen, höchsten Stossspannung durchfiihren. Es lässt sieh auf diese Weise, sogar bei genügend hoher Umladung, ohne weiteres erreichen, dass im Kondensator sieben Spannungen von etwa 300 bis 2000 Volt auftreten.
Diesen Spannungen gegenüber spielt aber die durch den Anlaufstrom des Ventils 3 hervorgerufene Aufladung von 4 bzw. 7 in der Grolle von etwa 2 bis 3 Volt keine Rolle ; das Fig. 4 dargestellte Gerät ist deshalb ohne Kompensation des Anlaufstromes ausgeführt.
Ausser kleinsten Messkapazitäten muss der Spitzenspannungsmesser auch noch mit kleinsten Erdkapazitäten ausgeführt werden. Aus diesem Grunde wurde beim Heiztransformator der Teil des Eisenkerns 35, auf dem die Heiz- wicklung 34 aufgebracht ist, durch zwei Luft- spalte beträchtlicher Grosse gegen den auf Erdpotential befindlichen übrigen Eisenkern des Transformators 36 isoliert. Als Erdkapazität dieses Transformators kommt daher in erster Linie nur die Kapazität des Kernteils 35 gegen den Transformatorkern 36 in Frage ; sie liegt selbst bei einigen Watt Heizleistung in der Grosse von etwa 5 pF. Selbstverständlich werden die Verbindungsleitungen zwischen Heizwicklung bzw. Wicklungsme#punk- ten und dem Spitzenspannungsmesser so kurz als überhaupt nur möglich gehalten.
In den Ausführungsbeispielen ist der vorgeschlagene Spitzenspannungsmesser nur dargestellt zur Ermittlung des Höchstwertes einmaliger, rasch verlaufender Überspannungen.
Selbstverständlich lassen sich mit ihm aueh Höchstwerte von elektrischen Strömen und sonstigen elektrischen bzw. auch niehtelektrisehen Vorgängen bestimmen, wenn diese erst in elektrische Spannnngen umgeformt worden sind.
Die hier vorgeschlagene Spitzenspannungsmesser kann an eine Alessstelle, die auch eine stationäre Spannung besitzt, nieht angesehlos- sen werden, da eine solche den Ablesekonden- sator 7 im Laufe einiger Sekunden auf genau denselben Wert auflädt, wie den : Alesskonden- sator 4, das Umladeverhättnis also = 1 wird, während dieses sonst 10, 20 oder vielleicht noch mehr beträgt.
Ausserdem ist es unter Umstanden möglich, dass der Anzeigekondensator nicht sehon während des Stossvorganges über den Umladewiderstand an den Messkondensator angeschlossen ist, sondern erst nach Beendigung des Stosses, wobei der Messkon- densator gleichzeitig vom Ventil getrennt und damit seine Entladung über den Ableitwider- stand desselben verhindert wird. Wird diese Umschaltung in der ersten Sekunde nach Abklingen des Stosses durchgeführt, dann ergibt eine überschlägige Rechnung, dass keine allzu grosse Fdlsehung des Messergebnisses eintritt, obwohl die Leistungsfähigkeit der Messanord nung gegenüber der einfachsten Sehaltung nach Fig. 1 beträchtlich erhöht sein kann.
Nimmt man nämlich an, dass die für die einfaehste Schaltung zugrunde gelegte Entlade- zeitkonstante von 500 Sek. durch entsprechende Verkleinerung des Messkondensators auf 100 Sek. herabgesetzt wird, so kann ein solcher Spitzenspannungsmesser im günstigsten Fall bis zu Grenzfrequenzen von ungefähr 2. 106 11z verwendet werden. Ist die Umschal- tung des Messkondensators auf den Anzeigekondensator nun innerhalb 1 Sek. abgeschlossen, so kann höchstens I O/o der auf dem Messkondensator liegenden Ladang für die Ausmessung verlorengegangen sein, ein Betrag, der ohne weiteres in Kauf genommen werden kann.
Der Vorteil dieser Schaltung ist der, dass auch linger dauernde einmalige Über- spannungsvorgänge ausgemessen werden kön- nen.
Die Schaltung nach Fig. 4 kann in gewissen Fällen noch dadurch verbessert werden, dass das elektrische Ventil mit einer Kathode sehr grosser Wärmekapazität ausgeführt wird.
Man kann dann so vorgehen, dass die Kathode vor dem Stoss von Erde aus hochgeheizt wird, dass vor dem Stoss diese Heizung zweipolig abgeschaltet, d. h., dass das Messgerät von ihrer zusätzlichen Erdkapazität befreit wird, und durch denselben Handgriff, der die Heizung abschaltet, kann man auch den Stoss auslösen.
Der Heizfaden ist dann noch genügend heiss, d. h. der innere Widerstand des Ventils noch so klein, dass einwandfreie Messungen möglich sind. Unter Umständen ist es auch vorteilhaft, die Heizung des Ventils durch eine kleine, in das Messgerät eingebaute Batterie vorzunehmen.
Beim Aufbau eines Spitzenspannungsmessers nach Fig. 4, bei dem also grösster Wert auf kleinste Kapazität aller Teile nnterein- ander und gegen Erde zu legen ist-durch zusätzliche Kapazitäten zwischen dem Gehäuse 45 und den mit der Anode des Gleichrichter- rohres verbundenen Teilen wird die Gleich- spannungsergiebigkeit des Spitzenspannungsmessers unter Umständen sehr stark herab- gesetzt-, kann es von grossem Vorteil sein, wenn der Messkondensator 4 unmittelbar-in das Ventil 3 mit eingebaut wird.
Man kann das Ventil dann so ausbilden, dass seine Anode den einen Belag des Messkondensators und eine zweite kleine, eingeschmolzene Platte den andern Belag des Messkondensators bilden.
Selbstverständlich ist dann darauf zu achten, dass die eigentliche Anode den andern Kondensatorbelag gegen die von der Kathode ausgehenden Elektronen so abschirmt, dass durch solche Störströme keine Fälsehung der Messungen entsteht.
Für den Fall, dass die Anode als die eine Kondensatorbelegung benützt wird, muss ausser der Anode nur noch eine zusätzliche Durch- führung für die zweite Kondensatorbelegung vorgesehen werden.