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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungsteiler mit mindestens
einem Oberspannungswiderstand und mindestens einem Unterspannungswiderstand
zur Erzeugung einer Unterspannung und einer Oberspannung in einem
vorgegebenen Übertragungsverhältnis. Die
Erfindung betrifft insbesondere einen gattungsgemäßen ohmschen Spannungsteiler.
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Derartige
Spannungsteiler sind insbesondere zur Spannungsmessung in Mittel-
und Hochspannungsanlagen bekannt und weit verbreitet. Beispielsweise
ist in der
EP 0 815 454 ein
Spannungswandler mit einem gattungsgemäßen Spannungsteiler zur Spannungsmessung
von Mittel- und
Hochspannungsanlagen mit einer kombinierten Anordnung von ohmschen
Teilerwiderstand und Mittel zur Kompensation von elektromagnetischen
Umgebungseinflüssen
beschrieben. Dabei sind die Mittel zur Kompensation von elektromagnetischen
Umgebungseinflüssen
Abschirmelektroden, welche den ohmschen Tellerwiderstand umgeben.
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Eine
besonders häufige
Anwendung derartiger Spannungsteiler in der Hoch- und Mittelspannungstechnik
ist die Durchführung
von präzisen
Messungen, beispielsweise für
die Zwecke des Monitorings. Dabei werden insbesondere in der Antriebstechnik,
wie z. B. bei dem Magnetschwebesystem Transrapid, hohe Forderungen
an den Fehlergang des Spannungsübertragungsverhältnisses
gestellt. Entscheidend ist gemäß dieser
Anforderungen ein Einhalten von Vorgaben sowohl für den Betragsfehler als
auch für
den Fehlwinkel, also die Phasenverschiebung, über einen weiten Frequenzbereich.
Häufig
werden sehr enge Fehlergrenzen über
einen extrem weiten Frequenzbereich, beispielsweise von 0 bis 10.000
Hz, vorgegeben.
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Die
bekannten Spannungsteiler weisen demgegenüber aufgrund der Umgebungseinflüsse, welche
insbesondere durch die Kapazitäten
und Eigenschaften von Abschirmelektroden bedingt sind, einen Frequenzgang
auf, welcher die Einhaltung der vorgegebenen Fehlergrenzen bezüglich Betrag
und Phase nur für
einen verhältnismäßig engen
Frequenzbereich, etwa von 50 bis 200 Hz, sicherstellt. Dies ist
für die
genannten Anwendungsbereiche der Technik jedoch völlig unzureichend.
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Außerdem weisen
die bekannten Spannungsteiler aufgrund der o. g. Umgebungseinflüsse eine
hohe Fertigungsstreuung der einzelnen Spannungsteiler einer Produktionsserie
untereinander auf. Dies ist sowohl aus Anwendersicht als auch aus
Herstellersicht ebenfalls sehr nachteilig.
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Ein
anderer gattungsgemäßer Spannungsteiler
ist in der
EP 1 018
024 B1 offenbart und weist die selben Unzulänglichkeiten
wie der oben beschriebene auf.
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Die
vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, einen
gattungsgemäßen Spannungsteiler
so zu gestalten, dass dessen Übertragungsverhältnis in
einem möglichst
breiten Frequenzbereich frequenzunabhängig ist, so dass der Spannungsteiler
in einem möglichst
großen
Frequenzbereich innerhalb vorgegebener Fehlergrenzen insbesondere
für Messzwecke
eingesetzt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe dadurch gelöst,
dass ein gattungsgemäßer Spannungsteiler
ein zu dem Unterspannungswiderstand parallel geschaltetes Kompensationsnetzwerk
mit einem erdseitigen und einem spannungsseitigen Ausgangskontakt
aufweist. Durch das Kompensationsnetzwerk werden die für den Frequenzgang
des Spannungsteilers schädlichen
parasitären
Widerstände
und Kondensatoren je nach Wahl des Kompensationsnetzwerkes über einen
weiten Frequenzbereich eliminiert. Dadurch, dass das Kompensationsnetzwerk
zu dem Unterspannungswiderstand parallel geschaltet ist, kann es
auf einfache Weise dem Spannungsteiler hinzugefügt werden, ohne dass ein komplettes Re-Design
des Spannungsteilers erforderlich ist. Statt dessen wird die Unterspannung
einfach an dem erdseitigen und dem spannungsseitigen Ausgangskontakt
des erfindungsgemäßen Kompensationsnetzwerkes
abgegriffen statt wie gemäß dem Stand der
Technik üblich
direkt an dem Unterspannungswiderstand.
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In
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spannungsteilers
ist vorgesehen, dass das Übertragungsverhältnis über einen
Frequenzbereich von 0 bis ungefähr
1.000 Hz bezüglich
für Meßzwecke
vorgegebener Fehlergrenzen für
Betrag und Phase konstant ausgestaltet ist. Gegenüber den
herkömmlichen
Spannungsteilern, deren Übertragungsverhältnis lediglich
beispielsweise in einem Frequenzintervall von 0 bis 200 Hz innerhalb
für Messzwecke
geeigneter Fehlergrenzen bleiben, ist die Sicherstellung eines im
wesentlichen konstanten Übertragungsverhältnisses über den
dem gegenüber
sehr weiten Frequenzbereich von 0 bis ungefähr 1.000 Hz für viele Anwendungen
von großem
Nutzen. Insbesondere können
viele Messaufgaben innerhalb dieses Frequenzintervalls mit hoher
Präzision
ausgeführt
werden.
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Der
erfindungsgemäße Spannungsteiler
wird noch verbessert, wenn das Übertragungsverhältnis über ein
Frequenzintervall von 0 bis ungefähr 10.000 Hz bezüglich für Meßzwecke
vorgegebener Fehlergrenzen für
Betrag und Phase konstant ausgestaltet ist. Hierdurch wird die Anwendbarkeit
des erfindungsgemäßen Spannungsteilers
noch erheblich ausgedehnt, so dass auch Anwendungen, die höchste Präzision erforderlich
machen, wie z. B. die Antriebstechnik oder spezieller die Magnetschwebetechnik,
mit dem erfindungsgemäßen Spannungsteiler
realisiert werden können.
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Wenn
gemäß einer
speziellen Ausgestaltung der Erfindung das Kompensationsnetzwerk
ausschließlich
passive Bauelemente enthält,
ergibt sich der Vorteil, dass das Kompensationsnetzwerk auf im wesentlichen
herkömmliche
Passivfilterelemente zurückgreifen
kann. Diese sind weit verbreitet und gut verfügbar. Insbesondere ergibt sich
durch die Verwendung ausschließlich
passiver Bauelemente eine besonders kostengünstige Herstellung des erfindungsgemäßen Spannungsteilers.
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Bei
einer speziellen Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Spannungsteilers
enthält
das Kompensationsnetzwerk ausschließlich Kapazitäten und
ohmsche Widerstände.
Durch Kombination von Kapazitäten
und ohmschen Widerständen
lassen sich in dem erfindungsgemäßen Kompensationsnetzwerk
RC-Tiefpassfilter, RC-Hochpassfilter, RC-Bandpassfilter,
RC-Bandsperren, RC-Allpassfiler von jeweils beliebiger Ordnung allein
oder vernetzt verwenden.
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Der
Verzicht auf die Verwendung von Induktivitäten, also Spulen, führt hierbei
auf der einen Seite zu einer Verringerung der Abmessungen des Kompensationsnetzwerkes
wie auch zu einer Reduzierung des Gewichtes. Außerdem sind Kostenersparnisse
durch die Einsparung von besonders für tiefe Frequenzen anderenfalls
benötigten
großen
und teuren Spulen möglich.
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Eine
besonders für
die Kompensation in einem Frequenzbereich bis 1.000 Hz geeignete
spezielle Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Spannungsteilers
ist gekennzeichnet dadurch, dass das Kompensationsnetzwerk spannungsseitig
mindestens einen dreipoligen Eingangsknoten, einen dreipoligen Mittelknoten
sowie einen dreipoligen Ausgangsknoten aufweist, wobei der Eingangsknoten mit
der Spannungsseite des Unterwiderstands kurzgeschaltet, über einen
ersten ohmschen Widerstand geerdet sowie über einen zweiten ohmschen
Widerstand mit dem Mittelknoten verbunden ist, der Mittelknoten
außerdem über einen
dritten ohmschen Widerstand sowie eine zu dem dritten ohmschen Widerstand
in Reihe geschaltete erste Kapazität geerdet und mit dem Ausgangsknoten
kurzgeschlossen ist, und der Ausgangsknoten außerdem über eine zweite Kapazität geerdet
sowie mit einem spannungsseitigen Netzwerkausgang verbunden ist.
Mit dem Kompensationsnetzwerk gemäß der Erfindung wird vorteilhaft
mit dem ersten ohmschen Widerstand das Übertragungsverhältnis bei
niedrigen Frequenzen beeinflusst, bei hohen Frequenzen wird es mit
der zweiten Kapazität
beeinflusst und schließlich
beeinflussen bei mittleren Frequenzen der zweite ohmsche Widerstand,
der dritte ohmsche Widerstand sowie die erste Kapazität das Übertragungsverhältnis. Ein
besonderer Vorzug dieser Ausführungsform
ist der vergleichsweise einfache Aufbau des Kompensationsnetzwerkes.
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Besonders
für die
Kompensation in einem noch größeren Frequenzbereich,
z. B. bis 10.000 Hz, sieht eine Variante des erfindungsgemäßen Spannungsteilers
vor, dass zwischen den Mittelknoten und den Ausgangsknoten ein Doppel-T-Filter
geschaltet ist.
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Dabei
können
die an sich bekannten Eigenschaften des Doppel-T-Filters, z. B.
dessen Wirkung als Bandsperre, vorteilhaft eingesetzt werden. Durch die
Schaltungstopologie des Doppel-T-Filters wird ein weiterer Knoten
zur Signalerde geführt,
in welchen weitere Bauelemente oder Schaltungen eingebaut werden
können.
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Besonders
vorteilhaft ist es in Ausgestaltung der Erfindung, wenn das Doppel-T-Filter
aus einem ersten T-Filter, dessen Signalleitung einen vierten ohmschen
Widerstand und einen fünften
ohmschen Widerstand enthält
und von dessen Zwischenknoten in Richtung zur Signalerde nacheinander
eine Kapazität
und ein ohmscher Widerstand in Reihe geschaltet sind, und aus einem
zweiten T-Filter, dessen Signalleitung Kapazitäten enthält und von dessen Zwischenknoten
in Richtung zur Signalerde parallel eine Kapazität und ein ohmscher Widerstand
geschaltet sind, besteht. Dabei dient das erste T-Filter zur Korrektur
tiefer Frequenzen und das zweite T-Filter zur Korrektur hoher Frequenzen.
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Gemäß einer
anderen vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Spannungsteilers
umfasst das Kompensationsnetzwerk einen Kettenleiter, dessen Glieder
vorzugsweise jeweils zwei ohmsche Widerstände und eine Kapazität umfassen. Dabei
dient der Kettenleiter ebenfalls zur Korrektur des Frequenzgangs
zur Sicherstellung eines bezüglich
Betrag und Phase möglichst
konstanten Übertragungsverhältnisses
des Spannungsteilers. Der Kettenleiter ist insbesondere aufgrund
seiner inneren Symmetrie von Vorteil.
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In
spezieller Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spannungsteilers weist
der Kettenleiter ein aus einem ohmschen Widerstand bestehendes Eingangsglied
auf, welches mit der Spannungsseite des Unterwiderstandes kurzgeschaltet
ist. Dabei dient das Eingangsglied zur Korrektur des Übertragungsverhältnisses
bei niedrigen Frequenzen.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird gleichermaßen gelöst durch
ein Verfahren zur Verbesserung eines erfindungsgemäßen ohmschen Spannungsteilers,
bei dem erfindungsgemäß zunächst ein
Frequenzgang des ohmschen Spannungsteilers ermittelt wird, anschließend ein
Kompensationskennzeichen mit einem erdseitigen und einem erdabgewandten
Ausgangskontakt auf Grundlage des ermittelten Frequenzgangs berechnet
wird und schließlich
das berechnete Kompensationsnetzwerk gefertigt und in den Spannungsteiler
eingebaut wird. Diese Vorgehensweise stellt sicher, dass ein jeweils
für einen
individuellen Spannungsteiler optimales Kompensationsnetzwerk ermittelt wird.
Dies ist insbesondere mit Blick auf die in der Praxis beobachtete
Fertigungsstreuung, welche in Teilerschargen auftritt, von unschätzbarem
Vorteil. Die Berechnung des Kompensationsnetzwerkes aufgrund des
ermittelten Frequenzgangs kann dabei mit den dem Fachmann bekannten
Filterentwurfsmethoden durchgeführt
werden. Die Berechnung kann sich sowohl auf die komplette Schaltkreistopologie
beziehen, als auch auf die Berechnung von Parametern, wie beispielsweise
den Werten für
Kapazitäten
und ohmsche Widerstände,
einer gegebenen Schaltkreistopologie beschränkt sein.
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Eine
besonders hinsichtlich der Fertigung und Logistik günstige Variante
des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, dass eine Vielzahl von Frequenzgängen an verschiedenen Spannungsteilern ermittelt
werden, dass die ermittelten Frequenzgänge in eine vorgegebene Anzahl
von Gruppen ähnlichen
Frequenzgangs eingestuft werden, daß zu jeder Gruppe ein Kompensationsnetzwerk
berechnet wird und anschließend
das berechnete Kompensationsnetzwerk als Kompensationsnetzwerkmodul
vorgefertigt wird. Eine geeignete Gruppenbildung kann dabei mit
bekannten mathematischen Methoden, wie z. B. Klassifizierung durch
neuronale Netze, durchgeführt
werden.
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Da
sich in der Praxis gezeigt hat, dass innerhalb der Fertigungsstreuung
häufig
nur eine begrenzte, diskrete Schar typischer Frequenzgänge vorkommt,
kann mit dieser Vorgehensweise eine deutliche Reduzierung der Typenvielfalt
erreicht werden unter Einhaltung vorgegebener Fehlergrenzen. Das Kosten-/Nutzenverhältnis lässt sich
somit optimieren.
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In
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird der ermittelte Frequenzgang einer Gruppe mit möglichst ähnlichen
Frequenzgängen
zugeordnet und das zu der zugeordneten Gruppe gehörende Kompensationsnetzwerkmodul
in den Spannungsteiler eingebaut.
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Nachdem
also der Frequenzgang eines einzelnen Spannungsteilers gemessen
wurde, wird dieser der passenden Gruppe zugeordnet. Durch die Gruppe
ist sodann das zur Kompensation geeignete Kompensationsnetzwerkmodul,
welches bereits vorgefertigt ist, ausgewählt. Die Ausstattung von Spannungsteilern
mit dem erfindungsgemäßen Kompensationsnetzwerk
lässt sich
somit mit verhältnismäßig geringem
Aufwand an den bestehenden Herstellungsablauf des Spannungsteilers
anfügen.
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In
Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird der ermittelte Frequenzgang einer linearen Überlagerung von mehreren Kompensationsnetzwerkmodulen
zugeordnet. Hierdurch können
die Kompensationsnetzwerkmodule im Sinne einer mathematischen Basis
verwendet werden, welche in geeigneter Weise elektrisch miteinander
kombiniert werden. Bei kleinem logistischem Aufwand wird hierdurch
die Korrektur weiter optimiert.
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Die
Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme
auf eine Zeichnung beispielhaft beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Einzelheiten
den Figuren der Zeichnung zu entnehmen sind.
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Funktionsmäßig gleiche
Teile sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Die
Figuren der Zeichnung zeigen im Einzelnen:
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1 schematischer
Aufbau der Struktur eines Spannungsteilers gemäß dem Stand der Technik
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2 vereinfachtes
Ersatzschaltbild des Spannungsteilers aus 1
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3 Schaltbild
des erfindungsgemäßen Spannungsteilers
mit Kompensationsnetzwerk
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4 Schaltbild
einer anderen Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Spannungsteilers
mit Kompensationsnetzwerk
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5 Schaltbild
einer dritten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Spannungsteilers
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6 Flußdiagramm
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Verbesserung eines erfindungsgemäßen Spannungsteilers.
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In 1 besteht
ein Spannungsteiler 1 aus einem Oberspannungswiderstand 2 und
einem Unterspannungswiderstand 3. Der Oberspannungswiderstand 2 ist
von Abschirmelektroden 4 umgeben. Der Unterspannungswiderstand 3 ist
von Abschirmelektroden 5 umgeben. Die Abschirmelektroden 4, 5 können leitend
oder halbleitend sein. Zwischen dem Oberspannungswiderstand 2 und
den Abschirmelektroden 4 entstehen Kapazitäten 6.
Die Kapazitäten 6 sind
durch die geometrischen Verhältnisse
bestimmt und deren Wert schwankt innerhalb einer Fertigungsscharge
von Spannungsteilern technologisch bedingt. Entsprechend entstehen
Kapazitäten 7 zwischen
dem Oberspannungswiderstand 2 und den Abschirmelektroden 5.
Außerdem
entsteht eine Kapazität 7 zwischen
dem Unterspannungswiderstand 3 und den Abschirmelektroden 5.
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An
einem Hochspannungseingang 8 wird Hochspannung an den Spannungsteiler 1 angelegt. An
einem erdseitigen und einem spannungsseitigen Ausgangskontakt 9, 10 ist
die Unterspannung U2 abgreifbar. Der Spannungsteiler 1 ist
mit der Erde 11 verbunden.
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In 2 ist
ein Ersatzschaltbild des Spannungsteilers 1 aus 1 gezeigt.
Darin ist der Oberspannungswiderstand 2 durch Oberspannungsteilwiderstände 12 ersetzt.
Die Kapazitäten 6, 7 der
Abschirmelektroden 4, 5 sind als Kondensatoren 6, 7 dargestellt.
Der Oberspannungswiderstand 3 ist durch die Unterspannungsteilwiderstände 13 ersetzt.
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Die
Kondensatoren 6, 7 sind den Oberspannungsteilwiderständen 12 bzw.
den Unterspannungsteilwiderständen 13 in
Form eines Kettenleiters zugeschaltet. Die Glieder des Kettenleiters
umfassen dabei jeweils einen Oberspannungsteilwiderstand 12 und
einen Kondensator 6 bzw. einen Unterspannungsteilwiderstand 13 und
einen Kondensator 7.
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Dadurch,
dass der ohmsche Teiler entsprechend diesem vereinfachten Ersatzschaltbild
tatsächlich
ein gemischter RC-Teiler ist, wird das Übertragungsverhältnis des
Spannungsteilers frequenz- und belastungsabhängig. Daraus ergibt sich in
der Folge eine Frequenzabhängigkeit
des Fehlerverhaltens. Dies ist für
viele Anwendungen, insbesondere aus dem Bereich der Antriebstechnik,
nicht akzeptabel.
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Das
hier dargestellte vereinfachte Ersatzschaltbild eines gattungsgemäßen Spannungsteilers dient
lediglich der theoretischen, modellhaften Erklärung der empirisch beobachteten
Frequenzabhängigkeit
des Übertragungsverhältnisses
eines realen Spannungsteilers. Eine genauere Betrachtung würde zu einem
weiter vervollständigten
Ersatzschaltbild eines Spannungsteilers führen, welcher noch weitere Kapazitäten hat,
die sich längs
des Oberspannungswiderstandes 2 und des Unterspannungswiderstandes 3 aufgrund
der Abschirmelektroden 4, 5 bilden. Außerdem würden noch
die ohmschen Widerstände der
Abschirmelektroden 4, 5 zu berücksichtigen sein. In jedem
Falle variieren zusätzlich
die in das Modell aufgenommenen Bauelemente aufgrund von technologischen
Einflüssen.
Aus alledem ergibt sich, dass die Spannungsteiler einer Fertigungsserie
einer großen
Streuung bezüglich
des Frequenzgangs und damit verbunden des Übertragungsverhältnisses
bei einer gegebenen Frequenz unterliegen.
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In
der 3 ist das Ersatzschaltbild des Spannungsteilers
aus 2 gemäß der Erfindung um
ein Kompensationsnetzwerk 14 ergänzt dargestellt. Das Kompensationsnetzwerk 14 ist
parallel geschaltet zu dem erdseitigen Ausgangskontakt 9 sowie
dem spannungsseitigen Ausgangskontakt 10 des Spannungsteilers 1.
Das Kompensationsnetzwerk 14 weist zwischen dem spannungsseitigen
Ausgangskontakt 10 des Spannungsteilers 1 und
dem spannungsseitigen Netzwerkausgang 15 einen Eingangsknoten 16,
einen dreipoligen Mittelknoten 17 sowie einen dreipoligen
Ausgangsknoten 18 auf. Der Eingangsknoten 16 ist
mit dem spannungsseitigen Ausgangskontakt des Spannungsteilers 1,
mit einem Widerstand R8 sowie mit einem Widerstand R9 verbunden.
Der Mittelknoten 17 ist mit dem Widerstand R9, dem Widerstand
R10 sowie mit dem Ausgargsknoten 18 verbunden. Der Ausgangsknoten 18 ist
einerseits mit dem Mittelknoten 17, andererseits mit dem
spannungsseitigen Netzwerkausgang 15 und der Kapazität C8 verbunden.
Erdseitig sind der Widerstand R8, die Kapazitäten C7 und C8 jeweils mit der
Erde 11 verbunden.
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Im
Betrieb wird mit dem Widerstand R8 das Übertragungsverhältnis bei
niedrigen Frequenzen und mit der Kapazität C8 das Übertragungsverhältnis bei
hohen Frequenzen beeinflusst. Die ohmschen Widerstände R9,
R10 sowie die Kapazität
C7 beeinflussen die mittleren Frequenzen. Durch diese einfache Kombination
ist in einem gegenüber
dem Stand der Technik sehr weiten Frequenzbereich, beispielsweise
bis 1.000 Hz ein Spannungsteiler gemäß der Erfindung vorgeschlagen, welcher
innerhalb bezüglich
für Messzwecke
vorgegebener Fehlergrenzen für Betrag
und Phase ein im wesentlichen konstantes Übertragungsverhältnis hat.
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In 4 ist
der ohmsche Spannungsteiler gemäß dem schematischen
Modell aus 2 um eine andere Variante des
erfindungsgemäßen Kompensationsnetzwerkes 14 ergänzt dargestellt.
Im Vergleich zu dem in 3 dargestellten Kompensationsnetzwerk 14 unterscheidet
sich das in der vorliegenden 4 dargestellte
Kompensationsnetzwerk 14 darin, dass zwischen den Mittelknoten 17 und
den Ausgangknoten 18 des Kompensationsnetzwerks 14 ein
Doppel-T-Filter 19 geschaltet ist.
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Das
Doppel-T-Filter 19 besteht aus den ohmschen Widerständen R11,
R12 und den Kapazitäten C11
sowie dem ohmschen Widerstand R14. Dabei bilden die vorgenannten
Elemente einen ersten T-Filter 20 des Doppel-T-Filters 19.
Dabei ist der ohmsche Widerstand R11 mit dem Mittelknoten 17 verbunden und
der ohmsche Widerstand R12 mit dem Ausgangsknoten verbunden. Von
dem Zwischenknoten 21 des ersten T-Filters 20 des innerhalb des
Doppel-T-Filters 19 geht in Serie geschaltet die Kapazität C11 und
der ohmsche Widerstand R14 zur Erde 11 ab.
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Das
zweite T-Filter 22 innerhalb des Doppel-T-Filters 19 besteht
aus den Kapazitäten
C9, C10, C13 und dem ohmschen Widerstand R13. Dabei bilden die Kapazitäten C9,
C10 die Verbindung zwischen dem Mittelknoten 17 und dem
Ausgangsknoten 18. Von den zwischen den Kapazitäten C9 und
C10 gelegenen Zwischenknoten 23 des zweiten T-Filters geht einerseits
der ohmsche Widerstand R13 und andererseits parallel geschaltet
dazu die Kapazität
C13 zur Erde 11 ab.
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Das
erste T-Filter 20 dient für die Korrektur tiefer Frequenzen,
das zweite T-Filter 22 dient der Korrektur hoher Frequenzen.
Zusätzlich
entfalten die bereits im Zusammenhang mit der Beschreibung des Ausführungsbeispiels
aus 3 beschriebenen Komponenten des Kompensationsnetzwerks 14 die dort
beschriebene Filterwirkung.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Kompensationsnetzwerk 14 gemäß 4 lässt sich
eine Kompensation in einem noch größeren Frequenzbereich bis etwa
10.000 Hz erreichen. Innerhalb dieses Frequenzbereichs ist innerhalb
für Messzwecke
geeigneter Fehlergrenzen ein konstantes Übertragungsverhältnis des
Spannungsteilers 1 mit großen Vorteil für die Anwendungen
sichergestellt.
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In 5 ist
ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Spannungsteilers
im Schaltbild dargestellt. Wiederum ist das modellhafte Ersatzschaltbild
des bekannten Spannungsteilers 1 zu erkennen, welcher ergänzt ist
durch das erfindungsgemäße Kompensationsnetzwerk 14. Bei
diesem Ausführungsbeispiel
besteht das Kompensationsnetzwerks 14 aus einem Kettenleiter.
Ein Glied des Kettenleiters besteht aus einem spannungsseitigen
ohmschen Widerstand R15, einem Zwischenknoten 24 und aus
einer Erdableitung 25, welche von dem Zwischenknoten 24 über einen
ohmschen Widerstand R20 und eine dazu in Serie geschaltete Kapazität C12 zur
Erde 11 geführt
ist. Der Kettenleiter besteht aus fünf derartigen Kettengliedern.
Parallel zu dem Kettenleiter ist der ohmsche Widerstand R8 von dem
Eingangsknoten 16 zur Erde 11 geschaltet. Mit
dieser Anordnung konnte ebenfalls eine über einen extrem weiten Frequenzbereich
betrags- und phasenmäßig konstante
Spannung U ^2 erzielt werden.
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In
der 6 ist eine Flußdiagramm dargestellt, welches
die Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Verbesserung eines erfindungsgemäßen ohmschen Spannungsteilers
veranschaulicht.
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Wie
zu erkennen, wird zunächst
in einem Auswahlschritt 26 eine Auswahl von Spannungsteilern,
welche noch nicht mit einem Kompensationsnetzwerk gemäß der Erfindung
ausgestattet sind, getroffen. Anschließend wird für jeden der ausgewählten Spannungsteiler
im Rahmen der Messprozedur 27 der Frequenzgang z. B. im
Frequenzintervall von 0 bis 10.000 Hz vermessen. Dabei wird das Übertragungsverhältnis für jeden
der ausgewählten
Spannungsteiler über
den gesamten Frequenzbereich von 0 bis 10.000 Hz betrags- und phasenmäßig ermittelt.
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Die
in der Messprozedur 27 gemessenen Frequenzgänge werden
anschließend
an die Fehlerermittlungsprozedur 28 übergeben. Innerhalb der Fehlerermittlungsprozedur 28 erfolgt
ein Vergleich des Frequenzgangs mit den Fehlervorgaben für Phase
und Frequenz. Am Ausgang der Fehlerermittlungsprozedur 28 steht
daher für
jeden Spannungsteiler die über
den gesamten Auslegungsfrequenzraum erforderliche Kompensation.
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In
der Kompensationsberechnungsprozedur 29 wird nun unter
Verwendung sämtlicher
bekannter Filterentwurfsallgorythmen für jeden Spannungsteiler das
Netzwerk ermittelt, welches zur Kompensation des in der Fehlerermittlungsprozedur 28 ermittelten Fehlers
erforderlich ist. Dabei kann die Kompensationsberechnungsprozedur
sowohl die Schaltungstopologie als auch die Berechnung von Werten
für die ohmschen
Widerstände
und Kapazitäten
durchführen.
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Schließlich wird
im Rahmen der Kompensationsberechnungsprozedur 29 das erforderliche Kompensationsnetzwerk
anhand der berechneten Kompensation aufgebaut.
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Anschließend wird
der Spannungsteiler mit dem in der Kompensationsberechnungsprozedur 29 aufgebauten Kompensationsnetzwerk
erneut in einer Messprozedur 27 bezüglich des Frequenzgangs vermessen.
Die gemessenen Werte werden abermals in einer Fehlerermittlungsprozedur 28 mit
den Fehlervorgabewerten verglichen. Die Vergleichswerte werden zu
der Abfrage 30 geleitet, wo entschieden wird, ob der gemessene
Frequenzgang akzeptabel ist oder nicht. Wird dies verneint 31,
so wird eine erneute Fehlerermittlungsprozedur 28 durchgeführt und die
obigen Schritte bestehend aus Kompensationsberechnungsprozedur 29 und
anschließender
Messprozedur 27 werden wiederholt.
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Wird
in der Abfrage 30 hingegen befunden, dass der Frequenzgang
akzeptabel sei, so wird eine Kompensationsplatine zur Realisierung
des beim letzten Durchlaufs der Kompensationsberechnungsprozedur 29 ermittelten
Kompensationsnetzwerk gebaut und in den Spannungsteiler eingebaut.
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Für bestimmte
Spannungsteiler kann sich hierbei ergeben, dass keine Kompensationsplatine erforderlich
ist, da in dem ersten Durchlauf der Fehlerermittlungsprozedur 28 bereits
befunden wurde, dass der Frequenzgang für die Anwendung akzeptabel
sei.
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Schließlich wird
eine Prüfung 32 des
Spannungsteilers zusammen mit der gebauten Kompensationsplatine
vor der Auslieferung durchgeführt.
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Das
Verfahren kann besonders kostengünstig
realisiert werden, wenn gemäß der Erfindung
die im Rahmen der Messprozedur 27 ermittelten Frequenzgänge für eine Vielzahl
von Spannungsteilern in Gruppen ähnlichen
Frequenzgangs gruppiert werden.
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Anschließend kann
für jede
dieser Gruppen im Rahmen dieser Kompensationsberechnungsprozedur 29 das
geeignete Kompensationsnetzwerk in Einklang mit den Fehlervorgaben
ermittelt und aufgebaut werden. Dann kann für das ermittelte Kompensationsnetzwerk
jeder Gruppe eine Kompensationsplatine gebaut werden. Die Kompensationsplatinen für jede der
Gruppen können
dabei mit großen
Vorteil als Kompensationsnetzwerkmodule bereits vorgefertigt werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann dann für
jeden Spannungsteiler wie oben beschrieben durchgeführt werden,
jedoch muss am Ende der letzten Fehlerermittlungsprozedur 28 keine
Kompensationsplatine eigens gebaut werden, sondern es kann eines
der Kompensationsnetzwerkmodule, welche bereits als Platine vorliegen,
eingebaut werden. Hierdurch wird die Tatsache ausgenützt, dass
bereits mit einer endlichen Anzahl von Kompensationsnetzwerken in
der Praxis ausreichendes Fehlerverhalten über den Auslegungsfrequenzbereich
möglich
ist. Dies hat große
Vorteile für
Fertigung, Logistik und als Folge daraus die Kosten.
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Damit
ist gemäß der Erfindung
ein Verfahren zur Verbesserung eines ohmschen Spannungsteilers gemäß der Erfindung
vorgeschlagen, mit welchem überraschend
einfach Spannungsteiler hergestellt werden können, welche über einen
sehr weiten Frequenzbereich bezüglich
Phase und Betrag innerhalb für
die Durchführung
von Messungen geeigneter Fehlergrenzen liegen.
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- 1
- Spannungsteiler
- 2
- Oberspannungswiderstand
- 3
- Unterspannungswiderstand
- 4
- Abschirmelektrode
- 5
- Abschirmelektrode
- 6
- Kapazität
- 7
- Kapazität
- 8
- Hochspannungseingang
- 9
- erdseitiger
Ausgangskontakt
- 10
- spannungsseitiger
Ausgangskontakt
- 11
- Erde
- 12
- Oberspannungsteilwiderstände
- 13
- Unterspannungsteilwiderstände
- 14
- Kompensationsnetzwerk
- 15
- spannungsseitiger
Netzwerkausgang
- 16
- Eingangsknoten
- 17
- Mittelknoten
- 18
- Ausgangsknoten
- 19
- Doppel-T-Filter
- 20
- erstes
T-Filter
- 21
- Zwischenknoten
- 22
- zweites
T-Filter
- 23
- Zwischenknoten
- 24
- Zwischenknoten
- 25
- Erdableitung
- 26
- Auswahlschritt
- 27
- Meßprozedur
- 28
- Fehlerermittlungsprozedur
- 29
- Kompensationsberechnungsprozedur
- 30
- Abfrage
- 31
- Verneinung
- 32
- Prüfung
- R8–23
- ohmscher
Widerstand
- C7–C16
- Kapazität
- U1
- Hochspannung
- U2
- Unterspannung
- U ^2
- kompensierte
Unterspannung