DE1047308B - Einrichtung zur Messung des Scheitelwertes einer sich aendernden Spannung, insbesondere einer Stossspannung - Google Patents

Description

• Einrichtung zur Messung des Scheitelwertes einer sich ändernden Spannung insbesondere einer Stoß spannung In der gesamten Hochspannungstechnik und auch auf weiten Gebieten der übrigen Starkstromtechnik werden in steigendem Maße Prüfungen mit Stoßspannungen durchgeführt. Es handelt sich hierbei um Spannungen, die in sehr kurzer Zeit, im allgemeinen im Verlauf einiger weniger Fsec, auf einen Scheitelwert ansteigen und im Verlauf längerer Zeit, etwa 50 oder noch mehr Fsec, auf die Hälfte ihres Scheitelwertes und nach der etwa doppelten bis dreifachen Zeit wieder auf Null abklingen.
• Die Ermittlung des Scheitelwertes solcher Stoßspannungen erfolgt entweder mit der Kugel funkenstrecke oder auch dem Kathodenstrahloszillographen.
• Das erstere Verfahren ist sehr umständlich und auch nicht sehr genau, das zweite Verfahren ist wohl sehr genau und umfassend, aber in apparativen und im Zeitaufwand sehr umständlich.
• Seit langem ist man daher bemüht, einfachere und genauere Meßverfahren zu entwickeln. Teilweise haben diese Verfahren schon zu einem Erfolg geführt. Bei diesen Meßverfahren ergibt sich dann aber die Frage nach der Eichung der neuen Meßgeräte. Diese kann zwar mit der Kugelfunkenstrecke oder mit dem Kathodenstrahloszillographen durchgeführt werden.
• Da die Meßgenauigkeit dieser beiden Methoden aber auch nicht den höchsten Anforderungen genügt, mußten andere Verfahren zur Bestimmung des Scheitelwertes solcher Stoß spannungen erarbeitet werden.
• Die Bestimmung des ScheiteIwertes einer solchen Stoß spannung läßt sich nun mit sehr großer Genauigkeit durch eine Einrichtung zur Messung des Scheitelwertes einer sich ändernden Spannung erreichen, die aus einem für diese Spannung auf Durchlaß geschalteten Hochvakuumventil und einem vor dem Anlegen der flüchtigen Spannung mittels einer Eichgleichspannung gleichsinnig aufgeladenen, mit einem Widerstand in Reihe geschalteten Kondensator besteht, und bei der erfindungsgemäß symmetrisch zu dem aus Diode, Kondensator und Serienwiderstand gebildeten Kreis ein zweiter, ähnlich aufgebauter Kreis parallel geschaltet wird, bei dem die Diode durch einen Kondensator mit genau der Eigenkapazität der Diode entsprechenden Größe ersetzt ist und mit dem ein weiterer Kondensator und ein Serienwiderstand, die beide so groß sind wie die entsprechenden Elemente des erstgenannten Kreises, in Serie geschaltet sind.
• Die Zeichnung zeigt das Schaltbild der vorgeschlagenen Anordnung. Die Klemmen 1 und 2 sind die Anschlüsse für die Stoßspannungsquelle, wobei Klemme 2 zweckmäßig geerdet wird. 3 ist das auf Durchlaß geschaltete Hochvakuumventil, d h., daß die Stoßspannungsquelle so angeschlossen wird, daß auf Klemme 1 eine gegen Erde negative Stoß spannung gegeben wird. Der die Eichgleichspannung tragende Kondensator ist durch 4 dargestellt, der mit diesem in Reihe liegende Serienwiderstand ist mit 5 bezeichnet. Der Ausgleichszweig enthält den Kondensator 10, dessen Kapazität genau der Eigenkapazität der Diode 3 entspricht, den Kondensator 11 und den Serienwid'erstand 12 die beide genauso groß sind wie der Eichkondensator 4 bzw. der Serienwiderstand 5. Die beiden Kondensatoren 4 und 11 werden über die hochohmigen Vorwiderstände7 und 13 von der Eichgleichspannungsquelle 8 aufgeladen, deren Spannung wieder durch das Voltmeter 9 ermittelt wird.
• Die hochohmigen Vorwiderstände 7 und 13 (Größenordnung von etwa einigen hundert bis zu einigen tausend kOhm) sind erforderlich, um eine störende Teilung des Stromes des Ventils 3 bzw. des Kondensators 10 zu vermeiden. Der Kondensator 4 und damit auch der Kondensator 11 werden zweckmäßig möglichst groß, d. h. in der Größe von einigen Mikrofarad, gewählt, damit der über das Ventil 3 fließende Elektronenstrom keine zusätzliche Aufladung bewirkt.
• Die Serienwiderstände 5 und 12 werden am besten etwa genauso groß wie der Durchlaßwiderstand des Ventils 3 gemacht. Andererseits ist für das Ventil 3 eine Ausführung zu wählen, die eine möglichst kleine Eigenkapazität besitzt, um den vom Verschiebungsstrom im Ventil 3 herrührenden Spannungsabfall an dem Serienwiderstand 5 möglichst klein zu halten.
• Erwünscht ist außerdem ein kleiner Durchlaßwiderstand des Ventils 3, um auch den Serienwiderstand 5 und damit den Widersfand 12 klein halten zu können, was eriederum eine Verringerung des nur störenden, aus dcm Verschiebungsstrom des Ventils herrührenden Spannungsabfalles bedeutet. lurch diesen Schaltungsaufbau wird - erreicht, daß sowohl im Eichkreis als auch im~Ábgleichzweig unter dem Einfluß der angelegten Stoß spannung bzw. der sich ändernden Spannung, solange deren Scheitelwert kleiner ist als der Betrag der Gleichspannung auf den Kondensatoren 4 und 11, nur der gleiche Verschiebungsstrom fließt und an den- Serienwider-.+ständen 5 und 12 sowohl - der Größe als auch dem Verlauf nach derselbe Spannungsabfall auftritt, solange durch das Ventil 3 kein Elektronenstrom fließt.
• Wird nun an den Punkten 14 und 15 zur Bildung eines Brückenzweiges ein Kathodenstrahloszillograph oder ein empfindliches Spitzenspannungsmeßgerät ar geschlossen, dann zeigen diese Geräte also so lange keine Spannung an, als durch das Ventil kein Elektronenstrom fließt. Sobald aber die Stoßspannu.ng, wenn auch nur einen kleinen Betrag, in ihrem Scheitelwert über die Gleichspannung der Kondensatoren 4 und 11 ansteigt, dann fließt durch das Ventil 3 ein Elektronenstrom, der an dem Serienwiderstand 5 ebenfalls einen entsprechenden Spannungsabfall bedingt. Das heißt, mit dem Einsetzen des Elektronenstroms durch das Ventil 3 tritt zwischen den Punkten 14 und 15 eine entsprechende Spannungsdifferenz auf, die zu einem Ausschlag der Anzeigeeinrichtung führt. Da bei dieser Schaltungsanordnung der Betrag der zwischen -den Punkten 14 und 15 auftretenden Spannung maßgebend ist für den Abgleich der angelegten Stoß spannung mit der Eichgleichspannung, ist als Indikatorinstrument, wie schon erwährt, ein Spitzenspannungsmeßgerät möglich. Zweckmäßig wird ein solcher Spitzenspannungsmesser unter Verwendung einer Diode 1;6 --aufgebaut, der einen Alel3kondensator 17 auflädt, wenn die an den Klemmen 1 und 2 angelegte Stoß spannung die auf dem Kondensator 4 liegende Gleichspannung übersteigt.
• Die an dem Meßkondensator 17 auftretende Spannung wird durch das elektrostatische Instrument 18, zweckmäßig als hochempfindliches Elektrometer ausgeführt, angezeigt. Auf einfachste Weise läßt sich so eine sehr große Empfindlichkeit erreichen, die schon die Anzeige von einem oder einigen Volt Spannungsunterschied zwischen angelegter Stoßspannung und Eichgleichspannung gestattet. Die Anzeige ist dann besonders deutlich, wenn Diode 16, Kondensator 17 und Elektrometer 18 mit extrem hoher Isolation ausgeführt werden, so daß auch nach Abklingen der Stoßspannung die auf 17 aufgetretene Spannung noch längere Zeit liegenbleibt.
• Auf diese Weise können nicht nur die reinen Stoßspannungen in ihrem Scheitelwert mit großer Genauigkeit geeicht werden, sondern das gilt für jede beliebig sich ändernde Spannung, sobald sie nur vriederholbar ist. Insbesondere kann auf diese Weise auch der Scheitelwert einer Wechselspannung beliebiger Frequenz sehr genau bestimmt werden.
• Zur Erzielung einer möglichst großen Meßgenauigkeit wird zweckmäßig der Anlaufstrom des Ventils 3 durch Einfügung einer Gegenspannung zu Null gemacht, wie das in verschiedenen Meßschaltungen schon gebräuchlich ist.
• Wichtig für das Arbeiten mit dieser Eicheinrichtung ist, daß die Eichgleichspannung möglichst konstant gehalten wird. Es empfiehlt sich daher, falls wegen der Höhe der Spannung eine Batterie nicht mehr verwendet werden kann, die aus einem Gleich- richter entnommene Spannung in bekannter W eise zu stabilisieren.
• Andererseits kann eine sehr konstante Eichgleichspannung dadurch erzielt werden. daß die Kondensatoren 4, 10 und 11 mit extrem hoher Isolation und das Ventil 3 mit extrem hohem Sperrwiderstand ausgeführt werden. Es lassen sich dann ohne jede Schwierigkeit Zeitkonstanten von mehreren Stunden erreichen, d. h. daß die Eichspannung auf dem Kondensator sehr lange einigermaßen konstant bleibt, ohne daß eine besondere Eichspannungsquelle, in Fig. 2 mit 8 bezeichnet, notwendig ist. In einem solchen Fall empfiehlt es sich, für das Dielektrikum des Eichkondensators in bekannter Weise Kunststofffolie zu benutzen, die Eichspannung selbst ist mit einem elektrostatischen Präzisionsmeßgerät, und zwar am genauesten mit einem absoluten Voltmeter, zu messen.
• Bei allen den eben skizzierten möglichen Schaltanordnungen empfiehlt es sich, die Kapazität des Eich- und Vergleichskondensators 4, 11 einige Zehnerpotenzen größer zu machen als die Eigenkapazität der Diode, damit die Spannung des Eichkondensators auch nicht durch den über die Diode fließenden Verschiebungsstrom beeinflußt wird.
• Nach einem weiteren Erfindungsgedanken kann die angegebene Schaltung noch etwas vereinfacht bzw. verbessert werden, und zwar dadurch, daß an Stelle des Vorkondensators 10 ein Ventil genau gleicher Ausführung wie Ventil 3 eingeschaltet wird, das aber nicht geheizt wird, so daß es lediglich als Vorkondensator wirkt. Es ist dabei angenommen, daß sowohl Ventil 3 als auch das eben erwähnte hinsichtlich ihrer Eigenkapazität gleich sind. Wenn bei Erwähnung der Eigenkapazität des Ventils 3 im vorstehenden auf die parallel zum Ventil liegende Schaltkapazität nicht besonders hingewiesen wurde, so ist für jeden Fachmann doch ohne weiteres klar, daß diese parallel zur Kapazität Anode-Kathode des Ventils liegende Schaltkapazität bei einem Abgleich der eigentlichen Ventilkapazität zugeschlagen werden muß.
• Wird die an Stelle des Kondensators 10 eingebaute Diode mit entgegengesetzter Polung zum Ventil 3 eingebaut, so ist die so abgeänderte Schaltung nach Umpolung der Eichgleichspannung und Zuschaltung der Heizung des neuen Ventils und Abschaltung der Heizung von Ventil 3 geeignet zur Abmessung von Stoß spannungen mit umgekehrter Polarität.
• Soll die Schaltung nach der Figur zur Bestimmung des Scheitelwertes einer stationären Wechselspannung bestimmt werden, so empfiehlt es sich, das Nullinstrument über einen Symmetriertransformator anzuschließen, der im Mittelpunkt der Unterspannungswicklung geerdet ist, bzw. ist der Eingangstransformator eines Verstärkers für einen Kathodenstrahloszillographen auf diese Weise anzuschließen.

Claims (1)

1. PATENTANSPROCHE: 1. Einrichtung zur Messung des Scheitelwertes einer sich ändernden Spannung, insbesondere Stoß spannung, mit Hilfe eines für diese Spannung auf Durchlaß geschalteten Hochvakuumventils und einem vor dem Anlegen der flüchtigen Spannung mittels einer Eichgleichspannung gleichsinnig aufgeladenen Kondensator, der mit einem Widerstand in Reihe geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß symmetrisch zu dem aus Diode, Kondensator und Serienwiderstand gebildeten Kreis ein zweiter, ähnlich aufgebauter Kreis parallel geschaltet wird, bei dem die Diode durch einen Kondensator mit genau der Eigenkapazität der Diode entsprechenden Größe ersetzt ist und mit dem ein weiterer Kondensator und ein Serienwiderstand, die beide so groß sind wie die entsprechenden Elemente des erstgenannten Kreises. in Serie geschaltet sind.

   2. Einriclltung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Kondensatoren (4.

   11) in Serie liegenden Widerstände (5, 12) so groß gewählt sind wie der Durchgangswiderstand des Hochval;uumventils.

   3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet. daß die Eichgleichspannung über hochohmige Widerstände (7. 13) auf die Kondensatoren (4. 11) gegeben wird.

   4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anlaufstrom des Hochvakuuinventils kompensiert wird.

   5. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eichgleichspannung aus einem stabilisierten Gleichrichtergerät entnommen wird.

   6. Einrichtung nach Anspruch l bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Eichkondensator extrem hoch isoliert wird, so daß er seine Ladung über lange Zeit unverändert hält.

   7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannung mit einem elektrostatischen Präzisionsinstrument gemessen wird.

   8. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des Eich- und Vergleichskondensators (4, 11) sehr groß gegenüber der Eigenkapazität des Hochvakuumventils gewählt ist.

   9. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeige des beim Arbeiten des Hochvakuumventils einsetzenden Elektronenstromes in einem in dem Brückenzweig zwischen den beiden Serienwiderständen (5, 12) liegenden Meßkreis erfolgt.

   10. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeige im Brückenzweig über ein Spitzenspannuiigsmeßgerät erfolgt.

   11. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch geliennzeichnet, daß das Spitzenspannungsmeßgerät mit hochisolierter Diode und Meßkondensator sowie elektrostatischem Instrument ausgeführt ist, die so bemessen sind, daß die Anzeige auch nach Abklingen der Stoß spannung praktisch stehenbleiht.

   12. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der im Ausgleichszweig liegende Vorkondensator (10) durch eine nicht geheizte Diode ersetzt ist, die die gleiche Eigenkapazität wie die geheizte Diode besitzt.

   13. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung von Stoßspannungen umgekehrter Polarität die Diode im Ausgleichszweig entgegen der Durchlaßrichtung der Diode des Eichkreises angeordnet und geheizt ist, während die Heizung der ersten Diode (3) abgeschaltet ist.

   14. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung des Ausgleichszweiges die Anzeigeeinrichtung über einen Symmetriertransformator in den Brückenzweig eingeschaltet wird.

   In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 946 374.