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Einrichtung zur Anzeige von Isolationsfehlern eines Prüflings bei
einer Stoßspannungsprüfung In der Elektrotechnik, insbesondere der Starkstrom- und
Hochspannungstechnik, erlangt das Problem der Prüfung elektrischer Einrichtungen,
insbesondere von Transformatoren und Meßwandlern mit Stoß spannungen, ebenso aber
auch weiterer Wicklungen, z. B. der Auslöserwicklung von Selbstschaltern, der Wicklungen
in Elektrizitätszählern usw., zunehmende Bedeutung. Von besonderer Wichtigkeit sind
dabei die Verfahren der Fehleranzeige. Eine zu diesem Zweck viel verwendete Schaltung
ist in Fig. i wiedergegeben.
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Als Stoßspannungsquelle dient hierbei der Kondensator 1, der über
einen ffochspannungsgleichrichter 2 aus einem hier nicht dargestellten Hochspannungstransformator
aufgeladen wird. Nach Erreichen der Ansprechspannung der Funkenstrecke 3 entlädt
sich der Kondensator über einen Dämpfungswiderstand 4 auf die Belastungskapazität
5, zu der ein Widerstand 6 (Entl ade-Widerstand) parallel geschaltet ist. Die zu
prüfende Wicklung 7 erhält die Stoß spannung durch Anschluß an Punkt 8 und die Verbindung
über einen Meßwiderstand 9 mit der gemeinsamen Erdleitung 10. Dieser Widerstand
9 kann ein reiner Wirkwiderstand oder auch ein komplexer Widerstand sein. In seiner
Größe wird er so ausgewählt, daß die an ihm auftretende Spannung sehr klein ist
gegen die Stoßspannung am Prüfling 7. Über den Widerstand 9 werden dann die Ablenkplatten
eines Kathodenstrahloszillographen 11 angeschlossen, an dem der beim Stoß auf den
Prüfling 7 an dem Meßwiderstand 9 verursachte Spannungsverlauf beobachtet werden
kann.
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Die Messung selbst wird so vorgenommen, daß zuerst mit kleinen Stoßspannungen,
bei denen der Prüfling mit Sicherheit noch keinen Schaden erleidet, der Spannungsverlauf
an dem Meßwiderstand 9 oszillographiert wird. Dann wird die Spannung gesteigert.
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Solange nun im Prüfling 7 kein Überschlag oder Durchschlag auftritt,
bleibt der Verlauf der Spannung am Meßwiderstand9 grundsätzlich derselbe wie bei
kleiner Spannung, lediglich die Spannungshöhe an demselben steigt linear mit der
Prüfspannung an. Sol>ald jedoch ein Fehler im Prüfling 7 auftritt, ändert sich
der Spannungsverlauf. Aus dem Vergleich der bei kleiner Spannung gewonnenen Oszillogramme
mit dem bei höheren Prüfspannungen aufgetretenen Spannungsverlauf ist dann zu erkennen,
ob ein Fehler aufgetreten ist oder nicht.
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Ein Nachteil dieses Verfahrens ist nun der, daß, wenn ein Durchschlag
nur über einer kleinen Windungszahl des Prüflings erfolgt, die Abweichung des am
Meßwiderstand 9 genommenen Oszillogramms gegenüber dem Bezugsoszillogramm bei kleiner
Spannung nur klein bleiben kann, wodurch eine verbind-
liche Aussage über einen eingetretenen
Fehler erschwert wird.
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Nun ist zwar schon bekanntgeworden, die Empfindlichkeit einer Stoßprüfung
durch eine entsprechend angepaßte Brückenschaltung so zu erhöhen, daß auch schon
sehr schwache Vorentladungen bemerkt werden. Zu diesem Zweck wird in jeden der beiden
Hochspannungszweige der erwähnten Brücke ein genau gleiches Objekt eingeschaltet.
Diese beiden Objekte werden gleichzeitig gestoßen, wobei der Niederspannungsteil
der Brücke so aufgebaut, und ein Anzeigeinstrument, in der Regel ein Kathodenstrahloszillograph,
meist so angeordnet sind, daß die bei gut verlaufener Prüfung auftretenden Meßgrößen
jedes der beiden gestoßenen Objekte sich gegenseitig aufheben.
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Tritt in einem der Objekte aber eine vorzeitige Entladung ein, so
tritt der dadurch bedingte Fehlerstrom besonders deutlich in Erscheinung, da, wie
schon erwähnt, die meist viel größeren Grundströme (Restgrößen) der beiden Objekte
sich gegenseitig aufheben und der Fehlerstrom dann mit großer Empfindlichkeit gemessen
werden kann.
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Obwohl diese Brückenschaltung zweifellos sehr empfindlich eingestellt
werden kann, hat sie doch erhebliche Nachteile. Das Auftreten eines Fehlerstroms
ergibt nämlich nicht in allen Fällen eine eindeutige Aussage über den Prüfablauf.
Zunächst sei davon abgesehen, daß in beiden Objekten bei der Prüfung bei einer bestimmten
Prüfspannung genau der gleiche Fehler auftritt und die Fehlerströme sich wieder
aufheben Ein solcher Fall ist nicht sehr wahrscheinlich.
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Aber selbst dann, wenn sich eine deutliche Anzeige ergibt, ist nicht
von vornherein klar, welches der Objekte nun zum beschädigten Prüfling bzw. zum
unbeschädigten Vergleichsobjekt geworden ist, und zum
andern könnte
außer einer starken Vorentladung in dem einen Objekt gleichzeitig auch eine schwächere
im andern Objekt auftreten, was aus der Anzeige zunächst auch nicht klar zu erkennen
ist.
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Bei sehr einfachen Prüflingen, das sind solche, die, wie etwa Kabel,
nicht zu sehr vielfältigen Eigenschwingungen angestoßen werden, kann zwar aus der
Richtung des Fehleraufschlags auf den Prüfling mit einer kräftigen Vorentladung
geschlossen werden. Es ergibt sich aber keineswegs eindeutig, daß das zweite Objekt,
das als Vergleichsobjekt wirken sollte, nicht auch bis zu einem gewissen Grad beschädigt
ist. Die Anwendung dieser Art von Brückenschaltung ist aber ganz unmöglich, wenn
damit Hochspannungsgeräte mit Wicklungen, etwa Spannungswandler oder Transformatoren,
einer Stoßspannungsprüfung unterzogen werden sollen, da je nach dem Zeitpunkt, zu
dem der Fehler eintritt und je nach der Stelle, an der der Fehler innerhalb der
geprüften Wicklung auftritt, der Fehleraufschlag in einer vorher weder nach der
Phase noch Amplitude zu übersehenden Weise abläuft.
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Die im vorstehenden geschilderten Schwierigkeiten lassen sich nun
bei einer Einrichtung zur Anzeige von Isolationsfehlern eines Prüflings bei einer
Stoßspannungsprüfung, bei der der Prüfling und ein weiteres ihm genau entsprechendes
Objekt in einer Bruckenschaltung gleichzeitig mit-Stoßspannung beansprucht werden
und bei der aus den Meßgrößen der beiden Objekte in einer Differenzschaltung die
Fehleranzeige abgeleitet wird, dadurch vermieden, daß erfindungsgemäß das Vergleichsobjekt
nur mit einem Teil der Stoß spannung des Prüflings, aber sonst mit dem gleichen
Spannungsverlauf gestoßen wird.
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Wird gemäß einem weiteren Erfindungsvorschlag dafür Sorge getragen,
daß die aus der reduzierten Stoß spannung des Vergleichsobj ekts sich ergebende
Meßgröße im umgekehrten Verhältnis zu der Reduzierung der Stoßspannung des Vergleichsobjekts
vergrößert in die Differenzschaltung der Brückenanordnung eingefügt wird, dann wird
erreicht, daß die durch den Fehler im Prüfling verursachte Abweichung der Beobachtungsmeßspannung
deutlich in Erscheinung tritt. Sobald jetzt das Anzeigeinstrument einen Fehlerausschlag
anzeigt, ist eindeutig klar, daß der Prüfling beschädigt wurde. Eine Beschädigung
des Vergleichsobjekts ist völlig ausgeschlossen, da es ja nur mit einem Bruchteil
der Stoß spannung des Prfiflings, vielleicht einem Drittel oder einem Viertel dieser
Amplitude beansprucht wurde. Jede Fehlerabweichung ist bei dieser Schaltung also
ein eindeutiger Hinweis auf eine Beschädigung im Prüfling.
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Eine mögliche Ausführungsform des rüfling.
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Eine mögliche Ausführungsform des 2 Erfindungsgedankens ist in Fig.
2 Zur Erzeugung der Stoßspannung ist hier eine dreistufige Stoß anlage in der bekannten
Schaltung nach Älarx dargestellt. Mit 12 sind die drei Stoßkondensatoren bezeichnet,
die über ein Hochspannungsventil 13 aus dem einpolig geerdeten Hochspannungstransformator
14 in bekannter Weise über parallel geschaltete Widerstände aufgeladen werden.
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Um den angestrebten Zweck zu erreichen, ist hier der Stoßgenerator
nicht am ersten Stoßkondensator, sondern am zweiten Stoßkdndensator, d. h. an Punkt
16 geerdet. Sinngemäß zu dieser Schaltung der Stoßkondensatoren ist auch der die
Wellenform des Stoßgenerators im wesentlichen bestimmende Belastungsteil in seinen
Schaltelementen so bemessen und an einem solchen Punkt 31 geerdet, daß grundsätzlich
zwei Stoßkreise gleicher Wellenform gebildet sind, die über die Schaltfunkenstrecken
15 gleichzeitig aus-
gelöst werden. Im vorliegenden Fall ist dabei angenommen, daß
der Prüfling 23 und das bei dieser Schaltung erforderliche Bezugsobjekt 26, das
dem Prüfling genau zu entsprechen hat, nur einen vernachlässigbaren Einfluß auf
die Wellenform des Stoßgenerators ausübt, solange der Prüfung bei der Prüfung nicht
beschädigt wird.
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Ist die Ansprechspannung der Schaltfunkenstrecken 15 erreicht, dann
entladen sich die Stoßkondensatoren 12, ohne daß über die Erdungsanschlüsse 31 und
16 ein wesentlicher Strom fließt, über die beiden Dämpfungswiderstände 17 und 22,
die Entladewiderstände 18 und 20 und die beiden Belastungskondensatoren 19 und 21.
Außerdem noch über den an dem Belastungskondensator 19 angeschlossenen Prüfling23,
den zugehörigen Meßwiderstand 24 und den zum Vergleichsobjekt 26 gehörenden Meßwiderstand
25, die, beide in Serie geschaltet, parallel zu dem Belastungskondensator 21 liegen.
Wie schon erwähnt, sind die Teile 17, 18, 19, 20, 21 und 22 so zu bemessen, daß
sie, solange am Prüfling und am Vergleichsobjekt keine Störungen auftreten, eine
Spannungsaufteilung gegen Erde ergeben, die jener der über die Schaltfunkenstrecke
in Serie geschalteten Stoßkondensatoren 12 entsprechen.
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Es fließt dann über die Endanschlüsse 16 und 31 beim Stoß kein wesentlicher
Strom.
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Damit das Vergleichsobjekt 26 nur mit einem völlig ungefährlichen
Bruchteil jener Spannung gestoßen wird, die als Prüfspannung auf den Prüfling 23
kommt, wird im vorliegend dargestellten Fall der Prüfling 23 mit der doppelten Spannung
wie das Vergleichsobjekt 26 beansprucht, wobei die Polarität der Stoßspannung an
Prüfling und Vergleichsobjekt jeweils verschieden ist. Die beiden Meßwiderstände
24 und 25 sind so ausgeführt, daß sie exakt einander gleich sind. An dem Widerstand
24 tritt daher, da durch den Prüfling 23 der doppelte Strom fließt, wie durch das
Vergleichsobjekt 26, die doppelte Spannung auf wie an 25. Zur genauen Kompensierung
der bei unbeschädigtem Prüfling auftretenden Meßspannungen wird aus diesem Grund
in Fig. 2 an dem Meßwiderstand 24 nur die halbe Spannung abgenommen und diese .
auf einen Brückenwiderstand 27 gegeben, während die Spannung des Meßwiderstands
25 auf den Brückenwiderstand 28 gegeben wind. Diese beiden Brückenwiderstände sind
einander exakt gleich (sowohl nach Größe als auch Widerstandscharakter) ihr gemeinsamer
Verbindungspunkt wird über einen Widerstand 30 an den gemeinsamen Verbindungspunkt
der Meßwiderstände 24 und 25 gelegt. Über diesem Diagonalwiderstand 30 ist als Indikatorinstrument
ein Kathodenstrahloszillograph eingeschaltet, der in Abhängigkeit von der Zeit die
Spannung an 30 mißt. Solange nun der Prüfling 23 bei der Stoßspannungsprüfung nicht
beschädigt wird, tritt an den Meßwiderständen 24 und 25 genau der gleiche Spannungsverlauf
auf, zufolge der gewählten Spannungsteilung an 27 und 28, dann sowohl gleiche Spannung
als auch gleicher Spannungsverlauf, und der -Diagonalwiderstand 30 bleibt spannungsfrei.
Bei einem Defekt an dem Prüfling 23 ergibt sich an 24 und damit 27 ein abweichender
Spannungsverlauf gegen über jenem an 25 und 28, die Differenz tritt an 30 auf und
wird nun auf dem Kathodenstrahloszillographen 29 angezeigt.
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Während bei den bisherigen Schaltungen das Oszillogramm eines beschädigten
Prüflings oft kaum vom normalen Oszillogramm abwich, kann bei der vorgeschlagenen
Kompensationsschaltung die Empfindlichkeit so gesteigert werden, daß die Abweichung
den
maximal zulässigen Ausschlag des Kathodenstrahloszillographen erreicht.
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Die sinngemäße Anwendung des Erfindungsprinzips auf einen Stoßgenerator
mit nur einem Stoßkondensator ist in Fig. 3 dargestellt. Der Stoßkondensator 32
wird über hochohmige Ladewiderstände 33 durch das Hochspannungsventil 34 aus dem
Hochspannungstransformator 35 aufgeladen. Die Schaltfunkenstrecke ist mit 36 bezeichnet,
die Dämpfungswiderstände mit 37 und 38, die Entladewiderstände mit 39 und 40, die
Belastungskapazitäten mit 41 und 42. Die Erdung des Belastungskreises erfolgt an
dem Punkt 43, der durch entsprechende Bemessung der Bestandteile der beiden Teilbelastungskreise
die gewünschte Spannungsaufteilung auf den Prüfling 44 und das Vergleichsobjekt45,
die mit den Meßwiderständern 46 und 47 in Reihe liegen, erzwingt. Die Brückenschaltung
für die Fehleranzeige vermittels des Kathodenstrahloszillographen 48 ist hier so
durchgeführt, ldaßdie Meßwiderstände 46 und 47 sind ebenfalls wieder einander exakt
gleich - der Brückenwiderstand49 im Verhältnis der Spannungsaufteilung zwischen
Prüfling 44 und Vergleichsobjekt 45 größer ist als der Brückenwiderstand 50. Auch
auf diese Weise wird erreicht, daß der Diagonalwiderstand 51 bei einwandfrei verlaufender
Prüfung des Prüflings 44 spannungsfrei ;bleibt und ieinen Ausschlag erst bei einem
an diesem auftretenden Fehler ergibt.
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Aus den Bedingungen für das Brückengleichgewicht und das Schaltungsgleichgewicht
der Stoß schaltung ergibt sich ohne weiteres, daß die Brückenwiderstände, die in
Fig. 2 mit 27 und 28, in Fig. 3 mit 49 und 50 bezeichnet sind, in ihrem Widerstandswert
groß sein müssen gegen die Meßwiderstände24 und 25 bzw. 46 und 47.
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Das verschiedentlich schon erwähnte Prinzip der Kompensation der
bei einwandfreier Prüfung an dem Meßwiderstand auftretenden Spannung hat zur Voraussetzung,
daß eine genau gleich verlaufende Stoßspannung, aber entgegengesetzter Polarität
in eine Brückenschaltung eingefügt wird. Die Polaritätsumkehr wird bei den Anordnungen
nach Fig. 2 und 3 dadurch erzielt, daß auf das Vergleichsobj ekt, und zwar zum exakt
demselben Zeitpunkt wie den Prüfling, ein reduzierter Stoß gleichen Verlaufs, aber
entgegengesetzter Polarität gegeben wird.
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Nach einem weiteren Erfindungsgedanken kann die Polaritätsumkehr
der Kompensationsspannung auch durch eine nachträgliche Phasenumkehr, wie sie jeder
einstufige Breitbandverstärker bewirkt, erzielt werden. Eine derartige Ausführung
für einen einstufigen Stoßgenerator ist in Fig. 4 dargestellt.
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Mit 52 ist hier der Stoßkondensator bezeichnet, der über das Ventil
53 aufgeladen wird. 54 ist die Schaltfunkenstrecke, 55 der Dämpfungswiderstand,
56 und 57 zwei in Serie geschaltete Entladewiderstände, 58 und 59 Belastungskondensatoren,
die in ihren Kapazitätswerten sich umgekehrt verhalten wie die zugehörenden Entladewiderstände
56 und 57. Der Prüfling 60 bekommt die volle Stoß spannung des Stoßgenerators durch
Anschluß an den Punkt 61; der mit ihm in Serie liegende Meßwiderstand ist mit 62
bezeichnet.
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Das Vergleichsobjekt 63 erhält eine reduzierte Stoß spannung durch
Anschluß an den Punkt 64, der ihm zugeordnete Meßwiderstand ist mit 65 bezeichnet.
Die Brückenschaltung für die Spannung an den Meßwiderständen 62 und 65 wird hier
gebildet durch den Brückenwiderstand 66 und 67, die über dem
Diagonalwiderstand 68
auf die gemeinsame Erdrückleistung 69 geschaltet sind. Über dem Diagonalwiderstand
68 liegt der Kathodenstrahloszillograph 70 als Indikatorinstrument. Zur Phasenumkehr
der an einem entsprechenden Teil des Meßwiderstands 62 abgegriffenen Meßspannung
dient der Breitbandverstärker 71.
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Die Abstimmung der Stoßschaltung und der Meßspannungsbrücke muß sinngemäß
so vorgenommen werden, daß bei einer ungestört verlaufenen Prüfung über dem Diagonalwiderstand
68 keine Spannung auftritt.
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Bei den Anordnungen nach den Fig. 2, 3 und 4 ist in der Brückenschaltung
für die Meßspannung stets ein Diagonalwiderstand, bezeichnet mit 30 bzw. 51 und
68 vorgesehen. Dieser Widerstand kann sowohl ein komplexer als auch ein Wirkwiderstand
sein.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, wie in Fig. 5 dargestellt,
die Vorgangsablenkplatten des Kathodenstrahloszillographen ohne weiteren Parallelwiderstand
in die Brückendiagonale zu legen. Des weiteren ist es möglich, etwa bei der Massenprüfung
kleinerer Spulen, auf den Kathodenstrahloszillograph ganz zu verzichten und an seine
Stelle nur ein Spitzenspannungsmeßgerät einzuschalten, wie es in Fig. 6 dargestellt
ist.
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Dieses Spitzenspannungsmeßgerät muß nur die Eigenschaft haben, daß
es eine Stoß spannung oder einen Wellenzug deutlich zur Anzeige bringt. Hierzu können
Spitzenspannungsmeßgeräte mit Diode und elektrostatischem Voltmeter Verwendung finden,
die eine stationäre Ablesung der auftretenden Spitzenspannung beider Polaritäten
ermöglichen, oder es können Einrichtungen verwendet werden, die nur vorübergchend
Signale, etwa einen abklingenden Ausschlag, ein vorübergehendes Geräusch od. dgl.
abgeben.
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Eine weitere Modifikation des Erfindungsgedankens ist in Fig. 7 dargestellt.
Die Schaltung des Stoßgenerators, des Prüflings und des Vergleichsobjekts entspricht
genau jener der Fig. 4. 72 ist also der Stoßkondensator, 73 das Ladeventil, 74 die
Schaltfunkenstrecke, 75 der Dämp-fungswiderstand, 76 und 77 die Entladewiderstände,
78 und 79 die Belastungskondensatoren, 80 der Prüfling, 81 der Stoßspannungsanschluß
des Prüflings, 82 der mit dem Prüfling in Serie liegende Meßwiderstand an der allgemeinen
Erdleitung 89; 83 ist das Vergleichsobjekt, das die an dem Punkt 84 auftretende
reduzierte Stoß spannung erhält, 85 der Meßwiderstand des Vergleichsobjekts.
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Zur Fehleranzeige wird hier keine Brückenschaltung verwendet, sondern
die an den zwei Meßwiderständen 82 und 85 auftretenden Spannungen werden so den
beiden Plattenpaaren eines Braunschen Rohrs zugeführt, daß sich bei gleichem Verlauf
der beiden Meßspannungen auf dem Schirm des Braunschen Rohrs eine geneigte Gerade
ergibt. Wird die dem Braunschen Rohr zugeführte Spannung am Meßwiderstand 82 so
abgegriffen, daß sie bei gut verlaufender Prüfung auch dem jeweiligen Betrag nach
der am Widerstand 85 auftretenden Spannung entspricht, dann ergibt sich auf dem
Schirm des Braunschen Rohrs unter der Voraussetzung gleicher Ablenkempfindlichkeit
der beiden Ablenksysteme eine unter 450 geneigte Linie. Bei einem Fehler im Prüfling
80 ergeben sich deutlich sichtbar Abweichungen von der Geraden, die aufgetretene
Fehler noch während des Spannungstoßes erkennen lassen.
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Bei Erläuterung des Erfindungsgedankens war angenommen worden. daß
die Stoß generatoren so ausgeführt sind, daß der Prüfling und das Vergleichsobjekt
keine Rückwirkung auf den Verlauf der Stoßspannung haben. Das bedeutet jedoch keine
Einschränkung
des Erfindungsgedankens, denn auch dann, wenn eine
solche Rückwirkung tatsächlich vorhanden ist, kann durch entsprechende Bemessung
des Stoßkreises ohne weiteres erreicht werden, daß das Vergleichsol)jekt mit genau
derselben Spannung gestoßen wird, d. h. daß auch die zum Vergleich verwendete Meßspannung
des Vergleichsobjekts genau den gleichen Verlauf zeigt, wie die hinter dem Prüfling
gewonnene Meßspannung bei gut verlaufender Stoßprüfung. Wenn hierzu die Anordnung
zweier getrennter Stoßgeneratoren erforderlich sein sollte, so läßt sich mit bekannten
Mitteln ohne weiteres ein exaktes Ansprechen der beiden Stoßgeneratoren, d. h. ein
genaues Synchronisieren der zu vergleichenden Meßspannungen erreichen.
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PATENTANSPRCCHE 1. Einrichtung zur Anzeige von Isolationsfehlern
eines Prüflings bei einer Stoßspannungsprüfung, bei der der Prüfling und ein weiteres
ihm genau entsprechendes Objekt (Vergleichsobjekt) in einer Brückenschaltung gleichzeitig
mit Stoßspannung beansprucht werden und bei der aus den Meßgrößen der beiden Objekte
in einer Differenzschaltung die Fehleranzeige abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet,
daß das Vergleichsobjekt nur mit einem Teil der Stoß spannung des Prüflings, aber
sonst mit dem gleichen Spannungsverlauf gestoßen wird.