DE1516921C - Verfahren und Schaltung zum Ermitteln des elektrischen Widerstandes an der Verbin dungsstelle zweier Kontaktelemente - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein kanntem Material, die gekreuzt zueinander angeord-Verfahren und eine Schaltung zum Ermitteln des an net sind, an einem bestimmten Punkt in Kontakt geder Verbindungsstelle zweier Kontaktelemente herr- bracht. Der Verengungswiderstand zweier solcher sehenden elektrischen Widerstandes (Verengungs- Stäbe wird durch ein Vierleitersystem bestimmt, inwiderstand) als Quotient der Schmelzspannung und 5 dem ein bekannter Strom durch den aus einem Sehendes kritischen Stromes. kel jedes Stabes und dem gemeinsamen Kontakt-Generell werden bei elektrischen Verbindungen punkt gebildeten Serienkreis hervorgerufen wird, zwei Leiter so zusammengebracht, daß Elektronen Durch Verbinden der Leitungen einer Spanriungsdes atomaren Gitters des einen Leiters frei in das meßanordnung mit den verbleibenden freien Enden Gitter des anderen Leiters übertreten können. Es ist n> jedes Stabes kann eine Messung -Jes Spannungsdaher notwendig, die beiden Leiter so zusammenzu- abfalls an der Kontaktstelle allein vorgenommen werbringen, daß ihre Gitter sich so innig wie möglich den. Der Verengungswiderstand an der Verbindungsberiihren. fläche wird dann durch Division des Spannungsabfalls

Es ist bekannt, daß die Eigenschaften von Kon- durch den eingeprägten Strom bestimmt,
takten zwischen den Kontaktflächen wesentlich von 15 Bei einem derartigen Verfahren zur Messung der Rauheit der Kontaktflächen bestimmt werden. des Verengungswiderstandes unter Verwendung von Werden zwei Leiter miteinander in Berührung ge- gekreuzten Stäben ist es nicht möglich, alle Konbracht, so berühren sich die entsprechenden Flächen figurationen von elektrischen Verbindungen zu zuerst an den Spitzen von Rauheiten oder von Un- messen.

ebenheiten auf den Flächen. Der am Kontakt auf- 20 Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zutretende starke lokale Druck führt zu einer Deforma- gründe, ein Verfahren und eine wenig aufwendige tion des Metalls in diesen feinen Punkten. Auch nach Schaltung zur Ermittlung des Verengungswiderstandes dieser anfänglichen Deformation sind die beiden an der Verbindungsstelle zwischen zwei Kontakt-Flächen größtenteils noch getrennt, wobei die Ab- elementen anzugeben, wobei die Form der Kontaktstände im Vergleich zur Reichweite atomarer Kräfte 35 elemente beliebig ist. Die Messung soll dabei weiternoch sehr groß sind; die Flächen sind daher, abge- hin durchführbar sein, ohne daß die Kontaktelemente sehen Von einigen sehr kleinen Bereichen, in denen vorher speziell präpariert werden müssen,
der Kontakt auftritt, noch voneinander getrennt. Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Ver-Fließt ein elektrischer Strom über die beiden Kontakt- fahren der eingangs erwähnten Art gemäß der Erflächen, so wird der Ladungsträgerfluß an der Ver- 3<> findung vorgeschlagen, die im Kennzeichnungsteil bindungssteile sehr stark abgeschnürt, da er über die des Patentanspruches 1 angegebene Kombination sehr kleinen, in echtem Kontakt stehenden Bereiche von Maßnahmen anzuwenden,
fließen muß. Infolge dieser Abschnürung ist die Weitere Einzelheiten zur Ausgestaltung des Ver-Potentialdifferenz der Verbindungsfläche etwas größer fahrens nach der Erfindung, insbesondere der Aufbau als die Potentialdifferenz, die auftreten würde, wenn 35 einer zur Durchführung des oben beschriebenen Verder gleiche Strom gleichmäßig verteilt fließen würde. fahrens dienenden Schaltung, ergeben sich aus der Die Verengung ruft daher einen zusätzlichen Span- nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeinungsabfall in dem durch die Kontaktelemente ge- spiels an Hand der Figuren. Dabei zeigt
bildeten elektrischen Pfad hervor. Der Quotient aus · F i g. 1 eine Schaltung gemäß der Erfindung zur diesem Spannungsabfall und dem Strom gibt den 40 Messung des Verengungswiderstandes,
»Verengungswiderstand« an. F i g. 2 ein elektrisches Ersatzbild des durch ein

Es ist bekannt, daß der Verengungswiderstand sehr Kontaktpaar gebildeten Widerstandes,

stark in Qualität und Lebensdauer einer elektrischen F i g. 3 eine schaltungstechnische Realisierung der

Verbindung eingeht. Der Grund dafür liegt in einer in F i g. 1 schematisch dargestellten Schaltung,

durch die Stromeinschnürung hervorgerufenen Er- 45 F i g. 4 ein Zeitdiagramm, aus dem die Wirkungs-

wärmung und in als Folge der Erwärmung auftreten- weise der Schaltungen nach F i g. 1 und 3 ersicht-

den chemischen Reaktionen, wodurch dielektrische Hch ist.

Filme zwischen den Kontaktelementen gebildet wer- Wie oben erwähnt und in F i g. 2 schematisch darden können. Bisher war es sehr schwierig, den Ver- gestellt, können die beiden Kontaktelemente, die mit engungswiderstand zu messen. Es war praktisch nur 5° den Bezugszeichen 10 bzw. 12 versehen sind, durch möglich, diese Messungen im Laboratorium unter ein elektrisches Ersatzbild dargestellt wejden, das speziellen Bedingungen vorzunehmen. Für eine ge- aus den beiden Körperwiderständen R_b und mehreren gebene elektrische Verbindung kann angenommen parallelen, diese Körperwiderstände verbindenden werden, daß der Verengungswiderstand in Reihe zum Verengungswiderständen R_c besteht. Bisher waren in Widerstand der Kontaktelementc liegt, wobei die 55 der Meßtechnik keine Schaltungen bekannt, die bei physikalische Verbindung zwischen den beiden jedoch Anschluß an die Außenklemmen 64 eine Trennung nicht genau zu lokalisieren ist. Da der gesamte Ver- der Widerstände R_c und R₁, ermöglichen. Die vorengungswiderstand tatsächlich durch eine große An- liegende Erfindung macht sich zur Trennung der gezahl einzelner parallelliegender Widerstände gebildet nannten Widerstände den folgenden Sachverhalt zuwird, ist das Problem der Anordnung einer Verbil- ^6o nutze: .
dungslinie zwischen Körperwiderstand und Ver- Durch elektrische Widerstandserwärmung werden engungswiderstand einer gegebenen Verbindung noch die Temperaturen des Leiterkörpers eines Stromkomplizierter, kreises und die die Verengungen umgebenden Bereiche Hin Verfahren zur Bestimmung des Verengungs- unterschiedlich beeinflußt. Die thermische Ansprechwiderstandes aus der Verbindiingslläche zwischen 65 _zeit einer Verengung in einem Stromkreis liegt in der zwei speziell vorbereiteten Proben des gleichen oder Größenordnung von Mikrosekunden, während eine unterschiedlichen Materials ist als »KrcuzstalK-Ver- gleiche Temperaturänderiing des Körpers einer Konfahren bekannt. Dabei werden zwei Stäbe aus be- taktverbindung als Ganzes in mehreren Sekunden vor

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sich geht. Es hat sich gezeigt, daß ein über die quelle 56, einen Impulse liefernden. Kondensator 54, Kontaktstelle fließender elektrischer Stromimpuls von einen von Hand zu betätigenden Schalter 52 und einigen Millisekunden die Temperatur der Ver- einen Schließungswiderstand 55. Wird durch den engungsbereiche der Kontaktverbindung beeinflußt, Schalter 52 der Stromkreis über den Widerstand 55 während die Temperatur der Kontaktkörper prak- 5 geschlossen, so erzeugt der von der Spannungsquelle tisch unverändert bleibt. 56 über den Kondensator 54 fließende Ladestrom

F i g. 1 zeigt ein Kontaktelementenpaar 10 und 12, eine Potentialänderung an der Leitung 43 des gean das eine Schaltung gemäß der Erfindung ange- steuerten Gleichrichters, wodurch dieser in den schlossen ist. Die schematisch dargestellten Kontakt- leitenden Zustand getriggert wird. Da sich der Konelemente stehen über Unebenheiten 14 ihrer Kontakt- 10 densator 54 beim Triggern auflädt, ist ein Kurzkörper 16 miteinander in Verbindung, schlußwiderstand 58 vorgesehen,. über den sich der

Die an die Kontaktelemente 10 und 12 ange- Kondensator nach Umlegen des Schalters 52 in die schlossene Schaltung enthält eine Spannungsquelle in F i g. 3 dargestellte Stellung entladen kann. 18, einen Strombegrenzer 20, einen Impulsgenerator Das Zeitdiagramm nach F i g: 2 zeigt die jeweili-

30, einen Impulsschalter 40, eine Steuereinrichtung 15 gen Schaltfolgen der Steuereinrichtung 50, des Schal-50 zur Betätigung des Impulsschalters 40, ein .Volt- ters 40 und des Impulsgenerators 30. Beim Schließen meter 60 zur Messung des Potentials und der Poten- des Handschalters 52 wird ein relativ kurzer Triggertialänderungen an der Kontaktverbindung und eine impuls zu einem Zeitpunkt A erzeugt. Dieser Trigger-Konstantstromquelie 62 parallel zum Voltmeter 60. impuls schaltet den Schalter 40 durch; damit liefert Die Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. 1 ist so der Impulsgenerator 30 einen Impuls, dessen Impulsaus Fig. 3 ersichtlich, in der eine schaltungstech- dauer der Differenz der Zeitpunkte B und A enthische Realisierung dargestellt ist. spricht. Am Ende des Generatorimpulses, zum Zeit-

Die Spannungsquclle 18 kann von konventionellem punkt B, wird der steuerbare Siliciumgleichrichter 42 Typ sein und dient zur Lieferung einer kontinuierlich des Schalters 40 abgeschaltet. Danach kann auf die änderbaren Spannung in einem Bereich von beispiels- 25 gleiche Weise ein weiterer Impuls durch den Geneweise 0 bis 200 Volt. Die Höhe der zu irgendeinem rator 30 erzeugt werden.

Zeitpunkt· von der Spannungsquelle 18 gelieferten Durch die Schaltung gemäß der Erfindung kann,

Spannung bestimmt die Amplitude der in der Ge- wie beschrieben, eine Impulsfolge gewünschter Imsamtschaltung erzeugten Impulse. Am Ausgang der pulsform und selektiv gesteuerter Amplitude erzeugt Spannungsquelle 18 ist ein einfacher Strombegrenzer 30 werden. An Stelle der beschriebenen Schaltungs-20 vorgesehen, wenn die Spannungsquelle 18 nicht einheiten des Ausführungsbeispiels können auch selbst einen Begrenzer zur Unterbindung von Über- andere gleichwirkende verwendet werden. Beim darlastungen enthält. Wie aus F i g. 3 ersichtlich, besteht gestellten Ausführungsbeispiel ist beispielsweise die der Begrenzer 20 aus einem PNP-Transistor 22, der Ausgangsspannung der Spannungsquelle 18 geeicht, über einen Basiswiderstand 24 negativ vorgespannt 35 so daß die Amplitude des an den Prüfklemmen 48 ist und über seine Emitter-Kollektor-Strecke in Serie und 49 erzeugten Impulses bekannt ist. Es können zwischen den Ausgang der Spannungsquelle 18 und jedoch auch andere geeignete Methoden zur Bestimden Eingang des Inipulsgenerators 30 geschaltet ist. mung der Impulsamplitude verwendet werden. Dieser Transistor begrenzt die Amplitude des von 18 Durch die Schaltung gemäß der Erfindung wird

bezogenen Ladestromes. 40 also an dem an die Prüfklemmen 48 und 49 ange-

Der Impulsgenerator 30 enthält einen Speicher- schlossenen Kontaktelementpaar 10 und 12 eine Imkondensator 32, der an einen aus einem Konden- pulsfolge bekannter und selektiv variierbarer Amplisator 35 und einer Induktionsspule 36 bestehenden tude erzeugt. Die Kontaktelemente 10 und 12 Parallelschwingkreis 34 angeschaltet ist. Ist der Tran- (Fig. 1) stehen über stilisiert dargestellte Rauheiten sistor 22 durchgeschaltet, so wird 32 direkt von der 45 14, welche die entsprechenden Verengungspunkte Spannungsquelle 18 aufgeladen. Ist 32 voll aufge- bilden, in Verbindung. Parallel zu den Leitungen 48 laden und der Transistor 22 gesperrt, so behält der und 49 liegen eine Konstantstromquelle 62 und ein Speicherkondensator so lange seine volle Ladung, Voltmeter 60. Durch das Voltmeter wird der Spanbis der Impulsschalter 40 durchgeschaltet wird. Bei nungsabfall an dem durch die Kontaktelemente 10 Durchschaltung des Schalters 40 entlädt sich 32 über 50 und 12 gebildeten Serienkreis gemessen. Die Konden Schwingkreis 34, die Generatorausgangsleitung stantstromquelle 62 liefert einen Strom, der erforder-38, den Schalter 40 und über zwei Prüfklemmen 48 Hch ist, um den jeweiligen Potentialabfall an den und 49. Der Schwingkreis 34 überführt den Entlade- Kontaktelementen zu bestimmen. Die Quelle liefert strom des Kondensators 32 in die gewünschte vorzugsweise einen Konstantstrom, damit Potential-Impulsform; dabei soll die Impulsdauer vorzugsweise 55 änderungen festgestellt werden können; ist der Strom wesentlich unter der thermischen Ansprechzeit des nicht konstant, so müssen Mittel vorgesehen werden, Kontaktkörper einer gegebenen Verbindungsstelle um die Stromstärke zum Zeitpunkt der Voltmeter-Hegen, ablesung zu bestimmen.

Der Schalter 40 enthält einen kommerziell erhält- Die in den Figuren dargestellte und im vorstehen-

lichen steuerbaren Siliciumgleichrichter mit einer 60 den beschriebene Schaltung gemäß der Erfindung Ausgangsleitung 44 und einer Triggerleitung 43. Ist liefert elektrische Kontaktstroinimpulse aufcinanderdieser gesteuerte Gleichrichter gesperrt, so kann kein folgend wachsender bekannter Amplitude durch die Strom über die Gcneratorausgangsleitung 38 fließen. beiden Kontaktelemente; weiterhin ermöglicht sie die Der steuerbare Gleichrichter kann mit Hilfe eines Bestimmung des Spannungsabfalls an den beiden . Impulses an seiner Triggerleitung durchgeschaltet 65 Kontaktelementen sowohl vor und nach Einspeisen werden. jeden gegebenen Impulses. Zur. Bestimmung des

Den Schaltimpuls für den Schalter 40 liefert die Kontaktwiderstandes werden die beiden Kontakt-Steuereinrichtung 50. Diese enthält eine Spannungs- elemente an die Prüfklemmen 48 und 49 angeschaltet.

Der Spannungsabfall an den beiden Elementen wird bei bekanntem Strom bestimmt. Danach wird ein Impuls bekannter Amplitude und bekannter Impulsdauer auf die Kontaktelemente gegeben und der Spannungsabfall bei bekanntem Strom wiederum gemessen, um dessen Änderung infolge einer Änderung des Widerstandes in dem Stromkreis zu bestimmen. Die Messung und die Einspeisung von Impulsen wird so lange fortgeführt, bis eine Widerstandsänderung festgestellt wird. Damit ist der Wert des Impulses, der zuerst eine dauernde Änderung im Kontaktwiderstand hervorruft, ermittelt. Der erhaltene Wert ist ein Maß für den Verengungswiderstand von zwei Kontaktelementen, wie im folgenden gezeigt wird.

Wie oben ausgeführt, rufen Impulse bekannter Impulsdauer vorübergehende Temperaturänderungen im Bereich der Verengungen zwischen zwei Kontaktelementen hervor, ohne die Temperatur der Kontaktkörper zu beeinflussen. Eine vorübergehende Temperaturänderung ausreichender Größe ruft eine bleibende Änderung der Verengungswiderstände hervor, ohne den Widerstand der Kontaktkörper zu beeinflussen. Wird daher eine Änderung des Gesamtwiderstandes der Kontaktverbindung gemessen, so ist dieser Wert ein Maß für die Änderung des Verengungswiderstandes des Kontaktes.

Der Stromimpuls, der als erster eine bleibende Änderung des Verengungswiderstandes zweier Kontaktelemente hervorruft, wird als »kritischer Strom« definiert.

Es ist bekannt, daß für einen Kontakt das Produkt aus dem kritischen Strom und dem Verengungswiderstand konstant ist. Diese Konstante, weTche die Dimension einer Spannung hat, wird als »Schmelzspannung« bezeichnet. Diese konstante Schmelzspannung hängt von dem für den Kontakt verwendeten Material ab. So sind z. B. Gold-Kupfer-Kontakte durch die gleiche Schmelzspannung charakterisiert; ein Kupfer-Kupfer-Kontakt besitzt demgegenüber eine andere konstante Schmelzspannung.

Ist nun die für einen bestimmten Kontakt konstante Schmelzspannung bekannt und wird der kritische Strom für diesen Kontakt mittels der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung gemessen, so kann der Verengungswiderstand des Kontaktes durch Division der Schmelzspannung durch den kritischen Strom erhalten werden.

Die Schmelzspannung für Kontakte mit bestimmtem Material oder mit verschiedenen Materialien kann durch bekannte, in der Literatur beschriebene Techniken bestimmt werden.

Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung bietet weiterhin den Vorteil, daß der Verengungswiderstand zweier Kontaktelemente, für die die Schmelzspannung bekannt ist, durch einen einzigen Stromimpuls mit bekanntem kritischem Wert gemessen werden kann. Zur Bestimmung des Widerstandswertes wird das konstante Produkt aus Verengungsstrom und Verengungswiderstand für die gemessenen Materialien logarithmisch in einem Koordinatensystem graphisch dargestellt. Damit kann für irgendeinen kritischen Impulsstrom zweier Kontaktelemcnte, der mittels der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung gemessen wird, der entsprechende Verengungswiderstand aus der genannten graphischen Darstellung entnommen werden. Ist die durch den Stromimpuls gemessene Änderung des Spannungsabfalls gemessen worden, so kann die Änderung des Verengungswiderstandes bestimmt werden und der Wert, den der Verengungswiderstand vor Einspeisen des Impulses besessen hat, aus der graphischen Darstellung entnommen werden.

Claims (8)

Patentansprüche: . .

1. Verfahren zum Ermitteln des an der Verbindungsstelle zweier Kontaktelemente herrschenden elektrischen Widerstandes (Verengungswiderstand) als Quotient der Schmelzspannung und des kritischen Stromes, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Maßnahmen: daß unter Beaufschlagung der Kontaktelemente durch einen konstanten, geringen, noch keine Veränderungen auf Grund thermischer Effekte an der Verbindungsstelle hervorrufenden Gleichstrom der dadurch an den Kontaktelementen hervorgerufene Spannungsabfall gemessen wird, daß in die Kontaktelemente eine Folge von Stromimpulsen mit aufeinanderfolgend ansteigender, bekannter Amplitude eingespeist wird oder gegebenenfalls nur ein Impuls einer durch Erfahrung erhaltenen Amplitude, daß nach jedem Stromimpuls der an den Kontaktelementen herrschende Spannungsabfall wieder gemessen wird, so lange, bis der zuerst eine bleibende Änderung der Verbindungsstelle der Kontaktelemente hervorrufende Stromimpuls erreicht ist, d. h., der sich nach einer Stromimpulsbeendigung einstellende Spannungsabfall gegenüber den zuvor gemessenen Werten geändert hat, und daß für die Ermittlung des Verengungswiderstandes der Amplitudenwert des kritischen Stromimpulses verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer des Impulses bzw. der Impulse weniger als einige Millisekunden beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurcli gekennzeichnet, daß die Impulse untereinander gleiche Form aufweisen.

4. Schaltung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Impulsgenerator (18, 20, 30) zur Erzeugung von Impulsen vorgegebener Dauer und Stromstärke, durch einen Schalter (40) zur Anschaltung des Impulsgenerators (18, 20, 30) an die in Kontaktelemente (10, 12) durch eine an diese zu schaltende Konstantstromquelle (62) und durch ein parallel zu der Konstantstromquelle

(62) zu schaltendes Spannungsmeßgerät (60).

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator (18, 20, 30) eine Reihenschaltung einer Spannungsquelle (18) einstellbarer Ausgangsspannung, einer Stfombegrcnzungsstufe (20) und einer Impulsformerstufe (30) aufweist.

6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsformerstufe (30) einen über die Strombegrenzerstufe (20) zu ladenden und über einen Parallelschwingkreis (35, 36) zu entladenden Kondensator (32) aufweist.

7. Schaltung nach . einem der Ansprüche 4 bis 6, gekennzeichnet durch eine von Hand zu

schaltende Steuerstufe (50) zum Ein- und Ausschalten des Schalters (40).

8. Schaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungsmeßgerät (60) in Widerstandswerten geeicht ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen