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Ein weiteres Problem, welches bei der Messung von Schleifen- bzw.
Aderwiderständen zu beachten ist, besteht darin, daß diese Messungen vielfach z.
B. im Bereich der Kabelfertigung durchgeführt werden müssen und dabei in der Umgebung
der zu messenden Kabel starke elektromagnetische Fremdfelder im Niederfrequenzbereich
auftreten, welche Störspannungen in die zu einer Spule auf einer Trommel aufgewickelten
Kabel induzieren können. Diese Störspannungen treten vor allem dann auf, wenn im
Fertigungsbereich in der Nähe von leistungsstarken, z. B. thyristorgesteuerten elektrischen
Maschinen gemessen werden muß, wobei die Störspannung die Größenordnung der Meßspannung
erreichen kann. Der
resultierende Meßfehler wird bei langen Verseilelementen
oder Kabel mit großen Leiterquerschnitten besonders groß.
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Es wäre möglich, diese Störspannungen durch im Meßkreis angeordnete
Tiefpässe oder eine digital-integrierende Meßspannnungsauswertung mit Analog-Digital-Umsetzern
zu unterdrücken. Beide Methoden führen jedoch vielfach nicht zu befriedigenden Ergebnissen,
da einerseits wegen der endlichen Sperrdämpfung von Filtern bzw. wegen langer Einschwingungszeiten
meßbare Restfehler verbleiben oder die Meßzeiten entsprechend vergrößert werden
müssen. Dies ist insbesondere bei der Messung mit Automaten, wie sie heute vielfach
bei der Prüfung von Kabeln eingesetzt werden, störend.
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Aus der DE-OS 16 16 103 ist ein Verfahren zum selbsttätigen Messen
der Schleifenwiderstände von Nachrichtenkabeln bekannt. Dabei ist eine einzige Meßstromquelle
vorgesehen, und sowohl den a-Adern als auch den Adern des Kabels ist jeweils am
Kabeleingang und auch am Kabelausgang je eine Ebene eines Schrittschalters zugeordnet.
Die Messung erfolgt somit weitgehend störspannungsfrei. Die Steuerung dieser Schrittschalter
erfolgt gemeinsam so, daß jeweils eine a-Ader und eine bAderin Reihe geschaltet
werden und so der Schleifenwiderstand bestimmt wird. Mit einer derartigen Meßanordnung
lassen sich zwar die Schleifenwiderstände der jweils durch den Schrittschalter in
Serie geschalteten a- und Adern bestimmen; es können daraus jedoch die Ader-Widerstände
nicht errechnet werden, weil infolge der starren Schrittfolge der Schrittschalter
jeweils nur jede a-Ader und jede bAder einmal gemessen wird. Für die Bestimmung
der Ader-Widerstände reicht die so gewonnene Meßinformation nicht aus.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßverfahren
der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß die Bestimmung der Ader-Widerstände
möglichst einfach und schnell durchgeführt werden kann. Gemäß der Erfindung wird
diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei der Bestimmung der Schleifenwiderstände mit
einer Ader in unterschiedlicher Paarung mit den anderen Adern mehrfach gemessen
wird und anschließend aus den gespeicherten Schleifenwiderstandswerten die Aderwiderstände
direkt hergeleitet werden.
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Dies hat den Vorteil, daß mit wenigen Messungen gearbeitet werden
kann und daß Streuungen weniger eingehen, weil bei einem sehr großen Teil der Messungen
ein und dieselbe Ader als Bezugsgröße verwendet wird. Gegenüber einer Messung mit
zwei Stromquellen ergibt sich der Vorteil, daß die Meßergebnisse störspannungsfrei
gewonnen werden.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Schaltungsanordnung zur Durchführung
des Verfahrens, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die Enden der Adern über
je eine Meßleitung sowohl zur Meßstromquelle als auch zum Meßgerät geführt sind,
daß sendeseitig und empfangsseitig eine gemeinsam betätigte Umschalteinrichtung
vorgesehen ist, durch die nacheinander die gewünschten Schleifen aus je zwei Adern
an die Meßstromquelle und an das Meßgerät angeschlossen werden und daß in einem
nachgeschalteten Speicher die gemessenen Schleifenwiderstandswerte festgehalten
und zur Bestimmung der Aderwiderstände in einem Rechner bereitgestellt sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt
F i g. 1 den grundsätzlichen Aufbau einer Meßanordnung nach der Erfindung,
Fig.2 den Schaltungsaufbau bei der Messung von dreiadrigen Verseilelementen (Dreiern),
F i g. 3 die Adernfolge eines fünfadrigen Verseilelementes (Fünfer) zur Festlegung
der Zählfolge.
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In Fig. 1 ist der grundsätzliche Aufbau einer Meßschaltung zur Bestimmung
des Schleifenwiderstandes zweier Adern dargestellt. Von einer Meßstromquelle IQ
wird ein konstanter Meßstrom Im dem nahen Anschluß A 1 einer Ader 1 zugeführt, deren
ohmscher Widerstand mit R I bezeichnet ist. Bis zum entfernten Ende El dieser Ader
1 fällt eine Spannung U 1 ab. Am fernen Ende der Ader 1 ist eine Verbindung zu einer
weiteren Ader 2 hergestellt, und zwar in Form eines möglichst niederohmigen Kurzschlusses.
Der Übergangswiderstand dieses Kurzschlusses darf das Meßergbnis nicht unzulässig
verfälschen. Durch entsprechend kompakte Kurzschlußklemmen lassen sich die Übergangswiderstände
des Kurzschlusses so gering halten, daß ihr Einfluß vernachlässigbar bleibt.
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An der Ader 2, deren ohmscher Widerstand R2 bezeichnet ist, fällt
durch den Strom Im eine Spannung U2 ab, wobei das nahe Ende A 2 dieser Ader 2 mit
dem zweiten Ausgang der Meßstromquelle UQ verbunden ist. Bei den Adern 1 und 2 der
dargestellten Meßanordnung handelt es sich um zwei Einzeladern eines Verseilelementes
bzw. eines Kabels.
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An den nahen Enden A 1 und A 2 der dargestellten Schleife aus den
Adern 1 und 2 tritt eine Meßspannung UMauf, die einem Entkopplungs-Verstärker (Trennverstärker)
EV zugeführt wird, dessen Eingangswiderstand praktisch den Wert unendlich aufweist.
Nachgeschaltet ist ein bevorzugt als Digitalmultimeter ausgebildetes Meßgerät MG,
an welchem die Spannung Um angezeigt wird. Dabei ergibt sich für die dargestellte
Meßanordnung folgende Beziehung: Um = Im (RI + R2) (1) Da (R 1 + R 2) den Schleifenwiderstand
Rs der dargestellten Aderkombination darstellt, gilt die Beziehung: Um = Im Rs.
(?) Bei der Messung von Ader- und Schleifwiderständen sowie bei der Messung von
Widerstandsdifferenzen der Leiter symmetrischer Verseilelemente können die Ergebnisse
durch Störspannungen verfälscht werden, welche durch elektromagnetische Fremdfelder
in die normalerweise spulenförmig aufgewickelten Leiter 1 und 2 induziert werden.
Dies ist besonders dann der Fall, wenn im Fertigungsbereich in der Nähe von leistungsstarken,
z. B. thyristorgesteuerten elektrischen Maschinen gemessen werden muß, bei denen
Störspannungen in der Größenordnung der Meßspannungen auftreten können. Auf diese
Weise werden die Widerstandsmessungen unzulässig verfälscht. Der resultierende Mel'fehler
wird besonders bei langen Verseilelementen mit großen Leiterquerschnitten sehr groß.
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Die in Fig.l gezeigte Meßmethode hat u. a. den Vorteil, daß derartige
induzierte Störspannungen sich praktisch weitgehend kompensieren und damit nicht
in das Meßergebnis eingehen. Dies liegt daran, daß die bciden Adern 1 und 2 praktisch
eine bifilare Wicklung darstellen, so daß die Störspannungen Uz 1 und Uz2 in den
beiden Adern 1 und 2 gegeneinander gerichtet sind
und sich bezüglich
der Meßspannung Um gegenseitig kompensieren und damit nicht in das Meßergebnis des
Meßgerätes MG eingehen.
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Nachfolgend wird das Verfahren zur Bestimmung der Einzeladerwiderstände
beschrieben, wobei in dem Beispiel nach Fig. 2 die Messung an einem dreiadrigen
Verseilelement (Dreier) beschrieben ist. Die Meßstromquelle IQ ist hierzu mit Umschaltern
USI und USII verbunden, die gemeinsam betätigt werden und ausgangsseitig insgesamt
drei mögliche Schaltstellungen mit den Anschlußklemmen K11, K 12, K 13 bzw.
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K 21, K 22 und K 23 aufweisen. Die Klemmen K 11 und K12, K13 und K21
sowie K22 und K23 sind jeweils direkt miteinander verbunden. Von den Klemmen K 11
und K 12 aus führt eine möglichst kurz gehaltene Meßleitung ML 11 zu dem Anschluß
A 1 der Ader 1. In analoger Weise sind die Klemmen K 13 und K21 über die Meßleitung
ML 21 mit dem Anschluß A 2 der Ader 2 und die Klemmen K22 und K23 über die Meßleitung
ML 31 mit dem Anschluß A 3 der Ader 3 verbunden. Als Anschluß einrichtungen sind
besonders Vielfachzangen mit Strom- und Spannungsklemmen, sogenannten Thomson-Klemmen
geeignet.
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Die ohmschen Ersatzwiderstände der Adern 1 und 2 und 3 sind mit R
1, R 2 und R 3 bezeichnet. Am fernen Ende der Adern ist eine entsprechend niederohmige
Kurzschlußklemme KK mit vernachlässigbarem Übergangswiderstand vorgesehen, welche
die Endpunkte El, E2 und E3 aller Adern 1, 2 und 3 miteinander verbindet.
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Die nahen Enden der Adern A 1, A 2 und A 3 sind außerdem über Meßleitungen
ML 12, ML 22 und ML 32 mit Klemmen K31, K 32 und K 33, K41, sowie K 42 und K43 verbunden,
wobei wiederum jeweils zwei dieser Klemmen (z. B. K 31, K 32) miteinander verbunden
sind.
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Auch hier sind Zweifachumschalter US III, US IV vorgesehen, welche
mechanisch mit den Umschaltern USI und USII der Meßspannungsseite gekoppelt sind
und somit gleichzeitig betätigt werden. An die Umschalter USIII und USIV ist ein
entsprechendes Meßgerät MG z. B. in Form eines Multimeters angeschlossen.
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Bei der in F i g. 2 dargestellten Stellung der Umschalter USI bis
USIV wird entsprechend Gleichung (2) der Schleifenwiderstand der aus den Adern 1
und 2 gebildeten Leiterschleife gemessen nach folgender Beziehung: Rsl = Rl + R2.
(3) Durch Umlegen der Schalter USI bis USIV in die zweite Schaltstellung wird der
Meßstrom Im an die Anschlüsse A 1 der Ader 1 und A 3 der Ader 3 gelegt, so daß über
das Meßgerät MG der Schleifenwiderstand Rs2 = R1 + R3 (4) bestimmt werden kann.
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In der dritten Schaltstellung wird der Meßstrom Im den Anschlüssen
A 2 der Ader 2 und A 3 der Ader 3 gelegt, so daß über das Meßgerät MG der Schleifenwiderstand
Rs 3 Rs2 = R2 + R3 (5) bestimmt wird.
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Aus den so nacheinander gemessenen Schleifenwiderständen Rs 1, Rs
2 und Rs 3 lassen sich die
Widerstandsdifferenzen AR der einzelnen Adernpaare bestimmen
nach folgenden Gleichungen: lRl,2 = Rs2 - Rs3 = Rl - R2 (6) lRI,3 = Rsl - Rs3 =
Rl - R2 (7) IR2,3 = Rsl - Rs2 = R2 - R3 (8) Außerdem können durch Umformung der
Gleichungen (3) bis (5) die Einzelwiderstände der Adern berechnet werden, und zwar
nach folgenden Beziehungen: Rl = Rsl + Rs2Rs3 2 R2 = Rsl + Rs3 - Rs2 (10) 2 R3 =
Rs2 + Rs3 - Rsl (I1) 2 Mit der in F i g. 3 dargestellten Anordnung lassen sich somit
in einfacher Weise die Einzelwiderstände R 1 bis R 3 der Adern 1 bis 3 bestimmen,
wobei der Aufwand für die Messung gering gehalten werden kann und gleichzeitig sichergestellt
ist, daß induzierte Störspannungen praktisch nicht in das Meßergebnis eingehen.
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Voraussetzung ist, daß bei der Messung der Schleifenwiderstände jeder
Aderwiderstand mindestens einmal mit erfaßt ist.
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Die nacheinander gemessenen Schleifenwiderstände Rs werden vom Meßgerät
MG aus in eine Speichereinrichtung SP eingegeben. Nach Erhalt aller notwendigen
Schleifenwiderstände werden in einem Rechner CO entsprechend den Gleichungen (9)
bis (11) die Aderwiderstände R 1 bis R 3 ermittelt und auf einer Anzeigeeinrichtung
AZ dargestellt bzw. in eine entsprechende Registriereinrichtung (z. B. Drucker)
eingegeben.
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Um die Auswertung komfortabler zu gestalten, kann dem Digitalmultimeter
ein Microprozessor nachgeschaltet werden. Dieser speichert automatisch die Rs-Werte
und errechnet daraus die Teilwerte. Diese können auf Tastendruck angezeigt oder
auf einem Streifendrucker ausgeschrieben werden.
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Die beschriebene Messung der Aderwiderstände ist nicht auf Anordnungen
mit drei Leitern beschränkt, wie nachstehend an Hand weiterer Beispiele erläutert
wird, in denen zunächst die Messung bei vieradrigen Verseilelementen behandelt wird.
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Die zu messenden Schleifenwiderstände bei einem aus den Adernpaaren
la, 1b sowie 2a, 2b aufgebauten Vierer lassen sich wie folgt bestimmen: Rsl = Rla
+ Rlb (12) Rs2 = R2a + R2b (13) Rs3 = Rla + R2a (14) Rs4 = Rla + R2b (15) Rs5 =
Rib + R2b (16)
Aus den ersten beiden Messungen ergeben sich direkt
die Schleifenwiderstände Rsl und Rs2 der beiden Paare la, 1b bzw. 2a, 2b. Die Widerstandsdifferenzen
der Paare lassen sich errechnen als 1R1 = Rla - Rib = Rs4 - Rs5 (17) 1R2 = R2a -
R2b = Rs3 - Rs4 (18) Die vier Aderwiderstände lassen sich wie folgt ermitteln R1a
+Rs3+Rs4 + Rs2 (19) R1b = Rs1 + Rs5 - Rs4 /2 (20) R2a = Rs2 + Rs3 - Rs4 /2 (21)
R2b = Rs2 + Rs4 - Rs3 /2 (22) Damit ergeben sich durch Rechnung aus fünf Schleifenwiderstandsmeßwerten
die acht relevanten Teilwerte eines Vierers. Im praktischen Betrieb wird es nicht
erforderlich sein, immer alle Teilwerte zu berechnen, um die Symmetrie des Vierers
zu beurteilen.
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Lediglich in Grenzfällen muß gerechnet werden, z. B.
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um eine bei der Verseilung mehr als die drei übrigen beanspruchte,
ausgedehnte Ader zu ermitteln.
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Zur Realisierung der Messung eines Vierers werden die vier Meßklemmen
(zwei Strom- und zwei Spannungsklemmen) eines Meßgerätes in Form eines Multimeters
mittels eines Umschalters in den fünf Stellungen, Rs 1 bis Rs5, auf die A-Enden
der vier Adern des Vierers geschaltet. Das A-Ende des Vierers wird über eine Viererzange,
die Thomson-Klemmen besitzt, angelegt. Das E-Ende wird über eine robuste Kurzschlußklemme
kurzgeschlossen. Um die Teilwerte von Verseilelementen mit weniger als drei Leitern
(Paare) zu bestimmen. ist das Zusammenfassen von je zwei Paaren zum »Vierer« möglich.
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Nachfolgend wird ein weiteres Beispiel beschrieben, in dem die Messung
eines Fünfers behandelt wird.
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Die Festlegung der Adernzählfolge ist aus Fig. 3 zu entnehmen, wobei
die einzelnen Stammleitungen mit 1a, 1b sowie 2a, 2b bezeichnet sind und die Ader
5 als Signalader zu betrachten ist. Im einzelnen ergeben sich folgende mathematische
Beziehungen für die Schleifenwiderstände Rs 1 bis Rs 7: Rsl = Rla + Rlb (23) Rs2
= R2a + R2b (24) Rs3 = Rla + R2a (25) Rs4 = Rla + R2h (26) Rs5 = Rib + R2b (27)
Rs6
= Rla + R5 (28) Rs7 = Rlb + R5 (29) Daraus lassen sich Widerstandsdifferenzen der
Stammleitungen 1a, 1b und 2a, 2b berechnen nach den Beziehungen 1R1 = Rla - Rib
= Rs4 - Rs5 (30) 1R2 = R2a - R2b = Rs3 - Rs4 (31) Die Schleifenwiderstände der Stammleitungen
sind direkt meßbar Rsl = Rla + Rlb (3') Rs2 = R2a + R2b (33) Zu berechnende Einzelwiderstände
der Adern: Rla = RS3 + Rs4 - Rs2 /2 (34) R1b = Rsl + Rs5 - Rs4 /2 (35) 2 (35) R2a
= Rs2 + Rs3 - Rs4 2 (36) R2a = Rs2 + Rs3 - Rs4 /2 (36) R2b = Rs2 2 (37) Rs6 + Rs7
- Rsl R5 = 2 (38) In den vorstehend für Vierer- und Fünfer-Verseilelemente angegebenen
Lösungen ist die Anzahl der Schleifenmessungen größer als die Zahl der zu ermittelnden
Aderwiderstände. Es ist dabei auf einfache und einheitliche Gleichungen zur Berechnung
der Aderwiderstände und geringste Meßunsicherheit abgezielt worden.
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Hat dagegen der Rechenaufwand keine Bedeutung und soll stattdessen
der Meßumfang möglichst gering gehalten werden, läßt sich ein Meß-/Rechensystem
angeben, bei dem die Anzahl der zu messenden Schleifenwiderstände nur gleich der
Anzahl der zu bestimmenden Aderwiderstände ist. Die Aderwiderstände wiederum werden
teils aus drei teils aus vier Meßwerten berechnet.
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In diesem System wird aus den Adern des Verseilelementes zunächst
eine Gruppe von drei Adern (oder falls die Adernzahl ausreichend groß ist mehrere
Gruppen) gebildet und deren drei Widerstandsschleifen djede Ader mit jeder anderen
kombiniert) gemessen.
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Aus den verbleibenden übrigen Adern des Verseilelementes und einer
beliebigen Ader der Dreier-Gruppe werden wiederum Schleifen gebildet und gemessen.
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Aus den Schleifenwiderstands-Meßwerten, deren Anzahl gleich der Aderzahl
des Verseilelementes gewählt ist, werden dann alle Aderwiderstände in geeigneter
Kombination der Meßwerte durch einfache
Additionen oder Subtraktionen
berechnet.
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Im folgenden ist als Beispiel die Messung bzw.
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Rechnung für ein Fünfer-Verseilelement angegeben.
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Ader des Fünfers
1 a |
1b : Dreier-Gruppe |
2a |
2b 5 Fünf Schleifenwiderstands-Meßwerte:
Rsl = Rla + Rlb |
zu messende (39) |
Rs2 = Rla + R2a i Schleifenwiderstände (40) |
der Dreier-Gruppe |
Rs3 = Rlb + R2a (41) |
zu messende |
Rs4 = Rla + R2b 1 Schleifenwiderstände (42) |
der übrigen Adern 2b |
Rs5 = R1a + R5 und 5 mit Ader la (43) |
der Dreier-Gruppe |
Rechenwerte der Einzeladern: Rla = Rs1 + Rs2 - Rs3 /2 (44) R1b = Rsl + Rs3 - Rs2
/2 (45) Rs2 R2a = Rs2 + Rs3 - Rsl /2 (46) R2b = Rs4 - RS1 + Rs2 - Rs3 /2 = Rs4 -
R1a (47) R5 = Rs5 - Rs1 + Rs2 - Rs3 2 = Rs5 - R1a (48) Gegebenenfalls interessierende
Widerstandsdifferenzen oder Schleifenwiderstände der Stammleitungen lassen sich
aus den Ergebnissen der Gleichungen (44)-(48) berechnen.