DE450351C

DE450351C - In elektrische Stromkreise einzuschaltender Widerstand

Info

Publication number: DE450351C
Application number: DES67052D
Authority: DE
Inventors: Dr Werner Espe
Original assignee: Siemens Schuckertwerke AG
Current assignee: Siemens Schuckertwerke AG
Priority date: 1924-09-11
Filing date: 1924-09-11
Publication date: 1930-05-09

Description

In elektrische Stromkreise einzuschaltender Widerstand Die Messung von Hochspannungen erfolgte bisher in der Regel niederspannungsseitig vor dem Transformator oder mit Hilfe eines besonderen Meßtransformators. Abgesehen davon, daß es im allgemeinen wünschensw er t ist, Hochspannungen direkt zu messen, versagt dieses Verfahren im Fall des in neuester Zeit technisch sehr wichtig gewordenen hochgespannten Gleichstromes. Man kann hierfür hohe Ohmsche Widerstände vor dem Meßinstrument schalten. Das geht aber etwa nur bis zu einer Gesamtspannüng von 3ooo Volt. Bei höheren Spannungen stößt die Ausführung dieser Widerstände auf große Schwierigkeiten. Die Isolierung wird sehr schwierig, und der Vorschaltwiderstand nimmt große Dimensionen an.
Ein weiterer Nachteil der bisher üblichen Vorschaltwiderstärnde besteht darin, @d.aß sie nicht vollkommen induktionsfrei bzw. kapazitätsfrei herstellhar sind. Diese Eigenschaft ist besonders dann nachteilig, wenn hochfrequente Spannungen gemessen werden sollen, lila der Gesamtvorschalt-,viderstand dann für jede Frequenz einen anderen Wert besitzt.
Die Erfindung betrifft nun einen in elektrische Stromkreise einzuschaltenden Widerstand, der ,geeignet ist, Hochspannungen auf sich zu nehmen, und trotzdem die geschiliderten Nachteile der bisherigen Widerstände nicht besitzt.
Erfindungsgemäß wird für den einzuschaltenden Widerstand eine Hochvakuumentlä-<iungsröhre verwendet. Derartige Röhren, #lie .gewöhnlich mit einer Glühkathode ausgerüstet sind, lassen sich so bauen, daß sie bei geringem Stromdurchlaß eine hohe Spannung auf sich nehmen, sie sind daher als Vorschaltwiderstände sehr geeignet. Es ist bereits eine Anordnung bekannt, bei der eine Glimmentladungsröhre in einem Niederspannungsstromkreis als Vorschaltwiderstand dient. Demgegenüber hat die Verwendung einer Hochvakuumröhre den Vorteil, daß sie für beliebig hohe Spannungen geeignet ist.
Die Einschaltung -der Röhren als Widerstand in den Stromkreis erfolgt ferner erfindungsgemäß derart, daß für .die betreffende Röhre innerhalb des in Frage kommenden Spannungsbereiches der Strom irgendeines der Röhrenkreise eine eindeutige Funktion der diesem oder irgendeinem anderen Kreise aufgedrückten Spannung ist. Die Größe dieses Stromes gibt daher die Größe der zu messenden Spannung an, z. B. ist bei einer Glühkathodenröhre der Anodenstrom bis zur Erreichung seines Sättigungswertes innerhalb eines gewissen Spannungsbereiches eine eindeutige, etwa lineare Funktion der der Röhre aufgedrückten Spannung. Ähnlich verhält sich der Gitterstrom bei Verwendung einer Elektronenröhre mit Steuergitter.
Um :die Elektronenröhre für die Messung von möglichst hohen Spannungen verwenden zu können, .muß sie besonders ausgebildet werden. Durch geeignete Mittel, wie z. B. Einengung des Entladungsweges der Elektronen im Vakuum, Vergrößerung des Abstandes zwischen ,der Anode -und der Kathode, Anordnung von geeigneten Blenden, Anbringung eines oder mehrerer Gitter mit Hilfsspannungen, Anbringung eines magnetischen Steuerfeldes, wird die Spannung, bei der der Sättigungsstrom in der Röhre eintritt (Sättigungsspannung) höher gehalten, als das bei den bisher üblichen Elektronenröhren der Fall ist. Bei diesen wird die Sättigungsspannung bereits bei etwa iooo Volt erreicht. Sollen daher Spannungen über iooo Volt gemessen werden, dann würde sich dies mit .den, bisher gebräuchlichen Röhren nicht erreichen lassen, da dann keine eindeutige Beziehung mehr zwischen Strom und Spannung vorhanden ist.
Fig. i der Zeichnung zeigt die Beziehung zwischen dem Anodenstrom i" und der Anodenspannunge, bei .den bisher üblichen Elektronenröhren. Die Charakteristik besitzt einen verhältnismäßig steilen Verlauf, der Sättigungsstrom wird bereits bei ,geringer Spannung erreicht. Fig. a zeigt die Charakteristik für eine nach der Erfindung ausgebildete Elektronenröhre, bei der z. B. durch Vergrößerung -des Abstandes zwischen Kathode und Anode über das bisher übliche Maß oder durch Abblendung der Glühkathode der :Sättigungsstrom erst bei einer wesentlich höheren Spannung erreicht wird.
Die Verwendung der Elektronenröhre zur Messung bzw. zur Kurvenaufnahme von elektrischen Spannungen hat,den Vorteil, daß die Röhre bei entsprechender Ausbildung für die Messung von beliebig hohen Spannungen verwendet werden kann, ohne daß Isolationsschwierigkeiten .auftreten. Außerdem bleibt der Vorschaltwiderstand absolut konstant und ist von allen Temperatureinflüssen unabhängig. Gegenüber den .bisher verwendeten Widerständen besitzt er außerdem verhältnismäßig kleine Dimensionen. Ein weiterer Vorteil der Elektronenröhre besteht .darin, .daß sie ganz induktionsfrei und nahezu kapazitätsfrei ist. Die Einschaltung der Elektronenröhre ist daher besonders bei der Messung von hochfrequenten Spannungen vorteilhaft. Ähnliches gilt für die Verwendung der Röhre zwecks Messung von hochgespanntem Gleichstrom. Wie bereits erwähnt, bereitet gerade die Messung von hochgespanl@tern Gleichstrom die größten Schwierigkeiten.
In Fig. 3 der Zeichnung ist die neue Anordnung an einem Beispiel veranschaulicht. i ist die Stromschiene einer hochgespannten Gleichstromquelle, deren Spannung gegenüber der Erde gemessen werden soll. Es ist hierfür die Glühkathodenröhre 2 mit ihrer Anode 3 an die Hochspannung gelegt. Die Glühkathode 4. ist über das Amperemeter 5 an die Erde angeschlossen. Die Heizung der Glühkathode erfolgt mit Hilfe der Batterie 6. Außerdem ist in den Heizkreis noch ein Widerstand 7 für die richtige Einstellung des Heizstromes eingeschaltet. Umnichtbeabsichtigte Schwankungen .des Heizstromes zu verhindern, liegt- im Heizstromkreis außerdem noch eine Eisendrahtwiderstandslampe 8, die bekanntlich in Richtung der Konstanthaltung des Stromes wirkt.
Wie bereits erwähnt, ist es- zweckmäßig, die Charakteristik der Röhre möglichst flach zu halten, um eine möglichst hohe Spannung noch eindeutig messen zu können bzw. um den Meßbereich der Anordnung möglichst zu vergrößern. Um das zu erreichen, wird die Glühkathode 4 im Innern der Röhre mittels eines nichtglühenden Teiles teilweise abgeschirmt. Außerdem ist der Abstand zwischen Kathode und Anode ein verhältnismäßig großer. Für die Abschirmung ist die Glülikathode bei der Anordnung in Fig.3 im Innern eines Zylinders 9 angeordnet. Das der Anode zugekehrte Ende des Zylinders ist außerdem mit einer Blende io' ausgerüstet. die eine weitere Abschirmung der Kathode herbeiführt. Die ganze Anordnung bewirkt, daß die Elektronen eist -hei einer hohen Spannung der Anode aus .dem Zylinder von der Glühkathode zur Anode übertreten. Die Charakteristik der Röhre nimmt daher den in der Fig.2 angedeuteten flachen Verlauf an, und der das Amperemeter 5 durchfließende Anodenstrom stellt 'bis zu einer sehr hohen, der Röhre aufgedrückten Spannung ("vor allem innerhalb der Grenzen A und B der Fig.2) ein eindeutiges Maß für diese .dar.
Die Anordnung .besonderer Zylinder bzw. auch Blenden in der Nähe von Glühkathoden ist .an sich für Röntgenröhren bekannt. Sie dient dort aber zur Herstellung einer n iÖglichst strahlenförmigen Entladung, während sie bei vorliegender Anordnung eine,Verflachung der Charakteristik herbeiführt.

Die Verwendung der Elektronenröhre als Vorschaltwiderstand für die Messung von elektrischen Spannungen hat den weiteren Vorteil, daß bei plötzlich auftretenden Überspannungen trotzdem das-- Meßinstrument nicht durch Überströme gefährdet wird. Man

braucht nämlich mir das 1leßinstrument der-

art: auszubilden, -daß der maximale, noch eben

für dis Instrument zulässige Meßstrom

@leicli ist dem Sättigungsstrom der EIektro-

nenröhre. Eitle plötzlich auftretende Über-

spannung kann daher, da sie den Anoden-

strom nicht mehr wesentlich vergrößert, das

Meßinstrtim(#zit, das, wie in Fig.3 darge-

stellt, nur \ iederspanriiing besitzt, nicht be-

schädigen. Um diese Sicherung des Meß-

instrumentes für verschiedene Meßbereiche

durchzuführen, ist es mitunter erwünscht,

die Charakteristik der Elektronenröhre zti

beeinflussen. Das kann z. B. in Fig. 3 da-

durch erreicht wer,len, daß .der Zylinder g

mittels Einwirkung von außen verschoben

wirrt, oder auch dadurch, daß die Blendenöff-

nung in #les /vlinders mehr oder weniger ver-

stellt «-irl. Di# Verschiebung bzw. dieVerstel-

Iung der Blendenöffnung kann z. B., wie dies

an sich ebenfalls bekannt ist, mittels magne-

tischer Beeinflussung eines finit vier Blende io

gekuppelten Weiclieiseiistückes im Innern der

Röhre erreicht werden. Statt die Blende io

zu verstellen, kann man auch den Abstand

zwischen Ann:-ie und Kathode von außen be-

einflussen.

BI-i der .lnordnung nach Fig. d. wird eine

Elehtronenr@@hre %-erwenriet, lie einen Gitter-

:! r ntnkrris besitzt. Die Stärke des Stromes

in 1i: s<in Kreis gibt r1a nn ebenfalls ein ein-

,letitige: Maß für die Höhe der zwischen den

Polen der F-lel;ironenröhre herrschenden

Spannung. In #Juni Stromkreis des Gitters

i i befindet sich außer dein Amperemeter 5

noch eine- Batterie 12. Die Spannung der

Fatt:ei-ie und ihre Richtung ist derart ge-

wählt, daß zwischen der Anodenspannung ea

und dein Gitterstrom im, die Charakteristik

nach Fig. _l der Zeichnung entsteht. Für die

17essung der Hochspannung wird man

z@@-;chinäßig wieder nur den Teil der Charak-

teristik zwischen den Buchstaben A B ver-

wenden.

1>ei einer weiteren Ausführungsform der

Frtinilun wird statt einer elektrisch gesteu-

erten e@ine@ inagnttisch gesteuerte Röhre

Vagnutron ; als Vorschaltwiderstand ver-

w,ndet. Da #lie Charakteristik eines Magne-

tr ins g;#wnlinlich ziemlich steil ansteigt, so

inüss«i auch hier besondere Vorrichtungen

ange@-@r:lne? wer-jeii, :iie eine flache. natürlich

in@i-lich#t lin:are Charakteristik herbei-

führen. Es er@veist sich z. B. als vorteilhaft,

ein Magnetron zu verwenden, bei dem die

(7lülilcathode in Form eines ausgespannten

Drahtes von einer Anode in Form eines Zy-

linders von ellipsenförmigem oder anderem

jedenfalls nicht lcnnzentrischem Kreisquer-

selinitt umgeben ist.

Die Elektronenröhre kann, wie bereits er-

wähnt, auch als Vorschaltwiderstand für

oszillographische Kurvenaufnahmen ver-

wendet werden, da sie induktions- und kapa-

zitätsfrei ist.

In den Meßstromkreis wird dann die

Oszillographenschleife gegebenenfalls in

Hintereinanderschaltung mit dem Ampere-

meter eingeschaltet. Fig. 6 der Zeichnung

zeigt eine derartige Anordnung für das

Oszillographieren und das gleichzeitige

Messen von Wechselspannungen. Um beide

Teile der Spannungskurve .des Wechselstro-

mes aufnehmen zu können, sind zwei Elek-

tronenröhren vorgesehen, die mit ihren An-

oden an den beiden Polen der Wechselspan-

nung liegen. Die Kathoden sind über eine

gemeinsame Leitung mit der Erde verbun-

den. In diese Leitung ist das Ampere-

meter 5 und die Oszillographenschleife 1;3

eingeschaltet. In den Heizstromkreisen

liegen außerdem noch die beiden Wider-

stände i.1 und 15. Mit Hilfe der beiden

Schalter 16 und 17 können diese Wider-

stände parallel zum Meßinstrument geschal-

tet werden. Sind die beiden Schalter 16 und

17 offen, dann kann man an dem Meßinstru-

ment 5 die Höhe der Wechselspannung ab-

lesen und außerdem mit Hilfe der Oszillp-

graphenschleifeeine Kurvenaufnahme vor-

nehmen. Wird nun z. B. Schalter 16 einge-

legt, ;tann kann man mit Hilfe desselben

Meßinstrumentes den Heizstrom der linken

Röhre auf die richtige Größe einstellen, eben-

so bei alleiniger Einschaltung des Schalters

17 den Heizstrom der rechten Röhre.

Bei der Durchführung von Hochspan-

nungsmessungen mit einer Anordnung ge-

mäß der Erfindung hat sich folgendes Ver-

fahren als zweckmäßig erwiesen: Zuerst wird

der Heizstrom der Röhre eingeschaltet. Das

Milliamperemter 5 für die Messung des

Anodenstromes dient dabei, mit einem 'Ne-

benschluß versehen Lind entsprechend ge-

schaltet; zur genauen Einstellung des Heiz-

strome s. Gegebenenfalls wird der Heizstrom

durch -Nachstellen des Regulierwiderstan-

des ; (Fig. 3) auf den richtigen Wert einge-

stellt. Die Eiseiidralitwiderstan_lslampe

sorgt genügend für die Konstantlialtun- des

Heizstromes. Dann wird die Spannungs-

schiene bei kurzgeschlossenem Milliampere-

ineter ; bzw. nszillographenschleife-13 mit

der =\node der Elektronenröhre verbunden

und schließlich der Kurzschluß des Instru-

mentes bzw. der Oszillographenschleife auf-

gehoben. Wird eine Elektronenröhre mit

Gittervorspannuna wie in Fig. a verwen-

det, oder kotnint ein Magnetron mit Hilfs-

magnetfeld zur Anwendung, dann wird außer-

dem vorher die Gitterspannung bzw. der

Strom für die Erzeugung des magnetischen

Feldes auf den richtigen Wert in entsprechender Weise wie vorher mit demselben Instrument eingestellt. Hierauf wird nunmehr am Meßinstrument 5 das, wie erwähnt, nach Ausschalten des Nebenschlusses in dem Meßstromkreis eingeschaltet ist, der Anodenstrom abgelesen, der ein Maß für die Höhe der zu messenden Spannung ist. Das Milliamperemeter ist zweckmäßig unmittelbar auf Kilovolt geeicht. Nach Ablesung der Spannung wird das Instrument 5 kurzgeschlossen und der Heizstrom ausgeschaltet. Um die richtige Reihenfolge der geschilderten einzelnen Schaltvorgänge ,durchzuführen, kann man einen Walzenschalter anordnen, der bei Drehung in dem einen Sinne nacheinander die einzelnen Schaltungen vornimmt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. In elektrische Stromkreise einzuschaltender Widerstand, insbesondere als Vorschaltwi.derstand für die Messung oder für die Kurvenaufnahme von Hochspannungen oder hochfrequenten Spannungen, dadurch :gekennzeichnet, daß in den elektrischen Kreis eine Hochvakuumentladungsröhre eingeschaltet ist. a. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß für die betreffende Röhre innerhalb des in Frage kommenden Spannungsbereiches der Strom irgendeines der Röhrenkreise eine eindeutige Funktion der diesem oder irgendeinem anderen Kreise der Röhre aufgedrückten Spannung ist. 3. Anordnung nach Anspruch i und a, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre einen Gitterstromkreis besitzt, in dem ,las Meßinstrument bzw. der Oszillograph eingeschaltet ist. ¢. Anordnung nach Anspruch i und 2, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Magnetrons als Vorschaltwiderstan:d. 5. Anordnung nach Anspruch i bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch :geeignete Mittel (Einengung der Entladung, Vergrößerung des Abstandes zwischen Anode und Kathode u. dgl.) die Sättigungsspannung der Röhre höher als bei den bisher üblichen Röhren gehalten wird. 6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühka-"thode der Röhre mittels eines nicht glühenden Teiles (Blende) teilweise abgeschirmt ist. 7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühkathode im Innern eines abschirmenden 7-ylinders untergebracht ist. B. Anordnung nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß -die Abschirmung von außen beeinflußt werden kann, z. B. durch Verschieben des Zylinders oder durch Verstellen einer Blend.enöffnung. 9. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch :gekennzeichnet, daß die Vergrößerung des Abstandes zwischen Anode und Kathode von außen vorgenommen werden kann. io. Anordnung nach Anspruch i bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Strom des Meßinstrumentes oder .des Oszillographen etwa die Größe des Sättigungsstromes desjenigen Röhrenstromkreises hat, in dem das Meßinstrument eingeschaltet ist. i i. Anordnung nach Anspruch i bis io, gekennzeichnet durch die Verwendung der Elektronenröhre für die Messung von hochfrequenten Spannungen. 12. Anordnung nach Anspruch i bis io, gekennzeichnet durch die Verwendung der Elektronenröhre für die Messung oder für die Kurxenaufnahme von Gleichstromhochspann:ungen. 13. Verfahren zur Messung oder Kurvenaufnahme nach Anspruch i bis i=-. dadurch :gekennzeichnet, daß zuerst bei ausgeschaltetem Meßinstrument der Heizstrom der Elektronenröhre eingeschaltet, hierauf der Gleichstrom der Röhre uni gegebenenfalls die Gitterspannung oder der Strom für die Erzeugung des magnetischen Feldes auf den richtigen Wert eingestellt und dann das Meßinstrument in den Meßkreis eingeschaltet wird. 14. Verfahren nach Anspruch 13, (Ja-.durch gekennzeichnet, daß zur Kontrolle der Größe des Heizstromes oder der Hilfsspannung bzw. der Größe des Stromes zur Erzeugung des magnetischen Hilfsfeldes nacheinander das mit entsprechendem Nebenschluß bzw. Vorsch:altwiderständen jeweils zu versehende eigentliche Meßinstru-ment (5) benutzt wird.