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Verfahren und Einrichtung zur Messung von Widerständen mit Hilfe von
Vakuumröhren. Vorliegende Erfindung betrifft ein Meßgerät mit Vakuumröhren, welches
in sehr bequemer Weise und mit technisch hinreichender Genauigkeit die Messung sehr
hoher Widerstände ermöglicht.
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Eine ähnliche Meßeinrichtung unter Vertvendung von Vakuumröhren ist
bereits von H u n d angegeben worden. Jedoch weist das nachstehend beschriebene
Meßgerät der Anordnung von H u n d gegenüber einige Vorteile auf, die im folgenden
noch näher erläutert sind.-Bei der Meßeinrichtung von H u n d wird der zu messende
Widerstand einerseits an das Gitter einer Vakuumröhre angeschaltet, in deren Anodenkreis
eine Anodenbatterie und ein Meßinstrument für den Anodenstrom eingeschaltet sind,
andererseits über eine Batterie an die Glühkathode der Vakuumröhre. Diese Batterie
ist jedoch so geschaltet, daß ihr negativer Pol über den zu messenden Widerstand
mit dem Gitter in Verbindung steht, so daß das Gitter um so stärker negativ wird,
je geringer der Widerstand des zu messenden Körpers ist. Bei diesem Verfahren wird
als Ausgangspunkt der Messung derjenige Ruhestrom benutzt, welcher sich bei völlig
abgeschaltetem Gitter einstellt. Bei abgeschaltetem Gitter muß naturgemäß der Gitterstrom
Null sein. Bei dem Verfahren von H u n d muß nun der Gitterstrom stets Null bleiben,
da das Gitter gegenüber seinem Ruhezustande infolge des über den zu messenden Widerstand
gesteuerten negativen Potentials nur immer stärker negativ werden kann. Bei der
Meßeinrichtung von H u n d wird also in dem unteren gekrümmten Teil der statischen
Charakteristik gearbeitet, welcher zwischen dem Potentialwert von etwa - i Volt
des offenen Gitters und dem Fußpunkt der Charakteristik auf der Gitterspannungsachse
liegt (in Abb. z der Erfindung in dem Teil zwischen -i und -3 Volt).
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Bei der Erfindung wird dagegen zur Messung der hohen Widerstände auf
dem geradlinigen steilen Teil der Charakteristik gearbeitet, welcher in Abb. 2 der
Erfindungsbeschreibung von dem Potentialwert des offenen Gitters (etwa - i Volt)
nach rechts liegt, -wo also Gitterströme auftreten. Der geradlinige Teil der Charakteristik
läßt sich durch Erhöhung der Heizung oder der Emissionsfähigkeit der Röhre beliebig
verlängern, so daß ein viel größerer Meßbereich zur Verfügung steht. Hierdurch wird
die erreichbare Genauigkeit der Messung sowie auch der Meßbereich selbst wesentlich
vergrößert.
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Das Meßgerät nach der Erfindung benutzt also ebenfalls als Ausgangspunkt
für die Messung den Ruhestromwert des Anodenstromes, welcher sich bei völlig isoliertem
Gitter (abgeschaltetem Gitter) einstellt. Das Meßgerät und seine Wirkurgsweise ist
an Hand der Abbildungen erläutert.
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Schaltet man eine Vakuumröhre i, wie Abb. i zeigt, mit einer Heizbatterie
2, einer Anodenbatterie 3 und einem Anodenstrom-Meßinstrument 4 zusammen und läßt
das
Gitter zunächst offen, so stellt sich der im Anodenstrominstrument
4 ablesbare Ruhestrom ein, dessen Stärke von folgenden Faktoren abhängt: erstens
von der Stärke der Heizung, zweitens von der Höhe der Anodenspannung, drittens von
dem Potential, auf welches das Gitter sich selbst einstellt, viertens von dem durch
die Maschenweite des Gitters für jede Röhre als Konstante gegebenen Durchgriff.
Wenn auch dieses Potential bei verschiedenen Röhren nicht gleich ist, so kann es
doch leicht ermittelt werden, wenn man die normale statische Charakteristik der
betreffenden Röhre aufnimmt.
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Abb. 2 zeigt eine solche Charakteristik, bei welcher der Anodenstrom
.T" in Abhängigkeit von der Gitterspannung Eg aufgetragen ist. Hat z. B. der Ruhestrom
die Größe 0,75 Milliampere, so ergibt sich das Potential des offenen Gitters aus
der Kurve ohne weiteres zu - r Volt, und zwar gegenüber demjenigen Punkte der Kathode,
gegenüber welchem die Charakteristik aufgenommen ist. Im allgemeinen wird hierzu
das negative Glühfadenende gewählt.
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Dieser Stromwert, auf welchen sich das offene Gitter einstellt, bildet
wie bei H u n d den Ausgangspunkt für die Messung. Man kann nun beobachten, daß,
wenn man, wie in Abb. T punktiert angedeutet ist, zwischen Anode und Gitter einen
Widerstand W schaltet, das Instrument 4 sofort einen anderen Ausschlag zeigt, der
sich aus zwei Komponenten zusammensetzt, nämlich einerseits dem Gitterstrom Jg,
welcher in Richtung des Pfeiles 5 verläuft, und einem vermehrten Anodenstrom, welcher
in Richtung des Pfeiles 6 fließt. Es besteht nun offenbar ein eichbarer Zusammenhang
zwischen der Größe des Widerstandes W und dem Ausschlage des Instrumentes 4. Hält
man die Heizung und die Anodenspannung konstant, so wird, wenn der Widerstand W
hinreichend klein ist und die Spannung E" der Batterie 3 hinreichend hoch ist, der
Sättigungsstrom .T, fließen. Ist andererseits der Widerstand W unendlich hoch, so
wird das Instrument 4 den Ruhestrom wie bei offenem Gitter zeigen. Man sieht also,
daß alle positiven Widerstände zwischen Null und Unendlich mit der Einrichtung meßbar
sind, wobei der gesamte Meßbereich durch Ausschläge des Instrumentes 4 dargestellt
wird, welche zwischen dem Ruhestrom und dem Sättigungsstrom liegen.
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Es sei gleich hier erwähnt, daß es durch besondere Kunstgriffe möglich
ist, die Charakteristik so umzugestalten, daß sie, wie durch die punktierte Linie
angedeutet, bis zum Kurzschluß zwischen Gitter und Anode geradlinig verläuft. Dies
gelingt ohne weiteres bei Röhren mit Hochemissionskathoden, wo der Emissionsstrom
selbst als zusätzlicher Heizstrom wirkt. Man kann sogar durch passende Wahl des
Heizmaßes bei solchen Röhren einen konkaven Verlauf der Charakteristik in ihrer
ganzen Ausdehnung herbeiführen und hierdurch die größte Meßgenauigkeit in jedes
gewünschte Bereich von zu messenden Widerständen verlegen.
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Es ist von besonderer Bedeutung, daß die Einrichtung nach Abb. r ohne
Vergleichswiderstände W eichbar ist. Nimmt man nämlich bei Aufnahme der Charakteristik
nicht nur die Gitterspannung, sondern auch den Gitterstrom auf, so ergibt sich die
Eichkurve des Instrumentes leicht rechnungsmäßig; aus der Formel
Die Eichkurve hat im allgemeinen den Verlauf eines Astes der Kotangens-Funktion.
In Abb. 3 ist eine solche Eichkurve schematisch dargestellt. Als Abszisse sind die
Ausschläge Ja des Instrumentes 4 aufgetragen, als Ordinate die zugehörigen
Werte des Widerstandes W. Wegen des ungeheuren Meßbereiches ist die Darstellung
der Kurven nur in logarithmischer Teilung möglich.
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Nach vorgenommener Eichung erfolgt die Messung der Widerstände dadurch,
daß die Widerstände zwischen Anode und Gitter der Röhre eingeschaltet werden" Sofort
bewegt sich das Instrument 4 aus seiner Ruhelage auf einen anderen Ausschlagswert,
welcher in vollständig eindeutigem Zusammenhange mit der Größe des eingeschalteten
Widerstandes steht, so daß die Skala des Instrumentes 4 ebenso wie bei gewöhnlichen
Ohmmetern direkt in Widerstandswerten eichbar ist.
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Ein besonderer Vorzug der Meßeinrichtung liegt darin, daß sehr hohe
Widerstände im Betrage von vielen zooo Millionen Ohm auf diese Weise leicht und
mit einiger Genauigkeit meßbar sind.
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Die Messung von Kapazität beruht auf einer Messung der Zeitkonstante.
Ladet man nämlich die zu messende Kapazität auf einen bestimmten Spannungswert V,
auf und schaltet sie mit ihrem negativen Pol an das Gitter, mit ihrem positiven
Pol an denjenigen Punkt des Kathodensystems, auf welchen die Charakteristik bezogen
ist, so fällt der Ausschlag des Instrumentes 4, falls der Kondensator hinreichend
stark aufgeladen wurde, vollständig auf Null ab und bleibt eine gewisse Zeit auf
Null, beginnt aber dann wieder zu steigen und stellt sich schließlich wieder auf
den Ruhepunkt ein. Praktisch bleibt der Zeiger des Instrumentes 4 so lange auf Null
stehen,
als die Spannung des Kondensators sich unterhalb des Wertes - D . E'" befindet
(D - Durchgriff in Prozent). Die Entladung des Kondensators findet fast ausschließlich
in sich selbst statt, wozu bei gut isolierten Kondensatoren in der Größe von einigen
iooo cm etwa io Minuten erforderlich sind. Man kann nun mit der gleichen Meßeinrichtung
sowohl den inneren Widerstand des Kondensators als auch seine Kapazität bestimmen.
Man schaltet hierzu, wie Abb..I zeigt, mit Hilfe eines Umschalters U den Kondensator
zunächst zwischen Anode und Gitter, wobei der Kondensator durch den Gitterstrom
auf die Anodenspannung aufgeladen wird und am Zeiger des Instrumentes d. sofort
der Öhmsche Widerstand des Kondensators ablesbar ist. Schaltet man nun den Umschalter
auf die Kathode um, so liegt der auf die Anodenspannung aufgeladene Kondensator
zwischen Gitter und Kathode, und zwar mit seiner positiv geladenen Belegung an der
Kathode. Der Ausschlag des Instrumentes q. fällt sofort auf Null ab und bleibt eine
gewisse Zeit lang auf Null stehen. Man bestimmt beispielsweise mit Hilfe einer Stoppuhr
die Zeit, welche von der Umschaltung des Kondensators auf die Kathode bis zum Wiederanstieg
des Zeigers des Instrumentes 4. verläuft, und zwar bis zu dem Augenblick, wo der
Zeiger einen bestimmten, unter dem Ruhepunkt liegenden Ausschlagswert passiert,
beispielsweise denjenigen Ausgangswert, der einer negativen Gitterspannung von -
5 Volt entspricht. Da der Entladungsvorgang des Kondensators sich nach der Formel
vollzieht und in dieser Formel nunmehr alle Größen, mit Ausnahme von C, bekannt
sind, so ist C leicht zu berechnen oder aus einer festzulegenden Tabelle zu entnehmen.
Wählt man beispielsweise den Durchgangspunkt V, = o;o8 . F" und V,
= E'", so wird
In diesem Falle ergibt sich die Kapazität in Mikrofarad gleich der gemessenen Zeit
in Sekunden, dividiert durch das -,5fache des gemessenen Widerstandes in Millionen
Ohm.
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Es ist möglich, die Ablesungen nicht im Anodenstrom der ersten Röhre
vorzunehmen, sondern man kann die Empfindlichkeit durch Anwendung einer Kaskadenschaltung
von Röhren, welche vorzugsweise durch Widerstände gekoppelt sind, noch erheblich
steigern. Die Einrichtung besteht im wesentlichen aus einer oder mehreren Vakuumröhren
in Verbindung mit den erforderlichen Batterien und einem Anodenstrom-Meßinstrument.
Die praktische Ausgestaltung der Einrichtung erfolgt zweckmäßigerweise derart, daß
die Gitterleitung zunächst zu einem vorzüglich isolierten Unterbrechungsschalter
führt, dessen Ausschaltung das Gitter auf die Stellung »Offen« schaltet und den
Ruhepunkt zu ermitteln gestattet.
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In Abb. 5 ist eine praktisch mit Vorteil verwendbare Einrichtung dargestellt.
Die Gitterleitung ist zunächst zu einem Schalter 7 geführt und führt weiter zu einer
Anschlußklemme ä, an welche der zu messende Körper einerseits angeschaltet wird,
-während er andererseits an die Klemme 9 geschaltet wird. Von der Klemme 9 führt
eine Verbindung zu dem Drehpunkt io eines Umschalters, dessen Kontakte i i und 1z
einerseits an die Kathode, andererseits an die Anode gelegt sind. Der Anschluß an
die Kathode erfolgt zweckmäßig über ein Potentiometer 13, welches so einreguliert
-wird, daß bei Kurzschluß zwischen ä und 9 und eingelegtem Schalter 7 und Stellung
des Umschalters io auf den Kontakt ii der Ausschlag im Anodenstrom-Meßinstrument
q. gerade genau so groß ist -wie bei offenem Gitter. Auch der Anschluß des Anodenkreises
an die Kathode erfolgt zweckmäßig an dem gleichen Potentiometer 13, welches demgemäß
zwei Schleifkontakte erhält.
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Eine praktische Schwierigkeit besteht nämlich darin, daß bei veränderlicher
Luftfeuchtigkeit und bei eventueller Auswechselung der Röhren der Ruhepunkt bei
offenem Gitter sich etwas verschiebt und auch der Stromwert bei Kurzschluß zwischen
Gittei und Anode sich etwas verändert.
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Erfindungsgemäß werden derartige Schwankungen des Nullpunktes durch
folgende Mittel ausgeglichen: i. Die Schwankung des Grenzausschlages bei Kurzschluß
zwischen Gitter und Kathode durch Veränderung des Heizwiderstandes 14-2. Die Veränderung
des Ruheausschlages durch Änderung der Anodenspannung oder durch Verschiebung des
Anodenanschlusses an der Kathode auf dem Potentiometer 13. Es läßt sich nämlich
zeigen, daß für Röhren mit annähernd gleichem Durchgriff und gleicher Steilheit
die Eichung ohne weiteres erhalten bleibt, wenn der Ruhepunkt und der Grenzwert
mit Hilfe gerade der genannten Mittel auf die in der Eichung festgelegten Werte
künstlich hingebracht werden. Die angegebenen Mittel sind also nicht nur als Korrektion
anwendbar, wenn die gleiche Röhre
Schwankungen zeigt, sondern auch
bei Ersatz etwa einer durchgebrannten Röhre durch eine andere Röhre gleicher Type.
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Soweit zur Ausübung vorliegender Erfindung Röhren mit Hochemissionskathoden,
insbesondere Röhren mit innerer metallischer Verspiegelung, verwendet werden, ist
es notwendig, darauf zu achten, daß der Metallniederschlag nicht auch die Durchschmelzungen
in der Röhre getroffen hat. In diesem Falle wird nämlich die Isolation in der Röhre
selbst häufig bereits so gering, daß hohe Widerstandswerte nicht mehr gemessen werden
können.
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Die Verwendung von Mehrgitterröhren bietet in dem Maße Vorteile für
den vorliegenden Zweck, als die Charakteristik dadurch in die Länge gezogen wird.
Je größer nämlich die Ausschlagsdifferenz des Instrumentes ¢ zwischen dem Ruhepunkt
und dem Grenzpunkt bei Kurzschluß zwischen Gitter und Kathode wird, um so größer
ist die Meßgenauigkeit. Bei Widerstandsmessungen ist es in manchen Widerstandsbereichen
praktisch, den Meßkörper zwischen Anode und Kathode direkt zu schalten und in diesem
Falle die Röhre auszuschalten. Um dies verwirklichen zu können, wird noch ein Schalter
15 vor die Anode gelegt und sowohl die Anodenleitung zu einer Klemme 16 als auch
die Kathodenleitung zu einer, Klemme 17 geführt. In dieser Schaltung
erfolgt die Widerstandsmessung direkt durch Ablesung des Stromes bei Zwischenschaltung
des Meßkörpers zwischen 16 und 17 und die Bestimmung des Widerstandes aus dem Verhältnis
der bekannten Anodenspannung zu dem gemessenen Anodenstrom.
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Dies ist also eine gewöhnliche Widerstandsmessung nach dem Ohmschen
Gesetz ohne Benutzung der Röhre, welche häufig zur Kontrolle der Eichung erwünscht
ist, aber auch solche Widerstände genauer zu messen gestattet, bei denen die Röhrenmessung
ungenau wird, insbesondere also verhältnismäßig sehr kleine Widerstände in der Größenordnung
von einigen roo Ohm.