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Einrichtung zur Bestimmung von kleinen Widerstandsänderungen mit einer
Wheatstone'schen Brückenschaltung und einem Kreuzspuleninstrument Zur Prüfung elektrischer
Widerstände kann man bekanntermaßen entweder eine Wheatstone'sche Brückenschaltung
verwenden oder mit einem Kreuzspuleninstrument arbeiten. Die ersterwähnte bekannte
Methode hat den Nachteil, daß das Meßergebnis durch Schwankungen der Betriebsspannung
beeinflußt wird, sobald man nicht nach der Nullmethode arbeiten will. Dieser Nachteil
kommt zwar beim Arbeiten mit einem Kreuzspuleninstrurnent in Wegfall; dafür ergeben
sich aber in diesem Falle, insbesondere bei der Messung sehr kleiner Widerstandsänderungen,
praktisch erhebliche Schwierigkeiten. Das Drehmoment des Kreuzspulengerätes ist
bekanntlich proportional der Differenz der Ampere-Windungszahlen beider Kreuzspulen.
Wenn nun diese Differenz nur zwischen o bis i Prozent schwankt, wie dies bei der
Messung von Widerstandsänderungen eintritt, so müßte man erstens sehr hohe Ampere-Windungszahlen
anwenden, um ein ausreichendes Drehmoment zu erhalten, und außerdem einen Kreuzungswinkel
für die Spule, der nahe an 18o0 liegt. Beide Maßnahmen wirken aber sehr ungünstig
aufeinander. Die hohe Stromstärke im Kreuzspulengerät hat eine starke Erwärmung
der Drehspulen und ihrer Zuleitungen zur Folge. Man muß daher das Spulensystem sehr
reichlich bemessen, wodurch sich naturgemäß sein Gewicht und somit auch die Reibung
vergrößert. Außerdem müßten dabei die Stromzuleitungsbänder einen entsprechenden
Querschnitt erhalten, so daß sich ein unzulässiges Gegendrehmoment durch sie nicht
ganz vermeiden läßt. Weiter wird durch die große Erwärmung der Spulen leicht ein
Verziehen ihrer Windungen eintreten, das bei dem notwendigen Kreuzungswinkel von
nahezu i 8o' große Empfindlichkeitsänderungen verursacht. Aus diesen Gründen ist
die Messung, insbesondere kleinerWiderstandsänderungen, mit Hilfe eines Kreuzspulengerätes
unter Anwendung der bekannten Schaltung, in der der zu prüfende Widerstand in dem
Stromkreis der einen Spule des Kreuzspulengerätes und ein Vergleichswiderstand in
dem Stromkreis der anderen Spule liegt, praktisch nur beschränkt oder überhaupt
nicht anwendbar.
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Es ist weiter bekannt, zur Messung von Widerständen eine Wheatstone'sche
Brückenschaltung zu verwenden, in- deren beiden Diagonalzweigen zwei feststehende,
unter einem rechten Winkel gekreuzte Spulen eingeschaltet sind. In dem Magnetfeld
der beiden Spulen ist bei dieser bekannten Anordnung eine Magnetnadel oder eine
Spule drehbar angeordnet. Diese bekannte Anordnung enthält also ein Verhältnisinstrument,
mit welchem Widerstände nach der Ausschlagsmethode, unabhängig von der Betriebsspannung,
gemessen werden können. Der hauptsächliche Nachteil dieser bekannten Anordnung,
weswegen
sie bisher keine technische Verwendung gefunden hat, besteht in der außerordentlich
geringen Empfindlichkeit. Um nämlich die Anzeige des Verhältnisinstrumentes auch
nur annähernd vom erdmagnetischen Feld unabhängig zu machen, muß man die Feldstärke
der beiden feststehenden Kreuzspulen gegen das Erdfeld relativ groß machen, z. B.
etwa 5 Gauß. Ein solches Feld wird etwa von einer Spule mit ioo Ampere-Windungen
erreicht. Verwendet man beispielsweise io ooo Kupferwindungen mit einem Widerstand
von ungefähr 5oo 2 für jede der feststehenden Spulen, so ergibt sich eine zum Betrieb
eines solchen Instrumentes nötige Energie von o,o5 Watt, während bei den üblichen
Drehspuleninstrumenten mit Spitzenlagerung in Brückenschaltung nur eine Energie
von etwa o, 7 5 # 10 -s Watt erforderlich ist.
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Gemäß der Erfindung gelingt es, durch Anwendung eines Kreuzspuleninstrumentes
der Drehspulentype mit feststehender Achse des Hauptmagnetfeldes die Empfindlichkeit
gegenüber der zuletzt erwähnten Anordnung überraschenderweise der Größenanordnung
nach um etwa das ioo ooofache zu steigern und damit eine für die Praxis vorzügliche
Maßanordnung zu schaffen. Es lassen sich also bei der neuen Anordnung Betriebsenergien
anwenden, die der Größenordnung nach denjenigen der üblichen Drehspuleninstrumente
in normaler Brückenschaltung entsprechen. Demgemäß können mit der neuen Anordnung
auch so kleine Widerstandsänderungen mit so großer Genauigkeit ermittelt werden,
wie dies mit Drehspuleninstrumenten in Brückenschaltungen der Fall ist, ohne daß
dabei die eingangs beschriebenen Schwierigkeiten, die bei der Verwendung der bisher
bekannten Kreuzspulenschaltungen vorhanden sind, in Erscheinung treten. Die Erfindung
verbindet daher die Vorteile der Drehspuleninstrument-Brückenschaltung mit dem Vorteil
der Spannungsunabhängigkeit der Anzeige und gibt darüber hinaus noch insofern wesentliche
weitere Vorteile gegenüber allen bekannten Methoden zur Ermittlung kleiner Widerstandsänderungen,
als durch günstigste Wahl der Temperaturabhängigkeit das Anzeigegerät bei der neuen
Anordnung vollkommen frei von Temperaturfehlern gemacht werden kann, ohne dabei
einen erheblichen Teil der für die Messung zur Verfügung stehenden Energie durch
temperaturabhängige V orschaltwiderstäride zu verbrauchen.
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Unter Berücksichtigung dieses Vorteiles erhält man praktisch bei der
neuen Anordnung sogar eine Empfindlichkeit, die etwa doppelt so groß ist wie die
vergleichbar gebauter Drehspuleninstrumente in Brückenschaltungen. Des weiteren
ist als für die Fabrikation und den Gebrauch sehr wichtiger Vorteil gegenüber der
bekannten Kreuzspulschaltung und der Drehspulanordnung in Brückenschaltung zu nennen,
daß sich die Justierung des Instrumentes auf bestimmte Meßbereiche in diesem Falle
durch Wahl des in der Richtspule fließenden Stromes sehr leicht auf die gerade gewünschte
Empfindlichkeit abstimmen läßt. Während man bei den Kreuzspulinstrumenten und den
Drehspulinstrumenten je nach dem Kreuzungswinkel bzw. der Richtkraft der eingebauten
Feder eine bestimmte Empfindlichkeit erhält und bei Anpassung an größere Meßbereiche
die zur Verfügung stehende Energie durch Vor-oder Nebenwiderstände so weit verkleinern
muß, wie es die einmal eingestellte Empfindlichkeit der Instrumente erfordert, kann
man gemäß der Erfindung stets die gesamte bei der Messung erhaltene Energie in der
ablenkenden Spule entnehmen, indem man die Energie der Richtspule der letzteren
anpaßt. Dadurch gelingt es z. B., ein. System, das für den Gebrauch mit senkrechter
Achse, d. h. mit großer Empfindlichkeit vorgesehen ist, ohne Umbauten in waagerechter
Stellung der Systemachse zu verwenden, indem man das Drehmoment der Richtspule diesen
veränderten bzw. erschwerten Bedingungen anpaBt.
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung von kleinen
Widerstandsänderungen mit einer Wheatstone'schen Brückenschaltung und einem Kreuzspuleninstrument,
von dessen Spulen die eine im Diagonalzweig der Brücke und die andere an der zur
Messung verwendeten Betriebsspannung oder einer davon gesetzmäßig abhängigen Spannung
angeschlossen ist, bei der erfindungsgemäß als Kreuzspuleninstrument ein solches
der Drehspulentype mit feststehender Achse des Hauptmagnetfeldes dient.
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In der Abbildung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Der zu prüfende Widerstand a ist mit drei anderen Widerständen b, c, d zu
einer Brückenschaltung vereinigt, in deren einen Diagonalzweig die eine Spule feines
Kreuzspuleninstrumentes e eingeschaltet ist. Die andere Spule g des Gerätes ist
durch Verbindung mit den Punkten i und h an die aus den Leitungen
h entnommene Betriebsspannung gelegt. Gegebenenfalls können zwischen der Spule g
und !den Punkten: i und h noch Vorschaltwiderstände eingefügt werden,
die zur Justierung der Empfindlichkeit benutzt werden können und den Temperaturkoeffizienten
verringern oder kompensieren.
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Es ist besonders zweckmäßig bei der Prüfung
des veränderlichen
Verhältnisses zweier Widerstände, beispielsweise der Widerstände d und b, das Kreuzspulengerät
so einzustellen, daß bei einem gegebenen Normalwert dieses Verhältnisses die von
der Betriebsspannung beeinflußte Kreuzspule den größten magnetischen Kraftfluß aufnimmt.
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Die neue Anordnung ist nicht auf die unmittelbare Messung von Widerständen
beschränkt. Sie kann auch für solche Fälle angewendet werden, in denen durch diese
Widerstandsänderungen irgendwelche anderen Größen gemessen werden. Beispielsweise
können die beiden Widerstände a und b in der Abbildung zwei verschiedenen
Widerstandsthermometern angehören. Das Kreuzspuleninstrument e _mißt dann eine etwaige
Differenz zwischen den Temperaturen, denen die beiden Widerstände ausgesetzt sind.
In entsprechender Weise kann die neue Anordnung z. B. auch für elektrische Rauchgasprüfer
Verwendung finden, bei denen dann mindestens der Widerstand a von den Rauchgasen
und der Widerstand b von einem Vergleichsgas umspült wird.
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Das beschriebene Meßgerät ist sowohl für Gleich- als auch für Wechselstrom
geeignet, so daß damit nicht nur die Änderung reeller (Ohmscher), sondern auch komplexer
Widerstände (Kapazitäten, Selbstinduktionen) bestimmt werden kann.
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Man hat bereits bei Wheatstone'schen Brückenschaltungen zur Kompensierung
des Einflusses der Umgebungstemperatur einen temperaturempfindlichen Widerstand
parallel zu der Brückenschaltung angeordnet und gegebenenfalls noch einen zusätzlichen
Vorschaltwiderstand dabei benutzt. Bei der neuen Einrichtung läßt sich eine Kompensierung
dadurch in noch einfacherer Weise als bei der bekannten Anordnung erreichen, daß
der zu diesem Zweck vorgesehene Widerstand zwischen die Anschlußpunkte der von der
Betriebsspannung beeinflußten Spule des Kreuzspulengerätes vorzugsweise in Reihe
mit dieser Spule eingeschaltet wird.