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Einrichtung zur Messung von Wechselströmen, insbesondere von stärkeren
Hochfrequenzströmen Es ist bekannt, daß die Messung von größeren Hochfrequenzströmen
mit steigender Frequenz immer schwieriger wird. Während es in der Gleichstrom- und
Niederfrequenztechnik üblich ist, zur Messung von großen Strömen nur einen konstanten
Bruchteil des zu messenden Strombetrages durch das Amperemeter hindurchzuschicken
und den übrigen Teil durch einen Shunt fließen zu lassen, ist diese Maßnahme bei
hohen Frequenzen nicht verwendbar, da infolge des Skineffektes der Widerstand und
die Selbstinduktion des Shuntes stark veränderlich sind und dabei in anderem Maße
als beim Meßinstrument, so daß die Stromverteilung zwischen diesen beiden Teilen
sich mit der Frequenz ändert.
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Auch die Hitzbandinstrumente sind bei großen Strömen hoher Frequenz
wenig zuverlässig, da die Stromverteilung zwischen einzelnen Hitzbändern nicht immer
dieselbe bleibt. Besonders lästig ist bei diesen Instrumenten auch die ständige
Verschiebung des Nullpunktes.
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Auch die Messung mittels über Stromwandler angeschlossener Amperemeter
bietet manche Schwierigkeiten infolge der oft vorkommenden Erwärmung des Frequenzwandlers.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Meßanordnung so zu treffen, daß ein empfindliches
Amperemeter kleinen Widerstandes in Reihe mit einem Kondensator kleiner Kapazität
(also großen Widerstandes) durch einen Kondensator großer Kapazität überbrückt ist,
wie dies in der Fig. z dargestellt ist. Wie die Zeichnung zeigt, ist die Meßeinrichtung
zwischen die Zuführungen 8 und 16 des Kreises, dessen Strom zu messen ist, eingeschaltet,
und zwar ist C der Shuntkondensator großer Kapazität, c der Vorschaltkondensator
kleiner Kapazität und ri ein Thermoelement, dessen thermische Wirkung durch ein
über Leitungen 15 angeschlossenes Amperemeter A gemessen wird.
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Bei nicht zu großen Hochfrequenzen ergibt diese Anordnung gute Resultate.
Der Strom verteilt sich auf die beiden Parallelzweige fast genau im Verhältnis der
Kapazitäten, wobei das Stromverteilungsverhältnis durch die Änderung der Frequenz
fast gar nicht beeinflußt ist.
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Aber bei extrem hohen Frequenzen ergibt auch diese Anordnung bei ihrer
bisherigen Ausführung keine zuverlässigen Resultate. Das Stromverteilungsverhältnis
wird hier abhängig von den Frequenzänderungen, und auch bei unveränderter Frequenz
ändert es
sich bei längerem Gebrauch der Meßapparatur.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich nun auf eine Verbesserung dieser
bekannten Anordnung. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß diese Anordnung
auch bei extrem hohen Frequenzen genaue Resultate liefern kann und vielleicht das
einzige zuverlässige Meßmittel ist, wenn zur Beseitigung vonEinflüssen, welche dieKonstanz
derStromverteilung in beiden parallelen Zweigen ungünstig beeinträchtigen, bestimmte
Bedingungen erfüllt werden. Die Ursachen, welche die Stromverteilungskonstanz beeinflussen,
sind wie folgt: i. Die Änderung des Verhältnisses der Kapazität des Vorschaltkondensators
c zu der des Shuntkondensators C. Sie wird bedingt durch Erwärmung der Kondensatoren
und dadurch, daß die Drücke ihrer Klammern auf ihre aktiven Stapel sich hierbei
im ungleichen Maße ändern. Dieser Nachteil kann nach der Erfindung dadurch im wesentlichen
beseitigt werden, daß man den Vorschaltkondensator mit dem ganzen oder wenigstens
mit einem Teil des Shuntkondensators innerhalb einer gemeinschaftlichen Klammer
zusammenbaut und somit gleichem Druck unterwirft.
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a. Unerwünschte parasitäre Felder, die in die Schleife, welche durch
die beiden Parallelzweige der Meßanordnung gebildet ist, eindringen und in ihr zusätzliche
EMKe induzieren. Insofern diese parasitären Felder vom Außenraum herrühren, könnten
sie leicht durch ein geeignetes abschirmendes Gehäuse von der Schleife ferngehalten
werden. Es bleiben aber noch wesentliche Störungen durch die Felder, die durch Selbstinduktionen
der eigenen Leitungen der Schleife bedingt sind und die bei extrem hohen Frequenzen
auf die Stromverteilung einen höchst schädlichen verzerrenden Einfluß ausüben. Es
muß daher möglichst peinlich dafür Sorge getragen werden, daß alle Leitungen ganz
kurz und möglichst geradlinig sind, daß die Fläche der Schleife möglichst klein
ist und daß die Leitungen, welche aus konstruktiven Gründen etwas länger genommen
werden müssen, bifilar angeordnet sind. So müßte z. B. bei der Anordnung nach Fig.
i die Leitung von dem Shuntkondensator C zu dem Anschluß 16, dem Thermoelement i
i und dem Vorschaltkondensator c in ihrem wesentlichen Teil bifilar ausgeführt werden.
Der übrige Teil der Leitungsschleife (von c über Anschluß 8 zu C) müßte dagegen
einfach ganz kurz genommen werden. Diese letztere Forderung wird durch die unter
i. angegebene Bauweise in vollkommenster Weise erfüllt, dadurch, daß der Kondensator
c an den Kondensator C in einer gemeinschaftlichen Klammer direkt angelegt ist,
so daß eine besondere Verbindungsleitung hier gar nicht nötig ist.
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3. Ferner können sich auch die Eigenfelder der Kondensatoren als sehr
schädlich erweisen. Es hat sich nämlich herausgestellt, daß bei extrem hohen Frequenzen
die Erwärmung der Kondensatoren dadurch bekämpft werden muß, daß ihre Stapel dauernd
unter einem großen Druck gehalten werden. Als Klammermaterial eignet sich am besten
Stahl. Wenn nun die Kondensatoren, wie dies üblich ist, so angeordnet -sind, daß
ihre beiden Zuführungen zu beiden Seiten der durch die Klammer gebildeten Schleife
liegen, so daß der ganze Strom des betreffenden Zweiges (den Verschiebungsstrom
im Kondensator eingerechnet) mit der durch die Klammer gebildeten Schleife verkettet
ist, so werden in dieser magnetische Flüsse erzeugt, die erstens eine schädliche
Selbstinduktionsquelle bilden und zweitens große Verluste und bedeutende Erwärmung
herbeiführen. Es müssen daher die aktiven Stapel der Kondensatoren derart ;innerhalb
ihrer Klammern angeordnet werden, -daß ihre beiden Stromzuleitungen auf einer und
derselben Seite der Klammer liegen, so daß die letztere mit dem Strom des zugehörigen
Zweiges nicht verkettet ist.
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Bei Erfüllung der angegebenen Bedingungen erhält man eine Meßanordnung,
die auch bei größten praktisch realisierbaren Frequenzen von etwa 6o Millionen Hertz
noch zuverlässige Meßresultate ergibt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Meßeinrichtung nach der Erfindung ist
in den Fig.2 und 3 dargestellt. Hier ist die Anordnung auch so getroffen, daß die
Kapazität des Shuntkondensators C durch Gruppenschaltung für verschiedene Meßbereiche
geändert werden kann.
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Hier enthält ein Gehäuse il (am besten aus einem leichten Metall oder
einem anderen passenden, mit einer Metallfolie gefütterten Material), dessen sämtliche
oder einige Wände und Boden zweckmäßigerweise zur genügenden Luftzirkulation mit
Öffnungen versehen werden mögen, vier Einzelkondensatoren, die in Fig. z mit C,
Cl, C2 und C$ bezeichnet sind. jeder von diesen Kondensatoren wird von zwei am Gehäusedeckel
befestigten Tragplatten 18 gehalten, und bei jedem .Kondensator ist sein aktiver
Körper zwischen zwei Klammerplatten i9 zusamm@engepreßt, die durch passende Befestigungsmittel,
z. B. durch an ihren Enden aufgewickelte Drahtwindungen 2o, fest zusammengehalten
werden. Dabei ist die Anordnung so getroffen, daß bei jedem Kondensator seine Stromzuführung
sich auf einer und derselben Seite in bezug auf die Längsachse der Klammern
befinden,
so daß der Kondensatorstrom mit der durch die Klammer gebildeten leitenden Schleife
induktiv nicht verkettet ist. Dadurch wird eine wesentliche Verlustquelle ausgeschaltet.
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Die Kondensatorkörper bestehen in bekannter Weise aus Metallfolien
F verschiedener Polarität, die voneinander durch Glimmerschichten I getrennt sind.
Die Folienenden einer Polarität sind an Metallstreifen 21 angeschlossen, die durch
eine Isolierschicht 51, die eine Offnung 2 des Gehäusedeckels verschließt, nach
oben hindurchgeführt sind und oben zweckmäßigerweise durch Metallplatten 22 versteift
werden können. Die Folienenden anderer Polarität sind mit Metallstreifen 23 verbunden,
die in passender Weise an die benachbarten Tragplatten i 8 angeschlossen, z. B.
mit diesen verlötet sind. Somit können diese Kondensatorfolien über das Gehäuse
geerdet werden (falls die Erde-als ein Anschlußpol des äußeren Stromkreises dient).
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Auf diese Weise sind alle Kondensatoren mit einem Pol an das Gehäuse
(und dadurch aneinander) und mit dem anderen Pol je an eine Stromzuführung 22 angeschlossen.
Wenn also für einen bestimmten Meßbereich nur der Kondensator C benutzt werden soll,
so wird der eine Anschluß des äußeren Stromkreises an das Gehäuse il und der andere
Anschluß an die Stromzuführung 22 des Kondensators C angeschlossen. Zur Parallelschaltung
der anderen Kondensatoren werden ihre Anschlüsse 22 mit dem entsprechenden Anschluß
des Kondensators C verbunden.
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Das Thermoelement iil beliebiger Konstruktion sowie seine Zuführungen
zum Amperemeter sind in einer von dem Kondensatorraum abgeschirmten vorderen Abteilung
31 eingeschlossen, z. B. so, daß nur seine Klemmen33 durch gegenüberliegendeOffnungen
34 zugänglich sind. Das Amperemeter A ist außerhalb auf der Vorderwand der Abteilung
31 befestigt, am besten so, daß es auch abnehmbar ist und nach Wunsch auch entfernt
von der übrigen Meßeinrichtung angeordnet werden kann.
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Damit die Eichung des Amperemeters bei seiner Anordnung an der Vorderwand
des Gehäuses dieselbe bleibt wie bei seiner getrennten Anordnung, ist innerhalb
der Abteilung 31 ein Widerstand 32 vorgesehen, der nur bei der ersteren Anordnung
vor das Amperemeter vorgeschaltet wird und so groß ist wie der Widerstand der bei
der entfernten Anordnung benötigten längeren Verbindungen. Es ist noch zu bemerken,
daß diese letzteren, wenn gebraucht, von dem Einfluß der Hochfrequenzfelder, z.
B. durch eine Panzerung, gut geschützt werden müssen.
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Der kleine Vorschaltkondensator c ist nach der Erfindung durch einen
Teil des Kondensators C gebildet, und zwar dadurch, daß eine oder mehrere Folien,
die nicht an das Gehäuse il über die Platten 18 angeschlossen sind, auch nicht mit
den Anschlüssen 22 verbunden sind, sondern an ihren Enden 25 über eine kurze Zuführung
2¢ an den einen Pol des Thermoelementes. Der andere Pol des Thermoelementes ist
mittels der zweiten Zuführung 2q., die möglichst bifilar mit der ersten angeordnet
ist, an eine Platte 18 und dadurch an das Gehäuse angeschlossen. Die Zuführungen
2q., die möglichst widerstandslos ausgebildet sein müssen, gehen durch einen perforierten
Schirm 26 hindurch, durch den die Rückseite des Thermoelementes von dem Einfluß
der in der Nähe des Kondensators C wirksamen magnetischen und elektrischen Felder
geschützt ist.
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Da das Thermoelem-ent einen verhältnismäßig kleinen Widerstand hat,
so kann man auch bei großen Frequenzen mit einem verhältnismäßig kleinen Kondensator
c auskommen, ohne daß der Widerstand des Thermoelementes die Meßresultate praktisch
beeinflußt.
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Unter Umständen können in einem gewissen Meßbereich Schwierigkeiten
dadurch auftreten, daß in der durch den Shuntkondensator, den Vorschaltkondensator
c und die Wechselstromseite des Thermoelementes gebildeten Schleife eine Eigenschwingung
entsteht, die der Frequenz des zu messenden Kreises oder irgendeiner Oberwelle derselben
entspricht. Um diese schädliche Schwingung abzudämpfen, kann man in diesem Stromkreise
einen passenden Widerstand 27 (siehe Fig. q.) vorsehen. Am besten werden diese Widerstände
in der Art, wie dies in Fig. 5 angedeutet ist, ausgebildet; die Fig. 5 stellt einen
Widerstandsdraht 28 dar, der infolge seiner bifilaren Anordnung keine Selbstinduktion
besitzt. Ein derartiger Draht kann z. B. an einer oder beiden bei Fig.4 durch die
Bezugszahl 27 angedeuteten Stellen angebracht werden.
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Ein anderes Mittel zur Abdämpfung der unerwünschten Resonanzschwingung
ist die in Fig. 6 dargestellte, aus einer Kapazität 29 und Selbstinduktion
30 bestehende Resonanzschleife, die an den zu schützenden Kreis nur einpolig
angeschlossen ist. DieVersuche haben gezeigt, daß eine derartige Schleife sehr wirksam
alle parasitären, sonst durch Resonanz entstehenden Eigenschwingungen der Meßschleife
löscht.