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Einrichtung zur Messung kleiner Widerstandsänderungen in einer Brückenschaltung
mittels Wechselstrom Zur Messung von Widerstandsänderungen bedient man sich gerne
der Brückenschaltung, weil dieselbe große Meßgenauigkeit erlaubt. Wenn es sich aber
um sehr kleine Widerstandsänderungen handelt, wie sie beispielsweise bei Temperaturmessungen
mit der Widerstandsbrücke vorkommen, so führte man diese Messungen möglichst mit
Gleichstrom aus, weil man hiermit die größte Meßgenauigkeit erzielen konnte. Wo
aber nur Wechselstrom zur Verfügung steht oder aus anderen Gründen eine N,%'echselstrommessung
erwünscht ist, mußte man mit geringerer Empfindlichkeit rechnen oder Korrekturen
anbringen, die man bei technischen Messungen jedoch nicht brauchen kann.
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Durch die Erfindung wird es möglich, Wechselstrom für die Speisung
der Widerstandsbrücke zu benutzen und zugleich eine praktisch genügende Genauigkeit
an einem robusten, für Betriebsmessungen geeigneten Meßinstrument zu erzielen, ohne
Korrekturen anbringen zu müssen. Erfindungsgemäß wird als Meßinstrument ein fremd
erregtes Ferrodynamometer verwendet, d. 1i. ein an sich bekanntes Instrument, das
aus einem Wechselstromelektromagneten und einer in eine Unterbrechungsstelle seines
Eisenkreises eingefügten Drehspule mit Gegenfeder besteht. Dieses Instrument ist
primär an das Wechselstromnetz angeschlossen, während es sekundär, d. h. mit seiner
Drehspule an zwei Diagonalpunkten einer Wheatstoneschen Brücke liegt, die ihrerseits
die der Änderung unterworfenen Widerstände enthält. Als weiteres Merkmal der Erfindung
liegt an den beiden anderen Diagonalpunkten der Brücke eine Selbstinduktion. Diese
bewirkt, daß bei Unsymmetrie der Brücke in die Drehspule ein Strom solcher Phase
geschickt wird, der mit dem Primärfeld des Instrumentes ein Drehmoment erzeugt.
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In der Zeichnung, die drei Ausführungsbeispiele für die Erfindung
enthält, ist ein Hitzdrahtvakuummeter von bekanntem Prinzip dargestellt, nach welchem
die Veränderlichkeit der Wärmeabgabe eines elektrisch geheizten Drahtes von großem
elektrischen Temperaturkoeffizienten mit den Schwankungen der Luftleere zur Messung
und direkten Anzeige des Vakuums benutzt wird. Darin bedeutet g das Meßinstrument
und in die Widerstandsbrücke, die beispielsweise aus zwei einander gegenüberliegenden,
im Vakuum angeordneten Hitzdrähten a und c und zwei dazwischenliegenden Vergleichswiderständen
b und d besteht. Die Erregerspule e des Instrumentes g wird vom Wechselstromnetz
f unmittelbar oder über einen Transformator und gegebenenfalls noch über einen Vorschaltwiderstand
gespeist, der in der Zeichnung weggelassen ist und zwecks Ausgleich der primären
Spannungsschwankungen ein Eisendrahtwiderstand in Wasserstoffatmosphäre sein kann.
Die Drehspule la des Instrumentes ä, die auch, wie z. B. in Fig. ö gezeigt, als
sogenannte Kreuzspule ausgeführt sein kann, ist an zwei diagonale Ecken A und C
des Widerstandsviereckes m angeschlossen; in ihr wird
durch Transformatorwirkung
ein zusätzlicher Heizstrom für die Hitzdrähte a und c erzeugt. Da die Brücke induktionsfrei
ist und die Drehspule l ebenfalls praktisch verschwindend kleine Selbstinduktion
besitzt, erzeugt dieser Zusatzstrom in dem Wechselfeld der Spule e kein Drehmoment,
auch dann nicht, wenn die Zweige a und c der Brücke ihren Widerstand - durch Wärmeschwankungen
infolge Vakuumvariationen - ändern.
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Schickt man nun gemäß Fig. z durch die Brücke einen Strom in der Richtung
der anderen Diagonale BD, so heizt dieser einerseits die Widerstände a und c und
überlagert sich dem genannten Zusatzstrom, ohne bei abgeglichener Brücke an den
Diagonalpunkten AC eine Potentialdifferenz hervorzurufen. Sind dagegen die Widerstände
der Brücke - infolge Vakuumänderungen bzw. Erwärmung der Zweige a, c -nicht mehr
abgeglichen, so sind die Spannungsabfälle in den Zweigen a und c verschieden von
denjenigen in den Zweigen b und d, infolgedessen tritt eine Potentialdifferenz
an den Punkten A und C auf, und es fließt ein zusätzlicher Strom durch. die Drehspule
lt des Instrumentes g. Wenn dieser Strom gegen die Netzspannung keine Phasenverschiebung
hat, so ist er gegen das von der Erregerspule e erzeugte Feld um go' verschoben
und erzeugt daher kein Drehmoment. Um aber ein solches und damit einen Ausschlag
des Drehsystems gegen die Kraft seiner Gegenfeder i zu erhalten, fügt man in den
bei B und D angeschlossenen Hilfsstromkreis eine gegebenenfalls einstellbare
Drosselspule k ein.
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In Fig. 2 ist die Wirkungsweise der Schaltung durch ein einfaches
Vektordiagramm erläutert. Die Netzspannung E ruft in der Primärspule e des Ferrodynamometers
g einen um fast go' nacheilenden Magnetisierungsstrom I", hervor, mit dem auch das
von ihm erzeugte Feld 0 in Phase ist. Durch dieses wird in der Drehspule h transformatorisch
eine Spannung Ed induziert, die ihrerseits gegen den Kraftfluß 0 um go ° zeitlich
zurückverschoben ist. Diese Spannung schickt bei AC in die Brücke na den
zusätzlichen Heizstrom I1, der mit der Spannung Ed in Phase ist, weil die Induktivität
der Spule h selbst vernachlässigbar klein ist und die Brückenwiderstände
a, b, c, d induktionsfrei sind. Da er gegen das Feld 0 um go' verschoben
ist, erzeugt er kein Drehmoment in der Spule h. Gleichzeitig ist die Brücke bei
BD über die Drosselspule k
an die Netzspannung E angeschlossen, so daß in
Richtung BD ein gegen die Spannung E nacheilend phasenverschobener Heizstrom IS
fließt. Wenn bei Erwärmung der Brückenzweige a und c die Brücke unsymmetrisch wird,
fließt ein Teil I', dieses Stromes I,r durch die Drehspule h des Instrumentes und
setzt sich hier mit dem Zusatzstrom Il zu einem resultierenden Strom I zusammen.
Diejenige Komponente I. von I, die mit dem Feld 0 in Phase ist, erzeugt nun ein
Drehmoment in der Spule da, die so weit ausschlägt, bis das Gegenmoment der Feder
i dem Drehmoment der Spule la das Gleichgewicht hält.
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Bei der Anordnung nach Fig. 3 ist eine besondere Drosselspule k entbehrlich.
Hier wird der Magnetisierungsstrom I". der Erregerspule e unmittelbar bei
B und D in die Brücke geschickt. Da im allgemeinen der volle Magnetisierungsstrom
eine zu starke Belastung der Brückenwiderstände darstellen würde, ist an die PunkteB
und D ein Parallelwiderstand ia angeschlossen, der einen Teil des Stromes
I", aufnimmt. Der Rest dieses Stromes 1"Z dient zur Heizung der Hitzdrähte a und
c. Bei Unsymmetrie der Brükkenzweige fließt nun ein Teil I2 des Magnetisierungsstromes
I "Z durch die Drehspule la, so daß auch hier wieder ein Drehmoment entsteht,
das dem Produkt aus dem Feld 0 und dem Strom I., entspricht. In der Spule l2 selbst
fließt, wie aus dem Diagramm Fig. q. hervorgeht, der resultierende Strom I.
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Bei der Schaltung nach Fig. 5 ist die Brücke nur einfach gespeist,
und zwar von der Spule la aus, so daß hier zwischen Instrument und Brücke nur zwei
Leitungsdrähte erforderlich sind. Bei abgeglichenen Brückenzweigen fließt lediglich
der Wattstrom Il von A nach C. Dieser allein' heizt hier die Brücke. Entsteht nun
durch Vakuumänderung in den Zweigen a und c zwischen den Eckpunkten B und
D eine Potentialdifferenz, so fließt ein Ausgleichstrom 12 durch die an diesen
Punkten angeschlossene Drosselspule o und gibt dem Heizstrom eine induktive Komponente
12. Diese Komponente erzeugt mit dem Feld 0 ein Drehmoment in der Spule 1a. Diagrammatisch
wird diese Schaltung ebenfalls durch Fig. q. veranschaulicht.
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Statt der Drosselspulen k in Fig. = und o in Fig.5 könnten auch Kondensatoren
verwendet werden, denn ein gegen das Feld 0 um 18o' verschobener Strom erzeugt mit
ihm das gleiche Drehmoment wie ein Strom, der mit ihm in Phase ist.
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Die Stärke des Stromes 12 ist bei allen Ausführungsbeispielen von
der Brückenverstimmung und diese wiederum ist von Vakuum abhängig, da die beiden
im Vakuum angeordneten Brückenwiderstände er. und c bei zunehmender Verdünnung des
wärmeableitenden Gases wärmer werden und ihren Widerstand erhöhen. Das Drehmoment
der Spule h aber ist, da das Feld 0 konstant ist, eine direkte Funktion des Stromes
I2 und damit des zu messenden Vakuums.
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Wie erwähnt, kann die neue Einrichtung auch zu Temperaturmessungen,
z. B. für Fernthermometer oder Feuermelder, ferner zur Messung von anderen mit kleinen
Widerstandsänderungen verbundenen Vorgängen, verwendet werden.