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Meßbrücke für Kapazitäten durch Vergleich mit Normalkondensatoren
Zur Messung von Kapazitäten bedient man sich Wheatstonescher Brückenschaltungen.
Es sind bereits derartige Brücken bekanntgeworden, bei denen die eine Hälfte der
Brücke, d. h. zwei aneinander anstoßende Zweige, aus Ohmsehen Widerständen aufgebaut
ist, während in dem dem Meßzweig benachbarten Zweig ein Normalkondensator und zur
Erweiterung des Meßbereiches Zusatzkondensatoren vorgesehen sind. Derartige Brücken
sind aber bei einem größeren Meßbereich außerordentlich umfangreich und kostspielig,
da ein sehr genauer Abgleich der Normalkondensatoren für die verschiedenen Stufen
erforderlich ist.
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Zur Verbesserung dieser Meßbrücke ist auch bereits bekanntgeworden,
statt variabler Kondensatoren einen Festkondensator zu verwenden und dafür den einen
Ohmschen Widerstandszweig z.B. durch parallel liegende Stufenwiderstände regelbar
zu gestalten. Die Meßunsicherheit hängt von der des veränderbaren Widerstandes ab;
soll sie, wie es nötig ist, über einen großen Meßbereich i0/00 nicht übersteigen,
so muß ein sehr teurer Präzisionswiderstand verwendet werden.
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Die vorliegende Erfindung gibt nun einen Weg an, wie eine Meßbrücke
mit den genannten Eigenschaften geschaffen werden kann, die einfach im Aufbau und
billig in der Herstellung ist.
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Gemäß der Erfindung wird eine Feinmeßbrücke für Kapazitäten durch
Vergleich mit Normalkondensator en dadurchgeschaffen, daß wenige, insbesondere dekadisch
gestufte Normalkondensatoren unabhängig voneinander an beliebige Teilwerte des einen
der beiden vorzugsweise Ohmschen Vergleichszweige von einemBrückeneckpunkt aus geschaltetwerden.
Die Unterteilung des Meßbereiches wird teilweise mit den eingebauten Normalkondensatoren,
teilweise auf einem der Ohmschen Vergleichszweige vorgenommen, und zwar vorzugsweise
so, daß die Normalkondensatoren im Verhältnis i : io : ioo vorgesehen sind und einzeln
geschaltet werden können an die Abgriffe des einen der Vergleichszweige, der nach
fortschreitenden Zahlen (i, a, 3 ... io) unterteilt ist.
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DieErfindung geht von der folgendenÜberlegungaus: Wenn man eineBrückenschaltung,
wie sie prinzipiell in Fig. i angegeben ist, zur Kapazitätsmessung verwendet, wobei
CC das Meßobjekt, CN ein festes Kondensatornormal und R ein Ohmscher Widerstand
ist, so ergeben
sich bei Unterteilung des dem Normalkondensatorzugewandten
Widerstandes in einzelne Stufen, in der Figur sind.beispielsweise Zehntelstufen
angenommen, die folgenden Beziehungen
allgemein Cx = Ö, I Cnr ... 0,2 Car . . . 0,9 Qy. . . ',0 C,v.
Um eine derartige Unterteilung nach drei Zehnerreihen zu erhalten, wie es für il/"
Meßunsicherheit erforderlich ist, wird nun erfindungsgemäß eine Schaltung verwendet,
die in Fig. ä angegeben ist. Ein bis auf i # io-s absolut geeichter veränderlicher
Widerstand wird hier vermieden, statt dessen werden von dem Brückeneckpunkt C aus
nach dem in Zehntelstufen unterteilten Widerstand R = DB
mehrere Festkondensatoren,
z. B. Cl, C2, C3, geschaltet. Diese Festkondensatoren werden nun vorzugsweise dekadisch
gestuft, ihnen also beispielsweise Werte von Cl -- io ooo, C2 = iooö, C3
= ioo pF zugeordnet.
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Zur Erzielung eines Feinabgleichs der Brücke wird der in der Endstellung
CB liegende Kondensator C4 variabel, z. B. von o bis foo pF mit einer Einstellunsicherheit
von i pF, ausgebildet, und zwar vorzugsweise als Differentialkondensator in der
in Fig. - wiedergegebenen Weise, d. h. der ändere Teil des Differentialkondensators
liegt im Zweig AC parallel zum Meßobjekt.
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Da es häufig wünschenswert ist, sehr kleine Schaltschritte zu ermöglichen,
so wird die erste Stufe des unterteilten Widerstandes DB nochmals aufgespalten.
Ein Ausführungsbeispiel dieser nochmaligen Unterteilung gibt Fig.3, bei der die
ersten beiden Widerstände zusammen 1/1o R umfassen, der erste hiervon 1/10ö R. Man
erreicht mit dieser Unterteilung für den kleinsten Festkondensator einen Schaltschritt
von i pF, den man durch Einstellung des Differentialkondensators noch stetig unterteilen
kann mit der üblichen Einstellunggenauigkeit derartiger veränderbarer Kondensatoren.
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Zur Ausdehnung des Meßbereiches nach großen Kapazitäten ist gemäß
weiterer Erfindung eine Unterteilung des Widerstandes AD
vorgesehen, beispielsweise
auch so, daß ein Verhältnis von 1/l0: °/1o eingehalten wird. Verbindet man das Meßobjekt
über einen Schalter mit dem Abgriffpunkt, so legt man damit C" an den zehnten Teil
der Spannung. Dieses Verfahren kann auch nochwiederholt werden, wie dies in dem
Beispiel der Fig. q. angedeutet ist, wo eine Unterteilung des Widerstandes AD in
9/1o R+9fiöo R+1loo R vorgenommen ist.
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Wie bei den bekannten Anordnungen, die mit zwei Widerständen in den
benachbarten Brückenzweigen arbeiten, ist auch hier ein Abgleich der Phase erforderlich,
wenn die vorgegebene Meßgenauigkeit auch tatsächlich eingehalten werden soll. Eine
praktische Ausführung dieser Phasenkorrektur zeigt Fig. 5 unter Verwendung eines
Widerstandssterns, der dann ebenso wie der Differentialkondensator auf die einzelnen
Abgriffe umgeschaltet. werden kann.
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Eine große Genauigkeit in der Herstellung wird von den Teilwerten
der Widerstände gefordert. Die Umrechnung der-beschriebenen Gesamtschaltung in eine
gewöhnliche Brücke zeigt, daß außer Winkelfehlern auch Betragsfehler in der gemessenen
Kapazität auftreten, die nur dann genügend klein bleiben, wenn ein bestimmter Höchstwert
des Widerstandes nicht überschritten wird. Gemäß weiterer Erfindung werden die Widerstände
R dadurch besonders niederohmig gehalten, daß sie durch eine symmetrische Drossel
ersetzt werden, die reit vielfältigem Draht bewickelt ist, z. B. io- oder 2odrähtiger
Litze. Die wirksamen Widerstände R sind dann auch bei Messung mit höheren Frequenzen
praktisch gleich dem Gleichstromwiderstand ohne weiteres sehr genau untereinander
gleich und so niederohniig, daß durch Parallelkapazitäten keine Winkeldrehung eintritt.
Wird noch der oben angegebene Widerstandsstern zum Ausgleich von Fehlwinkeln angewendet,
so wird ein praktisch idealer Abgleich erzielt.
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In Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel eines gesamten Gerätes gegeben.
Über den Übertrager i'7 wird der Meßbrücke die Spannung zugeführt; derBrückeneckpünktD
ist geerdet. Zu ihm sind von A und B aus wie auch in den Fig: 2 bis ,4 die Widerstände
R geschaltet. Der Widerstand DB ist an ein Vielfachfeld geschaltet, von dem
die Kapazitäten Cl bis C3 mittels der Schalter S1 bis S, abgreifen. Den Feinabgleich
veranlaßt der im Zweig CB befindliche Differentialkondensator DK, dessen eine Hälfte
mit den Punkten Al bis A3 verbunden ist: Diese Punkte liegen ihrerseits an einem
Schalter S4, der eine Erweiterung 'des Meßbereiches nach oben bewirkt, während mit
dem Schalter S;, eine solche nach unten erzielt wird. Das Meßgerät gestattet also
eine Messung von Kapazitäten in einem Bereich von i : io8 bei einer Genauigkeit
von i # iö g und erlaubt überdies besonders einfache Differenzmessungen.