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Anordnung zum Messen der Induktivität und des Verlustwiderstandes
von mit Gleichstrom vorbelasteten Eisenkernspulen Der Wunsch, den Einfluß eines
Gleichstromes auf die Selbstinduktionswerte und die Verlustwiderstände von Induktivitäten
genau meßbar erfassen zu können, ist wohl so alt, als Induktivitäten im Zusammenhang
mit Medien nicht konstanter Permeabilität als Drosseispulen zur Unterdrückung von
Wechselstrom in Gleichstromkreisen Verwendung finden.
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Alle Formeln zur Berechnung solcher Induktivitäten ergeben sofort
fragwürdige Ergebnisse, sobald als Kernmaterial z. B. Eisen mit seinen von der Strombelastung
im höchsten Maße abhängigen Permeabilitätswerten Verwendung finden. Daher hat man
Meßanordnungen gesucht, die bei beliebiger Dosierung der Gleich- und Wechselstromanteile
an einem Meßobjekt ohne weitere Veränderung an dessen Aufbau und dessen Wicklungen
die für bestimmte Betriebsparameter (Wechselstromfrequenz, Wechselstromamplitude,
Kernquerschnitt, Windungszahl, Luftspalt im Eisen, Gleichstromvormagnetisierung)
sich einstellende Induktivität und den Verlustwiderstand genau ermitteln lassen.
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Die Aufgabe, unter bestimmten Voraussetzungen (maximal zulässigen
Kernquerschnitt, bestimmtes Kerngewicht und Kernmaterial, maximal zulässige Windungszahl)
für eine bestimmte Gleichstromvorbelastung und eine bestimmte Frequenz und Amplitude
des überlägerten Wechseistromes, z. B. den wirtschaftlichsten Kernluftspalt zu ermitteln,
ist jedoch mit den bis jetzt bekannten Brücken, die jeweils nur Teillösungen zulassen
und auch in der Bedienung umständlich erscheinen, nicht ohne weiteres zu lösen gewesen.
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Dies hängt mit den nicht ganz einfach zu erfüllenden Betriebsbedingungen
zusammen,. denen eine Eisenkernspule im Wechselstrommeßverfahren bei gleichzeitiger
Gleichstromvrorbelastung unterliegt. Würde nur der Einfluß reinen Wechselstroms
zu untersuchen sein, so fänden hierfür bekannte Wechselstrommeßbrücken Verwendung,
die im folgenden kurz besprochen werden sollen, auch hinsichtlich ihrer Eignung
für Gleichstrombeschickung.
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I. Frequenzunabhängige Meßbrücken Bei ihnen wird in Anlehnung an Abb.
I der Zeichnung das Kondensatoraggregat Ca, Q durch den üblichen Schleifdraht, durch
aufgeteilte Festwiderstände oder durch Teilinduktivitäten ersetzt, das Meßobjekt
(Spule) wird mit einer Normalinduktivität verglichen, zum Phasenabgleich wird ein
mit Lx oder Ln in Serie liegender indukflonsfreier Widerstand benötigt.
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Eine eindeutige Gleichstrombeschickung der Spule ohne Gleichstromverzweigung
und ohne Beeinflussung des Gleichstromes durch
den Phasenregelwiderstand
beim Abgleichen der mit Wechselstrom beschickten Brücke ist dabei nicht möglich.
Nur für den Ausnahmefall, daß die Spule auch noch eine weitere Wicklung trägt, kann
über sie der Eisenkern, unbeeinflußt von den Regelorganen der Brücke, vormagnetisiert
werden. Doch dieses Verfahren ist umständlich und nur bedingt anwendbar.
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Die Frequenzunabhängigkeit ergibt sich bei diesen Brücken aus dem
Wegfall der Frequenzgröße in den Formeln für das Tonminimum.
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2. Frequenzabhängige Meßbrücken Bei ihnen werden mit der zu messenden
Induktivität Normalkondensatoren unter Verwendung von Ohmschen Widerständen verglichen.
Die Frequenzgröße spielt in der Abgleichformel dieser Brücken eine wesentliche Rolle.
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3. Resonanzmeßbrücke Bei ihr liegen in drei Brückenzweigen Ohmsche
Widerstände. Der Brückenabgleich ist nur möglich, wenn die im vierten Zweig liegende
Serienschaltung von Cn und Lx in Resonanz kommt und der vierte Zweig damit ebenfalls
reell wird.
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Während von den genannten drei Brückenarten die zweite und dritte
allein wegen ihrer Frequenzabhängigkeit vom Vergleich mit der Erfindung ausscheiden,
geben die unter I. angegebenen Brücken, wenn man von der Verwendung einer Sekundärwicklung
als Behelfslösung absieht und wenn der verlangte Gleichstromanteil ohne Verzweigung
durch die zu messende Spule fließen soll, keine Möglichkeit, beim Einstellen des
Phasenabgleiches den beim Beginn der Messung als gegeben zu betrachtenden Gleichstromanteil
unbeeinflußt zu lassen, was aber gerade bei Untersuchungen an Eisenspulen eine unerläßliche
Forderung darstellt.
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Dies zu vermeiden bezweckt vor allem die Erfindung.
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Gemäß der Erfindung ist die Anordnung zum Messen der Induktivität
und des Ver-Iustwiderstandes von mit Gleichstrom vorbelasteten Eisenkernspulen mit
Hilfe einer Wechselstrommeßbrücke dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsabgleichung
der Brücke mittels eines regelbaren Kondensatorspannungsteilers erzielt wird, während
die Phasenabgleichung der Brücke mittels eines Widerstands erfolgt, dessen Änderung
zwecks Konstanthaltung des Gleichstroms an einem zweiten Widerstand kompensiert
wird.
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Dazu ist die Regelung des in einem Brückenzweig liegenden Widerstandes
mit der Regelung eines in der Gleichstromzuführung der Brücke liegenden Widerstandes
so verbunden, daß die Summe der Widerstände gl-eicbbleibt.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung
der Abbildungen.
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Abb. I zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung.
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Abb. 2 und 3 zeigen die mechanisch gekuppelten Meßwiderstände für
die erfindungsgemäße Schaltung.
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Abb. 4 und 5 zeigen einzelne Schaltungsabschnitte der erfindungsgemäßen
Meßschaltung in anderer Ausführungsform.
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Von einer Gleichstromquelle U (Abb. I) aus fließt nach Abnahme der
Spannung an dem in Spannungsteilerschaltung verwendeten Widerstand Rp und Feinregulierung
des Stromes über den Widerstand R2 der zur Vormagnetisierung dienende Gleichstrom
nach Feststellung der augenblicklichen Betriebsgleichspannung, deren Kenntnis nur
zum Zweck allgemeiner Betriebsübersicht dient, über den Gleichstrommesser A1, Drossel
D1, Transformatorteilwicklung b, Meßnebenwiderstand für die Wechselstromkomponente
2, durch die Wicklung des eigentlichen Meßobjektes, dessen Scheinwiderstand (Induktivität)
und Verlustwiderstand (Ohmscher Widerstand) bei Beschickung mit Wellenstrom verschiedenster
Zusammensetzung bestimmt werden soll, über den induktions- und kapazitätsfreien
Widerstand R2, die Normalinduktivität Ln, R,, TransformatorteilwicItlung b', Drossel
D2, Widerstand Rc zum Spannungsteilerabgriff zurück.
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Dadurch ist es möglich, denselben Gleichstrom, der als Gleichstromanteil
die Wicklungen des Meßobjektes durchf-ließt, bereits vor Eintritt in die Brücke
eindeutig zu bestimmen, wobei alle weiteren an der Brücke vorzunehmenden Wechsel
stromabgl eichungen dieseneinmal eingestellten Gleichstrom in keiner Weise beeinflussen,
sondern ihn absolut konstant lassen, was als wesentlicher Punkt dieser Brückenanordnung
anzusehen ist. Da die Normalinduktivität Ln ein Kernmaterial mit u = I (Luft!) =
konst. besitzt, hat der sie durchfließende Gleichstrom keinen Einfluß auf ihren
Induktivitätswert.
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Die Brückenanordnung läßt die Beschickung mit Wechselsfrom praktisch
beliebiger Frequenz und Amplitude zu. Jedoch muß man die Frequenz, falls man akustisch
abgleichen will, innerhalb des gut hörbaren Frequenzbandes legen, während man die
Amplitude, um nicht beim Durchlaufen größerer Hystereseschleifen amt Meßobjekt durch
die entstehenden Tonoberwellen ein unnötig verwischtes Abgleichtonminimum im Brückenzweig
zu erhalten, so klein als eben möglich bemißt.
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Uber einen zur Wechselstromzuführung dienenden Spezialtransformator
wird der Meßstrom in der bisher üblichen Weise der Brücke zugeführt. Auch hier ist
zur allgemeinen Betriebsübersicht ein Spannungsmesser an die Primärwicklung gelegt.
Wegen der zu erwartenden größeren Gleichstromvormagnetisierung ist für eine entsprechende
Dimensionierung des Eisenkerns und der Sekundärspulen des Spezialtransformators
Sorge zu tragen. (Die Anbringung von Luftschlitzen hat sich als vorteilhaft erwiesen.)
Da der Wechselstrom nicht nur die Wicklungen des Meßobjektes durchläuft, sondern
sich auch auf den Kondensatorvergleichszweig Ca, cm verteilt, muß vor Lx unter Verwendung
eines rein Ohmschen Nebenschlußwiderstandes Rm die Wechselstromkomponente nach kapazitiver
Kopplung C4 von einem empfindlichen Wechselstrommesser 2 (z. B. Gleichrichter mit
Drehspuleninstrument) gemessen werden. Diese Anordnung, welche auch in ihrer Gesamtheit
als praktisch rein ohmisch gelten kann, wird vor Einbau in den Brückenzweig mit
Wechselstrom verschiedener Frequenz für verschiedene Amplituden geeicht.
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Die durch die Kondensatoren Ca und Cb gebildeten Brückenvergleichszweige
erfahren durch entsprechende mechanische Kopplung beider Kondensatoren eine besondere
Bedeutung. Die Kondensatoren, welche einen praktisch verlustlosen Aufbau (Luftkondensatoren)
und eine den Brückenverhältnissen angepaßte, genügend große Kapazität besitzen müssen,
sind so miteinander gekoppelt, daß jeweils einer seine geringste Kapazität aufweist,
wenn der andere seine größte Kapazität erreicht hat.
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So ist es möglich, daß die Verbindungsleitung beider Kondensatoren,
an welche auch die Zuleitung zum Brückentelephon (bzw.
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Abhörverstärker) angeschlossen ist, beim Durchdrehen der Kondensatoranordnung
elektrisch ähnliche Abgleichverhältnisse hat wie ein Schleifer, der auf einem statt
der Kondensatoren verwendeten Schleifdraht entlang geführt wird. Derartige Kondensatoranordnungen
sind zum Abgleich von Meßbrücken an sich bereits bekannt.
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Damit kann der um IsoO änderbare Drehwinkel der Kondensatoren direkt
nach Verhältnissen der kapazitiven Widerstände der Teilkapazitäten geeicht werden,
so daß der nach Abgleichung auf Tonminimum auf der Skala eingestellte Zahlenwert
nach Multiplikation mit einem durch die Größe der Normalinduktivität bedingten Faktor
die gesuchte Größe der zu messenden Induktivität angibt. Desgleichen ergibt sich
in der bei Brücken dieser Art üblichen Weise der Verlustwiderstand des Meßobjektes
aus dem Skalenwert und den bekannten Widerständen R, Rz und Rm.
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Die Eichskala zeigt bei Verwendung von Drehkondensatoren mit kreisförmigem
Platteuschnitt bereits eine recht brauchbare Skalendurchbildung mit den Endwerten
0,05 und 20. Dies bedeutet bei Verwendung einer Normalinduktivität Ln = I Hy einen
Brückenmeßbereich V-Ln von 0,05 bis 20Hy. Bei X, = 5Hy kann man Induktivitäten bis
IOOHy messen usw.
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Die äußersten Endstellen der Skala (etwa 50 von den Enden entfernt)
sind zu genauerer Messung nicht mehr zu benutzen, da die hier unvermeidbaren Streuungen
bei den Anfangskapazitäten der Kondensatoren bereits zu große Ableseungenauigkeiten
auf der Skala zulassen. Wie bei allen Brücken ist auch die erfindungsgemäße in der
Skalenmitte am genauesten (etwa I 0/o), -ein für Eisenmessungen außerordentlich
befriedigendes Ergebnis. In den kritischen Endgebieten sinkt die Genauigkeit der
Brücke auf I bis 2 °/0.
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Die durch einen gemeinsamen Bedienungsgriff in ihren Bewegungen und
Einstellwerten mechanisch gekoppelten, kapazitäts- und induktionsarmen (Manganin-)
Widerstände, dimensioniert für die zu benutzende maximale Gleichstromkomponente
(z. B. I Amp.), stellen ebenfalls einen wesentlichen Bestandteil der Brücke dar.
Nach der Bedingung, daß die jeweils unter Strom kommenden Widerstandsteilwerte r2
und rc der Beziehung (rz, rc = konstant) genügen (Abb. I, 2 und 3), wird die am
Instrument A, einmal eingestellte Gleichstromkomponente (bei beliebiger Veränderung
von Rz zum Phasenausgleich) in der Brücke konstant gehalten.
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Um trotzdem die hier mitunter zu beträchtlicher Höhe (400 Volt und
mehr) ansteigende Gleichstrombetriebsspannung möglichst klein halten zu können (z.
B. wird man bei einem vorhandenen Gleichstromnetz von 220 Volt mit dieser Spannung
tunlichst auskommen wollen), ist konstruktiv Vorsorge getroffen, daß, wenn vom Widerstand
Rz nur niedrige Widerstandswerte rz benötigt werden, von Anfang der Messung an ein
Großteil der nunmehr ungenutzt Gleichspannung verzehrenden Rc-Werte durch Kurzschlußstecker
kurzgeschlossen werden können. Dabei findet die Kurbel durch den Kurzschlußstecker
über einen an ihr selbst angebrachten Anschlag eine Drehbegrenzung, so daß ein unachtsames
Hinausdrehen über tot liegende Widerstandsstreifen unterbleibt. Werden statt Kurbelwiderstände
mit Widersrandsstufen mit Kreuzwicklung versehene Widerstandsröhren verwendet, so
muß bei mechanisch fester Kopplung der beiden Schieber auch hier für beliebige Schiebestrecken
B, B' die
Summe der wirksamen Ohmschen Werte konstant bleiben (rx,
rc = konstant). Auch hier ist für das Rc-Rohr ein Kurzschlußschieber mit Anschlag
für den kombinierten Schieber vorgesehen. Diese Röhrenschiebewi derstände haben
den Vorzug, einer technisch einfacheren Abgleichmöglichkeit zum Aufsuchen desTon
minimums, jedoch zeigen sie meßtechnisch eine größere Ungenauigkeit für genaueste
Ermittlung des Wirkwiderstandes des Meßobjektes.
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An sich wäre das Abhören des Tonminimums mit einem Telephonhörer
möglich. Da aber die Lautstärke in sehr vielen Fällen in der Gegend des Tonminimums
äußerst gering ist und ein Abhören unnötig anstrengend wäre, eine Steigerung der
Spannung der Wechselstromquelle aber aus versuchstechnischen Gründen meist nicht
zulässig ist, ferner in dieser Brücke jede unnötige kapazitive Zusatzbelastung über
die Körperkapazität des Abhörenden zu unterbleiben hat, so ist eine bessere, an
sich bekannteAbhörung zu wählen.
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Über einen Transformator entsprechender Brückenanpassung wird der
Meßton einem Verstärker (Verstärkung etwa I0 ooofach) zugeführt, der mit seinen
Batterien, dem Eingangstransformator und einem Lautsprechersystem (in Dosenform)
in einem metallisch allseitig abgeschirmten Meßverstärker kleinster Abmessungen
vereinigt ist. An ~ diese Lautsprecherdose wird mit einem Kupplungsstück der Gummischlauch
einer Abhöranordnung (Doppelkopfhörmuscheln mit Gummirand) angeschlossen, die praktisch
alle vom Verstärker widergegebenen Feinheiten beim Abgleichen mit genügender Lautstärke
zu Gehör bringen. Eine metallische Verbindung und damit kapazitive Beeinflussung
der Brücke durch den Körper des Messenden ist damit ausgeschlossen.
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Der Gleichstromanteil wird vor Eintritt in die Brücke durch den Gleichstrommesser
A, gemessen und fließt in voller Stärke auch dauernd durch die Wicklungen des Meßobjektes.
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Für die Bestimmung des Wechselstromanteiles ist nach den Erfordernissen
der Praxis sowohl die Kenntnis der das Meßobjekt durchfließenden Stromamplitude
als auch der am Meßobjekt auftretenden Wechselspannungsamplitude von Interesse.
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Der Wechselstrom wird durch Ablesen der an einem rein Ohmschen Widerstand
Rm auftretenden Wechselspannung -unmittelbar vor dem Meßobjekt (über die kapazitive
Ankopplung C4 eines Meßgleichrichters hoher EmpfinMichkeit) ermittelt. Zur Feststellung
der am Meßobjekt liegenden Wechselspannung dient ein Voltmesser V3 mit sehr großem
Eingangswiderstand. das aber bei genauer Einstellung auf Tonminimum abgeschaltet
werden kann.
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Neben der eingangs beschriebenen Zuführungsart des Gleich- und des
Wechselstromanteiles können auch noch Zuführungsarten gemäß Abb. 4 und 5 je nach
Art, Erdung und Beschaffenheit der Stromquellen mitVorteil Verwendung finden. Für
die Benutzung der Brücke ändert sich jedoch hierdurch prinzipiell nichts. Die DoppeldrosselDi,
D2 versieht man praktisch mit variablem Luftschlitz im Eisenkern, um sie dem weiten
Anwendungsbereich der Gleichstrombeschickung laufend anpassen zu können.
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Als wesentliche Punkte der Brücke sind noch zu nennen: I. Das Tonminimum
in der Brücke wird zur Vermeidung kapazitiver Beeinflussung der Brücke und zur Steigerung
der Abgleichempfindlichkeit über einen besonderen Verstärker und das Abhören des
Tones selbst durch ein nicht durchgehend metallisches Schallzuführungsmittel (Gummischlauch
oder Lautsprecher) dem Ohr des Abgleichenden ermöglicht.
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2. Die Brückenspeisedrosseln (Einzel- oder Doppeldrosseln) erhalten
variablen Luftschlitz im Eisenkern.
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3. Die Gleich- und die Wechselstrombeschickung wird möglichst an
Spannungsteilern abgegriffen, um auch ein genaues Bestreichen der Stromgrößen bei
Abnahme gegen o zu ermöglichen.
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4. Die zweite Hälfte des kombinierten Phasen- und Stromkompensators
Ez, Rc, nämlich derR,-Widerstand, wird so in die Brücke gelegt, daß er bei Bedarf
mit einem Schalter nach beiden Brückenzweigen (d. h. zu Lx oder Ln) ohne Unterbrechung
des Gleichstromes während einer Meßreihe umgeschaltet werden kann (Sg in Abb. I).
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5. Da bei Beschickung mit Wechselstrom größerer Amplitude in dem
einen Eisenkern enthaltenden Meßobjekt durch Umlaufen der Hystereseschleife starke
Oberwellen erzeugt werden, die im Meßverstärker das Tonminimum für den Grundton
zu überdecken drohen, so wird bei Bedarf imAbhörzweig der Brücke durch geeignete
Siebmittel (Sperrkette K,, K2, Spannungs- und Stromresonanz für den Grundton) der
gewünschte Zustand wieder hergestellt.