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Meßbrücke für Verlustwinkelmessungen von Kondensatoren und Isolierstoffen
Verlustwinkelmeßbrücken für Messungen von Kondensatoren und Isolierstoffen müssen
einen großen Frequenzbereich besitzen. Innerhalb dieses Frequenzbereiches kommen
Verlustwinkel von etwa Io% bis Iob vor, die von ,der Messung erfaßt werden sollen.
Es kann ferner die Kapazität, deren Verlustwinkel bestimmt werden soll, um mehrere
Größenordnungen verschieden sein. Diese Verhältnisse fordern von dem Meßgerät, daß
die reelle Komponente, die den Verlustwinkel des Meßobjektes kompensiert, über viele
Dekaden geändert werden muß.
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Es sind bereits Verlustwinkelmeßbrücken bekannt, - die dieser Forderung
genügen, jedoch weisen die bekannten Anordnungen den Nachteil auf, daß der Verlustwinkel
nicht direkt ablesbar ist, sondern nach einer bestimmten Formel errechnet werden
muß.
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Es ist ferner eine Anordnung bekanntgeworden (s. Fig. 1), bei der
es möglich ist, einen Widerstand r in tg # zu eichen, wenn über den Frequenzbereich
der Leitwert # (Cd + CN) konstant gehalten wird. Diese Schaltung hat jedoch den
Nachteil, daß der Widerstand r für hohe Frequenzen und kleine Verlustwinkel in seinem
Widerstandswert sehr klein wird und praktisch nicht mehr hergestellt werden kann.
Nimmt man für CN den Wert 1nF, für # = 107 und für tg # = 10-4 an, so muß der Widerstand
r eine Größe von 10 m # haben. Ferner wird bei diesen Frequenzen die Brückenempfindlichkeit
sehr vermindert, da C# bedeutend größer als CN wird.
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Diese Nachteile werden durch die Meßbrücke nach der Erfindung vermieden.
Sie besteht in zwei benachbarten Zweigen I, II aus Widerständen, vorzugsweise streungsarmen
Drosseln, während der dritte Zweig III das veränderliche Normal und der vierte Zweig
IV das Meßobjekt enthalten.
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Erfindungsgemäß wird die Meßbrücke so aufgebaut, daß dem Widerstand
D1 des Zweiges 1 die Reihenschaltung aus einer veränderharen Kapazität C1 und einem
regelbaren Ohmschen Widerstand R und dem Widerstand D2 des Zweiges II eine veränderbare
Kapazität C3 parallel geschaltet sind und daß zwischen dem durch die Zweige III
und IV gebildeten Diagonalpunkt 4 und dem vom gegenpberliegenden Diagonalpunkt 2
abgekehrten Ende des regelbaren Ohmschen Widerstandes R eine veränderbare Kapazität
C geschaltet ist GÄbb. 2).
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Unter Einhaltung bestimmter Voraussetzungen, die weiter unten dargelegt
werden sollen, kann der in dem einen Parallelzweig liegende Kondensator in tg #
geeicht werden. während der mit dieser in Reihe liegende Widerstand in Frequenz
geeicht werden kann.
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Man hat hierbei den Vorteil, daß man als Verlustwinkelregelglicd eine
stetig veränderbare Kapazität verwenden kann und beim Abgleichvorgang störende Schleifkontakte,
die dem Verschleiß unterworfen sind, völlig vermieden werden. Es handelt sich bei
der vorliegenden erfindungsgemäßen Meßbrücke nicht nur um eine einfache Umreichung
der verwendeten Regelglieder gegenüber der bekannten Anordnung nach Fig. 1 bei der
die regelbare Kapazität in Frequenz und der regelbare Ohmsche Widerstand in tg #
geeicht sind, sondern es wird durch die erfindungsgemäße Meßbrücke auch eine Heraubsetzung
der Brückenempfindlichkeit bei tiefen Frequenzen vermieden. Auch ist der Ohmsche,
in Frequenz geeichte regelbare Widerstand selbst bei den höchsten Frequenzen um
mehrere Größenordnungen größer als bei dem bei der bekannten Anordnung in Fig. 1
betrachteten Beispiel.
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Eine Eichung des in dem einen Parallelzweig mit dein Ohmschen Widerstand
in Reihe geschalteten Kondensators in tg # ist unter der Voraussetzung möglich,
daß der in dem Diagonalzweig liegende veränderbare Kondensator dem Betrag nach mit
dem Meßobjekt gleichgemacht wird. Zweckmäßig wird dies durch Gangkopplung des in
der Diagonale liegenden Kondensators und des Kapazitätsnormals erreicht.
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Um die Brückenzweige gleichmäßig zu belasten, werden zweckmäßig auch
die in den beiden Parallelzweigeii liegenden Kapazitäten miteinander gangekoppelt.
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An Hand der Fig. 2 soll die erfindungsgemäße Meßbrücke näher erläutert
werden.
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In den benachbarten Brückeiizweigen 1-2 und 2-3 liegen Widerstände,
z. B. streuungsarme Drosseln fl1, D2. an deren Stelle auch eine einzige Drossel
mit Mittelanzapfung verwendet werden kann. In dem Zweig 3-4 liegt das Normal, zweckmäßig
ein Kapazitätsnormal, während in den verbleibenden Brückenzweig 1-4 das Meßobjekt
geschaltet ist. In liesem Zweig wird bei Verlustwinkelmessungen von Kondensatoren
der verlustbehaftete Kondensator geschaltet. während zum Zwecke der Isolierstoffuntersuchungen
zwischen zwei Kondensatorplattenpaare das zu untersuchende Dielektrikum gebracht
wird. Parallel zu dem die streuungsarme Drossel D@ enthaltenden Zweig 1-2 ist ein
weiterer Zweig 1'-2' geschaltet, in dem die veränderbare Kapazität C1, die in tg
# geeicht ist, in Serie mit dem regelbaren Ohmschen Widerstand R, der in Frequenz
geeicllt ist, liegt.
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Auch dem die strenungsarme Drossel D2 enthaltenden Zweig 2-3 ist ein
Zweig 2'-3' parallel geschaltet, in dem die veränderbare Kapazität C3 liegt. Diese
ist mit der Kapazität C1 ganggekoppelt, um die beiden Brückenzweige 1-2 und 2-3
annähernd gleichmäßig zu belasten. Zwischen den Verbindungspunkt von Normal und
Meßobjekt (Eckpunkt 4) und den Verbindungspunkt 5 zwischen der Kapazität C1 und
dem Ohmschen Widerstand R liegt eine weitere regelbare Kapazität C2. die mit dem
Kapazitätsnormal CN ganggekoppelt ist.
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Parallel zu dem Meßobjekt Cx liegt bei dieser Schaltung der Leitwert:
j#C1 . j#C2 G = . j#C1 + j#C2 + 1/R Wählt man immer 1/R größer als (#C1 + #C2),
so folgt für den Leitwert: G = - #²C1C2R.
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Der Verlustwinkel ist dann: #²C1C2R tg # = d. h.
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C2 tg # = - C1#R .
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Cx Wird also C2 = Cx gemacht, was durch Gangkopplung des Kondensators
C2 mit dem Normal CN erreicht wird, so kann der Kondensator C1 in tgb geeicht werden,
wenn man dafür Sorge trägt, daß der Widerstand R in Abhängigkeit von # geändert
wird. Nimmt man analog klein Beispiel nach Fig. t für CN eine Größe von 1nF, für
# = 107 und für C1 = 10 pF an, so wird der Widerstand R rille Größe von 1 Ohm hal>en
müssen, d. h. laß der Widerstandswert um zwei Größenordnungen größer ist als in
dem bei Fig. 1
betrachteten Beispiel. Der Widerstand R kann aber
noch vergrößert werden, wenn man dafür sorgt, daß C immer um ein bestimmtes Maß
kleiner ist als das Normal CN.
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Da die verlustbehafteten Kapazitäten, die gemessen werden sollen,
wie eingangs erwähnt, um mehrere Größenordnungen voneinander verschieden sein können,
die Messung aber nur mit einem einzigen Normal durchgeführt werden soll, wird zweckmäßig
die an die Brückenpunkte I und 3 anzulegende Wechselspannungs über einen Bereichschalter
S an entsprechende Anzapfungen der unterteilten Drossel D1 gelegt.
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Die Messung geht auf folgende Weise vor sich: Das Meßobjekt wird
in den Zweig I-4 ge shaltet und die Wechselstromquelle an die Brückenpunkte 1-3
angelgt. An die Brückenpunkte 2-4 wird ein geeigneter Indikator, z. B. ein Telephonhörer
oder ein empfindliches Wechselstromnullinstrument, gegebenenfalls ein Röhrenvoltmeter,
gelegt. Durch das Normal wird zunächst der Betragsabgleich vorgenommen, wobei durch
die Gangkopplung der Kondensatoren C und CN dafür gesorgt wird, daß C ebenfalls
dem Meßobjekt gegenüber betragsgleich gemacht wird. Im Meßkreis, der an die Punkte
2-4 angeschlossen ist, wird sich, da der Winkel noch nicht abgeglichen ist, ein
Nullwert der Spannung noch nicht erzielen lassen, erst beim Abgleich durch den in
tg # geeichten Kondensator C1 wird das absolute Spannungsminimum im Meßkreis erzielt.
Da die Verlustwinkelmessung bei Frequenzen von I kHz bis zu 5 MilIz durchgeführt
wird, ist nach dem Anlegen der Wechselspannung an die Punkte 1-3 die von dem Generator
gelieferte Frequenz an dem veränderbaren, im Frequenz geeichten Widerstand einzustellen,
um den Forderungen der oben gebrachten Formel zu genügen. Stellt man den in Frequenz
f geeichten Widerstand auf eine Stellung, die nicht mit der Meßfrequenz fm übereinstimmt,
so folgt aus der Formel für tg 5, daß die Ablesung mit dem Verhältnis ff zu J multiplizieren
ist, d. h. mit dem Widerstand kann der Bereich des Verlustwinkels um Faktoren geändert
werden.