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Einrichtung zur Ermittlung des Betrages und Winkels von elektrischen
Scheinwiderständen, vorzugsweise erdsymmetrischen Betriebswiderständen Bei der Messung
von Scheinwiderständen nach Betrag und Winkel sind in letzter Zeit zwei verschiedene
Forderungen in den Vordergrund getreten, nämlich erstens die Messung bei Hochfrequenz
und zweitens die Notwendigkeit, symmetrische Scheinwiderstände untersuchen zu können.
- Von den bisher bekannten XTerfahren ' zur Scheinwiderstandsmessung nach Betrag
und WinkeI ist jedoch keines geeignet, beide Forderungen zu erfüllen. 'Scheinwiderstandsmesser
in Form einer Wheatstoneschen Brückenschaltung gestatten zwar eine verhältnismäßig
genaue Messung der Teilkomponenten, j-edoch ist dann stets eine Umrechnung in Betrag
und Winkel erforderlich. Ein weiterer Nachteil ist dabei die Notwendigkeit zweier
Normale, d. h. eines Normalwiderstandes und eines NormaIkondensators, die beide
veränderlich sein müssen.
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Weiter sind für Scheinwiderstandsmessungen bei hohen Frequenzen Meßbrücken
unter Verwendung eines Differentialübertragers bekanntgesvorden, jedoch erfordern
auch diese zur Realisierung aller Meßfälle zwei vollständig veränderliche Normale
mit besonders guten Eigenschaften. Durch die Notwendigkeit zweier Normale wird grundsätzlich
auch die Schirmung bei Hochfrequenz recht schwierig. Bei der Messung induktiver
Ob-Werte muß weiter die Frequenz genauestens bekannt sein. Außerdem ist auch noch
ein Verfahren zur Ermittlung von elektrischen Scheinwiderständen nach Betrag und
Phase vorgeschlagen worden unter Verwendung einer Brückenschaltung, die aus der
Reihenschaltung des zu messenden Scheinwiderstandes mit einem regelbaren Ohmschen
Widerstand einerseits und der ReihenschaI-tung zweier gleicher Widerstände andererseits
besteht, wobei zunächst der Betrag durch Spannungsvergleich bestimmt wird und sodann
der Winkel unter Variation des Abgriffs eines dieser Widerstände durch Vergleich
mit der Diagonalspannung gemessen wird. Diese Anordnung genügt j edoch auch nicht
den -beiden oben gestellten Bedingungen. Symmetrzsche Objekte können hier nicht
tnunittelbar gemessen werden. Außerdem ist besonders bei höheren Frequenzen die
Meßunsicherheit verhältnismäßig hoch. In der Methorle als solcher liegt ferner noch
folgender Mangel begründet. Erreicht mehr als eine der drei Großen, Betrag, Winkel
oder Frequenz, einen Grenzwert, so sinkt die Meßgenauigkeit. Die Praxis zeigt dann,
daß bei Frequenzen über dem akustischen Biereich Betrag und Winkel nur in sehr engen
Grenzen variiert werden können.
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Demgegenüber sieht die Erfindung eine Einrichtung zur- Ermittlung
des Betrages und Winkels von beliebigen elektrischen Scheinwiderständen, vorzugsweise
endsymmetrischen.
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Betriebswiderständen, insbesondere bei Hochfrequenz, vor, die im
wesentlichen aus einem das Meßobjekt enthaltenden und einem ein Normal enthaltenden
Zweig besteht, wobei in den beiden Zweigen, die eine Stromverzweigung bilden, dem
zu messenden Scheinwiderstand und dem Normal je ein kleiner unveränderlicher Scheinwiderstand,
vorzugsweise Ohmscher Widerstand, vorgeschaltet ist. Ertindungsgemäß dient als Normal
ein veränderbares Ohmsches Widerstandsnormal, und es wird die in der Diagonale der
Stromverzweigung entstehende Diagonalspannung vorzugsweise durch eine Spannungsteileranordnung
halbiert, wobei für die Betragsmessung die - Spannungsabfälle an den Vorschaltwiderständen
miteinander verglichen werden und für die Winkelmessung die an einem der beiden
Vorschaltwiderstände abgegriffene Spannung mit der Hälfte der Diagonalspannung zwischen
den Vorschaltwinderständen gleiche gemacht wird.
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Es ist bereits eine Meßeinríçhtung bekannt, bei der in einem Brückenzweig
der zu messende Scheinwiderstand und in dem anderen Brückenzweig veränderbare Wechselstromwiderstände
liegen. Zur Erhöhung der Empfindlichkeit des in der Brückendiagonale liegenden Meßinstrumentes
sind dabei Verstärker vorgesehen, derart, daß je ein Teil der Wechselspannung abgegriffen,
verstärkt und gleichgerichtet wird und die sich ergebende Ausgangsspannung einem
Differentialgalvanometer zugeführt wird. Zur Vermeidung eines durch Unsymmetrien
in den Übertragern und nachfolgenden Verstärkern verursachten Fehlers sind kleine
Widerstände vorgesehen, von denen mindestens einer veränderbar ist. Hierdurch wird
bei der bekannten Anordnung eine Symmetrie erreicht, indem vor Beginn der Messung
ein Ausgleich vorgenommen wird. Im Gegensatz zu dieser bekannten Anordnung werden
bei der Anordnung nach der Erfindung in den beiden Zweigen, die eine Stromverzweigung
bilden, unveränderliche Scheinwiderstände, vorzugsweise Ohmsche Widerstände, verwendet,
die dem zu messenden Scheinwiderstand und dem Normal vorgeschaltet sind. Weiterhin
unterscheidet sich die Meßeinrichtung gemäß der Erfindung von der bekannten Anordnung
dadurch, daß für sämtliche Scheinwiderstandsmessungen ein Ohmsches Widerstandsnormal
benutzt wird, während die bekannte Anordnung je nach Art des zu messenden Scheinwiderstandes
ein induktives bzw. kapazitives oder Ohmsches Widerstandsnormal vorsieht.
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Die ausschließliche Verwendung eines einzigen Widerstandsnormals
für Scheinwiderstandsmessungen von Kapazitäten, Induktiv : töten und Widerständen
stellt einen erheb-9hen Vorteil gegenüber der bekannten Meß tt«rdnung dar.
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Erfindungsgemäß gebaute Scheinwiderstandsmesser werden daher eine
große Reihe von bisher nicht erfüllbaren Forderungen befriedigen und somit näherungsweise
einen idealen Scheinwiderstandsmeßapparat bilden.
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Es lassen sich beliebige, vorzugsweise erdsymmetrische Scheinwiderstände
sowohl von beliebigen Vierpolen als auch von Leitungen messen, und zwar sowohl als
Betriebswert wie als Teilwerte, aber auch die Messung bei einpoliger Erdung kann
vorgenommen werden.
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In Fig. I ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen - Schaltung
gezeigt. Das Meßobjekt X und das veränderliche Ohmsche Widerstandsnormal RN, das
insbesondere ein dekadischer Ohmscher Widerstand ist, liegen in einer Stromverzweigung
zwischen den - Punkten A und B. In Serie zu X bzw. RN liegt je ein kleiner unveränderlicher
Widerstand r1 bzw. r2. Die Verbindungspunkte sind D bzw. G. Von dem Sender S wird
über einen Transformator T der Meßschaltung die Spannung U aufgedrückt. Die Punkte
A, D und G haben infolge der Kleinheit der Vorschaltwiderstände praktisch gleiches
Potential, woraus sich ergibt, daß bei symmetrischer Spannung G symmetrische Objekte
ohne Fehler gemessen werden können. Zur vollständigen Symmetrierung kann der Spannungsabfall
an den Vorwiderständen durch einen Widerstand e zwischen den Punkten B und C nachgebildet.
werden. Zur Betragsmessung werden nun die Spannungsabfälle an den Widerständen r1
und r2 miteinander verglichen und durch Änderung von RN einander gleichgemacht.
Das Meßinstrument Ii wird also wahlweise zwischen die Klemmen AD und AG gelegt.
Auf diese Weise ist es leicht möglich, die Spannungsabfälle an den Widerständen
rl und r 2 einander gleichzumachen. Die die Ströme ii und i2 innerhalb einer vorgegebenen
Fehlergrenze durch die Vorschaltwiderstände nicht beeinflußt werden, ist also praktisch
i1 = U und i2 = U .
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X RN Ist nun noch rj = r2, so gilt U U |i1|=|i2| oder = |X| RN also
IXI = RN Diese Schaltung zur Betragsmessung ist nun auch zur Winkelmessung geeignet.
Die Messung erfolgt durch Vergleich der halben
Brückenspannung zwischen
den Punkten D und G mit einer von r2 abgegriffenen Teilspannung. Zur Halbierung
der Drückenspannung werden zwei gleiche Scheinwiderstände Z in Serie geschaltet,
deren Mittelt punkt F ist. Der Empfänger wird in diesem Fall wahlweise zwischen
den Punkten GF -und G und dem Abgriff H am Widerstand r2 angelegt. Das Instrument,
das in der Zeichnung mit I2 bezeichnet ist, kann durch das Instrument I1 gebildet
werden. Es ist aber auch möglich, zwei getrennte Instrumente vorzusehen. Liegt parallel
zu r2 ein dagegen hochohmiges Potentiometer und ist α eine daran abgegriffene
Teilspannung gegen den Punkt G, so ergeben sich für die Winkelmessung folgende Beziehungen,
die am einfachsten an Hand des Vektordiagramms (Fig. 2) aufgezeigt werden können.
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AB ist bis auf den Spannungsabfall an gleich der Spannung U, BG die
Teilspannung an dem winkelfreien WiderstandsnorZnal, also i2 RN. In- dem Diagramm
ist der Deutlichkeit halber der Spannungsabfall i2r2 = AG bedeutend vergrößert gezeichnet.
In dem anderen Zweig der ParallelschaItung, den der Strom i1 durchfließt, treten
dann die Spannungsbfölle i1r2 ri am Vorwiderstand und i1 X = DB am Meßobjekt auf.
Die Komponente von i1X seien i1A und i1JB. Der Supplementwinkel zu # ADB ist der
gesuchte Phasenwinkel #. Trägt man in das Diagramm noch die Spannungsagfälle en
den ScheinwiderständenZ ein, so ergibt sich noch die Spannung DC mit dem MittelpunktF.
Der # DAG ist praktisch gleich # oder #/2=#FAG.
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Daraus folgt sin # # FG. Greift man nun 2 AG von AG eine Teilspannung
a AG = FG ab, FG so ist α = d. h..sin #/2 = α. Der Span-AG nungsteiler
gibt somit direkt eine Anzeige des Winkels und kann vorzugsweise in Phasenwinkel
geeicht werden.
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Die Widerstände Z der Fig. 1 sollen einen möglichst genauen elektrischen
Mittelpunkt (#) von -DG schaffen. In bezug auf Symmetrie und Hochohmigkeit werden
daher hohe Anforderungen gestellt Diese werden vorzugsweise durch eine sogenannte
symmetrische Drossel erfüllt (vgl. später Fig. 4 Dr1).
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Es ist nicht erforderlich, das die Widerstände ri und r2 einander
gleichgemacht werden. Es läßt sich vielmehr durch ein abweichendes Verhältnis in
einfacher Weise eine Bereichumschaltung - erzielen. Insbesondere wird das Vergleichsverhältnis
r1 : r2 in dekadische Stufen umgescchaltet, also z. B. 10-2, 10-1, 1, 10¹, 10².
Führt man eine derartige Bereichumschaltung durch, so zeigt sich, daß das Widerstandsnormal
bei einem beliebigen Meßbereich. des Scheinwiderstandes nur so weit unterteilt zu
sein braucht, als zur Feineinstellung erforderlich, z. B. nur in drei Dekaden, wenn
die Einstellunsiche,rheit kleiner als 10 # gehalten werden soll. Hieraus ergibt
sich ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung, da extreme Werte der
Widerstandsnormale besonders- schwer herstellbar und besonders schwer phasenrein
zu erhalten sind. Vorteilhaft wird das Normal so ausgebildet, daß in den untersten
Dekaden beispielsweise von 0,1 bis 10 Q ein kontinuirelicher Drewinderstand verwendet
wird, die darüberliegenden Dekaden umschaltbar ausgebildet sind.
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Da die erfindungsgemäße Anordnung vorzugsweise zur Messung symmetrischer
Objekte dienen sol, dürfen theoretisch alle zu einer Symmetrieachse (Fig. 1, Y-Y')
symmetrisch -liegenden Punkte wie A, C und B, D und B, G je gleiche Ableitung gegen
Erde haben, wenn man die Belastung auf der Normalseite durch vorhergehenden Nullabgleich
nachbildet. Wählt man, wie oben angegeben, das Vergleichsverhältnis von r1 und r2
abweichend von 1 : 1, so müßte bei jeder Umschaltung der Nullabgleich wiederholt
werden. Es ist daher besonders vorteilhaft, die Punkte B, D und G im Gerät von Eigenerdableitungen
frei zu machen. Zu diesem Zweck werden alle Teile so geschirmt, daß nur von A und
C Erdableitungen auftreten, und diese werden noch einander gleichgemacht. In Fig.
1 ist dies durch G1 und G2 angedeutet.
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Die Meßanordnung ist jedoch, wie eingangs bereits gesagt, nicht nur
zur Messung von symmetrischen Objekten geeignet, vielmehr können auch einseitig
geerdete Scheinwiderstände und insbesondere Teilwerte gemessen werden. Zur Vermeidung
von Fehlern durch Erdkapazitäten usw. wird bei der Messung einpolig geerdeter Objekte
die geerdete Seite an den Punkt B gelegt. Infolge der Schirmung tritt dann nur noch
vom Punkt A aus eine Erdkapazität auf, die aber nicht mitgemessen wird. Fig. 3 zeigt
schematisch, wie ohne Verwendung geschirmter Ubertrager die Abschirmung der Punkte
D und G von Erde erreicht wird mit Hilfe von zwei gewöhnlichen Ubertragern Ü1 und
U2 und einer symmetrischen Drossel Dr2. In dieser Figur sind ferner noch die Kapazitäten
zwischen A und den Punkten D, B und G eingetragen. Der Punkt A- ist mit der Mitte
der Drossel verbunden. Der Empfänger I kann zur Messung an den Ubertrager Ü2 angeschlossen
werden.
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Die zur Messung benutzte .Wechselstromquelle S wird dann an die Punkte
A und -B
angelegt. Es ist aber auch möglich, das Instrument I, wie
in Fig. 3 durch die gestrichelten Linien dargestellt ist, an die Punkte A und B
zu legen und die Meßstromquelle an den übertrager Ü anzuschließen. Fig. 4 zeigt
die Schaltung für den Fall der Winkelmessung. In diesem Ausführungsbeispiel ist
gezeigt, daß statt der Drossel Dr2 in Fig. 3 auch die Mitte M des Übertragers at
angezapft und an A gelegt werden kann. Man erkennt, daß Durchgriffskapazitäten C
gegen die Mitte M, d. h. also den Punkts, kurzgeschlossen und erst von A aus Erdkapazitäten
CE wirksam werden. C stellt dann nur eine Parallelkapazität zu r2 dar, die nötigenfalls
bei der Umschaltung des Empfängers berücksichtigt werden kann, jedoch im allgemeinen
belanglos ist.
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Sind Teilwerte zu messen, so wird der Schirm E1 des Objektes (z.
B. Er.de) mit dem Punkt A verbunden. Auf diese Weise wird der Teilwert BEt des Meßobjektes
nicht mitermittelt, während DE1 durch r1 praktisch kurzgeschlossen ist.
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Bei der Ermittlung des Phasenwinkels ist nicht ohne weiteres, wie
dies im übrigen bei allen Vergleichsverfahren der Fall ist, der Winkelsinn erkennbar.
Zur Feststellung des Winkelsinns wird daher parallel zu r2 eine feste Reaktanz,
insbesondere ein Kondensator, in Stufen zugeschaltet, bis eine deutliche Ausschlagänderung
eintritt, deren Sinn kennzeichnend für das Winkelvorzeichen ist. Besonders zu erwähnen
ist, daß weder bei der Betrags- noch bei der Winkelvorzeichenmessung, im Gegensatz
zu früher vorgeschlagenen Verfahren, ein Rückvergleich erforderlich ist, da keinerlei
Änderungen auftreten.
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Erwähnenswert ist ferner. auch, daß das Winkelergebnis ohne Kenntnis
der Frequenz richtig ist und der Betrag andererseits allein ohne Zwang zur Winkelabstimmung
gemessen werden kann.
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In Fig. 5 wird gemäß weiterer Erfindung eine besonders vorteilhafte
Potentiometerschaltung für die Winkelbestimmung angegeben. Ein Stufenschalter schaltet
Winkelstufen von ç = 50. Diese Stufenunterteilung genügt, da die Winkelfunktion
α = sin #/2 innerhalb der einzelnen Stufen von der Geraden nur um höchstens
1 oloo abweicht. Von diesen einzelnen Stufen wird dann insbesondere doppelpolig
auf ein Feinpotentiometer gegangen.
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Erwähnenswert ist ferner auch, ~ daß das Winkel ergebnis ohne Kenntnis
der Frequenz richtig ist und der Betrag andererseits allein ohne Zwang zur Winkelabstimmung
gemessen werden kann.
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In Fig. 5 wird gemäß weiterer Erfindung eine besonders vorteilhafte
Potentiometerschaltung für die Winkelbestimmung angegeben. Ein Stufenschalter schaltet
Winkelstufen von c = 50. Diese Stufenunterteilung genügt, da die Winkelfunktion
α = sin #/2 innerhalb der einzelnen Stufen von der Geraden nur um höchstens
I °/00 abweicht. Von diesen einzelnen Stufen wird dann insbesondere doppelpolig
auf ein Feinpotentiometer gegangen.
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Eine besonders vorteilhafte Verwendung findet das erfindungsgemäße
Meßgerät in etwas abgeänderter Form bei der Messung von ganz geringen Phasenwinkeln,
insbesondere Verlustwinkeln unter 10-3 von hochwertigen Dielektriken. Hierbei wird
an Stelle des Ohmschen Widerstandsnormals RN als Normal ein Kondensator verwendet.
Infolge der hierbei an den Widerständen r1 und r2 erfoigenden Bereichumschaltung
besteht die Möglichkeit, mit einem einzigen, und zwar als Luftkondensator ausgebildeten
Normalkondensator einen Bereich von mehreren Kapazitätsdekaden zu überstreichen.
Der Normalkondensator wird dabei vorteilhaft in bekannter Weise so ausgebildet und
geschaltet, daß nur eine verlustfreie Teilkapazitfit von ihm in das Meßergebnis
eingeht, dieses also nicht durch Verluste des Normalkondensators gefälscht werden
kann.
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Die erfindungsgemäße Meßeinrichtungbietet weiter noch die Möglichkeit
der Bestimmung der genauen Meßfrequenz zur Ergänzung der übrigen Werte. An Stelle
des zu messenden Scheinwiderstandes X wird für die Frequenzbestimmung eine Reaktanz,
z. B. ein Kondensator, eingeschaltet, dessen Scheinwiderstand gemessen wird. Eine
Beschränkung des Frequenzgebietes nach oben ist bei dieser Anordnung nicht gegeben.
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Als Empfänger ist vorzugsweise ein Gerät geeignet, das einen Vergleich
auf große Genauigkeit, z. B. 1 °/00, gestattet.