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Meßgerät für Widerstands- und Kapazitätsmessungen mit einem Röhrengenerator,
an dessen Gitter die zu messende Größe angeschlossen wird und in dessen Anodenkreis
das Anzeigeinstrument liegt Es sind Meßgeräte, die mit Röhren arbeiten, bekanntgeworden,
die die Möglichkeit geben, mehrere verschiedenartige elektrische Größen zu messen,
z. B. hat man schon ein Meßgerät für insbesondere elektrotechnische Messungen gebaut,
bei welchem entweder eine Spannung, ein Widerstand oder auch eine Kapazität mit
dem gleichen Gerät gemessen werden kann, das für die einzelnen zu messenden Größen
nur einer einfachen Umschaltung unterworfen zu werden braucht.
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Diese Geräte sind vielfach mit einer Schwingt1-ngs erzeugerschaltu-ng
versehen, die für alle -oder einen Teil der zu messenden Größen, insbesondere für
die Messung von Widerständen oder Kapazitäten eine Hochfrequenz schwingung hervorruft,
deren Amplitude von den Daten der in den Gitterkreis der Röhre einiuschaltenden
Meßgrößen abhängt. Das Ablesen der Meßwerte erflgt mittels eines im Anodenkreis
der Röhre vorgesehenen Anzeigeinstrumentes, z. B. eines Galvanometers.
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Das Erzeugen der Schwingung bei dem bekannten Meßgerät erfolgt zumeist
durch induktive Rückkopplung zwischen Anoden- und Gitterkreis.
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Derartige an sich schon praktisch verwendete Meßinstrumente zeigen
aber noch eine Reihe von technischen NachteSilen. Einer der Hauptnachteile besteht
darin. daß die Abhängigkeit des im Anzeigeinstrument fließenden Stromes von der
jeweils zu messenden Größe nicht stetig oder gleichmäßig und erst recht natürlich
auch nicht linear verläuft. Der Einfluß der jeweils zu messenden Größe, z. B. eines
Widerstandes oder einer Kapazität, auf die Schwingungsamplitude und somit auf den
Strom im Anzeigeinstrument des Anodenkreises ist für gewöhnlich derart, daß sogar
Umkehrpunkte in der Abhängigkeit des
Anzeigestromes von der zu messenden
Größe auftreten, d. h. beim stetigen Vergrößern eines in den Gitterkreis einzuschaltenden
Widerstandes steigt z. B. zunächst der Instrumentenstrom nach einer gewissen Regel
an. um dann an irgendeiner Stelle zu fallen. Für Widerstandsmessungen lag diese
Stelle bisher z. B. hi einigen 100 Ohm. Das Nßeßgerät war also damit für Messungen
eines breiten Bereichs kaum zu gebrauchen, wenn man nicht Gefahr laufen wollte.
daß durch das @ Umkehren der Spannung Doppel- und Fehlanzeigen auftreten. Derartige
Fehlanzeigen sind um so unangenehmer, als die in Rede stehenden Meßgeräte vielfach
in chemischen Laboratorien zum Feststellen von elektrischen Spannungen, z. B. Polarisationsspannungen
(Potentiometrie), ferner von Leitfäbigkei ten. insbesondere von Flüssigkeiten (Konduktometrie),
und schließlich auch von Dielektrizitätskonstanten fester oder flüssiger Stoffe
(DK-Analyse) verwendet werden.
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I)ie Abb. I und 2 der Zeichnung zeigen zunächst Diagramme der Arbeitsweise
der bisher verwendeten Röhrenmeßgeräte für Widerstands- und Kapazitätsmessung. In
Abb. 1 sind als Abszisse die zu messenden Widerstandswerte R aufgetragen als Ordinate
für die ausgezogen dargestellte Kurve i sind Stromwerte des Anzeigeinstrumentes
zu denken. während die Ordinate für die gestrichelt gezeichnete Kurve die Abhängigkeit
dieses NIeßstromes von der zu messenden Größe, d. h. die Empfindlichkeit des Gerätes,
#i darstellt Man sieht daß bereits bei 1 k darstellt. Man sieht, daß bereits bei
etwa 500 Ohm ein Umkehrpunkt der Stromkurve vorhanden ist. so daß bisher eine Ausnutzung
des Gerätes nur unterhalb oder nur oberhalb dieses Wertes möglich war.
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Abb. 2 zeigt die entsprechende Kurve des bisherigen Instrumentes
für den Fall der Kapazitätsmessung. Auch dort hat man es mit einer sehr unregelmäßigen
i-Kurve und einer #i noch unregelmäßigeren #C-Kurve zu tun.
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Die erfinderischen Mittel, durch die die in Abb. 1 bzw. Abb. 2 veranschaulichten
Mängel in der Wirkungsweise der bekannten Röhrenmeßgeräte behoben werden, sind nun
folgende: Es stellte sich an Hand zahlreicher systematischer Versuche und Messungen
heraus, daß sowohl die Empfindlichkeit wie auch der Abhängigkeitsverlauf zwischen
Meßgröße und Anzeigestrom stark von der Dämpfung des Schwingungskreises abhängig
sind. Während die bisher hergestellten und benutzten Röhrenmeßgeräte der genannten
Art in ihren Schwingungskreisen bewußt möglichst geringe Dämpfungen aufwiesen, vor
allem im interesse del- Erzeugung einer möglichst großen Schwingungsamplitude. wurden
erfindungsgemäß für Widerstands- und Kapazitätsmessungen Dämpfungswiderstände im
Schwingungskreis in Gestalt von zusätzlichen Ohmschen Widerständen vorgesehen, und
zwar wurde dem im Anodenkreis liegenden. auf den Gitterkreis rückgekoppelten. aus
einer Spule mit parallel geschaltetem Kondensator bestehenden Schwingungskreis ein
Ohmscher Widerstand von einigen I000 Ohm parallel geschaltet. wodurch die Empfindlichkeit
und vor allem der Meßbereich bei Eindeutigkeit der Messung erheblich erhöht wurde.
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Abb. 3 und 4 zeigen praktisch gewonnene Ergebnisse bei der erfindungsgemäß
verbesserten Schaltung und Anordnung des Meßgerätes. Die auf den Fall der Widerstandsmessung
sich beziehende Abb. 3 zeigt eine sehr gleichmäßige i-Kurve, bei der bis zum Ohmwert
von etwa 8000 Ohm Icein Umkehrpunkt festzustellen ist und bei der auch die Empfindlichkeitskurve
#i weitaus gleich-#R mäßiger verläuft als nach Abb. 1. Ebenso zeigt Abb. 4 für den
Fall der Kapazitätsmessung einen weitaus gleichmäßigeren Ver-#i lauf sowohl der
i-Kurve als auch der -#C Kurve. Wie z. B. Abb. 5 zeigt, die als Abszisse die Werte
des parallelen Dämpfungswiderstandes und als Ordinate in logarith-#i mischem Maßstab
die -Werte für den #R Fall eines mittleren Meßwiderstandes von etwa I000 bis 1500
Ohm enthält, nimmt oberhalb und unterhalb des z. B. bei 3000 Ohm liegenden Wertes
des Dämpfungswiderstandes die Empfindlichkeit der Meßschaltung merklich ab. Die
Gesamtdämpfung des Schwingkreises, dessen Spulen am besten einfach Runddrahtspulen
sind, ausgedrückt durch das logarithmische Dämpfungskrement t9. beträgt dann etwa
# = 3,; sie kann ungefähr in den Grenzen zwischen 3,0 und 3,8 schwanken.
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Gleichzeitig wurde festgestellt. daß auch durch ein erhebliches Erhöhen
des Kapazitätswertes im Schwingungskreis die Umkehr punkte der i-Kurven nach erheblich
höheren R-Werten verschoben bzw. gänzlich beseitigt werden. Während man bisher dem
Schwingkreiskondensator eine Kapazität von etwa 5o bis I000 cm gab, wurde diese
Kapazität auf mehrere 1000 cm, z. B. 4000 cm, erhöht. und zwar insbesondere für
die Zwecke der Äiessungvon Widerständen (£ondulitometrie).
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Für den für die Kapazitätsmessung (DIs-Analyse) vorgesehenen Schwingungskreis,
dessen Frequenz um etwa eine Größenordnung höher liegen soll als die des für die
Widerstandsmessung vorgesehenen Schwingungskreises,
erwies sich
ebenfalls ein der Schwingkreisspule und dem nahezu 1000 cm, z. B. 800 cm Kapazität
messenden Kondensator parallel geschalteter Widerstand von einigen 1000 Ohm als
ausreichendes Mittel, um in jedem Fall eine gleichmäßige i-Kurve sowie eine ziemlich
gleichmäßige und hohe Empfindlichkeit zu erzielen.
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Die erfindungsgemäße Schaltung ist zunächst im Prinzip und unter
Fortlassung aller nicht unbedingt für das Verständnis notwendigen Teile in den Abb.
6 und 7 dargestellt. Abb. 6 zeigt das Prinzip der Schaltung für den Fall einer Widerstandsmessung.
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Die Meßröhre, an deren Gitter- und Kathodenpunkt der zu messende bzw.
zu kontrollierende Widerstand R angeschlossen wird, enthält im Gitterkreis eine
Spule g1, die mit einer im Anodenkreis liegenden Spule l1 induktiv gekoppelt ist.
Parallel zur Spule l1 liegt ein fester Kondensator ca, der mit li zusammen die Meßschwingung
bestimmt, die für den Fall der Widerstandsmessung in der Größenordnung von etwa
10 kHz, vorzugsweise bei 12 kHz, liegt. Der Anodenkreis der Meßröhre enthält das
Anzeigeinstrument i.
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Während bei der bisherigen Ausführung des in Rede stehenden Röhrenmeßgerätes
der parallel zu der ziemlich dämpfungsfreien Spule 11 liegende Kondensator cj eine
Kapazität von nur etwa 50 bis I000 cm hatte und der weiterhin dargestellte parallele
Widerstand r1 überhaupt nicht vorhanden war (vgl.
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Abb. 1), ist nun erfindungsgemäß der Kondensator c1 auf einen Kapazitätswert
von etwa 4000 cm gebracht und der Widerstand r1 von etwa 3000 Ohm parallel geschaltet,
wodurch es möglich geworden ist, Widerstandswerte bis zu etwa Sooo Ohm, gegebenenfalls
auch bis zu 10 000 Ohm zu messen, ohne daß im Meßbereich Umkehrpunkte oder Unstetigkeiten
liegen. Der Kopplungskoeffizient zwischen Schwingkreis und Rückkopplungsspule beträgt
zweckmäßig etwa 90%.
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Für den Fall der Kapazitätsmessung, die in Abb. 7 im Prinzip dargestellt
ist, wird an die Gitterkreisspule der Meßröhre eine zu messende Kapazität C angeschlossen.
Schwingungskreis- und Rückkopplungsschaltung sowie Schaltung des Meßgerätes i sind
im -wesentlichen wie in Abb. 6, nur mit dem Unterschied, daß die Schwingungsfrequenz
für den Fall der Kapazitätsmessung bei einigen 100 kHz, vorzugsweise bei 300 kHz
liegt, und daß der Kondensator c2 einen Kapazitätswert von ungefähr 1000 cm, vorzugsweise
800 cm aufweist. Auch der Dämpfungswiderstand r ist zweckmäßig etwas größer als
gemäß Abb. 5 der Dämpfungswiderstand r1; er beträgt etwa 500 Ohm.
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Als Meßröhre verwendet man in allen Fällen am l)esten eine einfache
Eingitterröhre mit einer Anodenspannung von etwa 130 Volt, einem Durchgriff von
etwa 3,3% und einer Steilheit von etwa 2,4 mA/V. Aber auch bei Röhrentypen, deren
Daten von den angegebeneu abweichen. tritt die gleiche erfinderische Wirkung in
vollem Umfange ein.
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Die Gesamtschaltung und Anordnung des Röhrenmeßgerätes, bei der durch
einfaches Umschalten wahlweise eine der Schaltungen nach Abb. 6 oder 7 gebildet
werden kann, ist schließlich in Abb. 8 beispielsweise dargestellt. Die Meßröhre
m, vorzugsweise eine Eingitterröhre, erhölt ihre Spannungen zunächst aus einer Netzanschlußschaltung,
was gegenüber der bisherigen batteriegespeisten Ausführung des Meßgerätes einen
weiteren Fortschritt bedeutet. Die nach Transformierung. Gleichrichtung und Glättung
an einem Spannungsteiler t erzeugte Anodenspannung ist über zum Teil abschaltbare
Widerstände a an die Anode der Meßröhre m geführt. Von einem einstellbaren Abgriff
e des Spannungsteilers t ist die zum Anzeigeinstrument i führende Leitung abgegriffen.
Der negative Punkt des Spannungsteilers t führt für den Fall der Widerstandsmessung
über die Anodenspule l1, für den Fall der Kapazitätsmessung über die Anodenspule
l2 zur Erde bzw. zum Chassis, mit dem gleichzeitig auch die Kathode der Meßröhre
m verbunden ist.
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Mit der Anodenspule l1 ist die zweckmäßig doppelt ausgeführte Gitterkreisspule
g1, g1' induktiv gekoppelt. Man führt diese Spule, gegebenenfalls außerdem auch
die Anodenkreisspule l1, deshalb mehrfach aus. um einen möglichst großen Kopplungsgrad
im Interesse einer großen Schwingungsamplitude zu erhalten. Man könnte statt dessen
den Kopplungsgrad auch bei einer einfachen Rückkopplung zwischen nur zwei Spulen
dadurch erhöhen, daß man in den Spulen Hochfrequenzeisenkerne anbringt. Für den
Fall der Isapazitätsmessung wirkt statt der Gitterkreisspule g1, g1'. die Gitterkreisspule
g2, die mit der Anodenspule l2 induktiv rückgekoppelt ist.
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Jede der Gitterspulen der beiden Schwingungskreise ist über je einen
Vorschaltwiderstand v1 bzw. v2 mit dem Gitter der Meßröhre m verbunden. Die Ohmwerte
dieser beiden Vorschaltwiderstände sind verschieden groß; so hat v1 einen Ohmwert
von nur einigen 100 Ohm, z. B. 300 Ohm, so daß an ihm eine nur relativ geringe negative
Gittervorspannung durch die gleichgerichteten Schwingungen im Gitterkreis erzeugt
wird.
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1' dagegen hat einen Ohmwert von etwa 2000 Ohm, erzeugt also eine
stärkere negative Gitterrorspannung beim Schwingen.
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Ein dem Widerstan 1 v1 parallel geschalteter Festkondensator p1 weist
eine Kapazität von etwa 0,5 µF auf, während ein dem Widerstand 2 parallel geschalteter
Kondensator p eine Kapazität von nur etwa 500 cm hat, wobei berücksichtigt ist,
daß die Schwingungsfrequenz fiir diesen Gitterkreis erheblich höher liegt als die
für den Gitterkreis 11, g1.
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Wie schon aus den Abb, 6 und 7 hervorging. liegt parallel zur Anodenspule
lL außer dem Schwingkreiskondensator c1 von etwa 4000 cm Kapazität ein Dämpfungswiderstand
r1 von etwa 3000 Ohm, während parallel zur Anodenspule l1 außer dem Schwingkreiskondensator
c2 von etwa 8oo cm der Dämpfungswiderstand r2 von etwa 5000 Ohm vorgesehen ist.
Die jeweils zu messenden Größen werden zwischen Gitter und Kathode der Meßröhre
m am Punkt I bzw. II angeschlossen. und zwar zweckmäßig so, daß an dem Punkt I die
eigentliche Meßgröße liegt, während mail an den Punkt in eine Vergleichsgröße anschaltet.
In anderen Fällen kann man natürlich auch ohne Vergleichsgrößen, lediglich mit einer
geeichten Tabelle arbeiten, die eine i-Kurve enthält. Die Verbindung des Anschlußpunktes
für die zu messende Größe mit der Kathode enthält noch einen weiteren Widerstand
r, der einige 100 Ohm, z. B. 330 Ohm, beträgt. Dieser Widerstand ist deshalb vorgesehen,
weil festgestellt wurde, daß trotz der erfindungsgemäßen Verbesserungen in der Anzeige
bei besonders kleinen Meßgrößen, insbesondere sehr kleinen Meßwiderständen, zuweilen
noch Umkehrpunkte oder Unstetigkeiten und Ungenauigkeiten auftreten. Durch das Einschalten
des Widerstandes r. der also stets in Reihe zu der Äleßgröße im Gitterkreis liegt,
wird der Nullpunkt des Meßbereiches an eine Stelle gerückt, oberhalb deren die Meßcharakteristik
des Gerätes bestimmt einwandfrei ist; da, wie zahlreiche Versuche ergaben. die unstetigen
Stellen der Anzeigecharakteristik bzw. deren Umkehrpunkte stets bei Werten unterhalb
von etwa 300 Ohm liegen. wird also durch den vorgesehenen Vorschaltwiderstand r
von 330 Ohm das Auftreten dieser Unstetigkeiten usw. mit Sicherheit verhindert.
Zwischen diesem Widerstand r und dem Kathodenpunkt (Chassis) ist noch ein Kondensator
c von etwa o.5 µF vorgesehen, der den Zweck hat, nur die Meßwechselströme über diesen
Widerstand zu leiten, dagegen zu verhindern, daß dieser Widerstand r eine Gleichspannung
bildet, die auf die Gittervorspannung von Einfluß sein würde. Schließlich ist der
Widerstand r noch durch einen Festkondensator k von ungefähr 2000 cm überbrückt,
damit für den Fall der Kapazitätsmessung unter Benutzung des Schwingungskreises
l2, c2 die Schwingung ungehindert von der zu messenden Größe nach -1er Kathode gelangen
kann.
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Die Umschaltung des Gesamtgerätes für die einzelnen Fälle der Widerstands-
und Kapazitätsmessung erfolgt mittels einer Reihe von Schaltern, wobei sämtliche
mit 1 bezeichneten Schalter für den Fall der Widerstandsmessung und sämtliche mit
2 bezeichneten Schalter für den Fall der Kapazitätsmessung geschlossen sind. Für
den Fall der Widerstandsmessung sind der Schwingungskreis l1, c1, r1 in Verbindung
mit den Rückkopplungsspulen g1, g1' und dem Vorspannungswiderstand v1 in Wirkung
gesetzt, während der Schwingungskreis l2, c2, r2 mit seinem Vorspannungswiderstand
v2 abgeschaltet ist, Beim Umschalten des Gerätes auf Kapazitätsmessung ist es dann
umgekehrt.
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Die verwendeten Spulen der beiden Schwingungskreise sind zweckmäßig
einfach Zylinderspulen mit gewöhnlichem Runddraht von etwa 0,1 bis 0,4 mm Durchmesser
und einigen roo Windungen.
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Das Anzeigeinstrument i ist in an sich bekannter Weise, wie dargestellt,
zweckmäßig mit einem oder mehreren Nebenschlüssen versehen.