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Verfahren zur Verlustwinkelmessung mit Hilfe einer Brückenschaltung,
insbesondere einer Differentialbrücke
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine
Anordnung zur Verlustwinkelmessung an Kondensatoren und Spulen vorzugsweise im Frequenzgebiet
von 0,I bis 20 MHz mit Hilfe einer Brückenschaltung.
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Es ist bekannt, daß mit den allgemeinen Scheinwiderstandsmeßbrücken,
deren zweckmäßigste Form im Hochfrequenzgebiet die Differentialbrücke ist, auch
Verlustwinkel bestimmt werden können. Zum Abgleich der Brücke sind dabei stets zwei
Normale, z. B. einNormalkondensatorund ein Nonnalwiderstand, erforderlich für den
Abgleich der imaginären und der reellen Komponente des zu messenden Scheinwiderstandes.
Bei kleinen Verlustwinkeln bereitet insbesondere die Herstellung eines geeigneten
Normalwiderstandes große Schwierigkeiten. Es sei angenommen, daß im Frequenzbereich
0,I bis 20 MHz und dem Kapazitätsbereich 50 bis I000 pF Verlustwinkel im Bereich
tg b = 10 -2 - Io-4gemessen werden sollen.
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Dann muß das Widerstandsnormal bei Reihenschaltung der Normale den
Bereich RN =320Q...
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0,8 m Q oder bei Parallelschaltung die Normale den Bereich RN = 320
MQ... 800 Q überstreichen.
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Die unmittelbare Herstellung solcher Widerstände im Hochfrequenzgebiet
ist überhaupt unmöglich.
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Man muß die Widerstandswerte über kapazitive oder induktive Spannungsteiler
transformieren, wobei sich Schwierigkeiten infolge unerwünschter Schaltinduktivitäten
bzw. Schaltkapazitäten ergeben.
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Diese Nachteile werden durch eineBrückenschaltung, insbesondere eine
Differentialbrückenschaltung, beseitigt, welche als Normale nur einen oder zwei
verlustfreie Normalkondensatoren enthält.
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Es ist bereits eine Einrichtung ur Messung der Wirk- und Blindkomponente
eines Wechselstromwiderstandes oder diesen Komponenten entsprechender Wechselstromgrößen
in Abhängigkeit von einem Strom oder einer Spannung mit einem in einer Meßschaltung
liegenden Ausschlagmeßgerät und einem diese Schaltung speisenden Regeltransformator
bekannt. Bei dieser bekannten Anordnung erfolgt die Verlustwinkelmessung mit Hilfe
einer Differentialbrücke mit nur einem verlustfreien Normalkondensator durch Abstimmung
auf Minimum der Ausgangsspannung, wobei diese Spannung, deren Größe im Verhältnis
zur Eingangsspannung als Maß für den Verlustwinkel dient, gemessen wird.
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Die Erfindung macht von einer Brückenschaltung, insbesondere einer
Differentialbrücke, Gebrauch, bei der in zwei benachbarten Brückenzweigen die eine
Hälfte der Primärwicklung des Differentialübertragers und der oder die veränderbaren,
praktisch verlustfreien Normalkondensatoren liegen. Das Meßverfahren besteht erfindungsgemäß
darin, daß mit Hilfe des oder der Normalkondensatoren eine Abstimmung auf Minimum
der Ausgangsspannung (Brückenspannung) erfolgt und nach Aufsuchung des Brückenminimums
der oder die Normalkondensatoren oder ein besonderer Verstimmungskondensator so
weit verstimmt wird, bis die Restspannung auf den W2 fachen Wert gestiegen ist,
wobei die Verstimmung ein Maß für den Verlustwinkel bildet.
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Die Erfindung zeichnet sich dem Bekannten gegenüber durch besondere
Vereinfachung des Meßverfahrens und der Meßanordnung aus. Die Anzahl der Teile,
von denen die Genauigkeit der Messung abhängt, ist wesentlich geringer als bei der
bekannten Einrichtung. Auch die zeitliche Konstanz der einzelnen Schaltelemente
läßt sich bei der dem Verfahren nach der Erfindung dienenden Anordnung besser gestalten.
Durch das der Methode der Halbwertsbreite bei Resonanzmessungen analoge Meßverfahren
wird eine besonders einfache Auswertung erzielt, indem, nachdem die Größe der Restspannung
abgelesen wurde, der Normalkondensator ein wenig verstimmt wird, und zwar so viel,
bis die Restspannung auf den 1 2 fachen Betrag des Kleinstwertes gewachsen ist.
Die notwendige Verstimmung S C ist dann ein unmittelbares Maß für die Größe des
Verlustwinkels.
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Grundsätzlich ist nur ein Normalkondensator auf der einen Seite der
Brücke erforderlich. Man kann dann bei Kondensatormessungen das Meßobjekt auf der
anderen Brückenseite, bei Spulenmessung auf derselben Brückenseite (parallel zum
Normalkondensator) anschließen. Es ist jedoch vorteilhaft, zwei gleichartige Normalkondensatoren
auf beiden Seiten der Brücke vorzusehen, von denen immer nur einer benutzt wird.
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Man kann dadurch Fehler durch Unsymmetrien des Übertragers und durch
Eigenverluste der Normalkondensatoren eliminieren.
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An Hand der in der Zeichnung dargestellten Figuren soll die Erfindung
näher erläutert werden. In Fig. I ist das Grundprinzip für eine Kondensatormessung
dargestellt. Die beiden Brückenzweige werden durch einen praktisch verlustfreien
Meßkondensator I und das Meßobjekt 2 gebildet. Die Meßspannung wird über die Anschlußklemmen
3 und 4 den Kondensatoren 1 und 2 sowie dem Differentialübertrager 5 zugeführt.
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Durch Verstellen des Normalkondensators I läßt sich die Brücke auf
das Minimum der an den Klemmen 6 und 7 auftretenden Ausgangsspannungen abgleichen.
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Die Kondensatoreinstellung des Meßkondensators 1 wird nunmehr abgelesen
und darauf der Meßkondensator nach größeren und kleineren Werten so lange verstimmt,
bis die Restspannung im Brückenzweig um Y2 gestiegen ist.
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Um Spulenmessungen vornehmen zu können, kann die zu messende Spule
parallel zu demMeßkondensator 1 geschaltet werden, wobei die Anschlußklemmen des
zu prüfenden Kondensators 2 offen bleiben. Die Messung geht hierbei in gleicher
Weise vor sich wie bei der Kondensatormessung.
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Bezeichnet man den Kapazitätswert bzw. die Kondensatoreinstellung
des Meßkondensators I im Falle des bestmöglichen Minimums der Ausgangsspannung mit
C und die Einstellungen, bei denen die Restspannung im Brückenzweig um 1F2 gestiegen
ist, mit CNi und Cu2, so gilt bei einem idealen Differentialüber trager für den
Verlustwinkel tg 8 folgende Beziehung: #C CN2 - CN1 2 CN2+ Ce1 cffo Hierbei ist
allerdings die Unsymmetrie des Differentialübertragers nicht berücksichtigt. Doch
kann insbesondere die Widerstandsunsymmetrie bei Verlustwinkelmessungen Fehler hervorrufen.
Trotz sorgfältigen Aufbaus der Brücke und symmetrischer Ausbildung des Differentialübertragers
ist es nur schwer möglich, eine für genaue Messungen ausreichende Symmetrie zu bekommen,
weil eine Übereinstimmung der Widerstände beider Wicklungshälften auf Bruchteile
eines Milliohms notwendig ist. Um hierdurch hervorgerufene Fehler zu eliminieren,
wird zweckmäßig eine Differenzmethode angewendet und die Brücke mit zwei gleichartigen
Normalkondensatoren ausgestattet, denen das Meßobjekt wahlweise parallel geschaltet
werden kann. Eine derartige Meßanordnung ist in Fig. 2 im Prinzipschaltbild dargestellt.
Die gleichartigen Meßkondensatoren sind hierbei mit I und 8 bezeichnet. An den Anschlüssen
9, 10 bzw. II, 12 wird das Meßobjekt wahlweise angeschlossen.
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Der Meßvorgang ist dabei folgendermaßen: I. Das Meßobjekt liegt an
den Klemmen 11, 12. Die Abstimmung derBrücke erfolgt mit dem Meßkondensator 1.
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Es ergibt sich ein Wert tgdl. 2. Das Meßobjekt liegt an den Klemmen
9, 10. Die Abstimmung der Brücke erfolgt durch den Meßkondensator 8. Es ergibt sich
ein Wert tg<32. 3. Der Meßkondensator 8 bleibt in der Abgleichstellung der Messung
2 und das Meßobjekt wird entfernt. Die Abstimmung der Brücke erfolgt mit Hilfe des
Meßkondensators I, wobei sich ein Wert tgd3 ergibt.
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Es wird nun tgbl + tg<32 und tgs, - tg<32 gebildet.
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Einer dieser beiden Werte muß 2 tg tgd3 sein, wodurch man gleichzeitig
eine Probe erhält. Der andere ist dann 2tag8.
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Um auch kleine Verlustwinkel von kleinen Kondensatoren - genügend
genau ablesen zu können, wird
zweckmäßig ein besonderer Verstimmungskondensator
vorgesehen. Für eine derartig ausgebildete Brücke anordnung ist in Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel
dargestellt. Ein ausreichend großer Änderungsbereich bei genügend feiner Ablesungsmöglichkeit
wird hier durch die Sternschaltung der Kondensatoren K,,K2... und der Teilkondensatoren
C31, C311 eines Differentialkondensators erreicht. Hi rb2i hat d.r Differentialkond?nsator
beispielsweise einen Meßbereich von i 10 pF. Durch unmittelbaren Anschluß des Rotors
ergibt sich der größte Meßbereich. Je nach Wahl der Reihenkondensatoren 1C1 und
K2 kann man den Meßbereich für kleine Verlustwinkel um ein oder zwei Größenordnungen
verkleinern und die Ablesegenauigkeit entsprechend erhöhen. Der Aufbau ist im übrigen
im wesentlichen der gleiche wie bei dem Prinzipschaltbild der Fig. 2. Die Meßspannung
wird am Eingang angelegt, in welchem der Übertrager 2 angeordnet ist, die Ausgangsspannung
wird im Ausgang über den Übertrager Ü1 abgenommen.
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Die Normalkondensatoren Cx, und C,v,, müssen, wie bereits envähnt,
möglichst verlustfrei aufgebaut sein.
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Die Verluste der Halterung (dielektrischen Verluste) lassen sich bei
Brückenverfahren in bekannter Weise dadurch unwirksam schalten, daß die beiden Belegungen
unabhängig auf einem dritten Schirm gehaltert werden, der auf Erdpotential gelegt
wird.
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Weiterhin ist es wichtig, die Verluste gering zu halten, die durch
den Widerstand der Zuführungen, insbesondere den Übergangswiderstand der Zuleitung
zum Rotor eines Drehkondensators entstehen (Schleifkontakt). Es kann deshalb in
an sich bekannter Weise vorteilhaft sein, als Normal keinen Drehkondensator, sondern
einen Zweiplattenkondensator zu verwenden, wobei man die Zuführungen als kurze und
breite Bänder ausführt, die unmittelbar verlötet sind. Hierdurch vermeidet m.an
die schwankenden Übergangswiderstände von Schleifkontakten.
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PATENTANSPPBE CTIE: 1. Verfahren zur Verlustwinkelmessung mit Hilfe
einer Brückenschaltung, insbesondere einer Differentialbrücke, bei der in zwei benachbarten
Brückenzweigen die eine Hälfte der Primärwicklung des Differentialübertragers und
der oder die veränderbaren, praktisch verlustfreien Normalkondensatoren liegen,
dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe des oder der Normalkondensatoren eine Ab-Abstimmung
auf Minimum der Ausgangsspannung (Brückenspannung) erfolgt und nach Aufsuchung des
Brückenminimums der oder die Normalkondensatoren oder ein besonderer Verstimmungskondensator
so weit verstimmt wird, bis die Restspannung auf den j fachen Wert gestiegen ist,
wobei die Verstimmung ein Maß für den Verlustwinkel bildet.