-
Meßanordnung für Nieder-, Mittel- und Hochfrequenz
Bei der Herstellung
von Meßbrücken für Nieder-, Mittel- und Hochfrequenz erschöpfte sich die Entwicklung
zwecks Vereinfachung, Vielseitigkeit der Verwendung und wirtschaftlicher Verbillligung
hauptsächlch in der Herabsetzung der Zahl der Vergleichsnormalien, indem man diese
für die verschiedenen Meßbereiche verwandte. Während dies mit verhältnismäßig einfachen
Mitteln gelang, erreichte man nicht die fabrikatorische Vereinfachung der Geräte,
die, bei gleichem Bau und unter Verwendung derselben Bestandteile, lediglich durch
unbedeutende Änderung der inneren Verdrahtung eine Vielseitigkeit in der Anwendung
für die verschiedenen Meßaufgaben erzielt.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, nicht nur die Zahl der
Normalen herabzusetzen, sondern auch durch ein neues Meßverfahren ein kompendiöses
Meßgerät zu schaffen, das einfach in der Herstellung ist und einzig und allein durch
die Schaltung zur jeweiligen Messung von Kapazitäten, Scheinwiderständen, Betriebsscheinwiderständen,
Erdwiderständen, Kabeln, Symmetrien usw. geeignet ist Durch entsprechende Verwendung
geeigneter Normalien usw. können Geräte für Nieder-, Mittel- und Hochfrequenz bei
gleicher sinngemäß er Schaltung geschaffen werden. Diese Geräte erfordern geringsten
Aufwand, Umfang, einfache Bedienung und geringstes Gewicht; sind also preiswert.
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit einer quadratischen Änderung des Normalienleitwerts,
was von besonderer Bedeutung für Frequenz- oder Wellenlängenmessungen ist.
-
Bei Geräten nach der Erfindung ist mit einfachster Abschirmung Symmetrie
und Freiheit von störender Erdkapazität erreicht, was besonders wichtig für die
generelle Verwendung insbesondere für Fernmelde-, Kabel- und Rundfunkmessungen ist.
Dabei macht das geringe Gewicht der für um-
fangreiche Meßbereiche
eingerichteten Geräte diese für ambulante Anwendung besonders geeignet.
-
Bei den bisher bekannten Anordnungen erreichte man das gesteckte
Ziel- der Herabsetzung der Vergleichsnormalien durchweg dadurch, daß man einen oder
auch zwei symmetrische Brùckenzweige unterteilte, d. h. also eine Spannungsteilung
vornahm, und an die Unterteilungsstellen den oder die Endpunkte der Normalen N bzw.
der unbekannten Größe X anlegte. Bei Unterteilung der Arme war dadurch die gleichzeitige
Verwendung einer Normalle für eine ganze Dekade möglich. Hierzu müssen die Normalien
dekadisch gestuft sein. Dabei wurden üblicherweise Dreh-, bei Hochfrquenz Trommelschalter
verwandt, die eine Zehnerteilung oder auch für Überlappungszwecke eine Elfertei
lung aufwiesen.
-
Es ist aber auch schon bekannt, dieseUntefteilung der Arme noch weiter
zu treiben, indem man einen Teil, z. B. 1/10 des Brückenarms mit einer weiteren,
wiederum unterteilten Impedanz überbrückte, also gewissermaßen eine Feinspannungsunterteilung
schuf. Benutzt man in gleicher Weise noch mehrere Parallel schaltungen, also eine
Kaskade von Impedanzen, so ist eine weitere Dekadenvermehrung erzielt.
-
Dieses bekannte System birgt jedoch auch noch den Nachteil in sich,
daß durch die Parallelschaltung der Impedanzen mit den Abzweigungen Ungenauigkeit,
Aufwand, Gewicht, Umfang und Preis der Anordnung vergrößert wird.
-
Um die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung klar hervortreten
zu lassen, soll hier kurz der Stand der technik aufgezeigt werden.
-
Abb. I zeigt eine Brücke mit spannungsunterteilten Armen, an die
über geeignete Schalter die unbekannte Größe X bzw. das Normal N angelegt ist; Abb.
2 stellt die gewöhnlich als Differenzschaltung bekannte Anordnung mit einer Stromunterteilung
der Arme dar.
-
Wirkungsweise und Erfolg der Schaltungen sind bekannt.
-
Diese Anordnungen slind für die Messungen von Scheinwiderständen
ohne Eingehen der Erdkapazität verwendbar. Will man jedoch Betriebslscheinwiderstände
von erdsymmetrischen Meßobjekten, z. B. Kabeln, Freileitungen usw., messen, so muß
an den Klemmen für die unbekannte Größe X entgegengesetzt gleiches Potential gegen
- Erde herrschen. Dies erreicht man praktisch nur mit Hilfe der Stromunterteilung
(Abb. 2) unter Verwendung einer verbesserten (Kühle-) Schaltung (Abb. 3) mit zwei
Differenzübertragern.
-
Will man nochmals eine Erweiterung des Meßbereichs erzielen, so ist
dies nur durch Zusatzelemente möglich, z. B. eine Spannungsunterteilerdrossel ähnlich
der in Abb. 4 gezeigten Art.
-
Im Gegensatz zu diesen bekannten Anordnungen beschreitet nun die
Erfindung einen ganz anderen Weg. Sie unterteilt nicht die Arme der Brücken bzw.
Differenz- oder Gabelschalbungen, sondern die Diagonale bzw. Diagonalen. Dadurch
werden gegenüber dem Stand Ider-Technik folgende bedeutende Vorteile erzielt: I.
Für Normal N und Unbekannte X ist nur eine dekadische Teilung erforderlich.
-
2. Verwendet man gleichzeitig Spannungs- und Stromunterteilung, also
eine Unterteilung in den Armen und der Diagonale oder in beiden Diagonalen (s. z.
B. Abb. 8, in der durch Verbindung der Mitten der Diagonalen ab und c-d die einfachste
Unterteilung versinnbildlicht ist; dabei kann die Unterteilung der zweiten Diagonale
c-d dazu herangezogen werden, um den Wert der Kapazität I000 am Punkt c zu verändern,
indem dieser Kondensator statt an c an einen Abzweig der Diagonale c-d gelegt wird),
so wird dadurch eine Vergrößerung der Bereichsumschaltungen auch für die Einzelnormalien
erzielt.
-
3. Bei gleichzeitiger Unterteilung der Arme und Diagonale oder in
beiden Diagonalen (vgl. hierzu Abb. 5) erzielt man zugleich größere Freiheitsgrade
für die Einzelnormalien, die nun nicht mehr untereinander dekadisch gestuft zu sein
brauchen, wenn man sie nicht an einen Brückeneckpunkb legt, was bei allen bisher
bekannten Anordnungen nicht zu erreichen ist. Auf diese Weise kann man sogar ohne
besondere Zusatzelemente mit zwei gleichen Normalen zwei Dekaden überstreichen.
Darin liegt ein erheblicher technischer und wirtsschaftlicher Vorteil.
-
4. Die Anwendnug von gleichzeitiger Spannungs-und Stromunterteilung
bei einem Schaltschritt des Normals bietet sogar die Möglichkeit einer quadratischen
Änderung des Normalienleitwertes.
-
Dieser besonders für Frequenz- und Wellenlängenmessungen vorteilhafte
Erfolg kann mit keiner bisher bekannten Anordnung mit so einfachen Mitteln erzielt
werden.
-
Man kann nun diese erfindungsgemäße Anordnung für die Messung von
Betriebs,scheilnwiderständen noch weiter vereinfachen, indem man zur Einsparung
des zweiten Differenzübertragers und der dafür notwendigen Schalter die normale
Differenzschaltung benutzt, wobei zu beachten ist: Bei Nullabgleich hebt sich zwar
das Feld im Differenzübertrager auf, es bleibt aber der Ohmsche Widerstand einseiflig
dem Meßobjekt vorgeschaltet. Deshalb muß zur Aufrechterhaltung der Symmetrie ein
gleich großer Ohmscher Widerstand R in die andere Zuführungsleitung gelegt werden
(vgl. Abb. 6). Bei der normalen Differenzschaltung werden die Ohmschen Widerstände
der Unbekannten X in jeder Abgriffstufe entsprechend nachgebildet. Dies gilt aber
nicht für den neuen Zusatzwiderstand, denn er müßte jeweils in entsprechender Größe
jeder Abgriffstufe vorgeschaltet werden. Um dies zu vermeiden, wird erfindungsgemäß
die Wicklung des Differenzüb ertragers aus zwei verschiedenen Drahtstärken gebildet,
die so gewählt werden, daß sich der Ohmsche Widerstand auf der Seite der Unbekannten
X zu dem auf der Seite des Normals N wie 1 :2 verhält.
-
Ist eine Normalie mit Ableitung behaftet, so kann sie für eine Frequenz
verlustfrei bzw. phasenrein gemacht werden, indem man die Ableitung mit
einem
Widerstand gleicher Art kompensiert, dessen eine Seite mit der Normale verbunden
und dessen andere Seite über einen mit dem Normalienschalter gekuppelten Schalter
an eine gleich große Spannung entgegengesetzter Phase gelegt ist (vgl. Abb. g und
ga).
-
An Hand von vier Ausführungsbeispielen wird nun die Erfindung erläutert.
Es wird jedoch betont, daß sie nicht auf diese besonderen Beispiele beschränkt ist.
-
Abb. 5 stellt eine erfindungsgemäße Meßanordnung für Kapazitäts-
und kapazitive Symmetriemessungen mit einem Meßbereich von acht Dekaden dar.
-
Abb. 6 zeigt eine Anordnung zum Messen von Betriebskapazitäten und
Ableitungen für erdsymmetrische Objekte (Kabel, Freileitungen usw.).
-
Hier wird der besondere Vorteil erreicht, daß die Ableitung nicht
wie bisher als Funktion von 2XC2XSerienwiderstandr, sondern direkt in S S abzulesen
ist.
-
Abb. 7 zeigt eine besondere Form der Bereichsumschaltung. Bei dieser
besteht der Vorteil, daß nur eine Zuftihrungsleitung umgeschaltet wird und sogar
ungeschirmte Bereichsumschalter verwendet werden können. Denn die Schalterkapazitäten
liegen in diesem Fall immer parallel zu den Armen undloder den Diagonalen, sind
also für die Messung unschädlich.
-
Abb. 8a zeigt einen Vierer im Kabel.
-
Abb. 8 gibt ein Beispiel wieder für einen kapazitiven Kopplungsmesser
für die Kopplung K1. Erdet man den gemeinsamen Verbindungsm-ittelpunkt der beiden
Übertrager, so mißt man sogar die Kt-Kopplung ohne Eingehen von K2- und E-Kopplungen.
-
In allen Abbildungen bedeuten die Bezugszeichen T den Indikator,
z. Bl. Telephon, Zerhacker, Überlagerer usw., N das Vergleichsnormal, X die zu messende
Unbekannte und E den Erdanschluß.
-
Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird der - Erdungspunkt
der Übertragung zur Aufrechterhaltung der Spannungssymmetrie bei Anschluß des Meßobjekts
an eine Unterteilung zugleich mit dem Dekadenschalter erreicht, wie dies Abb. 6
zeigt, aus der auch die Abschirmung der einzelnen Teile ersichtlich ist.
-
Bei der Eindeutigkeit der Abbildungen dürfte sich eine weitere Beschreibung
der Bedienung der Geräte erübrigen. Es sei nur erwähnt, daß die Unterbeilung der
Übertragerwicklungen durch die an sich bekannte mehrfädige Wicklung der einzelnen
Lagen und die Aneinanderreihung der Einzeldrähte erzielt wird, und daß zur Vermeidung
von Schaltstößen die Schalter, über die die Normalien einzeln oder kombiniert an
beliebige Teilpunkte gelegt werden können, so ausgebildet sind, daß der Kurzschluß
eines Teilungsabschnitts vermieden ist. Im übrigen werden alle oder einzelne Teile
der Schaltelemente in an sich bekannter Weise abgeschirmt.
-
In Abb. 10 ist eine Anordnung gezeigt, bei der die Normalien mit
doppelpoligem Schalter oder gleichwerti,gen Schaltmaß nahmen bei einem Schaltschritt
gleichzeitig an zwei unterteilte Strecken zur Erreichung einer quadratischen Änderung
des Normalienwertes weitergeschaltet werden.