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Spitzenspannungsmess er mit Kondens ator-Umladung zur Ausmessung einmaliger
Vorgänge Es sind elektrische Spitzenspannungsmesser bekanntgeworden, die aus einem
Ventil bestehen, das einen Kondensator auf den Höchstwert der überspannungswelle
auflädt. Durch ein elektrosltatisches Meßinstrument kann dieser Spannungshöchstwert
am Kondensator gemessen werden. Sollen nun rasche Vorgänge ausgemessen werden, die
vor allem bei üherschlägen in der Stirn von Stoß- bzw. überspannungswellen auftreten,
dann reicht unter Umständen diese Schaltung nicht mehr zu genügend genauer Messung
aus. Für solche Fälle list schon ein Spitzenspannungsmesser vorgeschlagen worden,
der aus einer geeigneten Kombination zweier derartiger Ventilkreise besteht. Diese
Anordnung ist zwar universell verwendbar, ihr Aufwand aber auch entsprechend größer.
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In Laboratorien sowie in Prüffeldern kommt es häufig vor, daß die
auszumessende Spannung eine Stoß spannung oder ein rasch abklingender Wellenzug
ist. Durch die Erfindung wird ein einfacher und trotzdem leistungssstarker Spitzenspannungsmesser
zur Ausmessung dieser kürzesten Überspannungsvorgänge dadurch geschaffen, daß parallel
zu dem Kondensator ein zweiter Kondensator über einen sehr hochohmigen Widerstand
angeschlossen ist, an dem (unter Berücksichtigung des Umladungsver-
hältnisses)
die höchste Spannung durch das elektrostatische Voltmeter gemessen wird.
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Nachfolgend werden die Erfindung und weitere Einzelheiten an Hand
der Zeichnung noch näher beschrieben.
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Fig. 1 zeigt zunächst den bekannten Spitzenspannungsmesser, bei dem
ein Meßkondensator 4 über ein Gleichrichterventil 3 von den an Spannung liegenden
Klemmen I und 2 aus aufgeladen wird.
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Die Spannung wird dabei durch ein parallel zum Meßkondensator geschaltetes
elektrostatisches Voltmeter 5 gemessen. Die Grenze der hiermit meß ; baren höchsten
Frequenz ist dadurch gezogen, daß bei festliegender Größe der Entladezeitkonstante
Te Cm Ra (Cm ist die Kapazität des Meßkondensators, Ra ist der Ableitwiderstand
des Ventils in der Sperrphase) der innere Widerstand des Ventils bei höherer Frequenz
nicht mehr gestattet, den Meßkondensator ohne großen Spannungsabfall au£ volle Spannung
aufzuladen.
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Um kürzeste Spannungsvorgänge zu erfassen, muß die Aufladung des
Meßkondensators sehr schnell vor sich gehen. Das kann erreicht werden, indem entweder
der Meßkondensator verkleinert oder mehrere Ventile parallel geschaltet werden oder
ein Ventil genommen wird, dessen innerer Widerstand entsprechend klein Ist. Hierdurch
wird die Entladezeitkonstante natürlich stark verkleinert.
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Nachdem bei der Bestimmung der Grenzfrequenz des bekannten S Spitzenspannungsmessers
die Entladezeitkonstante mit Rücksicht auf die gerade noch möglich sichert Ablesng
d'es elektrostatischen Instrumentes mit etwa 500 Sekunden. festgelegt war, kann
bei der abgeänderten Auslegung, also bei stark reduzierter Entladezeitkonstante,
eine direkte Spannungsablesng in der bisherigen Weise nicht mehr erfolgen. Diese
Ablesung wird nach Fig. 2 dadurch wieder möglich gemacht, daß an dem Meßkondensator
4 über einen sehr hochohmigen Umladewiderstand 6 der eigentliche Anzeigekondensator
7 und an diesen erst das elektrostatische Instrument 5 angeschlossen wird. Der Anzeigekondensator
7 (Ca) wird dabei zweckmäßigerweise so groß gemacht, daß die Entladezeitkonstante
für den Abl es evorgang Ta = (Ca + C) Ra mindestens wieder 500 Sekunden wird. Den
Umladewiderstand 6 (Ra) wird man etwa zwei oder drei Größenordnungen kleiner wählen
als den Ableitwiderstand Ra des oder der Ventile 3. Man erreicht damit, daß der
während der umladung des Meßkondensators 4 auf den Ablesekondensator 7 über den
Ventilableitwiderstand Ra abfließende Ladngsanteil vollständig vernachlässigbar
ist gegen die zur Ausmessung gelangende Ladung. Gleichzeitig ist bei dieser Bemessung
von Ra dafür gesorgt, daß während der Aufladung des Meßlkondensators 4 auf den Anzeigekondensator
7 keine Ladung kommt. Es ist dabei ja zu bedenken, daß der Umladewiderstand In der
Größenordnung von von etwa 1010 # liegen wird. zusammen mit der Größe des Umladekondensators
von mindestens etwa 20#10-12 Fd ergibt sich damit eine Zeitkonstante für die Aufladung
des Anzeigekondensators von etwa 0,2 Sekunden. Für die Aufladung des Meßkondensators
stehen aber nur Zeiten von längsten 10-5 Sekunden zur Verfügung (das Gerät soll
ja in erster Linie zur Ausmessung der kürzesten Überspannung dienen).
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Selbst wenn man für diese Ladezeit von 10-5 Sekunden eine Rechteckspannung
vom Betrag Us am Meßgerät annimmt, dann würder der Anzeigekondensator nur auf etwa
3,5 10-5 Us aufgeladen werden. Rechnet man noch für die hier eingesetzten Werte
mit einer Umladung 1:10, d.h. Ca=10#Cm, dann beträgt die Fälschung des Ableseergebnisses
durch während der Aufladung von Cm direkt auch auf Ca kommende Ladung 3,5#10-4 Us,
also etwa 0,035 %.
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Dieses Gerät eignet sich ganz besonders zur Ausmessung der in den
Laboratorien und Prüffeldern zu Prüfzwecken und Untersuchungen benutzten normalen
Stoßwellen. Ein Ausführungsbeispiel hierfür ist in Fig. 3 dargestellt. 1 und 2 sind
die Anschlußklemmen des eigentlichen Sp itzenspannungsmessers, 3 ist ein Ventil
mit sehr kleinem innerem Widerstand und relativ hoher Sperrspannung, 4 ist der Meßkondensator,
g ein parallel dazu liegender Trimmkondensator, 7 der Umladekondensator Ca, an den
über das abgeschirmte Kabel 10 das elektrostatische Meßinstrument 5 angeschlossen
ist. Die Heizung des elektrischen Ventils 3 erfolgt über eine abgeschirmte Wicklung
14 und einen Isoliertrausformator 16 von einem beliebigen Wechselspannungsnetz 32
aus, wobei neben Isoliertransformator 16 und Netz noch der Isoliertransformator
3I eingeschaltet ist. Auf dem Transformator I6 ist außerdem noch eine Wicklung 15
untergebracht, die am selben Potential liegt wie die Heizwicklung 14 und' die ebenfalls
abgeschirmt ist. Mit Hilfe dieser Wicklung 15 wird über ein Potentiometer IS und
einen Vollweggleichrichter 19 in den Ventilkreis eine Gleichspannung eingefügt,
die den Anlaufstrom dieses Ventils kompensieren soll. 20 ist ein Glättungskondensator,
2I der Parallelwiderstand zu dem Überbrückungskondensator 22, an dem die Kompensationsspannung
entsteht.
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Zur Ausmessung bei beiden Polaritäten i-st der Umschalter 23 vorgesehen,
bei jedem Wechsel der Stoßpolarität ist dieser Schalter entsprechend umzustellen.
46 ist ein Trimmkondensator, der so eingestellt wird, daß bei beiden Polaritäten
das Umladeverhältnis zwischen der Summe der Meßkondensatoren und dem Ablesekondensator
konstant bleibt.
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Bei der Ausmessung derartiger Stoßvorgänge ist darauf zu achten,
daß die Stoß erde, hier mit 27 bezeichnet, unter Umständen in ihrem Potential gegen
Null angeholben wird, so daß zwischen ihr und dem Erdanschlußpunkt I2 des Ableseinstrumentes
ein beträchtlicher Spannungsunterschied au-ftreten kann.
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Um nun die Übertragung dieser holmen Stoßspannung auf den Beobachtungsplatz,
also zum Instrument j, und damit eine Gefährdung des Beobachters zu vermeide, sind
im vorliegenden Fall zwei Umladewiderstände, und zwar die Widerstände 6 und 8,
vorgesehen.
Diese sind sehr hochohmig, sie liegen in der Größenordnung von etwa 109 bis 1010
Q. Auf diese Weise wird die ganze Ableseeinrichtung 5, das abgeschirmte Kabel 10
und der Ablesekondensator 7 gegen die hohen Stoßspannungen abgeriegelt, am Beobachtungsplatz
selbst können keine erhöhten Spannungen mehr auftreten. Bei dem Aufbau des Spitzens,
pa. nnunlgsmessers ist dann allerdings zu beachten, daß zwischen dem an der Stoßerde
liegenden Abschirmgehäuse 30 und dem abgeschirmten Kabel 10 während des Stoßvorganges
eine ganz beachtliche Spannungsdifferenz herrscht.
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Dieser Tatsache ist dadurch Rechnung getragen, daß eine Isolierbuchse
29, die dieser Spannung gewachsen ist, vorgesehen ist.
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Aus ähnlichen Gründen der Isolation ist auch. der Anschluß des Wechselstromnetzes
32 über eine Isolierbuchse 28 und einen Zwischentransformator 3I durchgeführt. Das
unmittelbare Aufbringen der Netzwicklung auf dem Transformator I6 ist nicht zu empfehlen,
da die beiden Wicklungen 14 und 15 mit sehr kleiner Kapazität gegen den Kern des
Transformators 16, d. h. mit groäem Abstand von diesem, ausgeführt werden müssen,
andererseits muß aber auch die Netzwicklung einen großen Spannungsabstand von dem
Kern I6 erhalten. Es ließe sich bei Verwendung eines Transformators kaum vermeiden,
daß auf diese Weise zwischen den Wicklungen 14 und 15 und der Abschirmung der Netzwicklung
große störende Kapazitäten entstehen; bei der gewählten Anordnung besteht diese
Gefahr nicht.
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Parallel zu dem Meßinstrument 5 ist noch eine Kurzschlußtaste II
vorgesehen, um na-oh jedem Stoß, d. h. also nach jeder Messung, das Instrument 5
bzw. den Ablesekondensator 7 und den Meßkondensator 4 entladen zu können. Würde
man dies unterlassen, dann würde mit der Zeit, d. h. mit einer größeren Zahl von
Stößen, der Ablesekondensator 7 auf die volle Spitzen. spannung des Meßkonldensators
4 aufgeladen werden. Wenn man auch in Sonderfällen diesen Vorgang viel-leicht so
ausnutzen wird, daß man das Instrument 5 erst nach dem zweiten oder dritten. Stoß
abliest, wei'l ein ein maliger Stoß einen zu kleinen Ausschalg am Voltmeter 5 erzeugt,
so wird man normalerweise doch, wie eingangs schon erwähnt, nach jedem Stoß den
Kurzschließer 1 1 betätigen. Zwecksmäßig geht man sogar so vor, daß das Instrument
im normalen Zu stand über den Taster II kurzgeschlossen und erst kurz vor der Auslösung
der Stoßspannung kurzzeitig geöffnet wird.
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In Fig. 3 ist für den Anschluß des Spitzenspannungsmessers ein kapazitiver
Spannungsteiler vorgesehen. 26 bezeichnet dabei den Leitungsanschluß, 25 den Hochspannungskondensator
und 24 den Teilerkondensator. Während bei der Auswahl des Meßkondensators 4 bzw.
des Kondensators 9 und 31 darauf geachtet werden muß, daß diese Kondensatoren frequenzunabhängig
sind, d. h. Luft oder Glimmer ais Dielektrikum besitzen, ist bei der Auswahl der
Kondensatoren 24 und 25 nur darauf zu sehen, daß die Übersetzung des Spannungsteilers
frequenzunabhängig ist, was auch schon erreicht wird, wenn für die beiden Kondensatoren
das gleiche Dielektrikum, auch wenn es frequerzabhängig ist, benutzt wird. Zweckmäßig
macht man den Teilerkondensator 24 etwa zwei bis drei Größenordnungen größer als
die Summe der über das oder die Ventile 3 unmittelbar aufzuladenden Meßkondensatoren.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Spitzenspannungsmessers mit
Kondensator-Umladung ist in Fig. 4 dargestellt. In dieser Ausführung ist der Spitzenspannungsmesser
in erster Linie vorgesehen zur Bestimmung der Stoßspannungsdifferenz zwischen zwei
Wicklungspunkten I und 2 einer Transformatorwicklung 38, die bei 40 einpolig geerdet
ist und bei der auf die freie Klemme 39 die Stoßspannung gegeben wird. Die eigentliche
Meßeinrichtung ist hier in einem Abschirmgehäuse 45 untergebracht, das an die Kathode
des Ventils 3 angeschlossen wird. Die Heizung dieses Ventils erfolgt durch einen
Spezialtransformator 36, dessen Heizwicklung 34 mit kleinster Erdkapazität ausgeüfhrt
wird. Die Netzwicklung dieses Transformators ist mit 37 bezeichnet. Durch das Ventil
3 wird der Meßkondensator 4 aufgeladen, der sich über den Umladewiderstand 6 auf
den Ablesekondensator 7 entlädt, der leicht abnehmbar in die Klemmen 41 und 42 eingehängt
ist.
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Wie schon vorgeschlagen, wird auch hier zum Ausmessen der Ladung
des Anzeigekondensators 7 dieser aus dem Meßgerät entfernt und an die Klemmen 43
und 44 des einpolig an Erde gelegten elektrostatischen Meßinstrumentes 5 angelegt.
Durch dieses Verfahren erreicht man, daß der eigentliche Spitzenspannungsmesser
nicht mit der zusätzlichen Erdkapazität des elektrostatischen Instrumentes 5 belastet
wird.
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Bei dem Aufibau des eigentlichen Spitzenspannungsmessers ist sowohl
ein Ventil kleinster Eigenkapazität zu wählen, ebenso darf der Meßkondensator 4
nur eine kleine Kapazität besitzen. Um trotzdem auf dem Ablesekondensator 7 eine
nennenswerte Spannung aufzubringen, wird man die Stoßversuche mit der mit Rücksicht
auf die Sperrspannung des Ventils 3 möglichen höchsten Stoßspannung durchführen.
Es läßt sich auf diese Weise, sogar bei genügend hoher Umladung, ohne weiteres erreichen,
daß im Kondensator sieben Spannungen von etwa 300 bis 2000 Volt auftreten.
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Diesen Spannungen gegenüber spielt aber die durch den Anlaufstrom
des Ventils 3 hervorgerufene Aufladung von 4 bzw. 7 in der Größe von etwa 2 bis
3 Volt keine Rolle; das in Fig. 4 dargestellte Gerät ist deshalb ohne Kompensation
des Anlaufstromes ausgeführt.
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Außer kleinsten Meßkapazitäten muß der Spitzenspannungsmesser auch
noch mit kleinsten Erdkapazitäten ausgeführt werden. Aus diesem Grunde wurde beim
Heiztransformator der Teil des Eisenkernes 35, auf dem die Heizwicklung 34 aufgebracht
ist, durch zwei Luftspalte beträchtlicher Größe gegen den auf Erdpotential befindlichen
übrigen Eisenkern des Transformators 36 isoliert.
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Als Erdkapazität dieses Transformators kommt daher in erster Linie
nur die Kapazität des Kreuz teiles 35 gegen den Transformatorkern 36 in Frage; sie
liegt selbst bei einigen Watt Heizleistung in der Größe von etwa 5 pF. Selbstverständlich
werden die Verbindungsleitungen zwischen Heizwicklung bzw. Wicklungsmeßpunkten und
dem Spitzenspannungsmesser so kurz als überhaupt nur möglich gehalten.
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In den Ausführungsbeispielen ist der vorgeschlagene Spitzenspannungsmesser
nur dargestellt zur Ermittlung des Höchstwertes einmaliger, rasch verlaufender Überspannungen.
Selbstverständlich lassen sich mit ihm auch Höchstwerte von elektrischen Strömen
und sonstigen elektrischen bzw. auch nichtelektrischen Vorgängen bestimmen, wenn
diese erst in elektrische Spannungen umgeformt worden sind.
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Der hier vorgeschlagene Spitzenspannungsinesser kann an eine WIeßstelle,
die auch eine stationäre Spannung besitzt, nicht angeschlossen werden, da eine solche
-den Ablesekondensator 7 im Laufe einiger Sekunden auf genau denselben Wert auflädt
wie den Meßkondensator 4, das Umladeverhältnis also = 1 1 wird, während seine Größe
sonst vielleicht I0, 20 oder noch höher ist. Außerdem ist es unter Umständen möglich,
daß der Anzeigekondensator nicht schon während des Stoß vorganges über den Umladewiderstand
an den Meßkondensator angeschlossen ist, sondern erst nach Beendigung des Stoßes,
wobei der Meßkondensator gleichzeitig vom Ventil getrennt und damit seine Entladung
über den Ableitwiderstand desselben verhindert wird. Wird diese Umschaltung in der
ersten Sekunde nach Abklingen, dles Stoßes durchgeführt, dann ergibt eine überschlägige
Rechnung, daß keine allzu große Fälschung des NIeßergebnisses eintritt, obwohl die
Leistungsfähigkeit der Meßanordnung gegenüber der einfachsten Schaltung nach Fig.
1 beträchtlich erhöht sein kann.
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Nimmt man nämlich an, daß die für die einfachste Schaltung zugrunde
gelegte Entladezeitkonstante von 500 Sekunden durch entsprechende Verkleinerung
des l,leßkondensators auf 100 Sekunden herabgesetzt wird, so kann ein solcher Spitzenspannungsmesser
im günstigsten Fall bis zu Grenzfrequenzen von ungefähr 2 106 Hz verwendet werden.
Ist die Umschaltung des Meßkondensators auf den Anzeigekondensator nun innerhalb
I Sekunde abgeschlossen, so kann höchstens 1 01o der auf dem Meßkondensatorliegenden
Ladung für die Ausmessung verloren gegangen sein, ein Betrag, der ohne weiteres
in Kauf genom, mein werden kann.
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Der Vorteil dieser Schaltung ist der, daß auch länger dauernde einmalige
Überspannungsvorgänge ausgemessen werden können.
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Die Schaltung nach Fig. 4 kann in gewissen Fällen noch dadurch verbessert
werden, daß das elektrische Ventil mit einer Kathode sehr großer Wärmekapazität
ausgeführt wird. Silan kann dann so vorgehen, daß die Kathode vor dem Stoß von Erde
aus hochgeheizt wird, daß vor dem Stoß diese Heizung zweipolig abgeschaltet, d.
h. das Meßgerät von ihrer zusätzlichen Erdkapazität befreit wird, und durch denselben
Handgriff, der die Heizung abschaltet, kann man auch den Stoß auslösen. Der Heizfaden
ist dann noch genügend heiß, d. h. der innere Widerstand des Ventils noch so klein,
daß einwandfreie Messungen -möglich sind. Unter Umständen ist es auch vorteilhaht,
die Heizung des Ventils durch eine kleine in das Meßgerät eingebaute Batterie vorzunehmen.
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Beim Aufbau eines Spitzenspannungsmessers nach Fig.4, bei dem also
größter Wert auf kleinste Kapazität aller Teile untereinander und gegen Erde zu
legen ist (durch zusätzliche Kapazitäten zwischen dem Gehäuseteil 45 und den mit
der Anode des Gleichrichterrohres verbundenen Teilen wird die Gleichspannungsergiebigkeit
des Spitzenspannungsmessers unter Umständen sehr stark herabgesetzt), kann es von
großem Vorteil sein, wenn der Meßkondensator 4 unmittelbar in das Ventil 3 miteingebaut
wird. Man kann das Ventil dann so ausbilden, daß seine Anode den einen Belag des
Meßkondensators und eine zweite kleine, eingeschmolzene Platte den anderen Belag
des Meßkondensators bilden. Selbstverständlich ist dann darauf zu achten, daß die
eigentliche Anode den anderen Kondensatorbelag gegen die von der Kathode ausgehenden
Elektronen so abschirmt, daß durch solche Störströme keine Fälschung der Messungen
entsteht.
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Um für den Fal'l, daß der Meßkondensatoir in das Ventil mitteingebaut
ist, die erfindungsgemäße Schaltung aufbauen zu können, müssen selbstverständlich
die beiden Beläge des Meßkondensators nach außen geführt werden. Wird die Anode
als ein Belag benutzt, so ist außer der Anode also nur noch der zweite Kondensatorbelag
auszuführen.