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Elektrische Meßeinrichtung, insbesondere zur Ermittlung des Höchstwertes
einer elektrischen Spannung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Messen
von elektrischen Größen an Stellen die der direkten Messung schwer zugänglich sind.
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Solche Stellen sind z. B. bei unter Hochspannung stehenden elektrischen
Apparaten und Maschinen zu finden, bei denen die Übertragung der Meßgröße auf das
auf Erdpotential befindliche Meßinstrument nur über teure Isolierwandler möglich
ist.
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Ähnliche Verhältnisse ergeben sich, wenn mit einer bekannten Einrichtung,
die aus einem über ein Ventil aufgeladenen Meßkondensator und einem parallel zum
Kondensator liegenden elektrostatischen Voltmeter besteht, die Differenz der Spitzenspannung
zwischen zwei auf Potential befindlichen Punkten ausgemessen werden soll. Es ist
dann notwendig, daß der zur Ventilheizung erforderliche Netzanschluß der Geräte
über entsprechende Isolierwandler erfolgt und daß die elektrostatischen Instrumente
ebenfalls isoliert aufgestellt und entsprechend abgeschirmt werden. Die letztgenannte
Forderung, daß elektrostatische Instrumente ebenfalls auf hohes Potential gebracht
werden müssen, kann unter Umständen die Verwendungsmöglichkeit der Geräte aber doch
sehr beschränken, nämlich dann, wenn die zusätzliche Erdkapazität dieser elektrostatischen
Instrumente eine Fälschung des Meßergebnisses herbeiführen würde oder wenn es sich
um eine größere Zahl von Meßstellen handelt.
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Das Ventil und der Meßkondensator können zwar räumlich außerordentlich
klein gehalten
werden. so daß diese Teile nur eine sehr geringe
Erdkapazität besitzen; auch die Isoliertransformatoren können bei entsprechender
Bauart mit kleinsten Erdkapazitäten ausgeführt werden.
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Anders liegen dagegen die Verhältnisse bei den elektrostatischen Instrumenten,
die doch recht umfangreich sind und in ihrer ungefähren Größe doch einer Ersatzkugel
von etwa 25 cm Durchmesser entsprechen, während der Meßkondensator und das elektrische
Ventil in einem Raum untergebracht werden können, der einer Kugel von vielleicht
4 cm Durchmesser entspricht.
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Um nun auch in einem solchen Falle, in dem die Erdkapazität eines
auf hohes Potential angehobenen elektrostatischen Voltmeters stören würde, die Messungen
durchführen zu können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der durch das unter
Hochspannung stehende Ventil aufgeladene Kondensator zur Bestimmung der auf ihm
liegenden Ladung bzw. Spannung aus der Zusammenschaltung mit dem Ventil elektrisch
und mechanisch gelöst wird und daß seine Ausmessung durch ein elektrostatisches
Voltmeter erfolgt, das elektrisch und mechanisch getrennt von dem Ventil aufgestellt
ist und sich vorzugsweise mit einem Pol an Erdpotential befindet.
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Die Erfindung ist aber nicht auf dieses Beispiel beschränkt, sondern
kann auch allgemein in den eingangs erwähnten Fällen Verwendung finden, indem an
der Meßstelle die Meßgröße ein Speicherungsorgan in seinen physikalischen bzw. elektrischen
Eigenschaften über eine bestimmte Zeitdauer bleibend verändert und dann das Speicherungsorgan
von der Meßstelle entfernt und an anderer Stelle ausgemessen wird.
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Das Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Messung der Spitzenspannungsdifferenz
zwischen zwei unter Hochspannung stehenden Punkten, z. B. an einer Wicklung, wird
nachfolgend an Hand der Zeichnung noch näher beschrieben.
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Die Teile des Spitzenspannungsmessers, die auf Potential angehoben
werden, sind nach Fig. I nur das elektrische Ventil 3 und der Meßkondensator 4.
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Dieser Meßkondensator wird aber nun nicht fest eingebaut, sondern
nur so, daß er mit Hilfe eines Isolierstabes aus der Meßeinrichtung herausgehoben
werden kann. Ist nun das Zeitintervall, innerhalb dessen die Überspannung gemessen
werden soll, abgelaufen, dann wird der Meßkondensator 4 von Erde aus mit diesem
Isolierstab aus dem Meßgerät herausgehoben und an ein auf Erdpotential befindliches
elektrostatisches Voltmeter 6 angelegt und so seine Spannung gemessen. In diesem
Zusammenhang ist wichtig, daß die in Frage kommenden Meßkondensatoren 4 kleiner
Kapazität (etwa 10 bis 100 pF) heute mit solch guter Isolation ausgeführt werden
können, daß eine einmal aufgebrachte Spannung im Verlauf einer oder mehrerer Minuten
kaum um IO/o zurückgeht.
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Bevor der Meßkondensator 4 in das Spitzenspannungsgerät mittels des
Isolierstabes eingehängt wird, muß er selbstverständlich entladen werden, um für
eine neue Überspannungsmessung brauchbar zu sein. Bei der Spannungsbestimmung selbst
ist dabei zu beachten, daß die Ersatzkapazität 7 des elektrostatischen Voltmeters
6 durch den Meßkondensator erst aufgeladen werden muß, daß die Spannung des Meßkondensators
also genau genom men etwas größer war als die vom Instrument 6 angezeigte. Diese
Korrektur kann aber, da die Kapazität des Instruments 6 bekannt ist, ohne weiteres
berücksichtigt werden. In bestimmten Fällen wird man von dieser Umladung auch sogar
in dem Sinne Gebrauch machen, daß man den Meßbereich des elektrostatischen Voltmeters
6 dadurch erweitert, daß man zu ihm einen größeren Kondensator parallel schaltet,
der etwa so groß ist, daß 6 nur vielleicht ein Zehntel der Spannung anzeigt, die
ursprünglich auf 4 lag. Diese Methode ist dann von Vorteil, wenn aus Gründen einfachsten
Aufbaues der Spitzenspannungsmesser ohne Kompensation des Ventilanlaufstromes ausgeführt
wird.
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Bekanntlich beträgt die durch diesen Anlaufstrom hervorgerufene Aufladung
des Kondensators 4 etwa 2 bis 3 V. Macht man die auf den Meßkondensator 4 bei der
Messung auftretenden Spannungen etwa 2000 bis 3000 V, dann ist die Fälschung des
Meßergebnisses durch den Anlaufstrom vollständig vernachlässigbar. Es ist nun aber
nicht nötig, das elektrostatische Voltmeter 6 für diese Spannung auszuführen, wenn
man zu ihm ungefähr den zehnfachen Kapazitätsbetrag des Meßkondensators 4 parallel
legt, da dann bei der Ausmessung des Meßkondensators 4 dessen Spannung durch die
Aufladung des großen Parallelkondensators auf ungefähr 200 bis 300 V absinkt.
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Durch die erfindungsgemäße SIeßeinrichtullg. nach der ein höchstisolierter
Meßkondensator im Spitzenspannungsmesser aufgeladen und dann vermittels eines Isolierstabes
mechanisch aus dem Spitzenspannungsmesser entfernt und seine Spannung an einem beliebigen
Ort durch ein elektrostatisches Instrument ausgemessen wird, ergeben sich außer
dem eingangs erwähnten Vorzug der geringsten Störkapazität noch einige andere Vorzüge.
So ist vor allem für Untersuchungen, die eine größere Zahl von Spitzenspannungsmessern
erfordern, für sämtliche Meßgeräte nur ein Ableseinstrument erforderlich. Dieses
Ableseinstrument kann als elektrostatisches Voltmeter, als eines der bekannten Elektrometer
oder auch als Röhrenvoltmeter mit einer Elektrometerröhre ausgeführt werden. Ebenso
genügt fur einen Zweiwegspitzenspannungsmesser, der also Überspannungen beider Polaritäten
erfassen soll, ein Spannungsmeßgerät; bei Verwendung polaritätsabhängiger Meßgeräte
ist dabei auf das richtig gepolte Anlegen des Meßkondensators zu achten.
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Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung. bei der, allgemein ausgedrückt,
ein an einem Ort 4 unter bestimmten äußeren Bedingungen, z. B. unter einem bestimmten
Erdpotential, aufgeladener Kondensator an einem Ort B unter ganz anderen äußeren
Bedingungen, z. B. unter einem anderen Erdpotential, ausgemessen wird, ist in all
den Fällen verwendbar, in denen sich beliebige Meßgrößen des
Ortes
A in elektrische Spannungen umformen und über ein Ventil auf einen Kondensator aufbringen
lassen. Es ist nur wichtig, daß dieser Meßkondensator so ausgeführt ist, daß er
auf dem von A nach B zurückgelegten Weg keine Veränderung seiner Ladung erleidet,
d. h. daß dieser Meßkondensator so ausgeführt ist, daß er durch das allenfalls vorhandene
elektrische Feld auf dem Wege zwischen A und B nicht in seiner Ladung verändert
wird.
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Eine derartige Ausführung des Meßkondensators besteht nach Fig. 2
etwa darin, daß in einem zylindrischen Metallbecher 9 vermittels der Isolationsscheiben
10 und ii eine Gegenelektrode 12 eingebaut ist, wobei nur durch eine enge Offnung
I3 des zylindrischen Bechers eine Ladungszuführung auf die Elektrode 12 möglich
ist. Wird dieser Meßkondensator von der Aufladevorrichtung abgenommen, dann ist
die Elektrode 12 nach außen elektrostatisch vollkommen abgeschirmt, eine Ladungsbeeinflussung
ist also nicht mehr möglich.
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Bei der Ausmessung muß dieser Kondensator dann wieder auf eine geeignete
Kontaktvorrichtung aufgesteckt werden.
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Das Meßverfahren eignet sich, wie oben kurz erwähnt, auch dazu, die
Höchstwerte von anderen als elektrischen Größen, etwa mechanischen oder lichttechnischen
Größen, zu messen, wenn diese erst in Spannungen umgeformt werden, ebenso sind elektrische
Ströme, durch elektrische Widerstände in Spannungen umgeformt, auf diese Weise meßbar.
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Zur fortlaufenden absatzweisen Spitzenspannungsmessung ist bei diesem
Verfahren nun erforderlich, daß mindestens immer ein Meßkondensator an der zu beobachtenden
Stelle angeschaltet ist, es werden also an jeder Beobachtungsstelle für jede Polarität
zwei Spitzenspannungsmesser einzubauen sein, von denen mindestens einer stets an
Spannung liegt, während der andere Meßkondensator ausgemessen wird. Wie schon erwähnt,
ist der gerade ausgemessene Meßkondensator vor dem Einhängen in den Spitzenspannungsmesser
jeweils kurzzuschließen, um die neue Spitzenspannung ohne Fälschung aufnehmen zu
können.
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Das oben beschriebene Meßverfahren ist nicht daran gebunden, daß
der Spitzenspannungsmesser allein in der Form nach Fig. I aufgebaut ist, es ist
genau so dann zu verwenden, wenn zur Erfassung schnellster Vorgänge ein Überspannungsmesser
aus zwei in Serie geschalteten Ventilkreisen oder ein Spitzenspannungsmesser mit
Umladungskolldensator zur Verwendung kommt. Gegebenenfalls kommen auch andere Speicherorgane
als Kondensatoren in Betracht.