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Schaltungsanordnung zum Messen elektrischer Wirk- und Scheinwiderstände
Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Messen elektrischer Wirk- und Scheinwiderstände,
die mit Gleich- oder Wechselstrom arbeitet.
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Bei Widerstandsmessungen werden hauptsächlich zwei Arten von Methoden
angewendet: Brückenmethoden, bei welchen der Wert des zu messenden Widerstandes
durch Vergleichen mit bekannten Widerständen ermittelt wird, und Methoden, die auf
die Messung von Strom und Spannung in bzw. an dem zu bestimmenden Widerstand zurüchgeführt
werden. Ist der Widerstandsbereich, innerhalb welchem die Widerstände liegen, sehr
groß, umfaßt er z. B. viele Zehnerpotenzen, so war man bei der Entwicklung geeigneter
Widerstandsmesser bisher zu Maßnahmen gezwungen, wie Verwendung einer großen Anzahl
von Vergleichswiderständen, Änderung der Empfindlichkeit der in der Meßanordnung
verwendeten Strom- und Spannungsmesser um mehrere Zehnerpotenzen, Verwendung von
Instrumenten mit nicht linearer Charakteristik, z. B.
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Instrumenten mit einer zusätzlichen Drehspule, die sich je nach der
Stellung des Meßwerkes mehr oder weniger tief in ein zusätzliches Magnetfeld hineinbewegt
und dadurch die Wirkung der Hauptwicklung schwächt, zur Änderung der an den Widerstand
gelegten Hilfsspannung innerhalb eines großen Bereiches usw. Diese Maßnahmen bedingen,
daß die Meßanordnungen sehr teuer werden und den Bedingungen, unter denen die zu
messendenWiderstände bei normalem Betrieb arbeiten, nicht angepaßt werden können,
daß z. B. viel zu hohe Spannungen an den Widerständen liegen und die Bedienung der
Geräte umständlich wird.
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Bekannt ist ferner eine Schaltungsanordnung zum Messen großer Widerstände,
in welcher eine Triode, eine Heizbatterie, eine Anodenhatterie und
ein
Instrument zum Messen des Anodenstromes zusammengeschaltet sind. Als Ausgangspunkt
der Messung wird der Anodenstromwert (Ruhestromwert) benutzt, der sich bei geöffnetem
Gitterkreis einstellt. Wird zum Zwecke der Messung der Widerstand zwischen Anode
und Gitter gelegt, so fließt durch den Widerstand und die Elektronenstrecke Gitter-I(athode
der Röhre ein Strom, der eine Änderung des Anodenstromwertes bewirkt, die das Maß
für die Größe des Widerstandes bildet.
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Die Anordnung weist Nachteile auf, die darin begründet sind, daß zur
Anzeige Anodenströme dienen und der Ruhestrom, den Anderungen des freien Gitterpotentials
entsprechend, durch Änderungen der Heizspannung, der Anodenspannung, der Isolationsströme
und der Emission der Kathode dauernden Änderungen unterworfen ist.
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Diese Nachteile machen es unmöglich, mit einfachen Mitteln genau
arbeitende und leicht eichbare Widerstandsmeßgeräte auszubilden.
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Dieser Übelstand wird bei der Schaltanordnung zum Messen elektrischer
Wirk- und Scheinwiderstände, die mit Gleich- oder Wechselstrom arbeitet und spannungs-
oder stromabhängige Widerstände oder Elektronenstrecken enthält, -erfindungsgemäß
dadurch beseitigt, daß der zu messende Widerstand in Reihe mit einem spannungs-
oder stromabhängigen Widerstand oder einer Elektronenstrecke, die einen exponentiellen
Zusammenhang zwischen Spannung und Strom aufweisen, liegt und der Spannungsabfall
an dem spannungs- oder stromabhängigen Widerstand oder an der Elektronenstrecke
oder an dem zu messenden Widerstand das Maß für die Größe des zu messenden Widerstandes
bildet.
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Es sind zwar Meßeinrichtungen bekannt, die mit spannungs- oder stromabhängigen
Widerständen arbeiten, die jedoch bei der dort durchgeführten Phasenwinkelmessung
unwesentlich sind, da es dabei nur auf die Steuerbarkeit dieser Widerstände ankommt,
die durch sekundäre Einwirkungen über eigens dafür vorgesehene Verstärkerschaltungen
bewirkt wird. Diese gesteuerten Widerstände zeigen auch keinen exponentiellen Zusammenhang
zwischen Strom und Spannung; er ist dort bedeutungslos.
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Das Wesen der Erfindung sei an Hand der Fig. I und 2 näher erläutert.
In Fig. I ist mit I ein Dreielektrodenrohr bezeichnet, dessen Kathode über Widerstand
2 und Gleichstrommesser 3 an dem negativen Pol einer Gleichstromquelle 4 liegt.
Die Anode der Röhre ist mit dem Schleifer 5 eines Potentiometers 6 verbunden, das
die Gleichstromquelle überbrückt. Der zu messende Widerstand, dessen Wert X sei,
ist mit 7 bezeichnet. Er ist mittels der beiden Elektroden 8 und g mit dem Gitter
der Röhre bzw. einem Punkt Io des Potentiometers verbunden. Durch die Wahl dieses
Abgriffspunktes kann die an den Widerstand gelegte Spannung, z. B. entsprechend
den Prüfbedingungen bei der Abnahme von Installationsanlagen, variiert werden. Widerstand
7 liegt in Reihe mit der.Widerstandskombination-Elektronenstrecke Gitter -Kathode
der Röhre einschließlich Widerstand 2 -; es ist daher der ihn durchfließende Strom
i gleichzeitig der Gitterstrom der Röhre. Das Potential der Elektrode 8 (gegenüber
dem negativen Pol der Gleichstromquelle) stellt sich entsprechend dem Verhältnis
dieser Widerstände ein. Die Bedeutung dieser Schaltmaßnalune geht aus der folgenden
überschlägigen Betrachtung hervor: Für großeWerte X ist der Strom i annähernd umgekehrt
proportional zu X, und lgi hängt daher linear von lgX ab. Variiert X z. B. von Io4
Ohm bis 1010 Ohm, so vermindert sich damit i um die gleiche Größenordnung.
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Wäre der Widerstand der Elektronenstrecke konstant, so würde sich
auch der Spannungsabfall an der Strecke Gitter-Kailde um diese Größenordnung ändern,
und bei der Messung dieses Spannungswertes, als Maß für den zu messenden Widerstand,
würde eine der in der Einleitung erwähnten Maßnahmen notwendig werden. Die Elektronenstrecke
-stellt aber - einen spannungs- bzw. stromabhängigen Widerstand dar. Die Stromabhängigkeit
ist so gewählt, daß bei der durch eineVariation von X hervorgerufenen Stromänderung
der ouotient Spannung an der Eiektronenstrecke dividiert durch i sich im selben
Sinn und ungefähr um die gleiche Größenordnung wie X ändert, so daß durch die Variation
von X nur eine geringe Änderung des Potentials der Elektrode 8 eintritt. In dem
Ausführungsbeispiel entspricht einer logarithmischen Änderung des Stromes i eine
lineareÄnderung des Gitterpotentials. Diese Charakteristik ist allein, bei modernen
Röhren nur in ganz geringem Maße, von der Temperatur der Kathode abhängig, und zwar
derart, daß Temperaturänderungen lediglich eine Parallelverschiebung der Charakteristik
bedingen. In einem Diagramm Spannungsdifferenz von Gitter zum negativen Pol der
Gleichstromquelle als Funktion von Ig X wird daher die Beziehung dieser Größen zueinander
durch eine Gerade wiedergegeben. Bei der in der Zeichnung wiedergegebenen Anordnung
wird die Messung in der Weise vorgenommen, daß man die Anodenspannung mit Hilfe
des Schleifers 5 so einstellt, daß der Kathodenstrom einen gewählten, für alle Werte
X gleichbleibenden Wert annimmt. Durch diese Maßnahme ist die Anodenspannung eine
lineare Funktion des Gitterpotentials, die unabhängig von Betriebsdaten der Röhre
ist, und hängt somit ebenfalls linear von lg X ab. Hält man die Spannung der Stromquelle
4 konstant, so kann das Potentiometer 6 in Anodenspannungswerten oder in Werten
von lg X geeicht werden.
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In der Fig. 2 ist die Charakteristik einer ausgeführten Anordnung
wiedergegeben, bei welcher auf der Abszissenachse die Logarithmen der Widerstandswerte
X und auf der Ordinatenachse die von dem Schleifer 5 auf dem Potentiometer abgegriffenen
Spannungen Vin linearem Maßstab aufgetragen sind. Die Figur läßt erkennen, daß die
Meßanordnung einen außerordentlich großen Widerstandsbereich umfaßt, der nach kleinen
Werten X nu praktisch beliebig wählbar und nach großen Werten von X zu nur durch
den Isolationswiderstand des Gitters bedingt ist. Bei Verwendung von Spezial-
röhren
kann er also bis etwa 1016 Ohm ausgedehnt werden. Das Diagramm läßt weiter erkennen,
daß die Beziehung zwischen dem Logarithmus des Wertes des zu messenden Widerstandes
und der Anzeige in einem gewählten Bereich vollkommen linear ist, was für die Eichung
der Anordnung besonders vorteilhaft ist.
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Die Anordnung nach Fig. I gibt nur ein Beispiel für die Ausgestaltung
einer Meßanordnung gemäß der Erfindung. Anwendung und Ausgestaltung können im Rahmen
der Erfindung in mannigfacher Weise Abwandlungen erfahren. So kann z. B. die Anordnung
nach Fig. I nach Ersetzen der Gleichstromquelle durch eine Wechselstromquelle und
Parallel schalten eines Kondensators zum Gleichstrommeser mit periodisch veränderlichem
Strom betrieben werden.
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Die Charakteristik der Anordnung läßt sich weitgehend beeinflussen
und einem vorgegebenen Verwendungszweck anpassen, z. B. indem man die an den zu
messenden Widerstand gelegte Spannung als eine Funktion der Anodenspannung wählt,
etwa indem man die Elektrode g mit der Anode verbindet oder an eine Widerstandskombination,
z. B. einen Spannungsteiler führt, der zwischen der Anode und einem Punkt des Potentiometers
6 liegt.
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Der zu messende Widerstand kann auch nur einen Teil einer Widerstandskombination
bilden. Er kann etwa mit einem konstanten Widerstand in Reihe liegen, oder der spannungsabhängige
Widerstand kann einen Teil einer Widerstandsanordnung bilden.
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Die Anordnung kann auch als direkt anzeigender Widerstandsmesser
mit konstanter Anodenspannung arbeiten, so daß beispielsweise der Kathodenstrom
oder der Anodenstrom oder, bei Verwendung von Mehrgitterröhren, ein Hilfsgitterstrom
bzw. eine Hilfsgitterspannung ein Maß für die Größe des zu messenden Widerstandes
gibt.
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Durch die Wahl des Arbeitspunktes auf den Röhrenkennlinien, z. B.
Verlegen in einen gekrümmten Teil, läßt sich dabei die Charakteristik der Anordnung
in einer weiteren Weise beeinflussen.
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Die Meßanordnung kann auch als Brückenschaltung ausgebildet werden.
Der zu messende Widerstand und ein spannungsabhängiger Widerstand, z. B. eine Zweipolröhre,
können zwei Brückenzweige bilden, und die übrigen Brückenzweige können aus konstanten
oder regelbaren Widerständen bestehen. In dem einen Diagonalzweig kann zur Speisung
der Anordnung eine Gleichstrom- oder Wechselstromquelle liegen, und als Brückenindikator
kann beispielsweise ein Instrument mit möglichst geringem Energieverbrauch, etwa
ein Elektrometer oder eine Elektronenröhre, Verwendung finden. In der Brückenschaltung
können auch mehrere zu bestimmende Widerstände und mehrere spannungsabhängige Widerstände
liegen, was z. B. dann vorteilhaft ist, wenn der zu messende Widerstand selbst wiederum
von einer anderen Größe abhängt, die mittelbar durch Messen dieses Widerstandes
bestimmt werden soll. Bei Verwendung von Röhren mit mehreren Systemen können ähnlich
wie im Beispiel nach Fig. 1, z. B. die Systeme einer Duodiode-Triode, als spannungsabhängige
Widerstände und Brückenindikator verwendet werden.
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Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die Messung von Wirkwiderständen,
sie kann ebenso zur Messung von Kapazitäten und Induktivitäten, somit allgemein
zur Messung von Scheinwiderständen dienen. Diese Widerstände können selbst wiederum
von anderen Größen abhängen und die Meßanordnung mittelbar zur Bestimmung dieser
Größen Verwendung finden.
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Als spannungsabhängige bzw. stromabhängige Widerstände können alle
Schaltelemente dienen, bei welchen der Quotient - angelegte Spannung dividiert durch
hindurchfließenden Strom - eine Funktion der angelegten Spannung bzw. des Stromes
in dem Schaltelement ist, wie bei Elektronenstrecken, Ionenstrecken, Trockengleichrichtern,
gesättigten oder vormagnetisierten Drosseln, Heiß leitern usw. Der Bereich, innerhalb
welchem sich der Quotient ändern soll, kann durch die Art dieser Elemente, durch
ihre Dimensionierung, wie z. B. bei vormagnetisierten Drosseln, durch Regelung von
außen, bei Diodenstrecken mit Hilfe der Heizung der Kathode, dem Bereich, innerhalb
welchem die Werte der zu messenden Widerstände liegen, angepaßt werden.
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Die Anordnungen können auch zu Regel- oder Steuerorganen ausgestaltet
vverden, z. B. indem der Strommesser in der Anordnung nach Fig. I durch eineTauchspule,
einen Drehmagnet, eine Anordnung mit gittergesteuerter Gasentladungsröhre ersetzt
wird, die z. B. beim Unterschreiten oder Überschreiten eines vorgegebenen Wertes
X einen Schaltvorgang auslösen.
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PATENTANSPROCHE: I. Schaltungsanordnung zum Messen elektrischer Wirk-
und Scheinwiderstände, die mit Gleich- oder Wechselstrom arbeitet und spannungs-
oder stromabhängige Widerstände oder Elektronenstrecken enthält, dadurch gekennzeichnet,
daß der zu messende Widerstand in Reihe mit einem spannungs- oder stromabhängigen
Widerstand oder einer Elektronenstrecke, die einen exponentiellen Zusammenhang zwischen
Spannung und Strom aufweisen, liegt und der Spannungsabfall an dem spannungs- oder
stromabhängigen Widerstand oder an der Elektronenstrecke oder an dem zu messenden
Widerstand das Maß für die Größe des zu messenden Widerstandes bildet.