DE947320C

DE947320C - Alternating current measuring bridge for measuring the loss angle with large and small capacities up to extremely small values

Info

Publication number: DE947320C
Application number: DET9468A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Waldemar Brueckel
Original assignee: TETTEX AG
Current assignee: TETTEX AG
Priority date: 1954-05-14
Filing date: 1954-05-14
Publication date: 1956-08-16

Description

Wechselstrommeßbrüke zur Messung des Verlustwinkels bei großen und kleinen Kapazitäten bis zu extern kleinen Werten Zur Messung von dielektrischen Verlusten und Kapazitäten werden Brückenmethoden verwendet, bei denen im Zweig I die zu untersuchende verlustbehaftete Kapazität mit einer im Zweig 2 befindlichen Normalkapazität verglichen wird. Bei der hier behandelten Brücke befinden sich im Zweig 3 und 4 fehlwinkelfreie, genau bekannte Widerstände. Durch Ändern der Größe in den Zweigen 2 und 4 kann der Strom in der Meßdiagonale auf ein Minimum gebracht werden. Um ihn bei Wechselstrombrücken völlig zum Verschwinden zu bringen, hat man noch die Phasenverschiebung durch Phasenabgleichung zu kompensieren. Dies geschieht hier mittels eines dem Widerstand im Zweig 4 parallel geschalteten, regelbaren Kondensators. Der untere Brückenteil mit den Zweigen 3 und 4, der Meßdiagonale und dem notwendigen Schalter werden gewöhnlich in einen abgeschirmten Brückenkasten eingebaut.Alternating current measuring bridge for measuring the loss angle at large and small capacitances up to externally small values For measuring dielectric Losses and capacities are used bridging methods, in which branch I the lossy capacity to be examined with one located in branch 2 Normal capacity is compared. The bridge discussed here is located in Branch 3 and 4, precisely known resistances free of incorrect angles. By changing the size in branches 2 and 4 the current in the measuring diagonal can be reduced to a minimum will. In order to make it disappear completely in AC bridges, one has still to compensate for the phase shift by phase adjustment. this happens here by means of a controllable capacitor connected in parallel with the resistor in branch 4. The lower part of the bridge with branches 3 and 4, the measuring diagonal and the necessary Switches are usually built into a shielded bridge box.

Solche Brücken anordnungen lassen sich für verschiedene meßtechnisch in Betracht kommende Bereiche anpassen, indem die Widerstände R8 und R4 im Zweig 3 und 4 entsprechend dimensioniert werden. Such bridge arrangements can be used for different metrology Adjust the areas in question by adding resistors R8 and R4 in the branch 3 and 4 are dimensioned accordingly.

Aus praktischen Gründen wird R4 als unschaltbarer, fester Widerstand mit verschiedenen Ohmwerten und R3 als regelbarer Dekadenwiderstand ausgeführt.For practical reasons, R4 is used as a non-switchable, fixed resistor With different ohm values and R3 designed as an adjustable decade resistor.

Gleichzeitig werden dem Widerstand R3 Nebenschlußwiderstände parallel geschaltet, so daß bei Messung größerer Kapazitäten der Dekadenwiderstand R3 nicht überlastet wird und defekt geht. Bei Messung mit einem solchen Nebenschluß ist bei der Auswertung der Meßwerte jeweils der durch den Nebenschluß verursachte Verlust zu berücksichtigen. Dabei kann diese als additives Korrekturglied bezeichnete Größe je nach dem verwendeten Nebenschlußwiderstand Werte annehmen, die bei kleinen Verlustwinkeln den gesuchten Wert übersteigen, wodurch sich ein falsches Meßresultat ergibt. Dies wirkt sich besonders nachteilig aus bei Messung von Verlustwinkeln in der Größenordnung von Io-4. Zur Messung noch kleinerer Verlustwinkel als Io-4 sind solche Brückena,nordnungen nur noch beschränkt verwendbar.At the same time, shunt resistors are placed in parallel with resistor R3 switched, so that the decade resistance R3 is not when measuring larger capacities overloaded becomes and goes defective. When measuring with such a shunt, the evaluation of the measured values, the loss caused by the shunt must be taken into account. This variable, referred to as an additive correction element, can be used depending on what is used Assume shunt resistance values that are the one you are looking for at small loss angles Exceed the value, resulting in an incorrect measurement result. This affects particularly disadvantageous when measuring loss angles in the order of magnitude of Io-4. Such bridge directions are used to measure even smaller loss angles than Io-4 can only be used to a limited extent.

Die vorliegende Wechselstrommeßbrücke zur Messung des Verlustwinkels bei großen, und kleinen Kapazitäten bis zu extrem kleinen Werten vermeidet diese Nachteile. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die im Brückenkasten eingebauten Brückenwiderstände je mittels eines Schalters wahlweise in den Zweigen (3 und 4) austauschbar und derart aufgebaut sind, daß der im einen Zweig (4) eingeschaltete Kondensator parallel zum ganzen oder zu einem Teil des in diesen Zweig eingeschalteten Widerstandes schaltbar ist. The present alternating current measuring bridge for measuring the loss angle avoids this in the case of large and small capacities down to extremely small values Disadvantage. According to the invention this is achieved in that the bridge box built-in bridge resistors either by means of a switch in the branches (3 and 4) are interchangeable and constructed in such a way that the one in one branch (4) is switched on Capacitor in parallel with all or part of the connected in this branch Resistance is switchable.

In der Zeichnung ist beispielsweise schematisch der Aufbau der Meßbrücke gemäß der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Fig. I das Prinzipschema der Meßbrücke, Fig. 2 das Prinzipschema der Meßbrücke mit regelbarem Widerstand im Zweig 4, Fig. 3 die schematische Schaltung des Dekadenwiderstandes R3 Die in der Fig. I dargestellte Brückenschaltung besteht aus dem Zweig I mit dem zu messenden Kondensator C1, dem Zweig 2 mit dem Vergleichskondensator C2 und den beiden Zweigen 3 und 4, wobei im Zweig 4 der Widerstand R4 über den Umschalter U2 an den Verzweigungspunkt b und im Zweig 3 der -Widerstand R1 über den Umschalter Ul an den Verzweigungspunkt a angeschlossen ist. Die beiden Widerstände R2 und R sind je an einen festen Kontakt I bzw. I' der Schalter U1 bzw. U2 angeschlossen. In the drawing, for example, the structure of the measuring bridge is shown schematically shown according to the invention, namely Fig. I shows the basic diagram of the measuring bridge, Fig. 2 shows the basic diagram of the measuring bridge with adjustable resistance in branch 4, Fig. 3 the schematic circuit of the decade resistor R3 shown in FIG Bridge circuit consists of branch I with the capacitor C1 to be measured, the Branch 2 with the comparison capacitor C2 and the two branches 3 and 4, with im Branch 4 of the resistor R4 via the switch U2 to the branch point b and in branch 3 of the resistor R1 via the switch Ul to the branch point a connected. The two resistors R2 and R are each connected to a fixed contact I and I 'of switches U1 and U2 are connected.

Der feste Kontakt 3 bzw. 3' dieser Umschalter U1 und U2 steht je in Verbindung mit dem Verzweigungspunkt a bzw. b. Zum Widerstand RS ist im Zweig 3 mit Anschluß im Verzweigungspunkt a der Nebenschiußwiderstand N und zum Widerstand R4 über den Schalter U2 an den Verzweigungspunkt b der für die Phasenkompensation vorgesehene regelbare Kondensator C4 parallel geschaltet. Mit dem mit dem Kontakt I des Umschalters U, in Verbindung stehenden Ende s des Widerstandes Rs ist der feste Kontakt 2' des Umschalters U2 leitend verbunden und der Kontakt 2 des Umschalters U1 steht durch eine Verbindung mit einem festen Kontakt 4 eines dritten Schalters U3 in Verbindung. Das Nullstromanzeigeinstrument G für die Meßdiagonale ist einerseits an den Punkt 7 der Verbindungsleitung vom Kontakt 2' zum Widerstand R3 und anderseits an den beweglichen Kontakt 6 des Umschalters U3 angeschlossen.The fixed contact 3 or 3 'of this changeover switch U1 and U2 is in each case Connection with branch point a or b. To resistor RS is in branch 3 with connection at branch point a the shunt resistor N and to the resistor R4 via switch U2 to branch point b of the phase compensation provided controllable capacitor C4 connected in parallel. With the one with the contact I of the changeover switch U, the resistor Rs connected end s is that Fixed contact 2 'of changeover switch U2 is conductively connected and contact 2 of the changeover switch U1 is connected to a fixed contact 4 of a third switch U3 in connection. The zero current display instrument G for the measuring diagonal is on the one hand to point 7 of the connection line from contact 2 'to resistor R3 and on the other hand connected to the movable contact 6 of the switch U3.

Der andere feste Kontakt 5 des Umschalters U3 steht in Verbindung mit dem Verzweigungspunkt b. The other fixed contact 5 of the switch U3 is connected with the branch point b.

Das ganze Brückensystem wird gespeist über die Punkte X und v. Der unterhalb der in der Zeichnung mit a und b bezeichneten Punkte liegende untere Brückenteil ist in einen - abgeschirmten Kasten eingebaut, dessen Abschirmung mit bekannten Mitteln, z. B. mittels eines Potentialreglers, gesteuert werden kann, so daß die unerwünschten Streuungen gegen Erde und kapazitiven Kopplungen die Messung nicht beeinflussen.The entire bridge system is fed via points X and v. Of the below the lower part of the bridge located in the drawing with a and b designated points is built into a - shielded box, its shielding with known Means, e.g. B. can be controlled by means of a potential regulator, so that the unwanted scatter to earth and capacitive coupling does not affect the measurement influence.

Der Widerstand R3 besteht beispielsweise aus den mittels eines nicht gezeichneten Schalters umschaltbaren Stufen I0000 5000 2000 I000 500 uns 200 , , , , und Ohm oder aus dekadisch abgestimmten Ohmwerten, z. B. The resistor R3 consists, for example, of the means of not marked switch switchable steps I0000 5000 2000 I000 500 and 200,, ,, and Ohm or from decadic adjusted Ohm values, e.g. B.

10000, 5000, 2000, I000, 500 und 200 Ohm. Ebenso ist der Nebenschlußwiderstand N aus einzelnen mittels eines nicht gezeichneten Schalters umschaltbaren Stufen beispielsweise mit den Ohmwerten I, 2, 5, 10, 20 und 50 Ohm hergestellt. Der Widerstand R2 ist ein regelbarer Dekadenwiderstand, der beispielsweise aus einem Schleifdraht 10- 0,I Ohm und den drei Stufen 10- 100, 10- 10 und 10- 1 Dhm bestehen kann. Alle eingebauten Widerstände sind praktisch fehlwinkellrei und genau bekannt.10000, 5000, 2000, I000, 500 and 200 ohms. Likewise is the shunt resistance N from individual stages which can be switched over by means of a switch (not shown) manufactured for example with the ohm values I, 2, 5, 10, 20 and 50 ohms. The resistance R2 is an adjustable decade resistor, made for example from a sliding wire 10-0, I ohm and the three levels 10-100, 10-10 and 10-1 Dhm. All built-in resistors are practically free of incorrect angles and are known precisely.

Wie aus der Fig. I ersichtlich, können mittels der Umschalter Ul und U2 die Widerstände R3 und R4 sowohl an C2 wie auch an C, gelegt werden. Die beiden Umschalter sind je für sich umschaltbar, und R3 besitzt isoliert nach außen geführte, nicht gezeichnete Anschlußklemmen, die gestatten, daß in Serie mit dem bereits eingebauten Widerstand R3 noch zusätzliche Dekadenwiderstände angeschlossen werden können. Ebenso kann ,zu tT an nicht gezeichnete Anschlußklemmen ein zusätzlicher Nebenschlußwiderstand, z. B. von 0,1 Ohm zur Messung mit sehr großen Strömen, von beispielsweise 30 Ampere und mehr, angeschlossen werden. Mittels des nicht gezeichneten Schalters kann der Nebenschlußwiderstand ebenfalls ausgeschaltet werden, so daß nur der Widerstand im Zweig 3 über den Schalter U, am Verzweigungspunkt a liegt. As can be seen from Fig. I, by means of the switch Ul and U2, the resistors R3 and R4 are connected to both C2 and C. the Both changeover switches can be switched over individually, and R3 is isolated from the outside led, not shown terminals that allow in series with the already built-in resistor R3, additional decade resistors connected can be. Likewise, to tT at connection terminals (not shown) an additional Shunt resistor, e.g. B. from 0.1 ohms for measurement with very large currents, of for example 30 amps and more, can be connected. By means of the not drawn Switch, the shunt resistor can also be switched off so that only the resistance in branch 3 via switch U, is at branch point a.

In Fig. 2 ist der Widerstand R3 schematisch als im Zweig 4 eingeschalteter, regelbarer . Widerstand gezeichnet. Es ist daraus ersichtlich, daß der Anschlußpunkt a, der über 7 mit dem Nullstromanzeigeinstrument G in Verbindung steht, als Abgriff der feinsten Dekaden,, beispielsweise des Schleifdrahtes s, ausgebildet ist. Der ganze Widerstand besteht aus den Stufen r1 = I0 * 0,I, r1 10- 1, r2= 10- 10, r4 9. 100 Ohm und aus den beiden Teilwiderständen r4 und r4'. - Die beiden Teilwiderstände r41 und r411 geben zusammen die letzte Dekade der größten Stufe, also beispielsweise 100 Ohm. Der Teilwiderstand r4 ist nun derart in den Zweig eingeschaltet, daß er zwischen den beiden Anschlußpunkten b und c des parallel zum Zweig 4 liegenden Kondensators C4 liegt. In Fig. 2 the resistor R3 is shown schematically as switched on in branch 4, adjustable. Drawn resistance. It can be seen from this that the connection point a, which is connected to the zero current indicator G via 7, as a tap of the finest decades, for example of the grinding wire s. Of the whole resistance consists of the stages r1 = I0 * 0, I, r1 10-1, r2 = 10-10, r4 9. 100 ohms and from the two partial resistances r4 and r4 '. - The two partial resistances r41 and r411 together give the last decade of the highest level, for example 100 ohms. The partial resistance r4 is now switched into the branch in such a way that it between the two connection points b and c of the capacitor lying parallel to branch 4 C4 lies.

Der andere Teilwiderstand r4' ist als Restwiderstand zur Komplettierung auf 100 Ohm an die größte Dekade angefügt. Beide Widerstände sind jedoch auf dem nicht gezeichneten Schalter des regelbaren Dekadenwiderstandes r4 aufmontiert. In Fig. 3 ist dies schematisch dargestellt, und zwar bedeuten wiederum r,, r2, r3 und r4 die einzelnen Dekadenwiderstände, wobei die Stufen mittels der Schalter S2, S3 und S4 geschaltet werden. r4 und r sind nun derart ange- -ordnet, daß sie bei Drehung des Schalters S4 auf die erste Stufe miteinander in den Brückenzweig einge- -schaltet werden. An die Punkte c und b ist der regelbare Kondensator C4 angeschlossen, wobei in der Fig. 2 und 3 zum besseren Verständnis der Umschalter U2 weggelassen ist. Der Teilwiderstand r4 hat nun einen solchen Ohmwert, daß der zu messende Verlustwinkel bei Industriefrequenz von 50 Hz aus der Gleichung tg # = C4 R3 berechnet werden kann. The other partial resistance r4 'is a residual resistance for completion to 100 ohms added to the greatest decade. However, both resistors are on the The switch (not shown) of the adjustable decade resistor r4 is mounted. In This is shown schematically in FIG. 3, in turn r ,, r2, r3 and r4 the individual decade resistors, with the steps by means of the switch S2, S3 and S4 can be switched. r4 and r are now arranged in such a way that they when the switch S4 is turned to the first step, they join the bridge arm be switched on. The controllable capacitor C4 is at points c and b connected, wherein in Figs. 2 and 3 for a better understanding of the switch U2 is omitted. The partial resistance r4 now has such an ohmic value that the loss angle to be measured at an industrial frequency of 50 Hz from the equation tg # = C4 R3 can be calculated.

Mittels der oben beschriebenen Brückenschaltung ist es nun möglich, nach bekannter Methode mit R4 als festem Widerstand im Zweig 4 zu messen, indem die beiden Umschalter U1 und U2, wie in der Zeichnung I dargestellt, nach links auf die Kontakte 1 bzw. I' gelegt werden. Gleichzeitig steht der Schalter U3 auf Stellung 5, so daß das Nullstrom-Anzeigeinstrument G zwischen s und b liegt. Diese gezeichnete Schaltung entspricht der bekannten Schering-Meßbrücke zur Messung von Kapazitäten und Verlustwinkeln. Arbeitet man dabei ohne Nebenschlußwiderstand, so ergibt sich R4 Claus C2 . R3 und tg d = R4 co C4. Using the bridge circuit described above, it is now possible to to measure according to the known method with R4 as a fixed resistance in branch 4 by the two changeover switches U1 and U2, as shown in drawing I, to the left be placed on contacts 1 and I '. At the same time, switch U3 is on Position 5, so that the zero current display instrument G is between s and b. These The circuit shown corresponds to the known Schering measuring bridge for measuring Capacities and loss angles. If you work without a shunt resistor, then results in R4 Claus C2. R3 and tg d = R4 co C4.

Aus der Formel für tg <5 ist ersichtlich, daß bei großen Werten von R4 bei Messung kleiner Verluste C4 klein wird. Wenn C4 beispielsweise als Dekadenkapazität mit den Stufen I0 0,I, I0 0,OI, I0 0,OOI µ F ausgeführt ist, so wird bei einer Messung mit großem R4 die Einstellung von C4 eher bei den unteren Stufen sein, d. h., die Ablesung wird grob. Muß zur Messung ein Nebenschlußwiderstand vorgeschaltet werden, so ergibt sich aus dem durch den Nebenschluß entstandenen Verlust sowohl bei der Bestimmung der Kapazität wie auch bei tg <5 ein Korrekturglied, das bei der Auswertung der Meßwerte berücksichtigt werden muß. From the formula for tg <5 it can be seen that with large values of R4 when measuring small losses, C4 becomes small. For example, if C4 as a decade capacity with the stages I0 0, I, I0 0, OI, I0 0, OOI µ F, then a measurement with a large R4, the setting for C4 is more likely to be at the lower levels, i.e. h., the Reading becomes rough. If a shunt resistor has to be connected upstream for the measurement, so results from the loss caused by the shunt both in the Determination of the capacitance as well as a correction element for tg <5, which is used in the evaluation the measured values must be taken into account.

Diese Nachteile können in der beschriebenen Meßbrücke dadurch behoben werden, daß mittels der Umschalter Ulund U2R3 an Stelle von R4 gelegt wird. These disadvantages can thereby be remedied in the measuring bridge described that by means of the switch Ulund U2R3 is placed in place of R4.

Zu diesem Zweck muß der bewegliche Kontakt der Umschalter in der Zeichnung nach rechts auf 2 bzw. 2' gelegt werden, womit R4 vom Verzweigungspunkt b abgetrennt und an dessen Stelle R3 geschaltet wird. -Dabei übernimmt der NebenschlußwiderstandN die Funktionen des Brückenwiderstandes im Zweig 4. Der feste Kontakt des Umschalters U3 wird nach links auf 4 gelegt, so daß das Nullstrom-Anzeigeinstrument G zwischen s als Abgriff am Widerstand R3 im Zweig 4 und über dem Umschalter U, am Verzweigungspunkt a liegt.For this purpose, the moving contact must be the switch in the drawing to the right on 2 or 2 ', which separates R4 from branch point b and R3 is switched in its place. - The shunt resistance N. the functions of the bridge resistance in branch 4. The fixed contact of the changeover switch U3 is set to the left on 4, so that the zero current display instrument G between s as a tap at resistor R3 in branch 4 and via switch U, at the branching point a lies.

Mißt man mit derart geschalteter Brücke, so erhält man die dielektrischen Verluste aus tg b = R3 . # . C4 und C1 = C2 . R4 = C2 . N . If you measure with a bridge connected in this way, you get the dielectric Losses from tg b = R3. #. C4 and C1 = C2. R4 = C2. N

R3 Hierbei ist lediglich zu berücksichtigen, daß der im Zweig 2 liegende Teil des Schleifdrahtes s einen kleinen zusätzlichen Verlust verursacht, der genau berechnet werden kann. Um den abgeschalteten Widerstand R4 ebenfalls für das Brückensystem verwenden zu können, kann mittels eines zusätzlichen nicht gezeichneten Schalters dieser Widerstand an den oberen Teil des Nebenschlußwiderstandes angefügt werden, so daß der Meßbereich der Brücke wesentlich vergrößert wird. R3 It is only necessary to consider that the one in branch 2 Part of the grinding wire s causes a small additional loss that is accurate can be calculated. To the switched off resistor R4 also for the bridge system can be used by means of an additional switch, not shown this resistor can be added to the upper part of the shunt resistor, so that the measuring range of the bridge is significantly increased.

Wenn beispielsweise N die Stufen I, 2, 5, I0, 20 und 50 Ohm hat, so kann man durch den Widerstand R4 beispielsweise die dekadischen Stufen 200, 500, 1000, 2000, 5000 und I0000 Ohm hinzufügen. Mißt man die Kapazität mit solchen dekadischen Stufen, so kann dieselbe auf einfache Art nach der Formel ausgerechnet werden.If, for example, N has the steps I, 2, 5, I0, 20 and 50 ohms, then one can add the decadic steps 200, 500, 1000, 2000, 5000 and 10000 ohms through the resistor R4. If one measures the capacitance with such decadic steps, it can be calculated in a simple way according to the formula can be calculated.

Schaltet man nun noch den Kondensator C4 statt zwischen den Verzweigungspunkt b und den unteren Brückenpunkt v gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung zwischen die Punkte b und c, so kann C4 tg d aus dem Quotient R3 berechnet werden. Dabei muß berücksichtigt werden daß die beiden Teilwiderständed und r4' z. B. mit zusammen 100 Ohm im Zweig liegen, d. h., nur bei Einstellung von 100 Ohm und mehr kann tg<5 aus R3 berechnet werden. Wird beispielsweise R3 durch einen externen Widerstand vergrößert, so kann damit der Meßbereich für die dielektrischen Verluste um 2 bis 3 Dezimalen verkleinert werden, so daß tg 6 auch kleiner IO-4 abgelesen werden kann. If you now connect the capacitor C4 instead of between the branching point b and the lower bridge point v according to a further proposal of the invention between the points b and c, then C4 tg d can be calculated from the quotient R3. Included must be taken into account that the two partial resistances and r4 'z. B. with together 100 ohms are in the branch, i.e. This means that tg <5 can only be achieved with a setting of 100 ohms and more can be calculated from R3. For example, R3 becomes through an external resistor increased, the measuring range for the dielectric losses can be increased by 2 to 3 decimals, so that tg 6 can also be read as IO-4.

Durch die beschriebene Anordnung ist es möglich auf einfache Weise, ohne daß die äußeren Anschlüsse geändert werden müssen oder daß die Hochspannung unterbrochen werden muß, den Meßbereich der Brücke wahlweise den verlangten Bedürfnissen anzupassen. The arrangement described makes it possible in a simple manner without having to change the external connections or the high voltage must be interrupted, the measuring range of the bridge optionally the required needs adapt.

Claims

PATENT CLAIMS: I. AC bridge for measuring the loss angle for large and small capacities up to extremely small values, characterized by that the bridge resistors (R3 and R4) built into the bridge box each have a Switches in branches (3 and 4) are optionally interchangeable and constructed in such a way that that the capacitor (C4) switched on in one branch (4) is parallel to the whole or can be switched to a part of the resistor switched on in this branch.

2. AC current measuring bridge according to claim I, characterized in that that one of the bridge resistors is an adjustable decade resistor.

3. AC current measuring bridge according to claim I, characterized in that that the capacitor (C4) with the resistor (R4) switched on in branch (4) via the whole resistor is connected.

4. AC measuring bridge according to claim I, characterized in that that the capacitor (C4) in the branch (4) switched on resistor (R3) to a Part of this resistor is connected.

5. AC measuring bridge according to claim 1, characterized in that that when the resistor (R3) is switched on in branch (4), the one that is disconnected from branch (4) Resistance (Rg) - is connected as a shunt resistance in branch (3).

6. AC current measuring bridge according to one or more of the preceding Claims, characterized in that one level of the largest of the decade resistance Decade is divided into two partial resistances and one of these partial resistances with such an ohmic value is connected in the circuit of the capacitor (C4) that the loss angle to be measured results from the formula T1.