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Anordnung zur Messung des Verlustwiderstandes von Spulen, .Ursbesondere
von kleinen Spulen bei tiefen Frequenzen
Zur Messung der Verlustwiderstände von Spulen
werden in der Regel Brücken- oder Kompensationsschaltungen angewendet. Diese Anordnungen
besitzen jedoch nur eine begrenzte Meßgenauigkeit, und die Bestimmung der Verlustwiderstände
bereitet große Schwierigkeiten, wenn Meßgenauigkeiten in der Größenordnung von O,OI
Ohm gefordert werden.
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Diese Schwierigkeiten sind bei dem in Fig. I dargestellten bekannten
Buschkompensator, bei dem M eine veränderbare Gegeninduktivität, Lx die zu messende
Induktivität, R, deren Verlustwiderstand, W einen Spannungswandler, RN einen Normalwiderstand,
G die Wechselstromquelle und J das Anzeigegerät bedeutet, vor allem darin bedingt,
daß der Verlustwiderstand nicht mit genügender Genauigkeit ermittelt werden kann.
Außerdem hat diese Schaltung den Nachteil, daß die Realisierung der genauen verlustarmen
Gegeninduktivität auf erhebliche Schwierigkeiten stößt. Für die Gegeninduktivität
kann nur eine Luftspule in Frage kommen. Für den Bereich der üblichen Piipinspulen
(z. B. 3 3... zu zu 200 mH) müßte die Gegeninduktivität auch diesen Bereich haben.
Eine Luftspule von 200 mH muß aber eine sehr große Windungszahl haben. Abgesehen
von Stromverdrängungsverlusten treten dadurch, daß die magnetischen Kraftlinien
durch erhebliche Kupfermassen hindurch müssen,
Kupferwirbelstromverluste
auf. Hinzu kommt, daß die Eigenkapazität der Spule eine Reihe dielektrischer Verluste
zur Folge hat. Außerdem bringt die Eigenkapazität in der komplexen Zusammenschaltung
mit der Induktivität und dem erheblichen Kupferwiderstand Verluste und Phasenfehler.
Um Fehler durch Streuung zu vermeiden, müssen beide Wicklungen der Gegeninduktivität
M eng gekoppelt sein. Dies bewirkt eine große Kapazität von Wicklung zu Wicklung
und weitere Phasenfehler.
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Ganz besondere Schwierigkeiten bereitet außerdem die Umschaltung
der Gegeninduktivität auf jeden gewünschten Wert. Der damit verbundene Aufwand an
Gegeninduktivitäten ist erheblich.
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Außerdem bringen die Schalter, deren Übergangswiderstände und Kapazitäten
neue Fehler.
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Um diese Schwierigkeiten der Umschaltung zu umgehen, werden häufig
auswechselbare Gegeninduktivitäten entsprechend den zu messenden Spulen verwendet.
Dadurch ist das Gerät aber für universelle Anendung sehr ungeelignls!t, in:sbesondere
bei Massenprüfuiigen mit verschiedenartigsten Werten.
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Bei der abgeänderten bekannten Buschkompensatorschaltung nach Fig.
2 dagegen, bei der bei sonst gleicher Schaltung wie in Fig. I die Gegeninduktivität
M durch einen veränderlichen Kondensator CN ersetzt wird, ist die erforderliche
Genauigkeit nur bei höheren Frequenzen erzielbar, denn bei niedrigeren Frequenzen
wären zu große Kondensatoren erforderlich. Zur Messung des Verlustwinkels einer
Spule von I mm bei 1000 Hz wäre z. B. bereits ein Kondensator von 25 ,uF notwendig.
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Da diese Kondensatoren außerdem veränderbar bzw. umschaltbar sein
müssen, können sich erhebliche Fehlerquellen ergeben, die die Meßgenauigkeit stark
beeinträchtigen, auch können diese Kondensatoren nicht mit genügend kleinem Verlustwinkel
hergestellt werden.
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Das gleiche gilt für Brückenschaltungen, z. B. für die bekannte Maxwellbrücke.
Auch hier ergeben sich bei verschiedenen Meßfrequenzen und Spulengrößen Meßkondensatoren
bzw. Brückenwiderstände solcher Größe, daß die für die gewünschte Meßgenauigkeit
erforderlichen kleinen Verlustwinkel der Kondensatoren bzw. die Phasenreinheit der
Widerstände praktisch nicht erreicht werden können. Grundsätzlich hat die Kompensationsschaltung
gegenüber der Brückenschaltung den Vorteil, daß der meist lästige Kupferwiderstand
der zu untersuchenden Spule praktisch unwirksam gemacht wird. Eine genaue Verlustwiderstandsmessung
setzt genauen Stromfluß voraus. Dieser kann in den Kompensationsschaltungen bedeutend
einfacher gemessen werden als in Brückenschaltungen.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Messung des Verlustwiderstandes
von Spulen, insbesondere von kleinen Spule« bei tiefen Frequenzen, mit Hilfe einer
Kompensationsschsaltung, bei der in Reihe zu der zu messenden Spule ein Kondensator
zur Blindwiderstandskompensation und ein regelbarer Ohmscher Widerstrtnd- mit zur
Phase des Spulenverlustwiderstandes entgegengesetzter Phase zur Verlustwiderstandskompensation
geschaltet ist.
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Erfindungsgemäß ist in Reihe zur Spule ein fester Normalkondensator
geschaltet und ein phasenreiner Gegentakt-Kathodenverstärker vorgesehen, an dessen
Röhren die Blindspannungen des Normalkondensators und der Spule liegen, und die
Blindwiderstandskompensation erfolgt durch einen variablen Abgriff am Kathodenwiderstand
der am Kodensator liegenden Röhre.
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Dadurch, daß die Spannungen an der Spule und am Kondensator je an
eine Kathodenverstärkerröhre gelegt sind, die als Impedanzwandler mit sehr hohem
Eingangswiderstand arbeitet, und durch die Möglichkeit, am Kathodenwiderstand der
einen Röhre nur eine Teilspannung der am Kondensator entstehenden Blindspannung
abzugreifen, kann man den Kondensator relativ klein machen.
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Er braucht dann auch nicht umschaltbar zu sein, so daß man ihn als
Luftkondensator mit sehr kleinem Verlustwinkel ausbilden kann. Die Kapazität ist
in keiner Weise kritisch, nur muß die Spannung am Kondensator stets größer als die
an der zu messenden Spule sein.
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Die Verwendung eines symmetrischen Gegentakt -Kathodenverstärkers
mit seiner sehr starken Gegenkopplung bietet die Gewähr dafür, daß die durch den
verlustarmen Normalkondensator erreichte Phasenreinheit auch in der eigentlichen
Kompensationsschaltung an den Kathodenwiderständen erhalten bleibt und nicht durch
irgendwelche Schalt- und Röhrenkapazitäten beeinträchtigt wird.
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In Fig. 3 ist eine Meßanordnung gemäß der Erfindung dargestellt.
Die vom Generator G gelieferte Meßspannung wird über einen Eingangsübertrager Ut
an die Reihenschaltung von CN, Lx mit RV und RN gelegt, der Verbindungspunkt zwischen
CN und Lx ist geerdet. Der Kathoden-Gegentaktverstärker besteht aus den Röhren Rö1
und Rö2, deren Kathoden über je einen Widerstand R1 bzw. R2 geerdet sind. Zwischen
Erde und Gitter der Röhre Rö1 ist die Spannung am Kondensator CN und zwischen Erde
und Gitter der Röhre Rö2 ist die an der Reihenschaltung LX, RV, RN auftretende Spannung
gelegt, wobei der Spannungsabfall an RN in bekannter Weise durch den Spannungswandler
W um 1800 in der Phase gedreht wird. Da der Kondensator CN fest ist, sind die Blindkomponenten
der beiden Spannungen je nach Frequenz und Spulengröße verschieden. Der Meßbereich
ist durch die Größe des Kondensators bestimmt, da die an ihm entstehende Spannung
stets größer sein muß als die am Prüfling entstehende Spannung. Die erforderliche
Phasenreinheit der Verstärkeranordnung läßt sich bei geeignetem symmetrischem Aufbau
der Schaltung leicht erreichen.
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An den Kathodenwiderständen Rl, R2 der beiden Röhren entstehen nun
Spannungsabfälle, die den Spannungen Ut an CN und U2 an Lx im abgeglichenen Zustand
der Schaltung proportional sind, in welchem Zustand die Spannungen an RV und RN
sich
gegenseitig kompensieren. Vom Kathodenwiderstand R1 wird nun eine so große Blindspannung
abgegriffen, daß sie der Blindspannung am Kathodenwiderstand R2 gleich ist. Beide
Spannungen werden einander entgegengeschaltet, so daß in dem über den beiden Kathodenwiderständen
gebjldeten und den Ausgangsübertrager t72 enthaltenden Anzeigekreis die Blindspannungen
kompensiert sind. An der Primärwicklung des Ausgangsübertragers bleibt beim Wert
RN = 0 nur noch die durch den Verlustwiderstand RV hervorgerufene Spannung übrig.
Diese wird nun, wie bereits erwähnt, durch eine Gegenspannung.kompensiert, welche
an dem in Reihe zur Spule Lx geschalteten regelbaren Normalwiderstanld RN abfällt
und durch den Spanr nungswandler W in der Phase um I800 gedreht wird.
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Als Normalwiderstände werden zweckmäßig dekadisch abgestufte Regeiwiderstände
verwendet.
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Dabei kann grundsätzlich der Normalwiderstand im Verhältnis I: I
dem Verlustwiderstand entgegengeschaltet werden. Bei den zumeist kleinen Verlustwiderständen
können jedoch Übergangswiderstände an den Dekadenschaltern bereits die Meßtoleranz
überschreitende Meßfehler zur Folge haben. Deshalb ist es vorteilhaft, die Widerstandsdekade
groß, z. B. Iomal größer als die Verlustwiderstände, zu machen und die der Spannung
am Verlustwiderstand entgegenzuschaltende Spannung durch den Wandler entsprechend
herunterzusetzen.
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Der Spannungswandler kann mit sehr großer Genauigkeit hergestellt
werden, so daß durch ihn das Meßergebnis um höchstens IO/oo gefälscht wird.
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Die Anzeige des Verlustwiderstandes erfolgt direkt in Ohm am Normalwiderstand.
Sie ist frequenzunabhängig. Bei Änderung der Meßfrequenz sind lediglich die Blindkomponenten
der Spannungen durch Regeln am Potentiometer R wieder zu kompensieren.
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Um Phasenfehler durch Erdkapazitäten der beiden Übertrager zu vermeiden,
müssen deren innere Wicklungen kapazitätsarm gegen Erde sein.