DE977397C

DE977397C - AC bridge

Info

Publication number: DE977397C
Application number: DET9465A
Authority: DE
Inventors: Waldemar Dipl-Ing Brueckel
Original assignee: TETTEX A G FABRIKATION ELEK SC
Current assignee: TETTEX A G FABRIKATION ELEK SC
Priority date: 1954-05-14
Filing date: 1954-05-14
Publication date: 1966-05-12

Description

Wechselstromb rücke Die Erfindung betrifft eineWechselstrombrüeke,) in deren einem Zweig zur Messung des Verlust winkels eines Kondensators ein Widerstand 1 ein dem Widerstand parallelgeschalteter veränderbarer Kondensator liegen.AC bridge The invention relates to an AC bridge,) in one branch for measuring the loss angle of a capacitor, a resistor 1 are a variable capacitor connected in parallel to the resistor.

Für die Messung von dielektrischen Verlusten und Kapazitäten sind Brücken bekannt, bei denen im Zweig » i « die zu untersuchende, verlustbehaftete Kapazität mit einer Normalkapazität im Zweig » 2 « verglichen wird. In den Zweigen » 3 « und » 4 « liegen entweder winkelfreie Widerstände oder ! Kapazitäten. Durch Anderung der Großen in den Zweigen » 2 « und » 3 « kann der Strom in der Meßdiagonale auf ein Minimum gebracht werden. Um ihn jedoch völlig zum Verschwinden zu bringen, hat man noch die Phasenverschiebung durch Phasenabgleich in einem der Zweige » 2 «, » 3 « oder » 4 « zu kompensieren. For the measurement of dielectric losses and capacitances are Bridges known where in branch "i" the lossy one to be examined Capacity is compared with a normal capacity in branch "2". In the branches "3" and "4" are either angle-free resistances or! Capacities. By The current in the measuring diagonal can change the large values in branches "2" and "3" be brought to a minimum. However, in order to make it disappear completely, you still have the phase shift by phase adjustment in one of the branches »2 «,» 3 «or» 4 «to compensate.

Bei einer sehr gebräuchlichen Wechselstrombrücke liegt zu diesem Zweck parallel zum Widerstand im Zweig » 4 « ein regelbarer Kondensator | C4. Bei abgeglichener Brücke wird dann tg#1 = R4###C4. In the case of a very common AC bridge, this is related to this Purpose in parallel to the resistor in branch "4" an adjustable capacitor | C4. at balanced bridge is then tg # 1 = R4 ### C4.

\ Gewöhnlich ist dabei der untere Brückenteil, bestehend aus den Zweigen » 3 « und » 4a mit der meßdiagonale und dem notwendigen Schalter, in einen abgeschirmten Kasten eingebaut. Aus praktischen Gründen ist R4 meist als umschaltbarer fester Widerstand mit den Werten R4 = (1, 2, 5) # ####### eingebaut, dem ein regelbarer Kondensator C4 mit 1 den drei Dekaden ro X (0, 1 + 0,01 + 0,001) µF und ein Drehkondensator mit der durch die Schaltkapazität gegebenen Anfangskapzität C40 = 50pF und der Endkapazität C4e = 1000 PF parallel geschaltet ist. Diese Parallelschaltung von R4 und C4 erzeugt bei der/= 50 Hz entsprechenden Kreisfrequenz (u = zoo einen Phasenwinkel #4, für den gilt : tg#4 = R4##C4 = (1, 2, 5)#10-nC4 [µF]. \ Usually the lower part of the bridge is made up of the Branches »3« and »4a with the measuring diagonal and the necessary switch into one shielded box built in. For practical reasons, R4 is mostly considered to be switchable Fixed resistor with the values R4 = (1, 2, 5) # ####### built in, to which an adjustable Capacitor C4 with 1 the three decades ro X (0, 1 + 0.01 + 0.001) µF and a Variable capacitor with the initial capacitance C40 given by the switching capacitance = 50pF and the end capacitance C4e = 1000 PF is connected in parallel. This parallel connection of R4 and C4 generates an angular frequency corresponding to / = 50 Hz (u = zoo a Phase angle # 4, for which the following applies: tg # 4 = R4 ## C4 = (1, 2, 5) # 10-nC4 [µF].

Hiermit ergibt sich nachstehende Tabelle, sofern die Klammer gleich i ist : Anfangs- Endwert n R4 tg#4 wert tg#40 tg#4e 0 104/E 1 #C4[µF] 5#10-5 1,111 1 103/# 0,1 #C4 5#10-7 0,111 2 102/# 0,01#C4 5.01-7 0,011111 Wie aus der Tabelle ersichtlich, ist der Anfangswert tg#4 = 0,5#10-4 bei dem größten Wert von R4 =--für die Messung von Verlustfaktoren, die selbst in der Größenordnung von 10"'liegen, untragbar. Andererseits kann dieser Anfangswert nur durch Verringerung von R4 und dadurch auch von R3 verkleinert werden, wodurch aber unter sonst gleichen Umstanden die Meßempfindlichkeit entsprechend abnimmt, so daB die Erweiterung des Meßbereiches nach kleinen Verlustfaktoren hin illusorisch gemacht wird.This results in the following table, provided that the brackets are equal to i: Start-end value n R4 tg # 4 value tg # 40 tg # 4e 0 104 / E 1 # C4 [µF] 5 # 10-5 1.111 1 103 / # 0.1 # C4 5 # 10-7 0.111 2 102 / # 0.01 # C4 5.01-7 0.011111 As can be seen from the table, the initial value tg # 4 = 0.5 # 10-4 with the largest value of R4 = - is intolerable for the measurement of loss factors which are even in the order of 10 "'. On the other hand, this initial value can only be reduced by reducing R4 and thereby also R3, which, however, under otherwise the same circumstances, reduces the measurement sensitivity accordingly, so that the expansion of the measurement range towards small loss factors is made illusory.

Wie aus der oben angegebenen Formel für dol hervorgeht, kann man den Verlustwinkel entweder druch Veränderung von C4 oder aber auch durch Veränderung von R4 messen. Dementsprechend wird bei einer anderen Ausführungsform der Brücke zur Verbilligung der Anordnung an Stelle des regelbaren Kondensators ein Festkondensator C4 vorgsehen, der je einem stetig einstellbaren Teil des Widerstandes R4 parallel geschaltet ist. As can be seen from the above formula for dol, one can the loss angle either by changing C4 or by changing it measure from R4. Accordingly, in another embodiment of the bridge a fixed capacitor instead of the adjustable capacitor to make the arrangement cheaper Provide C4, each of which is a continuously adjustable part of the resistor R4 in parallel is switched.

Bezeichnet man diesen Teilwiderstand mit R4b = b#R4, so ergibt sich angenähert tg#4 = b2#R4###C4 Um den Teilwiderstand R4b stetig einstellbar zu machen, wird der Widerstand R4 als Potentiometer mit einem Wendelschleifdraht ausgebildet. Bei dieser Anordnung erhält das Potentiometer R4 für den Abgriff R4b eine quadratische Skala, an der bei entsprechender Eichung tg 994 abgelesen werden kann. If you denote this partial resistance with R4b = b # R4, the result is approximated tg # 4 = b2 # R4 ### C4 To make the partial resistance R4b continuously adjustable, the resistor R4 is designed as a potentiometer with a helical loop wire. With this arrangement, the potentiometer R4 for the tap R4b is given a square Scale on which tg 994 can be read off when properly calibrated.

Für die Ablesegenauigkeit bei kleinen Phasenwinkeln 994 ist die Größe der Anfangsteilung der quadratischen Skala maßgebend. Bei einer gegebenen, aus praktischen Gründen gewählten Länge der Schleifdrahtwendel von L = 100 cm und für eine ausgeführte Brücke mit R4 = 100 Ohm und C4 = 4µF ergibt sich die nachstehende Anfangsteilung : tg#4 = 0 10-5 2 5 01-4 2 5 10-3 1 = 0 0,895 1,25 2,0 2,83 4 6,30 8,95 cm Selbst bei dem verhältnismäßig kleinen Widerstand R4 = zoo Ohm, der keine große MeBempfindlichkeit erwarten läßt, ist also die Teilung der Skala für tg#4 < 10-4 ziemlich eng, so daß Variationen des entsprechenden Verlustfaktorstg8, nur recht grob abgelesen werden können. Abgesehen davon, ist diese Brücke nicht mehr als Universalbrücke für andere Zwecke verwendbar.The size of the initial graduation of the square scale is decisive for the reading accuracy at small phase angles 994. With a given length of the grinding wire helix of L = 100 cm, chosen for practical reasons, and for a bridge with R4 = 100 Ohm and C4 = 4µF, the following initial division results: tg # 4 = 0 10-5 2 5 01-4 2 5 10-3 1 = 0 0.895 1.25 2.0 2.83 4 6.30 8.95 cm Even with the relatively small resistance R4 = zoo ohms, which does not suggest a high measurement sensitivity, the division of the scale for tg # 4 <10-4 is quite narrow, so that variations in the corresponding loss factor tg8 can only be read off very roughly. Apart from that, this bridge can no longer be used as a universal bridge for other purposes.

Will man bei dieser bekannten Wechselstrombrücke den Meßbereich für den Verlustwinkel verändern, so muß man entweder den Widerstand R4 oder den Festkondensator C4 auswechseln. Beide Möglichkeiten sind aber nicht sehr zweckmäßig, weil die Brücke entwedermehrereWiderstände mit verstellbarem Abgriff oder mehrere Festkondensatoren C4 aufweisen müßte. Auf diese Weise würde der Aufbau der Brücke recht umständlich und teuer werden, da sowohl Widerstände mit verstellbaren Abgriffen als auch Festkondensatoren verhältnismäßig kostspielige Einzelteile sind. If you want the measuring range for this known AC bridge change the loss angle, one must either use the resistor R4 or the fixed capacitor Replace the C4. Both options are not very useful because the bridge either several resistors with adjustable tap or several fixed capacitors Should have C4. In this way, the construction of the bridge would be quite cumbersome and become expensive, since both resistors with adjustable taps and fixed capacitors are relatively expensive items.

Es wurden auch schon Schleifdrahtbrücken bekannt, bei denen im Nebenbruckenzweig regelbare Induktivitäten vorgesehen waren, die dem Widerstand und einem dazu parallelgeschalteten Festkondensator vorgeschaltet waren, weil man die Verwendung veränderbarer Kondensatoren als wirtschaftlich nachteilig ansah. Die gleiche aberlegung liegt auch einer anderen bekannten Schleifdrahtbrücke zugrunde, bie der zwei parallelgeschaltete Wendelschelidrähte vorgesehen waren, boei mit dem Schleifkontakt des einen Schleifarahtes durch einen parallelgeschalteten Festkondensator die Abgleichung nach dem Verlustwinkel bewirkt wurde, während mit dem Schleifkontakt des anderen Schleifdrahtes die Brücke nach dem Kapazitätsverhältnis von Prüfling und Normalkondensator abgeglichen wurde ; Bei diesen bekannten Schleifdrahtbrücken war es aber nicht möglich, durch einfaches Umschalten eines Schalters den Meßbereich um eine bestimmten Faktor zu verändern, so daß sich der Übergang von größeren zu kleineren Verlustwinkeln mit ausreichender Schnelligkeit und ohne Einschaltung zusätzlicher Kapazitäten und/oder Widerstände hätte durchführen lassen. There are already sliding wire bridges known, with those in the branch of the bridge adjustable inductances were provided, the resistor and one connected in parallel Fixed capacitor were connected upstream because one used changeable capacitors regarded as economically disadvantageous. The same but also lies with another known sliding wire bridge is based on the two parallel-connected helical shield wires were provided, boei with the sliding contact of one loop through one Fixed capacitor connected in parallel causes the adjustment according to the loss angle was, while with the sliding contact of the other sliding wire the bridge after the capacitance ratio of test object and normal capacitor has been adjusted; With these known sliding wire bridges, however, it was not possible to simply Switching a switch to change the measuring range by a certain factor, so that the transition from larger to smaller loss angles with sufficient Speed and without the involvement of additional capacities and / or resistances would have had it carried out.

Demgegenüber wird erfindungsgemäß die Erweiterung des Meßbereiches hinschtlich des zu messenden Verlustfaktors von 10-4 nach kleineren Werten hin, unter Aufrechterhaltung der ursprünglichen Schaltung einer Wechselstrombrüclke, so daß dieselbe nach wie vor als Universalbrücke verwendbar ist und zur Messung des Verlustwinkels in einem Zweig einen zu einem Widerstand parallelgeschalteten veränderbaren Kondensator hat, da- durch erzielt, daß der Widerstand in zwei feste Teilwiderstände unterteilt ist und der parallel zum Widerstand geschaltete veränderbare Kondensator mittels eines Umschalters wahlweise zur Messung von Verlustwinkeln bis 10-4 dem ganzen im Brükkenzweig liegenden Widerstand und zur Messung von Verlustwinkeln von weniger als IO-4 nur dem einen Teilwiderstand parallel geschaltet werden kann.In contrast, according to the invention, the expansion of the measuring range in terms of the loss factor to be measured of 10-4 towards smaller values, while maintaining the original circuit of an AC bridge, so that the same can still be used as a universal bridge and for measurement of the loss angle in a branch is connected in parallel to a resistor changeable capacitor, that achieved through that resistance is divided into two fixed partial resistances and the one connected in parallel to the resistor Changeable capacitor by means of a changeover switch, optionally for measuring loss angles up to 10-4 the entire resistance in the bridge branch and for measuring loss angles of less than IO-4 can only be connected in parallel to one partial resistor.

Diese neuartige Gestaltung der Wechselstrombrücke macht es erstmalig möglich, bei einer Wechselstrombrücke, in deren einem Zweig zur Messung des Verlustwinkels eines Kondensators ein Widerstand und ein ihm parallelgeschalteter veränderbarer Kondensator liegen, durch einfache Umschaltung eines Schalters den Meßbereich um einen bestimmten Faktor zu verändern, so daß sich der Übergang von größeren zu kleineren Verlustwinkeln äußerst schnell sowie ohne Einschaltung zusätzlicher Kapazitäten und/oder Widerstände durchführen läßt. This new design of the AC bridge makes it the first time possible with an AC bridge, in one branch of which to measure the loss angle of a capacitor, a resistor and a variable connected in parallel to it Capacitor lie around the measuring range by simply switching a switch to change a certain factor, so that the transition from larger to smaller Loss angles extremely quickly and without the need for additional capacities and / or resistances can be carried out.

Wie man den Widerstand R4 in zwei feste Teilwiderstände unterteilt, d. h. welches Widerstandsverhältnis die beiden festen Teilwiderstände haben, hängt davon ab, um welchen Faktor man den Meßbereich bei der Umschaltung verändern will. Als sehr praktisch hat sich erwiesen, daß der Widerstand im Brückenzweig derart aufgeteilt ist, daß bei dem Teilwiderstand parallelgeschaltetem Kondensator der abgelesene Verlustwinkel I des bei Parallelschaltung zu dem ganzen Widerstand gemessenen Verlustwinkels beträgt. How to divide resistor R4 into two fixed partial resistances, d. H. which resistance ratio the two fixed partial resistances have depends depends on the factor by which you want to change the measuring range when switching. It has proven to be very practical that the resistance in the bridge branch is in such a way is divided that in the partial resistance of the capacitor connected in parallel read loss angle I of the measured with parallel connection to the entire resistor Loss angle is.

Wenn der Widerstand R4 die Form von mehreren abgestuften und wahlweise einschaltbaren Ohmwerten hat, so müssen diese alle im gleichen Verhältnis in je zwei feste Teilwiderstände unterteilt sein, damit sich der Meßbereich für den Verlustwinkel stets um den gleichen Faktor ändert, gleichgültig, welche Stufe des Widerstandes R4 gerade eingeschaltet ist. When the resistor R4 takes the form of several graded and optional has switchable ohmic values, these must all have the same ratio in each two fixed partial resistances, so that the measuring range for the loss angle always changes by the same factor, regardless of the level of resistance R4 is currently switched on.

An Hand der Zeichnung sei das Wesen der Erfindung näher erläutert, Die Zeichnung zeigt das Schema einer erfindungsgemäßen Meßbrücke, wobei der Zweig » 4 « im Gegensatz zu den Zweigen » I «, » 2 « und » 3 « mit seinen Einzelheiten dargestellt ist. Der ganze untere Brückenteil mit den Widerständen R3, Ro, dem veränderbaren Kondensator C4 und die Meßdiagonale a, b mit dem gezeichneten Schalter im Zweig » 4 « und dem nicht gezeichneten Schalter im Zweig » 3 « ist in einen abgeschirmten Kasten eingebaut. The essence of the invention is explained in more detail using the drawing, The drawing shows the scheme of a measuring bridge according to the invention, the branch "4" in contrast to the branches "I", "2" and "3" with their details is shown. The whole lower part of the bridge with the resistors R3, Ro, the changeable one Capacitor C4 and the measuring diagonal a, b with the switch shown in the branch "4" and the switch (not shown) in branch "3" are shielded Built-in box.

Zur Ausschaltung unbestimmter Streuungen gegen Erde und kapazitiver Kopplungen zwischen den Brückenzweigen ist die Abschirmung durch bekannte Mittel auf das mit der Meßdiagonale übereinstimmende Potential gebracht.For the elimination of indefinite scatter to earth and capacitive Coupling between the bridge branches is the shielding by known means brought to the potential corresponding to the measuring diagonal.

Von dem praktisch winkelfreien Widerstand R4, bestehend aus den sechs Stufen i, 2,5, I0, 20 und 50, wird mittels des Schalters Si jeweils die dem Meßbereich entsprechende Stufe an den Eckpunkt b der Meßdiagonale geschaltet, in der das Nullinstrument mit G bezeichnet ist. Der Widerstand R4 kann beispielsweise aus den Stufen 10000 5000 2000 1000 500 200 #, #, #, #, # und # Ohm oder aus dekadisch abgestuften Werten zu ioooo, 5000, 2000, look, 500 und 200 Ohm bestehen. Jede Stufe wiederum ist unterteilt in je zwei Teilwiderstände p und q, wobei die Teilwiderstände p und q in allen Stufen das gleiche Widerstandsverhältnis aufweisen. Die Verbindungspunkte zwischen je zwei Teilwiderständen p und q ist jeweils an einen festen Kontakt des Schalters S2, der mit dem Schalter S1 mechanisch gekoppelt ist, geführt, so daß beim Umschalten auf eine bestimmte Stufe gleichzeitig der dieser Stufe entsprechende Abgriff am Schalter S2 mit dem beweglichen Kontakt verbunden wird. From the practically angle-free resistor R4, consisting of the six Levels i, 2.5, I0, 20 and 50, the respective measuring range is set by means of the switch Si corresponding step connected to the corner point b of the measuring diagonal in which the zero instrument is denoted by G. The resistor R4 can, for example, consist of steps 10000 5000 2000 1000 500 200 #, #, #, #, # and # Ohm or from decadic values consist of ioooo, 5000, 2000, look, 500 and 200 ohms. Each level is in turn subdivided in two partial resistances p and q, with the partial resistances p and q in all stages have the same resistance ratio. The connection points between each two Partial resistances p and q are each connected to a fixed contact of switch S2, the is mechanically coupled to the switch S1, so that when switching to a certain stage at the same time the tap on the switch corresponding to this stage S2 is connected to the movable contact.

Der bewegliche Kontakt des Schalters S2 ist mit dem festen Kontakt » ### « eines Umschalters S3 verbunden, dessen beweglicher Kontakt an einer Seite des veränderbaren Kondensators C4 liegt. Die andere Seite des Kondensators C4 ist mit dem unteren Eckpunkt v, an den ebenfalls die Widerstände Ru und R4 angeschlossen sind, in Verbindung. Am oberen Eckpunkt u wird die Speisespannung zugeführt. Der zweite feste Kontakt » I « des Umschalters S3 ist mit dem Eckpunkt b verbunden. The moving contact of the switch S2 is with the fixed contact »###« of a changeover switch S3 connected, its moving contact on one side of the variable capacitor C4 lies. The other side of the capacitor is C4 with the lower corner point v, to which the resistors Ru and R4 are also connected are connected. The supply voltage is supplied at the upper corner point u. Of the second fixed contact "I" of switch S3 is connected to corner point b.

Die Aufteilung des Widerstandes R4 in die Teilwiderstände p und q ist nun in allen Stufen von R4 derart, daß in der Stellung » ### « des Schalters S3 bei der der veränderbare Kondensator C4 nur an dem Teilwiderstand q liegt, der abgelesene Verlustwinkel des auf der Stellung » I « gemessene Wertes bertägt. Ist nun die Brücke zur Messung von Verlustwinkeln bis 10-4 ausgeführt, so ist es durch Umlegen des Schalters auf x- « möglich, diesen Bereich auf 10-6 zu vergrößern. The division of the resistor R4 into the partial resistances p and q is now in all stages of R4 such that in the "###" position of the switch S3 in which the variable capacitor C4 is only connected to the partial resistance q, the The read loss angle of the value measured on position "I" is transmitted. is now the bridge for measuring loss angles up to 10-4 is done, so it's done Switching the switch to x- «possible to enlarge this area to 10-6.

Bei abgestimmten Brücken bestimmt sich der Verlustwinkel aus der Formel tg # = R4###C4 und die Kapazität aus C1 = C2#R4/R3 Besteht der Widerstand aus Stufen mit Vielfachen von jr, so ist aus der Formel ersichtlich, daB sich dieselbe für tg# vereinfacht auf R4#C4#2f, d, h. für die Netzfrequenz von 50 Hz wird tgb = R4-C4-I00. Andererseits muß in diesem Fall die Größe ? bei der Berechnung der Kapazität tyerücksichtigt werden. With coordinated bridges, the loss angle is determined from the Formula tg # = R4 ### C4 and the capacitance from C1 = C2 # R4 / R3 If the resistance exists from steps with multiples of jr, it can be seen from the formula that the same for tg # simplified to R4 # C4 # 2f, d, h. for the mains frequency of 50 Hz, tgb = R4-C4-100. On the other hand, in this case must the size? when calculating the Capacity must be taken into account.

Wird jedoch der Widerstand dekadisch abgestuft, so vereinfacht sich die Formel für die Kapazität, indem die Größe aus der Rechnung herausfällt.However, if the resistance is graduated decadically, it is simplified the formula for capacity by making size off the bill.

Wird beispielsweise die Brücke für ausschließliche Kapazitätsmessungen verwendet, so ist es von Vorteil, die dekadische Abstufung zu verwenden.For example, the bridge is used for capacity measurements only is used, it is advantageous to use the decadic graduation.

Claims

PATENT APPRt} CHE i. AC bridge, in one branch of which to Measurement of the loss angle of a capacitor using a resistor and a resistor parallel connected variable capacitor, characterized in that the resistor (R4) divided into two fixed partial resistances (p, q) and the one parallel to the resistor (R switched variable capacitor (C4) by means of a Umschlaters optionally for measuring loss angles up to 10-4 of the whole in the bridge branch (4) Resistance (p, q) and for measuring loss angles less than 10-4 only dem a partial resistor (q) can be connected in parallel.

2. AC current measuring bridge according to claim r, characterized in that that the resistor (R4) in the bridge branch (4) is divided in such a way that the partial resistance (q) parallel connected capacitor (C4) the read loss angle of the parallel connected to the total resistance (p, q) measured loss angle.

3. AC current measuring bridge according to claim i, characterized in that that the resistor (R4) takes the form of several decadic and optional switchable ohmic values, which are all divided in the same ratio (p, q) are.

4. AC current measuring bridge according to claim 1, characterized in that that the resistor (R4) consists of steps, the ohmic values of which each have a multiple of # are.

Publications considered: German patent publications No. 516 002, 676 990, 692 153, 879 268; "ATM", J 921-3, September 1932, J 921-14, July 1939, J 921-15, November 1939; »Magazine Instr. «, 47 (1927), Instr. 283, 284 pp.

“Arch. Electrot. «, 2 (19I4), pp. 263 to 275 17 (1926), pp. 20I to 205; H&B brochure M 14-2, »Portable Schlif. wire loss measuring bridge after Schering MES 2 «April 1942.