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Scheinwiderstandsmeßbrücke
Bei einer Meßbrücke für Kapazitäten durch
Vergleich mit Normalkondensatoren ist es bekannt, wenige, insbesondere dekadisch
gestufte Normalkondensatoren unabhängig voneinander an belicbige Teilwerte des einen
der beiden Vergleichszweige von einem Brückeneckpunkt aus zo schalten, wie dies
z. B. in der Fig. 2 der Patentschrift 676 990 gezeigt ist. I) ie Erfindung hat sich
die Aufgabe gestellt, bei der Scheinwiderstandsmessung, bei Anwendung einer Reibenschaltung
der Normale für die Komponenten des nachzubildenden Scheinwiderstandes, ebenfalls
mit wenigen gestuften Werten von Normalkondensatoren auszukommen.
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Bei der bekannten Kapazitätsmeßbrücke wurde bereits eine Reihenschaltung
von Normalkondensator und geeichtem Widerstand angewandt, derart, daß die Normalkondensatoren
unabhängig voneinander an beliebige Teilwerte des einen Vergleichszweiges über einen
gemein samen geeichten Widerstand von einem Brückeneckpunkt aus geschaltet werden.
Man war jedoch der Ansicht, daß eine Eichung des Widerstandes in Verlustwinkeln
für eine gegebene Frequenz nur für Werte dieses Widerstandes möglich sei, die sehr
klein gegen 1/#C bleiben, wobei C die Summe der einzelnen Kapazitäten bezeichnet,
da man annahm, daß nur in diesem Fall die Ablesung unabhängig von dem jeweiligen
wirksamen Kapazitätswert ist. Man hat daher stets bei dem geeichten Reihenwiderstand
R < c gemacht. Damit war es aber praktisch unmöglich, Scheinwiderstände beliebigen
Winkels zu messen.
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Überraschenderweise zeigte es sich nun, daß sich für die Scheinwiderstandsmessung
befriedigende Resultate auch bei Reihen schaltung der Normale erzielen lassen, wenn
man, wie dies für die Kapazitätsmeßbrücke bekannt ist, wenige, insbesondere
(lekadisch
gestufte Normalkondensatoren unabhängig voneinander an beliebige Teilwerte des einen
Vergleichszweiges von einem Brückeneckpunkt aus schaltet, und zwar über einen gemeinsamen
gecichten Widcrstand.
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1)ie Erfindung bcsteht demgemäß darin, daß wenige, insbesondere dekadisch
gestufte Normalkondensatoren unabhängig voneinander an beliebige Teilwerte des einen
Vergleichszweiges von einem Brückeneckpunkt aus, und zwar über einen gemeinsamen,
in weitem Bereich einstellbaren, in der reellen Komponentc des zu messenden Scheinwiderstandes
geeichten Normalwiderstand anschaltbar sind.
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Die (Erfiildung sieht weiter vor, zwischen den Verbindungspunkt der
Normalkondensatoren mit dem Normal widerstand und den Verbindunspunkt der Vergleichxaeige
zusätzlich einen Kondensator zu schalten, oinsbesondere einen veränderbaeren Kondensator.
Hierdurch werden beachtliche Vorteile, insbes<>ndere hinsichtlich der vielseitigen
Verwendbarkeit der Meßbrücke, der besseren Auswertung und, der Veränderbarkeit dcs
als Normal benutzten Widerstandes in feinen Stufen erzielt, Wietere Einzelheiten
der Erfindung werden an Hand der Fig. I bis 4 erläutert. In der Fig. I ist das Schaltbild
einer Meßbrücke gemäß der Erfindung dargestellt.
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Die Fig. 2 zeigt die Meßbrücke in ihrer Anwendung für die Messung
kapazitiver, die Fig. 3 für die Messung induktiver Scheinwiderstände. In der Fig.
4 ist schließlich das bekannte Ersatzbild einer symmetrischen Drossel angegeben.
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In der Meßbrücke nach Fig. I werden die beiden VErgleichszerge AD
und DB durch einen Differentialiibertrager mit einer Ausgangswicklung, z. B. für
den Nullstromempfänger Ind. gebildet, wobei auf der brëckenseitigen Wicklung Abgriffe
dadurch gebildet werden daß sie in bekannter Weise als Drossel mit einer vielfädigen
Litze gewickelt wird, deren Fäden in Reihe geschaltet sind. Dadurch wird erreicht,
daß die gewünschte Unterteilung des Widerstandes oder der Spannung des betreffenden
Vergleichszweiges äußerst genau ist. Im Zweig ES der Brücke liegt der zu messende
Scheinwiderstand Zx, im anderen Brückenzweig sind die Normale angeordnet. Der geeichte,
einstellbare Widerstand R liegt mit einem Ende am Brückeneckpunkt E und ist an seinem
anderen Ende bei F mit den Normalkondensatoren C1, C2, C3 verbunden. Die Normalkondensatoren
C1. . C3, sind von diesem Punkt aus an Teilwerte des Vergleichszweiges AD gechaltet,
während der zusätzliche Kondensator C0, der besonders vorteilhaft durch einen Festkondensator
und einen parallel geschaltet en veränderbaren Kondensator gebildet ist, zwischen
dem .erbindungspunkt F und dem Brückeneckpunkt D, dem Mittelabgriff der Drossel
liegt. Die Meßstromquelle G ist zwischen die Brückeneckpunkte D tllld E geschaltet,
wenn erdsymmetrische Scheinwiderstände gemessen werden sollen; andernfalls tauschen
Stromquelle und Nullstromempfünger zweckmäßig ihre Plätze.
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Da der kupferwiderstnd der symmetrischen Drossel sehr klein ist (Größenordung
etwa 5 bis 10 Ohm je Wickungshdlfte) und die im Ersatzbild der Drossel (vgl. Fig.
4) vorhandenen Blindwiderstände unter normalen Verhältnissen noch klein gegen die
Kupferwiderstände sind, so fließen über die Kondensatoren C1... C3 immer die gleichen
Teilströme. Der Gesamtstrom I ist demnach, wenn vor die Gesamtkapazität C = C0 m
C1 4 C2 + C3 noch ein \N'iderstand R geschaltet ist"
und zwar unabhängig davon, an welchen Teilen der Wicklung die einzelnen Kondensatoren
abgreifen.
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Von den über die einzelnen Kondensatoren fließenden Teilströmen wird
in der Dmsselwicklung eine Durchflutung erzeugt, die für jeden Teilstrom dem abgegriffenen
Teil ai der Wicklung proportional ist. Bei drei Kondensatoren C1... C3 entspricht
z. B. die wirksame Durchflutung dem Ausdruck
mit C' ist dabei die an den Abgriffen abgelesene wirksame Kapazität bezeichnet.
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Man eI hält so
d. h. eine wirksame Reihenschaltung von Widerstand R' = R # C/C' und Kapazität C'
(an der vollen Wiclung abgegriffen gedacht). Die gesamte Durchflutung ist Null und
damit die Brücke abgeglichen, wenn R' und I, C' die Komponenten des an der anderen
Drosselwicklung liegenden z, sind. Ein weiterer Kondensator C0 am Abgriff Null der
Drosselmitte erscheint in der Formel für J' mit dem Faktor a0 0, beeinflußt also
nur C, nicht aber C'. Bei abgeglichener Brücke fallen die Widerstände des Nullzweiges
AB aus der Betrachtung heraus, was hier erwähnt sein soll. Der Widerstand zwischen
den Punkten A-B in Fig. 4 braucht daher, wie hier geschehen, nicht berücksichtigt
zu werden.
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Der gemäß der Erfindung vorgesehene Kondensator C0 ergibt die Möglichkeit
einer vielseitigen Verwendung der Meßbrücke, wie dies aus den Fig. 2 und 3 zu ersehen
ist. In der Fig. 2 ist die Verwendung als Meßbrücke für kapazitive Scheinwiderstände,
und in Fig. 3 die Verwendung für induktive Scheinwiderstände dargestellt. Für diesen
Zweck liegt parallel zu jeder der beiden Drosselwicklungen ein Ohmscher Widerstand
r, (Größenordnung z. B. jo Ohm). In der Schaltung der Kapazitätsmeßbrücke (Fig.
2) sind diese Widerstände bedeutungslos, für die Induktivitätsmessung bildet jedoch
einer der Widerstände r1 einen Brückenzweig. Die Anordnung ist so getroffen, daß
von der einen Schaltung durch nur eine Unterbrechung und einen Kurzschluß zur anderen
Schaltung übergegangen werden kann. Es sind dabei Mittel vorgesehen, z. B. Schalter
Sl, S2, um das freie Ender der die Kondensatorabgrife aufweisenden Drosselhälfte
mit dem Vergindungspunkt von Normal
widerstand und Normalkondensatoren
galvanisch zu verbinden und die Verbindung zwischen der Drosselmitte und em Verbindungspunkt
von zusätzlichem Kondensator und dem der anderen Drosselhälfte parallel geschalteten
Widerstand aufzuheben. In der Schaltug der Fig. 2 sind die Normalkondenstoren C1,...C3
nich im enizehne dargestellt, sondern lediglich durch den Kondenator C angedeutet.
Bei der Schaltung nach Fig. 3 sind diese Kondensatoren gänzlich weggelassen da sie
hier bedeutungslos sind.
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Bei der Inducktivitätsmessug mit der Bestimmungsgleichung Lx - R r1
# C0 kann in an sich bekannter Weise die Ohmsche Komponente rx des gesuchten induktiven
Scheinwiderstandes zx = rx t j W Lx unmittelbar durch einen Widerstand W parallel
zu C0 mit der Gleichung rx R#r1/# oder mittelbar durch lt, cinen Widerstandssern
zwisdhen dem Nullzweig FB und dem Verbindungspukt G von C0 und r1 bestimmt werilen,
worauf tier jedoch nicht eingtgangen zu werden hraucht. irlöctite man in der Schalturg
nach Fig. 3 nur einen Teil von C0 wirksam haben, so kann dies selbstätig dadruch
geschehen, daß der restliche Teil von C0 in der Schaltung nach Fig. 2 zwischen die
Punkte F uttd D statt zwischen F und G geschaltet wird. Wie bereits ausgeführt wurde,
geht in der Schaltung nach Fig. I oder 2 der Widerstand R als Komponente R' = R
C C/C' cin, worin C die Summenkapazität der Kondensatoren ist und C' g C ihr wirksamer,
an den Drosselabgriffen abgelesener Wert.
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Die gesuchten Komponenten des Scheinwiderstandes sind ann R' I, j
# C'.. ändert man R, so ändert sich im gleichen Maße R', und zwar nur R', während
C' in beide Komponenten so eingeht, daß der Winkel des Schcinwiderstandes unverändert
bleibt, weil ersieltt lielt I I tgq -# C' R' # C R bei festem R und gegeber Meßfdrequenz
# unabhägig non ileum Wert C' bestichen bleibt. Durch die Zusêtzliche Kapazität
CO, durch die, wie bereits ausge führt wurde, eine vielseitige Verwendbarkeit der
Meßbücke erzielt wird, kann man erreichen, daß die Gesamt kapazität C auf einen
runden Wert gebracht wird, so daß sich R' aus R sehr einfach umtechnen läßt Zur
Ausderhnung des Mereiches ist es vorteilhaft, m bekannter Weise den dm zu messenden
Kondensator bvenchbarten Vergleichszweig ebenfalls aufzuteilen, vorzugsweise in
dekadischer Form. Wenn die Meßklemmen für zx wahlwiese an ein Zhentel der Drosselspannung
geschaltet werden können, ist die Ablesung C' mit 10, die an R mit 0,1 zu multiplizieren/
das Zweite ergibt sich bereits aus der Formel für R' Man hat dann auch die erwünschte
Möglichkeit, kleinere Kapazitäten und größere Widerstände zu verwenden. Gleichzeitig
wird damit erreicht, daß C' niemals erheblich kleiner wird als C, also auch R' nicht
allzu groß gegen R. Immerhin treten in den zu messenden Scheinwiderständen bei hohen
Frequenzen kleine Ohmsche Komponenten auch bei kleinen Werten C' auf, so daß es
wünschenswert ist, für R eine möglichst fein von Null an veränderbare erste Stufe
zu haben. Dadurch, daß man den zusätzlichen Kondensator veränderbar macht, was z.
B. dadurch erfolgen kann, daß man ihm einen veränderbaren Kondensator parallel schaltet,
ergibt sich in einfacher Weise die Möglichkeit der Feineinstellung von R.
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Durch die Veränderung # C0 der zusätzlichen Kapazität wird nämlich
nur die Summenkapazität C, nicht aber die wirksame Kapazität C' verändert. d. h.,
es ändert sich lediglich die Komponente R', und zwar im Verhaltnis #C0/C Bei der
Scheinwiderstandsmeßbrücke gemäß der Erfindung besteht weiterhin die Möglichkeit,
einen der Normalkondensatoren veränderbar zu gestalten, um eine weitere Einstellungsmöglichkeit
zu erhalten.
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Die Erfindung sieht zu diesem Zweck vor, diesen Kondensator mit dem
zusätzlichen Kondensator C0 in einem Differntialondensator zu vereinigen, derart,
daß sich die Kapazität des zusätzlichen Kondensators im gleichen Maß, aber im entgegengesetzten
Sinn ändert, wie die Kapazität dieses Kondensators und die Summe der Kapazitäten
konstant bleibt.
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In an sich bekannter Weise können auch Umschaltmittel vorgesehen
sein, um von der Reihenschaltung der Normale auf parallele Komponenten (Leitwertkomponenten)
umzuschalten.