DE602707C - AC resistance measuring bridge - Google Patents

Description

Wechselstromwiderstands-Meßbrücke Die Erfindung betrifft Meßbrücken zum Messen von Impedanzen, Phasenwinkeln usw. derjenigen Art, in welchen sowohl die festen Vergleichswiderstände als auch der veränderliche Vergleichswiderstand rein Ohmsche Widerstände sind und die die Wechselstromquelle enthaltende Diagonale mit einem Nebenschluß yersehen ist, der aus einem Ausgleichswiderstand und der Erstwicklung eines Korrektionsübertragers besteht, dessen Zweitwicklung in der anderen Diagonale in Reihe mit dem Indikator liegt. Bei der bekannten Anordnung dieser Art muß der in dem Nebenschluß liegende Ausgleichswiderstand bei jeder Veränderung der Frequenz zur Erzielung der erforderlichen Phasengleichheit zwischen der aufgedrückten Spannung und dem Strom in dem Nebenschluß verändert werden. Die Erfindung bezweckt, die Messung mit einer solchen Brücke dadurch zu vereinfachen, daß der erwähnte Ausgleichswiderstand so ausgebildet wird, daß er zusammen mit der Erstwicklung des Korrektionstransformators eine von der Frequenz unabhängige reelle Impedanz bildet.AC Resistance Measuring Bridge The invention relates to measuring bridges for measuring impedances, phase angles, etc. of the kind in which both the fixed reference resistances as well as the variable reference resistance are purely ohmic resistances and the diagonal containing the alternating current source is seen with a shunt, which consists of a balancing resistor and the first winding of a correction transformer whose second winding is in the other diagonal is in series with the indicator. In the known arrangement of this type, the must balancing resistance lying in the shunt with every change in frequency to achieve the required phase equality between the applied voltage and the current in the shunt can be changed. The invention aims to measure to simplify with such a bridge that the mentioned balancing resistance is designed so that it is together with the first winding of the correction transformer forms a real impedance independent of the frequency.

Die Erfindung soll an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail with reference to the drawings.

Es zeigen Fig. i zum Vergleich die bekannte Anordnung, Fig. a schematisch eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung, Fig.3 gleichfalls schematisch eine allgemeinere Ausführungsform der Erfindung und Fig. q. ein Diagramm zur Erläuterung des Meßvorganges.FIG. 1 shows the known arrangement for comparison, FIG. A schematically an example embodiment of the invention, Figure 3 also schematically a more general embodiment of the invention and FIG. a diagram for explanation of the measuring process.

In der bekannten Brücke nach Fig. i bestehen drei der Seiten aus Ohmschen Widerständen, nämlich zwei untereinander gleichen, konstanten festen Vergleichswiderständen R und einem veränderlichen Vergleichswiderstand N, während die vierte Seite aus der zu messenden Impedanz X gebildet wird. Im Nebenschluß zu der Diagonale, welche die Wechselstromquelle G enthält, liegt eine Ausgleichsimpedanz Ai, die aus einem festen Kondensator C und einem veränderlichen Widerstand r in Nebeneinanderschaltung besteht. In Reihe mit diesem Ausgleichswiderstand liegt die Erstwicklung LP des Korrektionsübertragers, dessen Zweitwicklung L" in die andere Diagonale in Reihe mit dem Indikator, beispielsweise dem Telephon T, eingeschaltet ist. Dieser Nebenschluß kann außerdem einen veränderlichen Ohmschen Widerstand K enthalten. Bei der Messung werden die Widerstände N und r und die Kopplung zwischen L, und L, so verändert, daß ein Lautminimum im Telephon erhalten wird. Wenn diese Einstellung richtig ausgeführt wurde, ist der Strom in dem Nebenschluß gleichphasig mit der aufgedrückten Spannung und also auch gleichphasig mit dem Strom in den Widerständen R. Die Spannungsverhältnisse bei Stromlosigkeit des Telephonzweiges gehen aus Fig. ¢ hervor. Hier bedeutet V die Klemmenspannung des Generators G; I1 ist der Strom durch die beiden Ohmschen Widerstände R. Der Vergleichswiderstand N und die zu bestimmende Impedanz X sind von demselben Strom I2 durchflossen. I3 ist der Strom durch die Erstwicklung des Transformators, und 117 ist sein Gegeninduktivitätskoeffizient. Die in der Zweitwicklung L, induzierte EMK a) 11i113 ist demnach gegenüber dein Strom durch den Widerstand R um 9o° phasenverschoben. Diese induzierte EMK ist andererseits größengleich und gleichphasig der Spannung zwischen den Eckpunkten der Brücke, an welche die Telephondiagonale angeschlossen ist. Die Klemmenspannung an der Impedanz X ist größengleich der Klemnienspannung des Vergleichswiderstandes N und im Verhältnis zu dieser um einen Winkel 9p in der Phase verschoben, d. h. den Phasenwinkel der gesuchten Impedanz. Die absolute Größe der gesuchten Impedanz ist also gleich dem eingestellten Wert am Vergleichswiderstand N, und für den Phasenwinkel gilt worin ill den Koeffizienten der gegenseitigen Induktion des Korrektionsübertragers und P die reelle Impedanz des mit dem Generator G parallel geschalteten Nebenschlusses darstellt. Wenn die Impedanz P der Frequenz proportional ist, kann der Phasenwinkel an einer geeigneten Skala abgelesen werden, beispielsweise an dem Drehgriff o. dgl., mit welchem die Kopplung des Übertragers eingestellt wird. Diese Einstellung des absoluten Wertes der Nebenschlußimpedanz in Abhängigkeit von der Frequenz wird durch den Widerstand K bewirkt, der mit einer geeigneten Frequenzeinteilung versehen ist.In the known bridge according to FIG. In the shunt to the diagonal which contains the alternating current source G, there is a balancing impedance Ai, which consists of a fixed capacitor C and a variable resistor r in parallel connection. In series with this equalizing resistor is the first winding LP of the correction transformer, the second winding L "of which is connected in the other diagonal in series with the indicator, for example the telephone T. This shunt can also contain a variable ohmic resistance K. During the measurement, the Resistances N and r and the coupling between L, and L, changed so that a sound minimum is obtained in the telephone. If this setting has been carried out correctly, the current in the shunt is in phase with the applied voltage and therefore also in phase with the current in the resistors R. The voltage ratios when there is no current in the telephone branch can be seen in Fig. 1. Here, V means the terminal voltage of the generator G; I1 is the current through the two ohmic resistors R. The comparison resistance N and the impedance X to be determined are of the same current I2 is flowing through. I3 is the current through the first winding of the transform ators, and 117 is its mutual inductance coefficient. The EMF a) 11i113 induced in the secondary winding L, is accordingly phase-shifted by 90 ° with respect to the current through the resistor R. This induced EMF, on the other hand, is of the same magnitude and phase as the voltage between the corner points of the bridge to which the telephone diagonal is connected. The terminal voltage at the impedance X is the same size as the terminal voltage of the comparison resistor N and is shifted in phase by an angle 9p in relation to this, ie the phase angle of the impedance sought. The absolute size of the impedance sought is therefore equal to the value set at the comparison resistor N, and the following applies to the phase angle where ill is the coefficient of mutual induction of the correction transformer and P is the real impedance of the shunt connected in parallel with the generator G. If the impedance P is proportional to the frequency, the phase angle can be read off on a suitable scale, for example on the rotary handle or the like, with which the coupling of the transformer is set. This setting of the absolute value of the shunt impedance as a function of the frequency is effected by the resistor K, which is provided with a suitable frequency division.

Bei der bekannten Ausführungsform muß der Widerstand y mit Hilfe einer geeigneten Teilung bei Jeder Messung entsprechend der Frequenz eingestellt werden, die verwendet werden soll, so daß die Impedanz P bei dieser Frequenz reell wird. Diese umständliche Einstellung erübrigt sich durch die Erfindung. Sie stützt sich auf die Überlegung; daß eine. frequenzunabhängige Impedanz des Nebenschlusses dadurch erzielt werden könnte, daß man den Nebenschluß die Eingangsseite eines Filters bilden läßt, das konstante Eingangscharakteristik hat und eine Reiheninduktanz in der Nähe der Eingangsklemmen enthält, welch letzte ganz oder teilweise durch die Erstwicklung L, des Korrektionsübertragers gebildet wird. Dieser Gedankengang ist aus Fig. g zu entnehmen. Es liegt dort ein vierpoliges Netz H mit seinen Eingangsklemmen in Reihe mit der Wicklung LP. Es wird angenommen, daß dieses Netz zusammen mit LP ein mit dem Widerstand r' abgeschlossenes Filter mit den Eingangsklemmen f und mit einer frequenzunabhängigen reellen Charakteristik auf der Eingangsseite bildet. Es wird ferner angenommen, daß die obere Grenzfrequenz des Filters über dem Meßbereich: liegt, innerhalb dessen die Meßbrücke verwendet werden soll.In the known embodiment, the resistor y with the help of a suitable division can be set for each measurement according to the frequency, which is to be used so that the impedance P becomes real at this frequency. This cumbersome setting is unnecessary by the invention. She supports herself on the consideration; that one. frequency-independent impedance of the shunt thereby could be achieved by shunting the input side of a filter which has constant input characteristics and a series inductance in the vicinity of the input terminals, which last fully or partially through the first winding L, of the correction transformer is formed. This train of thought is from Fig. G refer to. There is a four-pole network H with its input terminals in Row with the winding LP. It is assumed that this network together with LP one with the resistor r 'terminated filter with the input terminals f and with a frequency-independent real characteristic forms on the input side. It will also assumed that the upper limit frequency of the filter over the measuring range: lies within which the measuring bridge is to be used.

Die einfachste Form eines solchen Filters (Tiefpaßfilter) erhält man, wenn das Filter außer der den Eingangsklemmen am nächsten liegenden keiheninduktanz LP auch eine Ouerlcapazität C und noch eine den Ausgangsklemmen f' am nächsten liegende Reiheninduktanz L' enthält. Eine derartige Ausführungsform des Filters ist strichpunktiert in Fig.3 angedeutet; diese Anordnung wird außerdem in Fig. 2 veranschaulicht.The simplest form of such a filter (low-pass filter) is obtained when the filter contains, in addition to the series inductance LP closest to the input terminals, also a Ouerlcapacitance C and a series inductance L 'closest to the output terminals f'. Such an embodiment of the filter is indicated by dash-dotted lines in Figure 3; this arrangement is also illustrated in FIG.

Die Impedanz des Ausgleichswiderstandes A2 ist gleich Der imaginäre Teil von diesem Ausdruck kann wie folgt geschrieben werden: worin die Eigenfrequenz eines Schwingungskreises darstellt, die aus einer Induktanz L' und einer Kapazität C zusammengesetzt ist. Es zeigt sich, daß diese Frequenz bei der Abmessung, die hier beabsichtigt ist, vielfach höher liegt als die höchste Frequenz in dem Meßbereich, in welchem die Meßbrücke verwendet werden soll, beispielsweise im Sprechfrequenzbereich, und daß deshalb das Glied verschwindend klein ist im Verhältnis zu i. Der Koeffizient des j ü) kann also von der Frequenz unabhängig und gleich - LP gemacht werden, wenn man wählt. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, so ist die Impedanz des Ausgleichsnebenschlusses reell, und eine Einstellung zur Erzielung der Phasengleichheit zwischen dem Nebenschlußstrom und der aufgedrückten Spannung beim Ändern der Frequenz braucht demnach nicht vorgenommen zu werden. Der reelle Teil des allgemeinen Ausdrucks der Ausgleichsimpedanz A2 ist, unter der Voraussetzung, daß das Glied im Verhältnis zu i vernachlässigt werden kann, gleich Dieser Ausdruck ist zwar an sich etwas von der Frequenz abhängig, die kleinen Schwankungen in dem Widerstandswert für A2 aber haben praktisch genommen nur sehr geringen Einfiuß auf das Meßresultat, weil sie teils an sich klein im Verhältnis zu dem Widerstand r' sind und teils dieser-letzte im Verhältnis zu dem Regulierwiderstand K klein ist. Der Fehler kann übrigens durch geeignete Wahl des den verschiedenen Frequenzen entsprechenden Wertes von K völlig ausgeglichen werden.The impedance of the balancing resistor A2 is the same The imaginary part of this expression can be written like this: wherein represents the natural frequency of an oscillating circuit, which is composed of an inductance L 'and a capacitance C. It turns out that this frequency in the dimension that is intended here is many times higher than the highest frequency in the measuring range in which the measuring bridge is to be used, for example in the speech frequency range, and that therefore the link is vanishingly small in relation to i. The coefficient of the j ü) can thus be made independent of the frequency and equal to - LP if one chooses. If this condition is met, the impedance of the equalizing shunt is real, and an adjustment to achieve phase equality between the shunt current and the impressed voltage when changing the frequency therefore does not need to be made. The real part of the general expression of the balance impedance is A2, provided that the term can be neglected in relation to i, equal Although this expression is somewhat dependent on the frequency, the small fluctuations in the resistance value for A2 have practically only a very small influence on the measurement result, because they are in themselves small in relation to the resistance r 'and in some cases this - last is small in relation to the regulating resistance K. Incidentally, the error can be completely compensated for by a suitable choice of the value of K corresponding to the various frequencies.

Durch die Kompensierung der Frequenzabhängigkeit der Induktanz LP in dem mit dem Wechselstromgenerator G parallel geschalteten Nebenschlußzweige ergibt sich der Vorteil, daß die Einstellung der Nebenschlußimpedanz für die bei der Messung benutzte Frequenz in besonders einfacher Weise erfolgen kann. Wie aus Fig. q. hervorgeht, soll der Strom 1s, damit die gewünschten Spannungsverhältnisse aufrechterhalten werden, der Meßfrequenz umgekehrt proportional sein; folglich muß der Gesamtimpedanz des Nebenschlußzweiges der Frequenz direkt proportional sein. Dies kann bei der erfindungsgemäßen Meßbrücke einfach durch Einstellung des Ohm schen Regulierungswiderstandes K in direkter Proportionalität zur Frequenz erzielt werden. Der Widerstand K kann darum mit einer direkt in Frequenzwerten geeichten und gleichmäßig unterteilten Skala versehen werden.By compensating for the frequency dependence of the inductance LP results in the shunt branches connected in parallel with the alternator G. the advantage that the adjustment of the shunt impedance for the measurement used frequency can be done in a particularly simple manner. As shown in Fig. Q. it appears the current should be 1s, so that the desired voltage ratios are maintained will be inversely proportional to the measuring frequency; consequently the total impedance must be of the shunt branch to be directly proportional to the frequency. This can be done with the Measuring bridge according to the invention simply by setting the ohmic regulation resistor K can be achieved in direct proportionality to the frequency. The resistance K can therefore with a directly calibrated in frequency values and evenly subdivided Be provided with a scale.

Claims (1)

PATENTANSPRÜCHE: i. Meßbrücke, in welcher drei Zweige aus Ohmschen Widerständen und der vierte aus der zu messenden Impedanz bestehen und bei der in einen Nebenschlußzweig parallel zur Meßbrücke die Erstwicklung eines Übertragers geschaltet ist, dessen Zweitwicklung in der Brückendiagonale in Reihe mit dem Indikator liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Erstwicklung (LP) ein Filterelement eines mit einem Widerstand (r') abgeschlossenen Tiefpaßfilter (LP, C , l') bildet, dessen Grenzfrequenz beträchtlich oberhalb des Meßfrequenzbereiches liegt und des-. sen Eingangsimpedanz innerhalb dieses Bereiches im wesentlichen reell und frequenzunabhängig ist, so daß der Gesamtwiderstand des parallel zur Meßbrücke geschalteten Nebenschlußzweiges durch Einstellung eines im Nebenschlußzweig enthaltenen Ohmschen Widerstands (K) in direkter Proportionalität zur Frequenz .verändert werden kann. z. Meßbrücke nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der Erstwicklung des Übertragers ein Kondensator (C) geschaltet ist, der durch einen Widerstand (r') in Reihe mit einer Induktanz (l') überbrückt ist.PATENT CLAIMS: i. Measuring bridge, in which three branches consist of ohmic resistances and the fourth consists of the impedance to be measured and in which the first winding of a transformer is connected in a shunt branch parallel to the measuring bridge, the second winding of which is in series with the indicator in the bridge diagonal, characterized in that the first winding (LP) forms a filter element of a low-pass filter (LP, C , l ') terminated with a resistor (r'), the cut-off frequency of which is considerably above the measuring frequency range and therefore. sen input impedance within this range is essentially real and frequency-independent, so that the total resistance of the shunt branch connected in parallel to the measuring bridge can be changed by setting an ohmic resistance (K) contained in the shunt branch in direct proportionality to the frequency. z. Measuring bridge according to claim i, characterized in that a capacitor ( C ) is connected in series with the first winding of the transformer and is bridged by a resistor (r ') in series with an inductance (1').