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Schleifdrahtbrücke zur elektrischen Verlustwinkelmessung Die Beständigkeit
elektrischer Isolierungen, z. B. in Kabeln, Durchführungen, Kondensatoren u. a.
m., bei Dauerbeanspruchung mit Wechselspannung läßt sich im voraus beurteilen aus
der Größe des Verlustwinkels 8 und seiner Änderung mit steigender Spannung. Die
für die Isolierung geeignetsten Rohstoffe können bereits nach ihrem Verlustwinkel
<3 ausgewählt werden Für die Entwicklung und Fertigung von Isolierungen der Starkstromtechnik
ist die Messung des Verlustwinkels 8 von maßgebender Bedeutung.
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Das gebräuchlichste Meßgerät für den Verlnstwinkel ist die bekannte
Scheringbrücke.
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Sie enthält (Abb. I) im Zweige I den Prüfling K, im Zweige 2 den verlustfreien
Normalkondensator C, im Zweige 3 einen phasenwinkelfreien Präzisionskurbelwiderstand
K3 mit vier Dekaden bis IOOO Ohm, im Zweige 4 einen phasenwinkel freien festen Widerstand
R4, dem ein Präzisionskurbelglimmerkondensator C4 mit drei Dekaden bis ein Mikrofarad
parallel geschaltet ist. Durch Regeln von R3 und C4 wird der Ausschlag des Vibrationsgalvanometers
G zum Verschwinden gebracht.
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Zur Feinabgleichung dient ein Zusatzschleifdraht Q von 0,2 Ohm vor
R3. Zur technischen Normalfrequenz 50 Hz passend ist der Wert von R4 zu 3I8,3 Ohm
festgesetzt. Der Tangens des Verlustwinkels ist dann am Kurbelkondensator bei 50
Hz unmittelbar abzulesen: tgs =O,I = 0,1 C4 (in ,aF), und zwar auf ein Zehntausendstel
absolut; die Kapazität K des Prüflings ist aus K = CR4R3 zu berechnen. Ist K groß
gegen C, so sinkt R3 unter 20 Ohm, der Phasenwinkel im Zweig 3 ist dann bei üblicher
Ausführung der Widerstände nicht mehr kleiner als ein Zehntausendstel im Bogenmaß.
Zur Messung von Prüflingen mit großer Kapazität K ist im Zweig 3 ein mehrstufiger
Doppelkurbelschalter (in Abb. 1 nicht gezeichnet) angeordnet, der wahlweise einen
festen winkelfreien Widerstand Rn (in Stufen von immer kleiner werdenden Beträgen)
einzuschalten gestattet. Diesem liegt ein Widerstandsteiler parallel, von dem R3
und Q den unteren Teil bilden; R3 kann stets über 4 4.40 Ohm bleiben.
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Die Ablesbarkeit von tg a an C4 bleibt unverändert, die Kapazität
ist aus der umständlicheren Formel K C RV + tR°) ZU berechnen. Ein Nachteil dieses
Meßgerätes ist der hohe Preis, von dem der Prãzisioiiskurbelwideretand R2 und der
Präzisionskurbelglimmerkondensator C4 einen erheblichen Teil bedingen.
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Um den Kurbelglimmerkondensator C4 zu sparen, ist es bereits bekannt,
im Brückenzweig 4 (Abb. 2) einen Wendelscfileifdraht v hohen Widerstandes anzuordnen
und zwischen dem Schleifkontakt und dem geerdeten Ende des Schleifdrahtes einen
festen Papierkondensator großer Kapazität Cv zu legen. Durch Regeln des Kurbelwiderstandes
R3 und Verschieben des Schleifkontaktes am Schleifdraht V wird die Brücke abgeglichen.
Liegt von dem Widerstand R,, des Wendelschleifdrahtes V der Teil bR, durch den Abgriff
des Schleifkontaktes parallel zum Papierkondensator Cv, so ist bei der Kreisfrequenz
co nunmehr tg 6 = b2 Rv CO Cv. Die Skale des Schleifdrahtes V ist nach tg a für
50 Hz zur unmittelbaren Ablesung desselben geteilt, günstigerweise ist die Teilung
durch das b2 für kleine Werte von tgS sehr weit, für große Werte aber eng, so daß
man den kleinen tgb ho chwertiger Prüflinge sehr genau ablesenkaiui, gleichwohl
aber den großen tg b schlechter Prüflinge, bei denen eine große Genauigkeit überflüssig
ist, noch auf der Skale hat.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Schleifdrahtbrücke zur elektrischen
Verlustwinkelmessung mit folgenden Vorteileri: außer dem Präzisionskurbelglimmerkondensator
wird auch der Präzisionskurbelwiderstand eingespart; außer dem tg 8 ist auch das
Verhältnis der Kapazität des Prüflings zu der des Normalkondensatcrs unmittelbar
ablesbar, und zwar an einer gleichmäßig geteilten Skale, die relative Änderung der
Kapazität des Prüflings mit steigender Spannung ist an einer anderen Skale sehr
genau unmittelbar ablesbar, die Richtigkeit der Messung des tg <3 hochwertiger
Prüflinge ist ebensogut wie bei der Scheringbrücke durch besondere, praktisch winkelfehlerfreie
Wendelschleifdrähte gewährleistet. Bei der Messung von Prüflingen großer Kapazität
ist das an der gleichmäßigen Skale abgelesene Kapazitätsverhältnis mit einer runden
Zahl zu multiplizieren, die an dem mehrstufigen Doppelkurbelschalter für die Nebenschlüsse
abzulesen ist. Die Stromwärme in jedem Nebenschlußwiderstand ist wesentlich geringer
als bei der Scheringbrücke im gleichen Meßbereich.
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Die Brückenanordnung mit Ausnahme des Prüflings, des Normalkondensators
und des Galvanometers, aber mit den Regeleinrichtungen des letzteren kann zum Schutz
gegen elektrische Störeinflüsse in eine zu erdende Hülle eingebaut werden, und zwar
zusammen in einen handlichen Koffer.
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Erfindungsgemäß ist dieses in folgender Weise erreicht: In den Brüclçenzweig
4 (Abb. 3) sind. zwei parallel geschaltete, zweckmäßig gleiche Wendelschlei fdrähte
P und V gelegt. Der Schleifkontakt von P ist mit der einen Klemme des Galvanometers
G verbunden; er greift an dem Scbleifdraht P vom Gesamtwiderstand Rp (z. B. 200
Ohm) den regelbaren Teilbetrag aRp ab. Mit diesem Schleifkontakt wird die Betragsabgleichung
der Brücke entsprechend dem - Kapazitätsverhältnis K: C vorgenommen. Im Zweig 3
liegt ein fester winkelfreier Widerstand R2 (z. B. 99 Ohm) mit einem kleinen Zusatzschleifdraht
Q (z. B. 2 Ohm), der Schleifkontakt von Q ist mit der andern Galvanometerklemme
verbunden. Mit ihm wird die an dem Schleifdraht P nicht zu vollendende Feinstabgleichung
des Betragsverhäitnisses auf ein Zehntausendstel vorgenommen; sie ist notwendig,
damit die Winkelabgleichung der Brücke auf ein Zehntausendstel zur Messung des tg
a möglich wird. Zwischen dem Schleifkontakt an dem zweiten im Zweig 4 liegenden
Wendelschleifdraht V vom Gesamtwiderstand Rv (z. B. 200 Ohm) und dessen einem Ende
zweckmäßig dem geerdeten, ist in bekannter Weise, analog Abb. 2, ein fester Papierkondensator
C, (z.B. 4 F) angeordnet. Mit dem Schleifkontakt an V, der einen Teilbetrag bRV
abgreift, wird die Winkelabgleichung der Brücke vollzogen.
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Es ist bei Rp = Rv nach Abgleichung der Brücke: K=aC; tg cP = 0,5
bs wC1.
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Die Teilung der Skale für a am Wendelschleifdraht P ist also eine
gleichmäßige.
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Das ist ein großer Vorteil sowohl für das Herstellen der Skale wie
für ihre Ablesung.
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Würde man den Wendelschleifdraht zur Betragsabgleichung der Brücke
in den Zweig 3 legen, so ergäbe sich eine ungleichmäßige hyperbolisch geteilte Skale.
Die Verlegung der Winkelabgleichung und der hauptsächlichen Betragsabgleichung in
denselben Zweig 4 hat gegenüber der bei Verlustmeßbrücken bisher bekannten Regelung
in zwei verschiedenen Brückenzweigen den Vorteil, daß auch bei großem tg d der Isolierung,
wie er bei Maschinen und Transformatoren vorkommt, Betrags- und Winkelabgleichung
sich gegenseitig praktisch nicht beeinffussen, die Abstimmung der Brücke daher schnell
vonstatten geht.
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In der Brückengleichung für tg <3 macht sich die Parallelschaltung
zweier gleicher
Wendelschieifdrähte nur durch das Hinzu" treten
dles- Faktors 0,5 bemerkbar. Die Skale für tg 8 bei 50 Hz an dem Schleifdraht V
hat auch hier die für tg a günstige Teilung, weit für kleine, eng für große Werte.
Bei den beispielsweise angeführten Werten für Rv und Cv erstreckt sich der Meßbereich
für tg <3 von o bis o,I25. Sollte für ungewöhnliche Prüflinge dieser Meßbereich
nicht ausreichen, so kann man durch Zufügen weiterer Papierkondensatoren die Kapazität
Cv verdoppeln oder n-mal größer machen. Die Ablesung an der tg(3-Skale ist dann
mit 2 bzw. mit n zu multiplizieren. Verzichtet-man auf dieseMöglichkeit, so kann
man die Skale am Schleifdraht V statt nach tgs nach dem Leistungsfaktor cos (p teilen.
Ein Unterschied zwischen diesen beiden Teilungen besteht nur bei den größeren Werten.
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In der Praxis hat sich, namentlich bei Hochspannung, das Bedürfnis
eingestellt, bei schrittweiser Steigerung der angelegten Spannung oder bei lang
andauernder Beanspruchung nicht nur die Änderung des tg 8, sondern auch die Änderung
der Kapazität K des Prüflings zu verfolgen. Der Schleifdraht Q, der für die bekannte
Feinstabgleichung nur etwa 0,2 Ohm zu haben brauchte, dient hier gleichzeitig einem
neuen Zweck, zu dem ihm ein größerer Widerstand (z. B. 2 Ohm) gegeben ist. Die Stellung
des Schleifkontaktes am Schleifdraht Q, in der der abgegriffene Teilwiderstand-
den festen Widerstand R2 zu solchem Betrag Rs ergänzt, daß die Messung zweier genau
gleicher Kapazitäten eine Abigieichung an P bei a = 1,000 ergeben würde, ist an
der Skale von Q mit o beieichnet. Dieselbe ist nicht, wie bisher üblich, in Ohm,
sondern in Dezimalbruchteilen von R3 geteilt und beziffert. Bei Beginn einer Meßreihe
wird der Schleifkontakt von Q auf den Skalenteil o eingestellt bei dem ersten Meßpunkt
durch Regeln an P und V abgeglichen und die Feinstbetragsabgleichung an Q vollzogen.
Bei den folgenden Meßpunkten wird aber lediglich durch Regeln an V und Q abgeglichen
und die relative Änderung der Kapazität K des Prüflings unmittelbar an der Skale
von Q abgelesen.
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Ein Wachsen von K bedingt ein Vermindern des Abgriffs an Q, die Vorzeichenbeschriftung
der Skale von Q gibt aber den Änderungssinn von K an.
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- Die Richtigkeit der Messung des tg 43 hochwertiger Prüflinge in
der Größenordnung von 0,005 auf o,oooI ist nur dann gewährleistet, wenn der Winkel
fehler des Gesamtwiderstandes jedes Brückenzweiges, also auch der beiden Wendelschleifdrähte
P und V kleiner als ein Zehntausendstel in Bogenmaß ist. Die bisherigen Wendelschleifdrahtanordnungen
genügen dieser Forderung nicht. Es ist vor' längerer Z,eit für andere Meßzwecke
vorgeschlagen worden, den induktiven Fehler einer Wendelschleifdrahtes durch Anschluß
eines Kondensators passender Kapazität an die Enden des Schleifdrahtes zu kompensieren.
Das Bedürfnis nach sehr winkelarmen Wendelschleifdrähten besteht schon lange. Es
ist daher ein wesentlicher Fortschritt, wenn gemäß der Erfindung erkannt wurde,
daß eine praktische Wsinkelfreiheit von Wendelschl ei fdrähten allein durch die
richtige Wahl der Abmessungen erzielt werden kann.
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Eine Wendel von R Ohm Widerstand bei L cm Länge mit einem Draht von
d mm Durchmesser aus einem Material vom spezifischen Widerstand Q Ohm mm, mit beliebiger,
aber m gleichmäßiger Steigung und Wendel dicke gewickelt, hat bei der Frequenz t
Hz den induktiven Phasenwinkel
in Bogenmaß.
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Der Winkel hängt von der vierten Potenz des Drahtdurchmessers ab.
Die Wahrschein--lichkeit, ohne diese theoretische Grundlage die richtige Drahtstärke
zu treffen, ist sehr gering Zum Beispiel wurde an einer Wendel von 200 Ohm bei 72
cm Länge aus oberflächlich oxydiertem Konstantandraht von 0,25 mm Stärke, auf einem
I,7 mm starken Dorn mit dicht nebeneinanderliegenden Windungen gewickelt, bei 50
Hz ein Phasenwinkel von 0,55 Zehntausendstel in Bogenmaß gemessen. Bei einer gleich
langen Wendel von gleichem Widerstand, aber aus Konstantandraht von 0,3 mm Stärke
würde der Phasenwinkel 2,mal so groß sein und nicht mehr unter einem Zehntausendstel
liegen.
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In Abb. 3 sind ebenso wie in Abb. I und 2 die Schleifdrähte der Übersichtlichkeit
halber als Gerade gezeichnet, in der Ausführung sind sie, wie üblich, um den Rand
einer Kreisscheibe aus Isolierstoff gespannt.
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Ähnlich wie bei der bekannten Scheringbrücke ist bei der Schleifdrahtbrücke
nach der Erfindung in dem Zweig 3 ein Doppelkurbel--schalter (in Abb. 3 nicht gezeichnet)
zum Einschalten abgestufter Nebenschlüsse angeordnet um Prüflinge großer Kapazität
messen zu können. Da bei der den Gegenstand der Erfindung bildenden Schleifdrahtbrücke
der feste Widerstand R3 und der Gesamtwiderstand des Zusatzschleifdrahtes Q zusammen
ein unveränderliches Ganzes sind, kann eine von der vielstufigen Erweiterung des
Meßbereiches eines Gleichstrommessers mit Nebenschlüssen bekannte Schaltung angewandt
werden, mit der man runde Erweiterungsfaktoren
Z erhält. Jeder
Stellung des Doppelkurbel schalters ist der zugehörige Faktor Z beigeschrieben.
Es ist dann sehr einfach: K = aZC.
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Zweckmäßig wählt man die Stufung der Nebenschlüsse so, daß man dieErweiterungsfaktorenZ=3-10-30-Ioo'-30o-1000
erhält. Häufig ist auch der Kapazitätsbetrag C des Normalkondensators ein runder
Wert, z. B. hat der für Verlustwinkelmessung bei Hochspannung übliche Preßgaskondensator
für Ioo kV eine Kapazität von 100 Picofarad. Die Ermittlung der Kapazität K des
Prüflings ist dann besonders einfach, sie braucht für die Versuchsreihe an einem
Prüfling mit vielen Meßpunkten nur einmal ausgeführt werden, da die relativen Kapazitätsänderungen
unmittelbar an der Skale des Zusatzschleifdrahtes Q abgelesen werden. Bei den laufenden
Messungen im technischen Prüffeld bedeutet die Vereinfachung ihrer Auswertung eine
wirtschaftlich ins Gewicht fallende Ersparnis an Zeit und hochwertiger Arbeitskraft
sowie eine Erhöhung der Sicherheit durch Fortfall der Möglichkeit von Rechenfehlern.
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Für die Messung an Prüflingen von sehr großer Kapazität bei sehr
hoher Spannung, z. B. an großen Kabellängen bei 100 kr, bietet die den Gegenstand
der Erfindung bildende Schleifdrahtbrücke den weiteren Vorteil, daß die Stromwärme
in jedem Nebenschlußwiderstand wesentlich geringer ist als in dem der Scheringbrücke
für denselben Meßbereich. Es beruht dies zum Teil darauf, daß in der bekannten Scheringbrücke
zur unmittelbaren Ablesung des tg 8 bei 50 Hz an dem Kurbelkondensator C4 von o
bis I 1l -der feste Widerstand R4 = 3I8,3 Ohm gemacht werden muß, während bei der
Schleifdrahtbrücke gemäß der Erfindung der feste Papierkondensator Cv leicht und
billig für viele 1F Kapazität hergestellt werden kann, daher die Wahl des resultierenden
Widerstandes der parallel geschalteten Schleifdrähte P und V im Brückenzweig 4 völlig
frei ist. Er kann z. B. zu 100 Ohm mit Rp= Rv= 200 Ohm gewählt werden, so daß unter
sonst gleichen Bedingungen die Spannung am Widerstand, bei der Schleifdrahtbrücke
gemäß der Erfindung die Spannung U4 am Brückenzweig 4, nur ein Teil, z. B. knapp
1/2 von U4 bei der bekannten Scheringbrücke ist. Der Spannung am Zweig 4 ist bei
der Messung eines Prüfrings von großer Kapazität mit Nebenschluß Rn im Zweig 3 die
Spannung gleich, welche am Widerstandsteiler parallel zum Nebenschlußwiderstand
Rn abgegriffen wird.
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Wäre der Widerstandsteiler bei beiden Brücken gleich, so würde der
Nebenschlußwider--stand R0 bei der Schleifdrahtbrücke gemäß der Erfindung kleiner
sein, z. B. knapp t/a des R, bei der bekannten Scheringbrücke.
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Nun wird aber die Spannung an Rn bei der größten - in einem Nebenschlußbereich
meßbaren Kapazität K in der Widerstandsteilung mit regelbarem R3 in der bekannten
Scheringbrücke viel weniger gut ausgenutzt als in der Widerstandsteilung mit festem
R2 in der Schleifdrahtbrücke gemäß der Erfindung. Bei dieser Brücke ist daher R,
noch weit kleiner.
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Der Ladestrom I des Prüflings durchfließt den Widerstand R, und setzt
in ihm die Leistung N = J2 R0 in Wärme um, je kleiner RnX um so kleiner ist die
Wärmeleistung, die durch Kühlung abgeführt werden muß.
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An einem Beispiel ist dies am einfachsten zu übersehen. Ein Hochspannungskabel
von K = 0,I HF soll bei I00 kV Wechselspannung von der Frequenz 50 Hz gemessen werden,
der Ladestrom beträgt 3,14 A; benutzt werde der übliche Preßgaskondensator C = 100
pF, mithin ist das Verhältnis K: C = 1000. Für einen bestimmten Meßbereich mit Nebenschluß
ist in Abb. 4 die Schaltung der bekannten Scheringbrücke, in Abb. 5 die der Schleifdrahtbrücke
gemäß der Erfindung dargestellt. Zur Vereinfachung ist in beiden die Kurbel schaltung
für Rn und der Zusatzschleifdraht Q weggelassen. Von dem Widerstandsteiler parallel
zum Nebenschluß Rn ist der obere Teil jeweils mit Rs bezeichnet. Bei der bekannten
Scheringbrücke ist R5 = 100 - R, Ohm, bei dem Ausführungsbeispiel der Schleifdrahtbrücke
gemäß der Erfindung sei R5 = 50-X, gewählt. Nach den oben angeführten Bedingungen
für die Betragsabgleichung ergibt sich: Bekannte Ausführungsbeispiel der Scheringbrücke
Schleifdrahtbrücke gemäß gemäß der Erfindung R4 = 3I8,3 Rp = Rv = 200 Z= I000 Rn
= 1,0 Rwz = 0,I5 R,,=99,Q R5 = 49,85 R3 = 46,7 geregelt R3 = 100 fest = 1,000 geregelt
N = 10 Watt N = I,5 Watt Bei der Schleifdrahtbrücke gemäß der Erfindung ist die
Wärmeleistung im Nebenschluß nur ein kleiner Bruchteil, im Ausführungsbeispiel rund
1/7 derjenigen in der bekannten Scheringbrücke. Bei letzterer darf der Nebenschluß
Rn = I,0 Ohm gar nicht mit 10 Watt belastet werden, sondern nur mit 6,3 Watt, entsprechend
einem Strom von 2,5 A. Zu der obigen Messung muß ein entsprechend gekühlter, hochbelastbarer
einzelner Nebenschlußwiderstand
außen angeschaltet werden. Bei
dem Ausführungsbeispiel der Schleifdrahtbrücke gemäß der Erfindung kann man dagegen,
falls notwendig, noch einen weiteren Meßbereich Z = 3000, R,l = 0,05 Ohm sein fügen
zur Messung von Hochspannungskabeln bis 0,3 ,uF (etwa I,5 km Länge) bei woo kV,
die Wärmeleistung N in Rn ist 4,5 Watt.
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Da der resultierende Widerstand im Zweig 4 bei der Schleifdrahtbrücke
gemäß der Erfindung willkürlich niedrig gewählt werden kann, z. B. 100 Ohmbei Rp
= Rv= 200 Ohm, und im Zweig 3 niemals ein höherer Widerstand als in 4 auftritt,
so ist die tg<3-Messung weniger empfindlich gegen eine Erdkapazität einer der
Brücken-Nullecken, zwischen denen das Galvanometer liegt. In demAusführungsbeispiel
würde eine schon recht erhebliche Erdkapazität von 0,003 ,uF eine Phasenverschiebung
von knapp einem Zehntausendstel im Bogenmaß parallel zum Zweig 4 bewirken.
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Daher können die Brückenzweige 4 und 3 einschließlich Nebenschlüsse
sowie die Regelwiderstände des Vibrationsgalvanometers ohne Gefahr eines Phasenfehlers
in eine mit der Erdklemme verbundene Metallhülle zum Schutz gegen elektriche Streufelder
eingebaut und zusammen in einem handlichen Koffer untergebracht werden. In üblicher
Weise werden Prüfling, Normalkondensator und Galvanometer durch kapazitätsarme Leitungen
mit geerdeten Schutzhüllen an den Brückenkoffer angeschlossen, zweckmäßig verwendet
man ein mit der Ablesevorrichtung zusammengebautes tragbares Galvanometer. Mit dieser
tragbaren Einrichtung ist die Messung am Betriebsorte besonders bequem, die aus
wenigen Einzelteilen bestehende Brücke ist schnell aufgebaut, auch bei höchster
Spannung ist der Schutz gegen elektrische Streufelder vollkommen. Man hat nicht,
wie bisher, notwendig, aus Drahtnetz einen geerdeten Schutzkäfig zu bauen.
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PATENTANSRÜCHE: 1. Schleifdrahtbrücke zur elektrischen Verlustwinkelmessung
unter Verwendung eines Vergleichskondensators und regelbarer Wechselstromwiderstände,
dadurch gekennzeichnet, daß in dem Brückenzweig, der in Reihe mit dem Normalkondensator
liegt, zwei parallel geschaltete, zweckmäßig gleiche Wendelschleifdrähte angeordnet
sind und daß mit dem Schleiflontakt des einen Schleifdrahtes in bekannter Weise
durch eine parallel geschaltete feste Kapazität die Abgleichung nach dem Verluatwinkel
bewirkt und der Tangens desselben an der zugehörigen Skale abgelesen wird, während
mit dem Schleifkontakt des anderen Schleifdrahtes ,die Brücke nach dem Kapazitätsverhältnis
von Prüfling und Normalkondensator abgeglichen wird und dieses Verhältnis an der
zugehörigen gleichmäßigen Skale abzulesen ist.