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Wechselstromwiderstandsmeßgerät nach dem Resonanzverfahren. insbesondere
Kapazitätsmeßgerät
Die Erfindung betrifft ein Meßgerät nach dem Resonanzverfahren
zur Messung von Weckselstromwiderständen, d. h. ein Meßgerät, das sich im Rahmen
der Erfindung als Kapazitätsmeßgerät sowie auch als Induktivitätsumeßgerät ausgestalten
läßt; es ist mögsich, das Gerät so auszubilden, daß ein und dasselbe Gerät sich
zur Messung von Kapazitäten wie auch zur Messung von Induktivitäten verwenden läßt.
Der Übersichtlichkeit halber sei das neue Gerät in folgendem zunächst als Kapazitätsmeßgerät
erläutert.
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Kapazitätsmeßgeräte nach dem Resonanzverfahren eignen sich besonders
zur Messung von Kondensatoren und Kapazitäten, die in der Hochfrequenztechnik Verwendung
finden, da das Resonanzverfahren gestattet, mit hochfrequentem \Vechselstrom besonders
einfach, genau und schnell zu messen, im Gegensatz zu anderen Kapazitätsmeßverfahren
mit Hochfrequenz.
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Das Resonanzverfahren ist bekannt und besteht in seinem Grundprinzip
darin, daß die Iessung der unbekannten Kapazität Cx nicht direkt geschieht, sondern
auf dem Umwege über eine Resonanzfrequenz.
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Cx wird mit einer bekannten Induktivität L zu einem Schwingungskreis
zusammengeschal tet, bei dem sich Cx nach der Thomsonschen Schwingungsgleichung
aus L Cx ergibt zu Cx = L # #2 Die Bestimmung der unbekannten Kapazität kann rechnerisch
aus der Meßkreisinduktivität und Fre-1 quenz erfolgen. Das ist jedoch unpraktisch,
und man
kann innerhalb des Resonanzverfahrens mehrere Abarten unterscheiden,
je nach Art der Durchführung der Messung, wobei sowohl oder L als auch beide Größen
nicht direkt in ihren Zahlenwerten bekannt zu sein brauchen.
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Bei einer Abart, die man als indirektes Substitutionsverfahren bezeichnen
kann, schwingt der Generator auf einer bekannten, konstanten Frequenz. Bei noch
bekannter Induktivität L läßt sich dann C, berechnen.
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Praktisch kann man eine in Kapazitätswerten geeichte, veränderbare
Induktivität verwenden, so daß das Meßergebnis unmittelbar an ihr abgelesen werden
kann.
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Eine andere Abart, bei der der Generator ebenfalls eine bekannte,
konstante Frequenz hat, stellt ein direktes Substitutionsverfahren dar. Bei ihm
ist der Meßkreis bereits durch eine veränderbare, geeichte Kapazität Ca auf die
Resonanzfrequenz des Generators eingestellt. Bei Zuschaltung von Cz wird der Meßkreis
verstimmt. Diese Verstimmung wird durch Verkleinern von Ca wieder rückgängig gemacht.
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Die Kapazität des zu messenden Kondensators ergibt sich dabei als
derjenige Wert, um den Ca verändert worden ist.
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Eine weitere, hier verwendete Abart kann man als Vergleichsverfahren
bezeichnen. Hierbei hat der Generator eine veränderbare Frequenz, und Cx wird mit
einer solchen Induktivität zusammengeschaltet, daß sich eine Resonanzfrequenz ergibt,
die im veränderbaren Frequenzbereich des Generators liegt.
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Bei bekannter Induktivität kann das Abstimmelement des Generators
unmittelbar in Kapazitätswerten geeicht sein, wodurch sich eine sofortige Ablesung
des zu messenden Kapazitätswertes ergibt.
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Es ist nun bei Kapazitätsmeßgeräten nach dem Resonanzverfahren bekannt,
so zu verfahren, daß der Meßkreis selbst den frequenzbestimmenden Kreis des Oszillators
darstellt. Dieses Verfahren hat außer anderem den Nachteil, daß die dabei sich erregende
Frequenz des Generators von den Verlusten des zu messenden Kondensators abhängt,
dadurch unkontrollierbar verändert wird, und so eine genaue Messung nicht möglich
ist.
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Es ist weiter bekannt, einen besonderen Meßkreis induktiv oder kapazitiv
so an den frequenzbestimmenden Schwingkreis eines Generators anzukoppeln, daß dieser
nur dann, oder nur dann merklich schwingt, wenn die Frequenz des Meßkreises mit
der des Oszillators übereinstimmt. Die Meßgenauigkeit ist bei diesem Verfahren aber
nicht groß, da eine relativ feste Kopplung vorliegt und die Verluste des zu messenden
Kondensators die sich erregende Oszillatorfrequenz mitbestimmen.
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Ferner ist bekannt, einen besonderen Meßkreis induktiv oder kapazitiv
lose an einen Oszillator anzukoppeln, daß der dämpfende und frequenzverstimmende
Einfluß auf den Oszillator sehr niedrig ist.
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Bei Resonanz ergibt sich dann im Meßkreis eine maximale Resonanzspannung.
Üblicherweise wird hierbei dann so weiter verfahren, daß man die im Resonanzfall
vorhandene Wechselspannung feststellt.
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Dabei ist es von ausschlaggebender Bedeutung für die Genauigkeit der
Messung, daß die Messung belastungs los erfolgt, da sonst durch Dämpfung das Meßergebnis
beeinflußt wird. In erster Linie kommen hier Röhrenvoltmeter mit Verstärkung der
gleichgerichteten Wechselspannung in Frage. Der Gleichrichter belastet aber trotzdem
den Resonanzkreis beständig, so daß Empfindlichkeit und Genauigkeit der Messung
darunter leiden. Die Hochfrequenz des Oszillators muß dabei außerdem regelbar sein,
da das Anzeigeinstru ment leicht überlastet werden kann. Der Aufwand bei dieser
Messung in schaltungstechnischer und materialmäßiger Hinsicht ist relativ groß.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Kapazitätsmeßgerät nach dem Resonanzverfahren,
das nach einer Vergleichsmethode arbeitet. Das Wesen der Erfindung besteht darin,
daß die in einem Oszillator erzeugte HF-Energie in einer Verstärkerstufe verstärkt
wird und daß der zur Kapazitätsmessung dienende Resonanzkreis in den Anodenkreis
der Röhre einer Hochfrequenzverstärkerstufe eingeschaltet und dadurch von der Oszillatorstufe
getrennt ist, im Sinne einer schaltungstechnisch sehr einfachen Kopplung und zur
Vermeidung einer verstimmenden oder dämpfenden Rückwirkung des jeweils in den Meßkreis
gelegten Kondensators auf die Oszillatorstufe.
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Die Erfindung weist gegenüber den bisherigen Meßgeräten die Vorteile
der größeren Einfachheit der Messung und des geringeren Aufwandes bei höherer Meßgenauigkeit
auf. Hervorzuheben ist, daß Fehlmessungen bei Generatoroberwellen unmöglich gemacht
werden können, wie unten noch gezeigt ist Hinsichtlich der Resonanzanzeige wird
vorzugsweise so verfahren, daß eine Anodenstromminimumanzeige verwendet wird, im
Sinne einer Nichtbelastung des Meßkreises durch die Anzeigevorrichtung. Die Erfindung
gestattet ferner, im Gegensatz zu den bisherigen Kapazitätsmeßgeräten nach dem Resonanzverfahren,
infolge der angewendeten Anodenstromminimumanzeige, die außerdem noch auf eine 2fachs
Weise wirksam gemacht ist, besonders übersichtliche und einfache Beurteilungen der
Güte und des Verlustwinkels gemessener Kondensatoren.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung sei auf die in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiele verwiesen. Es zeigt Fig. I ein Blockschaltbild,
Fig. 2 ein Prinzipschaltbild, Fig. 3 ebenfalls ein Prinzipschaltbild, Fig. 4 ein
vollständiges Schaltbild und Fig. 5 die Ausführung eines Meßkreises bei Verwendung
des Gerätes für Induktivmessungen, im Gegensatz zu den Ausführungen der Meßkreise
in Fig. I bis 4 für Kapazitätsmessungen.
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In Fig. I ist A die HF-Oszillatorstufe, B die Verstärkerstufe. Mit
IOI ist die zu messende Kapazität Cx, mit 104 das Resonanzanzeigegerät bezeichnet.
Der Meßkreis besteht aus der Induktivität 103 und der Anfangskapazität 102.
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In Fig. 2 ist 20I die zu messende Kapazität Cx, die Induktivität
203 und der Kondensator 202 bilden den eigentlichen Meßkreis. 204 ist das Anzeigegerät,
205 ist die Röhre der Oszillatorstufe, deren Schwingungs- und Rückkopplungskreis
aus den Induktivitäten 207, 208 und der veränderbaren Kapazität 209 zur Abstimmung
des Oszillators gebildet sind. Der Kondensator 210
und der Gitterableitwiderstand
211 begrenzen die Oszillatorschwingungen. Der Kondensator 2I2 trennt den Schwingkreis
208, 209 gleichstrommäßig vom Potential der Anode. Zwei Widerstände sind mit 213
bzw. 214 bezeichnet, ein Kondensator mit 215. Die Röhre 206 ist eine Hexode, 2I6
ist ein Gitterableitwiderstand, 215 und 218 sind zwei HF-Überbrückungskondensatoren.
217 ist ein Kopplungskondensator, der einen Teil der HF-Energie von der Anode der
Röhre 206 auf deren zweites Steuergitter koppelt.
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Fig. 3 veranschaulicht ein anderes Prinzipschaltbild, das genau dem
der Fig. 2 entspricht, nur daß hier die Röhren 205 und 206 in einer gemeinsamen
Doppelröhre 305, 306 mit zwei Systemen vereingt sind. Die Bezifferung der Schaltelemente
in den Figuren ist so erfolgt, daß sich für die funktionsgleichen Teile dieselben
Nummern ergeben, wenn als deren erste Ziffer die Nummer der Figur gesetzt wird.
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In Fig. 4 ist ein vollständiges Schaltbild dargestellt.
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Das Prinzipschaltbild 3 ist hier insofern erweitert, als für mehrere
Meßbereiche, hier beispielsweise vier, entsprechende ?uleßkreise mit den Induktivitäten
4031 bis 403lv und den zugehörigen Anfangskapazitäten4021 bis 402in vorhanden sind,
die zusammen mit den Meßkreisen durch den Bereichschalter 419 umgeschaltet werden.
Zusätzlich sind in Fig. 4 noch folgende Teile enthalten: ein Widerstand 420 zur
Gittervorspannungserzeugung für die Röhre 405, 406, ein Kondensator42I zur HF-Uberbrückung,
eine Erdungsklemme 422 und zwei Meßklemmen 423, an die die zu messende Kapazität
Cx angeschaltet wird, und ein Wechselstromnetzteil zur Stromversorgung mit einem
Transformator 424, einem Gleichrichter 425, einem Siebwiderstand 426 und zwei Elektrolytkondensatoren
427, 428.
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In Fig. 5 ist 50I eine zu messende Induktivität Lx, 503 ist die Meßkreisanfangsinduktivität,
502 ist die Meßkreiskapazität und 500 ist ein Kurzschlußschalter zur Eichprüfung
des Meßgerätes.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Schaltungen ist folgende: Bei
der Ausführung nach Fig. I erzeugt die Hochfrequenzoszillatorstufe A in einer Schwingschaltung,
vorzugsweise in einer Meißnerschen Rückkopplungsschaltung eine Hochfrequenzwechselspannung,
die innerhalb eines bestimmten Bereiches in einem Frequenzverhältnis fein: fnax
von mindestens I:1/4 und größtens I: 1 2, vorzugsweise I:l' 3, durchgehend veränderbar
ist. An die Oszillatorstufe A schließt sich eine hochfrequente Verstärkerstufe B
an mit einer Röhre, die zwei Steuergitter hat, vorzugsweise eine Hexode.
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Die Ankopplung der Verstärkerstufe an die Oszillatorstufe ist in
Fig. 2 bis 4 ersichtlich und erfolgt, z. B. bei Verwendung einer Röhre in Meißnerscher
Rückkopplungsschaltung, wie hier dargestellt, vorteilhaft vom Steuergitter dieser
Röhre, an ein Steuergitter, vorzugsweise das erste Steuergitter, der Röhre der Verstärkerstufe.
Die beiden Stufen des Gerätes können mit je zwei getrennten Röhren arbeiten (Fig.
2), vorzugsweise aber auch mit einer gemeinsamen Doppelröhre,insbesondere einer
Triodehexode (Fig. 3).
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Im folgenden sei im einzelnen auf Fig. 4 Bezug genommen. Hier sind
beispielsweise vier Meßbereiche vorhanden, die durch den Bereichschalter 4I9 wahlweise
anschaltbar sind, jedoch bleibt der Frequenzbereich des Oszillators stets derselbe,
wodurch sich der Vorteil besonderer Einfachheit ergibt. Die einzelnen Meßkreise
liegen im Anodenkreis der Verstärkerröhre 405, 406. Sie bestehen jeweils aus einer
festen Anfangskapazität 4021 bis 402in und einer Induktivität 403i bis 403in. Die
Anfangskapazitäten sind jeweils so groß gewählt, daß sie mindestens 1/ und höchstens
1/2, vorzugsweise 1/3 jener Kapazität betragen, die sich ergibt, wenn zu der größten,
in dem betreffenden Meßbereich meßbaren Kapazität die entsprechende Anfangskapazität
des Meßkreises hinzugewählt wird. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß, in Verbindung
mit dem in allen Meßbereichen gleichen Frequenzbereich des Oszillators und dessen
obengenanntem Frequenzverhältnis Fehlmessungen infolge von Oszillatoroberwellen
unmöglich sind. Zum Beispiel könnte die erste Oberwelle einer Oszillatorfrequenz
eine Resonanz bei 1/4 der Kapazität des Meßkreises ergeben, die mit der Grundwelle
des Oszillator-, kreises die Hauptresonanz bringt.
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Dadurch, daß die Ankopplung des Meßkreises an den Oszillator über
die Röhre der Verstärkerstufe erfolgt ist, ist die Ankopplung weitgehend rückwirkungs-
und dämpfungsfrei und braucht für verschiedene Meßbereiche nicht geändert zu werden.
Verluste eines zu messenden Kondensators verstimmen den Oszillator nicht. Dies bewirkt
eine ausgezeichnete Meßgenauigkeit des Gerätes.
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Im Anodenkreis der Verstärkerröhreqo6 liegt ferner das zur Resonanzanzeige
dienende Anzeigeinstrument 404. Als Resonanzanzeige ist eine Anodenstromminimumanzeige
verwendet, auf Grund eines sich bei Resonanz zwischen Oszillator und Meßkreis einstellenden
minimalen Anodengleichstroms in der Verstärkerröhre. Die Resonanzanzeige wird außerdem
noch auf eine zweite Weise wirksam gemacht, indem ein Teil der Hochfrequenzenergie
von der Anode der Verstärkerröhre 406 auf deren anderes Steuergitter, vorzugsweise
das zweite Steuergitter, geführt wird.
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Dadurch entsteht zusätzlich ein Gittergleichrichtungseffekt, der seinerseits
eine Verminderung bzw. weitere Verminderung des Anodengleichstroms der Verstärkerröhre
bewirkt. Die Resonanzanzeige wird infolgedessen besonders scharf, und die Empfindlichkeit
des Meßgerätes sehr hoch, z. B. ein Promille.
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Diese Resonanzanzeige hat ferner den Vorteil, daß sie den Meßkreis
nicht belastet und in keiner Weise auf ihn einwirkt, so daß auch die Meßgenauigkeit
erhöht wird. Außerdem lassen sich Vergleichsmessungen der Güte und des Verlustwinkels
von Nondensatoren in einer besonders übersichtlichen und einfachen Weise durchführen,
da, ausgehend von einem sehr konstanten maximalen Anodenstrom bei Nichtresonanz,
aus der Tiefe des entstehenden Minimums bei Resonanzabstimmung, sich Güte und Verlustwinkel
leicht ablesen lassen Die Unterteilung der Meßbereiche des Rapazitätsmeßgerätes
ist dekadisch in der Weise vorgenommen, daß jeder Meßbereich jeweils bei o pF beginnt
und die vorhergehenden Meßbereiche stets einschließt. Außer dem Vorteil eines geringen
Materialaufwandes ergibt sich dabei der wesentliche Vorteil, daß die Messungen
besonders
einfach werden, insbesondere dann, wenn beim Messen so verfahren wird, daß zunächst
stets der größte Meßbereicli eingeschaltet wird, der für den Kondensator günstigste
Meßbereich sofort aus der Lage des Abstimminimums ermittelt werden. Ein zeitraubendes
Suchen bei einer Messung entfällt daher.
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Ferner kann die Genauigkeit einer Messung ohne Hilfsmittel und Zusatzeinrichtungen
jederzeit besonders einfach festgestellt werden. In der o-pF-Stellung jedes Meßbereiches
muß nämlich stets, wenn kein Kondensator an die Meßklemmen des Gerätes angeschlossen
ist, eine maximale Resonanzanzeige des Gerätes erfolgen. Aus einer etwaigen Abweichung
von der Nullstellung kann der Meßfehler beurteilt werden.
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Hierdurch und in Verbindung mit der einfachen und schnellen Messung
ist die Meßsicherheit, die insbesondere bei komplizierten Meßverfahren und -geräten
sehr wichtig ist, außerordentlich groß.
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Im folgenden sei noch die Ausführung des Meßgerätes zu Induktivitätsmessungen
erläutert. Das bisher beschriebene Gerät ändert sich im wesentlichen nicht. Es sind
lediglich die Meßkreise auf die Induktivitätsmessungen sinngemäß umgestellt. An
Stelle der Meßkreise in Fig. I bis 4 tritt jetzt ein oder je nach Zahl der vorgesehenen
Induktivitätsmeßbereiche mehrere besondere Meßkreise. Ein solcher ist in Fig. 5
gezeichnet. An Stelle der zu messenden KapazitätCr tritt die zu messende Induktivität
Lx 50I, die jetzt aber in Reihe mit der in dem Meßkreis bereits vorliandenen Anfangsinduktivität
503 geschaltet ist, analog der oben erwähnten Meßkreisanfangskapazität (102, 202,
302, 4021 bis 402IV); und die Meßkreis induktivität (103, 203, 303, 403i bis 403IV)
bei der Kapazitätsmessung ist jetzt durch die Meßkreis kapazität 502 ersetzt. Für
die Bemessung der Anfangsinduktivitäten in den einzelnen Meßbereichen gilt analog
das oben über die Anfangskapazitäten gesagte. Wirkungsweise und alle Eigenschaften
des Meßgerätes bleiben bei einer Verwendung als Induktivitätsmeßgerät erhalten,
nur muß jetzt zur Feststellung der Meßgenauigkeit der Schalter 500 in Fig. 5 geschlossen
werden.