DE928535C - Anordnung zur Messung elektrischer Widerstaende - Google Patents

Anordnung zur Messung elektrischer Widerstaende

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DE928535C
DE928535C DED12754A DED0012754A DE928535C DE 928535 C DE928535 C DE 928535C DE D12754 A DED12754 A DE D12754A DE D0012754 A DED0012754 A DE D0012754A DE 928535 C DE928535 C DE 928535C
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)

Description

  • Anordnung zur Messung elektrischer Widerstände Die Messung reeller Widerstände mit Wecllselströmen oberhalb der Tonfrequenz wird umständlich und schwierig, sobald verlangt wird, daß die eigentliche Meßschaltung mit einem flexiblen Kabel mit dem Meßobjekt verbunden werden kann und die Bedingung gestellt wird, daß die Anordnung einen sehr großen Meßbereich, z. B. von fünf bis sieben Zehnerpotenzen, haben soll; sogar die sonst so bewährten Brückenschal tungen sind oberhalb von 50 ooo Hz nur mit großen Schwieriglæiten und mit eingeschränktem Meßbereich zu benutzen, weil auch die Herstellung der notwendigen Vergleichsnormalien mit wachsender Frequenz immer schwieriger wird.
  • Die vorliegende Erfindung erstrebt, die Nachteile der bekannten Verfahren zu vermeiden. Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung elektrischer Widerstände oder Leitfähigkeiten unter Benutzung von Frequenzen oberhalb der Tonfrequenz. Die Erfindung besteht darin, daß ein Widerstandsmeßgerät mit einem auf verhältnismäßig kleine Widerstände von der Größenordnung der Wellenwiderstände der Hochfrequenzkabel beschränkten Meßbereich verwendet wird, das mit einem flexiblen, geschirmten Hochfrequenzkabel über ein Widerstandstransformationsnetzwerk an das Meßobjekt angeschlossen wird, dessen ohmscher Widerstand durch das genannte Netzwerk in den Meßbereich des genannten Widerstandsmeßgerätes transformiert wird. Das zur Verbindung dieser Meßeinrichtung mit dem Meßobjekt dienende Kabel soll kurz gegen ein Viertel der verwendeten Wellenlänge sein, so daß mit quasi stationären Verhältnissen gerechnet werden kann. Das dem Meßgerät abgewendete Ende des Kabels wird an ein Netzwerk angeschlossen, welches Widerstände, die außerhalb des Meßbereichs des- Widerstandsmeßgerätes liegen, so transformiert, daß sie mit dem Meßgerät gemessen werden können. Eine derartige Meßanordnung löst die schwierige Frage der Vergleichsnormalien, da ohmsche Widerstände in der Größenordnung der Wellenwiderstände gebräuchlicher Verbindungskabel sich noch bequem herstellen lassen.
  • Die Erfindung sei an Hand mehrerer in den Abb. I bis 7 dargestellter Schemata beschrieben.
  • Die Abb. I zeigt den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Meßanordnung. xDarin bezeichnen I das Widerstandsmeßgerät, 2 das flexible (geschirmte) Verbindungskabel, 3 das Transformationsnetzwerk und 4 den zu messenden Widerstand.
  • Als Meßgerät 1 können alle bekannten Wo'der standsmeßgeräte, z. B. Widerstandsmeßbrüclçen, benutzt werden. Es ist aber besonders vorteilhaft, dafür die in Fig. 2 dargestellte Generatorschaltung zu benutzen. Darin arbeibet die Röhre 5 als Huth-Kühn-Generator. Der aus der Selbstinduktion 7, dem Kondensator 8 und dem Widerstand g bestehende Gitterschwingungskreis wird durch die induktive Komponente des Anodentrans formators 10 über die Gitteranodenkapazität 6 zu Schwingungen angeregt, deren Amplitude übler den Gleichrichter II und die Dämpfungsschaltung I2 dadurch das Meßinstrument 13 gemessen wird. Es ist vorteilhaft, als Röhre eine Schirmgitterröhre zu verwenden, so daß die Kapazität 6 praktisch durch die gesamte wirksame Gitteranodenkapazität dargestellt wird. Im Interesse der Konstanz ist es ferner vorteilhaft, die Schaltung mit einer hochgradig stabilisierten Speisespannung zu betreiben, derart, daß die Anodenspannung und die Heizspannung aus derselben Ouelle stammen. Der Widerstand 9 ist so groß, daß die Schaltung erst dann zu Schwingungen erregt wird, wenn dem Widerstand g entweder über das Kabel 2 oder direkt kleinere ohmsche Widerstände parallel geschaltet werden. Diejenigen Widerstände, die beim Parallelschalten zu g auf dem Meßinstrument 13 einen ablesbaren Ausschlag hervorrufen, bestimmen den Meßbereich. Der Beginn des Meßbereiches, d. h. der höchste Widerstand, welcher noch gemessen werden kann, ist überwiegend durch die Einstellung von 6 bedingt, während das Ende des Meßbereiches, d. h. der kleinste noch zu messende Widerstand, und damit der Umfang oder die Steilheit des Meßbereiches durch die Empfindlichkeit des Meßinstruments I3 bzw. die Größe der Dämpfung von 12 bestimmt ist. Diese Schaltung ist selbstverständlich nur ein besonders einfaches Beispiel für derartige Schwingschaltungen.
  • Das Verhalten derartiger Schaltungen wird am besten durch die sogenannte Widerstandscharakteristik beschrieben, d. h. eine Kurve, welche die Skalenteilung des Meßinstruments I3 in Abhängigkeit von den dem Widerstand 9 parallel geschalteten Widerständen darstellt (vgl. Fig. 3).
  • Mit Hilfe der allgemeinen Theorie der Schaltungen ist es möglich, das Netzwerk zur Widerstandstransformatio,n milt vorgegebenen Eigenschaften zu berechnen1 -sobald die Aufgabe vorliegt, nac'h der das Netzwerk ein Vierpol sein soll, welcher den an seine Ausgangslçlemmen angelschlos,senen Widerstand 4 so transformiert, daß die Größe des an den Eingangsklemmen erscheinenden transformierten Widerstandes in den Meßbereich des Widerstandsmeß gerätes I fällt.
  • Zur Widerstandsanpassung bedient man sich gewöhnlich des Anpassungstransformators. Auch hier läßt sich dieses Mittel verwenden, wenn man keine besonderen Ansprüche an die Genauigkeit stellt. Es ist auch sehr schwierig, Anpassungstransformatoren mit den extrem großen Übersetzungsverhältnissen für hohe Frequenzen zu bauen. Es ist insbesondere nicht möglich, die Größe der dem transformierten Widertand parallel geschalteten Blindkomponente genau vorauszuberechnen und von der Größe des Meßobjektes 4 unabhängig zu machen.
  • Man ist alsp bei der Verwendung dieses nächstliegenden Verfahrens wieder auf Eichungen angewiesen, für welche im allgemeinen keine Normalien verfügbar sind.
  • Die Forderungen, welche an ein brauchbares Transformationsnetzwerk zu stellen sind, laufen darauf hinaus, daß für den Fall, daß eine Blindkomponente des transformierten Widerstandes oder des transformierten Leitwertes entsteht, diese Blindkomponente jedenfalls von der Größe des Meßobjektes und damit des transformierten Wider.-standes unabhängig sein soll. In diesem Falle kann die Blindkomponente entweder eingeeicht werden oder auch durch die konjugierte Komponente kompensiert werden.
  • Für die Erfindung können die in Fig. 4 und 5 dargestellten Schaltungen dienen. Neben den Schaltungen ist der transformierte Widerstand mit dem parallel geschalteten Blindwiderstand dargestellt die Abstimmbedingung ist am Hinweispfeil vermerkt. Man braucht für die Berechnung nicht einmal anzunehmen, daß die Induktivität verlustfrei sei; die Kondensatoren lassen sich heim heutigen Stande der Technik praktisch verlustfrei ausführen.
  • Der Verlustwiderstand der Induktivität kann, da die Schaltung bei konstanter Frequenz benutzt wird, stets als Reihenwiderstand dargestellt werden, so daß man sich bei. der Berechnung auf verlustfreie Schaltelemente beschränken darf und die bei der Realisierung unvermeidlichen Verluste nachträglich durch einen Vorschaltwiderstand von der Größe des Verlustwi derstandes der Induktivität berücksichtigen kann.
  • Im folgenden bedeutet L eine Induktivität, C eine quer zur Leitung liegende Kapazität und X eine im Zuge der IRitung liegende Kapazität. Der Belastungswiderstand mit dem Bezugszeichen 4 wird in den Formeln mit R bezeichnet.
  • Berechnet man den Leitwert der mit dem Meßobjekt 4 belasteten Schaltung, wie er von den an das Kabel angeschlossenen Eingangsklemmen aus gemessen wird, so findet man, daß er für zwei ausgezeichnete Abstimmiagen den obengestellten Anforderungen entspricht: macht man in der Schaltung nach Fig. 4 co L= I/Ct) C, so wird der Eingangs- leitwert dargestellt durch eine von der Größe des Meßobjekts unabhängige Induktivität und einen dazu parallel geschalteten Widerstand, der der Größe des Meßobjektes umgekehrt proportional ist.
  • Macht man dagegen rn L = Iho (C + K), so wird der Eingangsleitwert dargestellt durch einen von 4 unabhängigen Kondensator und einen dazu parallel geschalteten Widerstand, dessen Größe 4 direkt proportional ist. Bei der Schaltung nach Fig. 5 liegen ähnliche Verhältnisse vor, nur führt die Abstimmung o L = IIO K nicht zu einer Widerstandstransformation.
  • Infolge der Unabhängigkeit der dem transformierten Widerstand parallel geschalteten Blindleitwerte ist es möglich, die auftretenden Blindleitwerte durch Parallel schaltung des konjugierten Blindleitwertes zu den Eingangsklemmen des Netzwerks unschädlich zu machen; dadurch entsteht eine Parallelresonanz, deren Leitwert gegenüber dem des transformierten Widerstandes verschwindet. Ein Beispiel dafür gibt die Fig. 7.
  • Die Schaltung nach Fig. 6 gibt den Hinweis für den Bau umschaltbarer Transformationsnetzwerke. In diesem Fall ist vorzugsweise die durch w L = Ihi (C + K) gekennzeichnete zweite Abstimmlage zu verwenden. In diesem Fall verhält sich das Netzwerk wie ein Kondensator von der Größe C (; + C/K), dem ein Widerstand von der Größe R : (1 + C/K)2 parallel geschaltet ist. Es ist also möglich, durch verschiedene Verteilung der konstanten Gesamtkapazität (C + K) auf die Teilbeträge C und K ganz verschiedene Werte des für die Transformation maßgeblichen Ausdrucks (I + Cit)2 herzustellen. Man hat dazu nur nötig, die Abstimmkapazität in verschiedene Teile aufzuteilen (kot, K2, K3), die durch einen Schalter entweder in die Lage C oder K der Fig. 4 gebracht werden können.
  • Mit besonderem Vorteil läßt sich das hier beschriebene, allgemein anwendbare Verfahren zur Widerstandsmessung zur Feststellung der elektrolytischen Leitfähigkeit von Flüssigkeiten verwenden. Die Leitfähigkeitsmessung mit hochfrequenten Wechsel strömen hat den Vorteil, daß die bei Niederfrequenz an die Elektroden zu stellenden Anforderungen hinsichtlich ihrer Größe und ihrer Oberflächenbeschaffenheit nicht mehr erfüllt zu werden brauchen. Es genügt, kurze, eng zusammenliegende, blanke Metalldrähte zu verwenden, und man kann sogar den Meßstrom kapazitiv übertragen und so völlig auf in die Flüssigkeit eintauchende Elektroden verzichten. Es ist nur darauf zu achten, daß dann in jedem Falle die Leitfähigkeit der zu messenden Flüssigkeit so groß bzw. die Frequenz des zur Messung verwendeten Wechselstromes so klein sein muß, daß der in der Flüssigkeit fließende Leitungsstrnm sehr groß gegen den zwischen den Elektroden durch die Flüssigkeit fließenden Verschiebungsstrom wird. Bei dieseu Messungen ist die Umschaltbarkeit der Transformationsnetzwerlæ von besonderem Vorteil, weil der im allgemeinen zu untersuchende Leitfähigkeitsbereich sich über mindestens sieben Zehnerpotenzen erstreckt. Auch bei elektrodenloser Messung kann der Meßbereich in der oben beschriebenen Weise umgeschaltet werden, nur ist dabei die dann stets vorhandene Übertragungskapazität, über die die kapazitive Zuführung des Meßstromes erfolgt, in der Größe von K einzubeziehen.

Claims (7)

  1. PATENTANSPRÜCHE: I. Anordnung zur Messung elektrischer Widerstände oder Leitfähigkeiten unter Benutzung von Wechselströmen höherer und mittlerer Frequenzen oberhalb der Tonfrequenz, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstandsmeßgerät mit einem auf verhältnismäßig kleine Widerstände von der Größenordnung der Wellenwi derstände der Hochfrequenzkabel beschränkten Meßbereich verwendet wird, das mit einem flexiblen, geschirmten Hochfrequenzkabel über ein Widerstandstransformationsnetzwerk an das Meßobjekt derart angeschlossen ist, daß dessen ohmscher Widerstand durch das genannte Netzwerk in den Meßbereich des genannten Widerstandsmeßgerätes transformiert wird (Abb. I).
  2. 2. Anordnung nach Anspruch I mit einem Hochfrequenzgenerator mit schwacher Rückkopplung, dessen Amplitude ein Maß für den zu messenden Widerstand darstellt. dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungskreis des Generators einen Widerstand von solcher Größe enthält, daß der Generator nur schwingen kann, wenn dem genannten Widerstand direkt oder über ein kurzes Hochfrequenzkabel Widerstände von der Größenordnung des Wellenwiderstandes des Hochfrequenzkabels parallel geschaltet werden (Abb. 2).
  3. 3. Anordnung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die dem transformierten Widerstand vorgeschalteten oder parallel liegenden Bjindwiderstände von der Größe des zu transformierenden Widerstandes unabhängig sind.
  4. 4. Anordnung nach Anspruch I und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zu messende Widerstand über einen Kopplungskondensator(K) an die Kapazität einer Serienschaltung aus Spule (L) und Kondensator (C) angekoppelt wird, wobei die Schaltelemente so bemessen sind, daß entweder die Serienschaltung für sich ohne Berücksichtigung des Kondensators (X) in Resonanz mit der Meßfrequenz ist oder daß die Abstimmung auf die Meßfrequenz so erfolgt, daß der Kopplungskondensator der Kapazität der Serienschaltung parallel liegt (Abb. 4).
  5. 5. Anordnung nach Anspruch I und 3, dadurch gekennzeichnet. daß der zu messende Widerstand einer Kapazität parallel geschaltet ist, vor der eine aus Spule (L) und Kondensator (K) bestehende Serienschaltung liegt, wobei die Schaltelemente so bemessen sind, daß die Serienschaltung der Spule und der beiden Kondensatoren in Resonanz mit der Frequenz des Meßstromes ist, wenn der zu messende Widerstand unendlich groß ist (Abb. 5).
  6. 6. Anordnung nach Anspruch I, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmkapazität (C) der Serienschaltung aufgeteilt ist und daß die Teile durch einen Schalter entweder der Kopplungskapazität (K) oder der Abstimmkapazität (C) parallel geschaltet werden können, wobei die Abstimmung auf die Meßfrequenz so erfolgt, daß die Serienschaltung bei unendlich kleinem Widerstand des Meßobjektes in Resonanz mit der Meßfrequenz ist (Abb. 6).
  7. 7. Anordnung nach Anspruch I, 3 und 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß den Eingangsklemmen des Netzwerkes ein Blindwiderstand parallel geschaltet ist, welcher bei der Meßfrequenz mit dem dem transformierten Widerstand parallel liegenden konstanten und von der Größe des Meßobjektes unabhängigen Blindwiderstand eine Parallelresonanz bildet (Abb. 7).
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