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Wechselstromb rücke
Die Erfindung betrifft eineWechselstrombrüeke,)
in deren einem Zweig zur Messung des Verlust winkels eines Kondensators ein Widerstand
1 ein dem Widerstand parallelgeschalteter veränderbarer Kondensator liegen.
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Für die Messung von dielektrischen Verlusten und Kapazitäten sind
Brücken bekannt, bei denen im Zweig » i « die zu untersuchende, verlustbehaftete
Kapazität mit einer Normalkapazität im Zweig » 2 « verglichen wird. In den Zweigen
» 3 « und » 4 « liegen entweder winkelfreie Widerstände oder ! Kapazitäten. Durch
Anderung der Großen in den Zweigen » 2 « und » 3 « kann der Strom in der Meßdiagonale
auf ein Minimum gebracht werden. Um ihn jedoch völlig zum Verschwinden zu bringen,
hat man noch die Phasenverschiebung durch Phasenabgleich in einem der Zweige » 2
«, » 3 « oder » 4 « zu kompensieren.
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Bei einer sehr gebräuchlichen Wechselstrombrücke liegt zu diesem
Zweck parallel zum Widerstand im Zweig » 4 « ein regelbarer Kondensator | C4. Bei
abgeglichener Brücke wird dann tg#1 = R4###C4.
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\ Gewöhnlich ist dabei der untere Brückenteil, bestehend aus den
Zweigen » 3 « und » 4a mit der meßdiagonale und dem notwendigen Schalter, in einen
abgeschirmten Kasten eingebaut. Aus praktischen Gründen ist R4 meist als umschaltbarer
fester Widerstand mit den Werten R4 = (1, 2, 5) # ####### eingebaut, dem ein regelbarer
Kondensator C4 mit 1 den drei Dekaden ro X (0, 1 + 0,01 + 0,001) µF und
ein
Drehkondensator mit der durch die Schaltkapazität gegebenen Anfangskapzität C40
= 50pF und der Endkapazität C4e = 1000 PF parallel geschaltet ist. Diese Parallelschaltung
von R4 und C4 erzeugt bei der/= 50 Hz entsprechenden Kreisfrequenz (u = zoo einen
Phasenwinkel #4, für den gilt : tg#4 = R4##C4 = (1, 2, 5)#10-nC4 [µF].
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Hiermit ergibt sich nachstehende Tabelle, sofern die Klammer gleich
i ist :
| Anfangs- Endwert |
| n R4 tg#4 wert tg#40 tg#4e |
| 0 104/E 1 #C4[µF] 5#10-5 1,111 |
| 1 103/# 0,1 #C4 5#10-7 0,111 |
| 2 102/# 0,01#C4 5.01-7 0,011111 |
Wie aus der Tabelle ersichtlich, ist der Anfangswert tg#4 = 0,5#10-4 bei dem größten
Wert von R4 =--für die Messung von Verlustfaktoren, die selbst in der Größenordnung
von 10"'liegen, untragbar. Andererseits kann dieser Anfangswert nur durch Verringerung
von R4 und dadurch auch von R3 verkleinert werden, wodurch aber unter sonst gleichen
Umstanden die Meßempfindlichkeit entsprechend abnimmt, so daB die Erweiterung des
Meßbereiches nach kleinen Verlustfaktoren hin illusorisch gemacht wird.
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Wie aus der oben angegebenen Formel für dol hervorgeht, kann man
den Verlustwinkel entweder druch Veränderung von C4 oder aber auch durch Veränderung
von R4 messen. Dementsprechend wird bei einer anderen Ausführungsform der Brücke
zur Verbilligung der Anordnung an Stelle des regelbaren Kondensators ein Festkondensator
C4 vorgsehen, der je einem stetig einstellbaren Teil des Widerstandes R4 parallel
geschaltet ist.
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Bezeichnet man diesen Teilwiderstand mit R4b = b#R4, so ergibt sich
angenähert tg#4 = b2#R4###C4 Um den Teilwiderstand R4b stetig einstellbar zu machen,
wird der Widerstand R4 als Potentiometer mit einem Wendelschleifdraht ausgebildet.
Bei dieser Anordnung erhält das Potentiometer R4 für den Abgriff R4b eine quadratische
Skala, an der bei entsprechender Eichung tg 994 abgelesen werden kann.
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Für die Ablesegenauigkeit bei kleinen Phasenwinkeln 994 ist die Größe
der Anfangsteilung der quadratischen Skala maßgebend. Bei einer gegebenen, aus praktischen
Gründen gewählten Länge der Schleifdrahtwendel von L = 100 cm und für eine ausgeführte
Brücke mit R4 = 100 Ohm und C4 = 4µF ergibt sich die nachstehende Anfangsteilung
:
| tg#4 = 0 10-5 2 5 01-4 2 5 10-3 |
| 1 = 0 0,895 1,25 2,0 2,83 4 6,30 8,95 cm |
Selbst bei dem verhältnismäßig kleinen Widerstand R4 = zoo Ohm, der keine große
MeBempfindlichkeit erwarten läßt, ist also die Teilung der Skala für tg#4 < 10-4
ziemlich eng, so daß Variationen des entsprechenden Verlustfaktorstg8, nur recht
grob abgelesen werden können. Abgesehen davon, ist diese Brücke nicht mehr als Universalbrücke
für andere Zwecke verwendbar.
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Will man bei dieser bekannten Wechselstrombrücke den Meßbereich für
den Verlustwinkel verändern, so muß man entweder den Widerstand R4 oder den Festkondensator
C4 auswechseln. Beide Möglichkeiten sind aber nicht sehr zweckmäßig, weil die Brücke
entwedermehrereWiderstände mit verstellbarem Abgriff oder mehrere Festkondensatoren
C4 aufweisen müßte. Auf diese Weise würde der Aufbau der Brücke recht umständlich
und teuer werden, da sowohl Widerstände mit verstellbaren Abgriffen als auch Festkondensatoren
verhältnismäßig kostspielige Einzelteile sind.
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Es wurden auch schon Schleifdrahtbrücken bekannt, bei denen im Nebenbruckenzweig
regelbare Induktivitäten vorgesehen waren, die dem Widerstand und einem dazu parallelgeschalteten
Festkondensator vorgeschaltet waren, weil man die Verwendung veränderbarer Kondensatoren
als wirtschaftlich nachteilig ansah. Die gleiche aberlegung liegt auch einer anderen
bekannten Schleifdrahtbrücke zugrunde, bie der zwei parallelgeschaltete Wendelschelidrähte
vorgesehen waren, boei mit dem Schleifkontakt des einen Schleifarahtes durch einen
parallelgeschalteten Festkondensator die Abgleichung nach dem Verlustwinkel bewirkt
wurde, während mit dem Schleifkontakt des anderen Schleifdrahtes die Brücke nach
dem Kapazitätsverhältnis von Prüfling und Normalkondensator abgeglichen wurde ;
Bei diesen bekannten Schleifdrahtbrücken war es aber nicht möglich, durch einfaches
Umschalten eines Schalters den Meßbereich um eine bestimmten Faktor zu verändern,
so daß sich der Übergang von größeren zu kleineren Verlustwinkeln mit ausreichender
Schnelligkeit und ohne Einschaltung zusätzlicher Kapazitäten und/oder Widerstände
hätte durchführen lassen.
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Demgegenüber wird erfindungsgemäß die Erweiterung des Meßbereiches
hinschtlich des zu messenden Verlustfaktors von 10-4 nach kleineren Werten hin,
unter Aufrechterhaltung der ursprünglichen Schaltung einer Wechselstrombrüclke,
so daß dieselbe nach wie vor als Universalbrücke verwendbar ist und zur Messung
des Verlustwinkels in einem Zweig einen zu einem Widerstand parallelgeschalteten
veränderbaren Kondensator hat, da-
durch erzielt, daß der Widerstand
in zwei feste Teilwiderstände unterteilt ist und der parallel zum Widerstand geschaltete
veränderbare Kondensator mittels eines Umschalters wahlweise zur Messung von Verlustwinkeln
bis 10-4 dem ganzen im Brükkenzweig liegenden Widerstand und zur Messung von Verlustwinkeln
von weniger als IO-4 nur dem einen Teilwiderstand parallel geschaltet werden kann.
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Diese neuartige Gestaltung der Wechselstrombrücke macht es erstmalig
möglich, bei einer Wechselstrombrücke, in deren einem Zweig zur Messung des Verlustwinkels
eines Kondensators ein Widerstand und ein ihm parallelgeschalteter veränderbarer
Kondensator liegen, durch einfache Umschaltung eines Schalters den Meßbereich um
einen bestimmten Faktor zu verändern, so daß sich der Übergang von größeren zu kleineren
Verlustwinkeln äußerst schnell sowie ohne Einschaltung zusätzlicher Kapazitäten
und/oder Widerstände durchführen läßt.
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Wie man den Widerstand R4 in zwei feste Teilwiderstände unterteilt,
d. h. welches Widerstandsverhältnis die beiden festen Teilwiderstände haben, hängt
davon ab, um welchen Faktor man den Meßbereich bei der Umschaltung verändern will.
Als sehr praktisch hat sich erwiesen, daß der Widerstand im Brückenzweig derart
aufgeteilt ist, daß bei dem Teilwiderstand parallelgeschaltetem Kondensator der
abgelesene Verlustwinkel I des bei Parallelschaltung zu dem ganzen Widerstand gemessenen
Verlustwinkels beträgt.
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Wenn der Widerstand R4 die Form von mehreren abgestuften und wahlweise
einschaltbaren Ohmwerten hat, so müssen diese alle im gleichen Verhältnis in je
zwei feste Teilwiderstände unterteilt sein, damit sich der Meßbereich für den Verlustwinkel
stets um den gleichen Faktor ändert, gleichgültig, welche Stufe des Widerstandes
R4 gerade eingeschaltet ist.
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An Hand der Zeichnung sei das Wesen der Erfindung näher erläutert,
Die Zeichnung zeigt das Schema einer erfindungsgemäßen Meßbrücke, wobei der Zweig
» 4 « im Gegensatz zu den Zweigen » I «, » 2 « und » 3 « mit seinen Einzelheiten
dargestellt ist. Der ganze untere Brückenteil mit den Widerständen R3, Ro, dem veränderbaren
Kondensator C4 und die Meßdiagonale a, b mit dem gezeichneten Schalter im Zweig
» 4 « und dem nicht gezeichneten Schalter im Zweig » 3 « ist in einen abgeschirmten
Kasten eingebaut.
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Zur Ausschaltung unbestimmter Streuungen gegen Erde und kapazitiver
Kopplungen zwischen den Brückenzweigen ist die Abschirmung durch bekannte Mittel
auf das mit der Meßdiagonale übereinstimmende Potential gebracht.
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Von dem praktisch winkelfreien Widerstand R4, bestehend aus den sechs
Stufen i, 2,5, I0, 20 und 50, wird mittels des Schalters Si jeweils die dem Meßbereich
entsprechende Stufe an den Eckpunkt b der Meßdiagonale geschaltet, in der das Nullinstrument
mit G bezeichnet ist. Der Widerstand R4 kann beispielsweise aus den Stufen 10000
5000 2000 1000 500 200 #, #, #, #, # und # Ohm oder aus dekadisch abgestuften Werten
zu ioooo, 5000, 2000, look, 500 und 200 Ohm bestehen. Jede Stufe wiederum ist unterteilt
in je zwei Teilwiderstände p und q, wobei die Teilwiderstände p und q in allen Stufen
das gleiche Widerstandsverhältnis aufweisen. Die Verbindungspunkte zwischen je zwei
Teilwiderständen p und q ist jeweils an einen festen Kontakt des Schalters S2, der
mit dem Schalter S1 mechanisch gekoppelt ist, geführt, so daß beim Umschalten auf
eine bestimmte Stufe gleichzeitig der dieser Stufe entsprechende Abgriff am Schalter
S2 mit dem beweglichen Kontakt verbunden wird.
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Der bewegliche Kontakt des Schalters S2 ist mit dem festen Kontakt
» ### « eines Umschalters S3 verbunden, dessen beweglicher Kontakt an einer Seite
des veränderbaren Kondensators C4 liegt. Die andere Seite des Kondensators C4 ist
mit dem unteren Eckpunkt v, an den ebenfalls die Widerstände Ru und R4 angeschlossen
sind, in Verbindung. Am oberen Eckpunkt u wird die Speisespannung zugeführt. Der
zweite feste Kontakt » I « des Umschalters S3 ist mit dem Eckpunkt b verbunden.
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Die Aufteilung des Widerstandes R4 in die Teilwiderstände p und q
ist nun in allen Stufen von R4 derart, daß in der Stellung » ### « des Schalters
S3 bei der der veränderbare Kondensator C4 nur an dem Teilwiderstand q liegt, der
abgelesene Verlustwinkel des auf der Stellung » I « gemessene Wertes bertägt. Ist
nun die Brücke zur Messung von Verlustwinkeln bis 10-4 ausgeführt, so ist es durch
Umlegen des Schalters auf x- « möglich, diesen Bereich auf 10-6 zu vergrößern.
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Bei abgestimmten Brücken bestimmt sich der Verlustwinkel aus der
Formel tg # = R4###C4 und die Kapazität aus C1 = C2#R4/R3 Besteht der Widerstand
aus Stufen mit Vielfachen von jr, so ist aus der Formel ersichtlich, daB sich dieselbe
für tg# vereinfacht auf R4#C4#2f, d, h. für die Netzfrequenz von 50 Hz wird tgb
= R4-C4-I00. Andererseits muß in diesem Fall die Größe ? bei der Berechnung der
Kapazität tyerücksichtigt werden.
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Wird jedoch der Widerstand dekadisch abgestuft, so vereinfacht sich
die Formel für die Kapazität, indem die Größe aus der Rechnung herausfällt.
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Wird beispielsweise die Brücke für ausschließliche Kapazitätsmessungen
verwendet, so ist es von Vorteil, die dekadische Abstufung zu verwenden.