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Schaltungsanordnung zur Messung ohmscher Widerstände mit Gleichstrom
nach der Strom-Spannungs-Methode Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung
zur Messung ohmscher Widerstände mit Gleichstrom nach der Strom-Spannungs-Methode
durch Spannungskompensation beider Meßgrößen mit Hilfe eines Kompensators nach dem
halbpotentiometrischen Verfahren, bei der an einem in Reihe zum unbekannten Widerstand
liegenden Normalwiderstand der Meßstrom und an einem parallel zur Reihenschaltung
liegenden Spannungsteiler zur Einstellung ganzzahliger Spannungen die Gesamtspannung
ermittelt werden und bei der am Spannungsteiler der am Normalwiderstand auftretende
Spannungsabfall nicht mehr einstellbar ist.
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Es ist bekannt, zur Messung ohmscher Widerstände mittels Gleichstrom
nach der Strom-Spannungs-Methode den durch den unbekannten Widerstand fließenden
Strom und die Summe der Spannungsabfälle am Prüfling und Strommesser zu messen.
Bei genauen Messungen ermittelt man die Größen von Strom und Spannung durch Spannungskompensation
mit Hilfe eines Gleichstromkompensators und schaltet zur Strommessung in Reihe mit
dem unbekannten Widerstand einen Normalwiderstand. Bei relativ großen Widerständen
verwendet man zur Spannungsmessung einen Spannungsteiler, der parallel zur Reihenschaltung
liegt.
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Zur Prüfung der Anzeigefehler von Strom-, Spannungs- und Leistungsmessern
verwendet man einen sogenannten Stufenkompensator nach dem halbpotentiometrischen
Verfahren. Dieser besteht im wesentlichen aus einem vom Hilfsstrom durchflossenen
Viderstand, der mit zehn oder mehr Anzapfungen versehen ist, an denen Spannungsstufen
zwischen 0 und z. B. 0,3V abgreifbar sind. Das Galvanometer wirkt als Ausschlaginstrument,
d. h., begrenzte Abweichungen der unbekannten Spannung von den Spannungsstufen des
Kompensators werden durch Ausschlag angezeigt. Für die Prüfung von Spannungs-und
Leistungsmessern verwendet dieser Kompensator außerdem einen Spannungsteiler zur
Einstellung ganzzallliger Spannungen. Dieser Teiler besteht aus drei Widerstandsdekaden
für die Einheiten 1 V, 10 V und 100V und einem festen Abgriff für die Unterspannung.
Zu jeder einstellbaren Oberspannung gehört dieselbe Unterspanung von beispielsweise
0,3 V.
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Obwohl dieser Kompensator vorzugsweise zur Prüfung der Anzeigefehler
von elektrischen Meßinstrumenten gedacht ist, besteht doch oft der Wunsch, mit diesem
auch die Innenwiderstände von Spannungs-und Leistungsmessern und deren Vorwiderstände
zu kontrollieren. Hierfür wendet man die in der Fig. 1 dargestellte Schaltung an.
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Die gesamte Meßanordnung nach Fig. 1 besteht aus einem Stufenkompensator
1 und einem Prüfstrom-
kreis 5 mit dem unbekannten Widerstand Rx. Vom Stufenkompensator
ist der Einfachheit halber nur der mit mehreren Anzapfungen versehene Kompensationswiderstand
2 dargestellt. Dieser Widerstand wird während einer Messung von einem konstanten
Hilfsstrom IH durchflossen. Von den Anzapfungen des Widerstandes 2 können mittels
eines Wählers 3 Spannungsstufen abgegriffen werden. Außerdem ist am Widerstand 2
ein fester Abgriff 4 vorgesehen, an dem unabhängig von der Stellung des Wählers
3 stets die gleiche Spannung, z. B. 0,3 V, abnehmbar ist. Dieser feste Spannungsabgriff
dient in Verbindung mit dem bereits genannten Spannungsteiler zur Einstellung ganzzahliger
Nennspannungen bei der Leistungsmesserprfifung.
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Der Prüfstromkreis 5 besteht aus einer Spannungsquelle Us,, einer
Regelanordnung 6 und einer Reihenschaltung des unbekannten Widerstandes Rx mit einem
Normalwiderstand RN, die von dem Prüfstrom I durchflossen wird. Zur Messung des
Spannungsabfalles der Reihenschaltung liegt parallel zu dieser ein Spannungsteiler
7. Der Spannungsteiler 7 besteht aus drei Widerstandsdekaden 12, 13, 14 für die
Einheiten 1 V, 10V und 100 V und einem Widerstand 11 mit dem Abgriff 8, an dem die
für die Kompensation benötigte Unterspannung abnehmbar ist. Diese Unterspannung
weist in allen Fällen, in denen die an den Widerstands dekaden eingestellte Spannung
mit der angelegten Spannung übereinstimmt, denselben Wert von z. B. 0,3 V auf, d.
h., der Spannungsteilerquerstrom ist in diesen Fällen der gleiche. Die Widerstandsmessung
wird in folgender Weise durchgeführt: Vorbereitend wird für den Prüfstrom I zweckmäßig
der Nennstrom des zu untersuchenden Instrumentes oder Vorwiderstandes gewählt. Das
ist vorteilhaft, weil sich dann bei fehlerfreiem Widerstandswert des Prüflings ohne
weiteres
ein ganzzahliger Spannungsabfall I # Rxsoll, nämlich die Nennspannung desselben,
ergibt. Die Widerstandsdekaden 12, 13, 14 des Spannungsteilers 7 werden auf diesen
Nennspannungswert eingestellt.
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Von diesem vorgegebenen Wert für den Prüfstrom I ausgehend, bestimmt
man nach Maßgabe der abgreifbaren Kompensationsspannungen itk den Wert des Normaiwiderstandes
RN so, daß bei der anschließenden Einstellung des Prüfstromes I der Kompensationszustand
UAG=I RN möglich ist. Vom Kompensationswiderstand 2 wird ein wählbarer Spannungsbetrag
also über ein Galvanometer 9 gegen den Normalwiderstand RN geschaltet. Mittels der
Regelanordnung 6 und des Galvanometers 9 erfolgt die Einstellung des Prüfstromes
I in der Reihenschaltung RN, l?x nach dem Nullverfahren, d. h., der Abgleich ist
erfolgt, wenn das Galvanometer 9 stromlos ist.
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Danach wird zur Messung der Spannung über der Reihenschaltung Rx,
RN der Schalter 10 mit den Abgriffen 4, 8 verbunden. Die Spannung über dieser Reihenschaltung
setzt sich zusammen aus den Spannungsabfällen an Rx und RN.
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Der Spannungsteiler 7 ist jedoch auf den durch I # Rx soll gegebenen
Spannungsbetrag eingestellt, da er nur aus drei Widerstandsdekaden besteht, wobei
die kleinste Einheit 1 V ist. Die Größe der Spannung I RN am Normalwiderstand ist
nun aber kleiner als 1 V, da als Einstellbedingung die Gleicliung uk = I # RN gilt
und die größte Spannunguk<l ist. Sie kann daher am Spannungsteiler 7 nicht berücksichtigt
werden. Das hat zur Folge, daß bei fehlerfreiem Prüfling Rx am Spannungsteiler 7
eine um die Größe von I # RN höhere Spannung liegt, als an den kurbeln eingestellt
wurde. Dadurch stellt sich am Widerstand 11 eine Spannung ein, die gegenüber der
am festen Abgriff4 herrschenden Spannung höher ist. Somit zeigt das Galvanometer
einen Ausschlag an. Aus dem abgelesenen Ausschlag des Galvanometers müssen dann
die genaue Spannung U über der Reihenschaltung von Rx, RN und hieraus der Widerstand
Rx bestimmt werden. Der Widerstandswert des Prüflings Rx errechnet sich nach der
Gleichung: Rx = U/I - RN.
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Dieses Verfahren hat außer der umständlichen Rechnung den Nachteil,
daß durch den zusätzlichen Spannungsabfall 1 RN am Spannungsteiler 7 eine größere
Spannung liegt, als eingestellt wurde, und das Galvanometer bei fehlerfreiem Prüfling
bereits einen Ausschlag zeigt. Dadurch wird der Anzeigebereich für positive Abweichungen
des Widerstandes Rx eingeengt. Beispielsweise liegt bei einem Widerstand Rx vom
Sollwert 2000 Q, einem Normalwiderstand von 10 Q und einem Prüfstrom I von 10 mA
bei fehlerfreiem Widerstand Rx am Spannungsteiler eine um 0,5 0/o größere Spannung,
als der Einstellung des Spannungsteilers auf 20V entspricht. Hat nun der Widerstand
einen positiven Fehler von >0,6%,s o ist bei den im Beispiel gewählten Verhältnissen
der Ausschlag nicht mehr ablesbar, da der Anzeigebereich des Galvanometers bei den
bekannten Stufenkompensatoren # 0.67 ... 1,1 % beträgt.
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Diese aufgeführten Nachteile könnten vermiedne werden, wenn der Spannungsteiler
eine vierte Dekade mit 0, 1-V-Einheiten aufweisen würde. Das ist jedoch bei den
bekannten Spannungsteilern nicht der Fall, da für die in erster Linie in Frage kommende
Anwendung bei der Prüfung der Anzeigefehler von Instrumenten kein Bedürfnis vorliegt.
Außerdem ist
diese Erweiterung oder eine Zusatzdekade zur nachträglichen Erweiterung
sehr aufwendig und teuer.
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Es ist auch bekannt, die Stromeinstellung nicht nach dem Nullverfahren,
sondern nach dem Ausschlagsverfahren vorzunehmen. Bei der Stromeinstellung wird
dann so lange der Meßstrom 1 verändert, bis das Galvanometer einen vorher berechneten
Ausschlag zeigt. Dann fließt ein verminderter Meßstrom, der multipliziert mit der
Summe (Rxsoll+RN) wieder einen ganzzahligen Spannungsabfall ergibt. Dieses Verfahren
macht jedoch eine zusätzliche Rechenoperation notwendig, wodurch die Messung kompliziert
wird. Auch kommt noch der Einfluß eines Schätzfehlers bei der notwendigen Einstellung
des Galvanometers auf einen bestimmten Ausschlag hinzu, der in der Regel nicht mit
einem Skalenstrich zusammenfällt. Außerdem wird der Schließungskreis des Galvanometers
durch den Normalwiderstand RN vergrößert, so daß die Empfindlichkeit verringert
wird und Korrekturen notwendig werden.
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Die genannten Nachteile werden praktisch ohne zusätzlichen Aufwand
dadurch vermieden, daß erfindungsgemäß der Normalwiderstand für die Strommessung
mit mindestens einer Anzapfung versehen und so vergrößert ist, daß der an seinen
Enden auftretende Spannungsabfall am Spannungsteiler einstellbar ist.
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Durch diese Ausbildung des Normal widerstandes werden von diesem
zwei Aufgaben erfüllt. Erstens die auch bei den bekannten Einrichtungen erforderliche
Einstellung des Prüfstromes I und zusätzlich die Aufgabe, den an ihm auftretenden
Spannungsabfall so groß auszubilden, daß dieser vom Spannungsteiler 7 berücksichtigt
werden kann.
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In der Fig. 2 ist eine mögliche Form der Ausbildung des Normalwiderstandes
gemäß der Erfindung dargestellt. Im gewählten Beispiel ist ein durchgehender Widerstand
RNO gewählt, der so bemessen ist, daß die an seinen Enden auftretende Spannung vom
Spannugsteiler 7 berücksichtigt wird. Der Widerstand RN O ist mit Anzapfungen versehen,
wobei der mit RN bezeichnete Abgriff in seinem Wert beispielsweise dem des in der
Fig. 1 dargestellten NormalwiderstandesRN entspricht. Der Abgriff RN am Widerstand
RNO dient der Stromeinstellung. Zweckmäßig sind mehrere Abgriffe vorgesehen, um
eine einfache Meßbereichserweiterung zu erreichten.
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Für den Widerstand RNO kann selbstverständlich auch eine Ausbildung
gewählt werden, die beispielsweise aus einem Normalwiderstand besteht, der nur den
für die Stromeinstellung benötigten Wert hat, und mit diesem beispielsweise als
Normalwiderstand ausgebildeten Widerstand ist ein weiterer Widerstand in Reihe geschaltet,
der so bemessen ist, daß die Summe der Spannungsabfälle an dieser Reihenschaltung
den geforderten Spannungsabfall für den Spannungsteiler ergibt.
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Im obigen Beispiel würde der Gesamtwert des Normalwiderstandes beispielsweise
mit 1> 100 Q gewählt werden. Bei 100 Q ergibt sich ein Spannungsabfall von 1
V, der am Spannungsteiler 7 berücksichtigt werden kann. Die Einstellung des Spannungsteilers
7 erfolgt also im Gegensatz zur bekannten Schaltung nicht auf den durch I RXSOII
gegebenen Spannungswert, sondern auf den durch I (RX SOII + RN O) gegebenen Spannungswert,
d. h., im obigen Beispiel wird der Spannungsteiler auf 21 V eingestellt. Der Widerstand
RNO weist außerdem Anzapfungen für die Einstellung des Prüfstromes I nach dem bereits
beschriebenen Verfahren auf. Um möglichst alle vorkommenden
Meßströme
einstellen zu können, wird der Normalwiderstand zweckmäßig mit mehreren Anzapfungen
versehen. Die Wahl der Anzapfungen richtet sich dabei nach den abgreifbaren Spannungsstufen
uk des Kompensators 1. Eine der Anzapfungen würde dem Wert des Normalwiderstandes
in der Fig. 1 entsprechen. Im angegebenen Beispiel also 10 # Durch diese einfache
Maßnahme ist nicht nur der Nachteil eines Ausschlages des Galvanometers bei fehlerfreiem
Prüfling und des eingeengten Anzeigebereiches für positive Widerstandsfehler vermieden
worden, es besteht weiter der große Vorteil, daß die Widerstandsfehler jetzt unmittelbar
in Ohm oder Promille vom Sollwert aus dem Ausschlag des Galvanometers ablesbar sind,
also eine Skaleneichung #Rx bzw. #x# = f (a) möglich ist.
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Durch Vergrößerung des Gesamtwertes des Normalwiderstandes auf 1000
# werden für alle ganzzahligen Meßströme von 1 mA aufwärts ganzzahlige Spannungsabfälle
erhalten. Hiermit sind auch praktisch alle vorkommenden Nennströme der in Frage
kommenden Spannungs- und Leistungsmesser erfaßt.
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Mit der Anordnung gemäß der Erfindung sind selbstverständlich nicht
nur Messungen von Instrumentenwiderständen, sondern auch Messungen an beliebig anderen
Widerständen möglich. Da für solche Widerstände kein vorgegebener Sollwert bekannt
ist, kann aber - wie bei allen genauen Messungen - vorausgesetzt werden, daß der
ungefähre Wert durch eine orientierende Messung mit einer Betriebsmeßbrücke bekannt
ist. Von diesem Wert ausgehend, wählt man sich einen solchen Meßstrom, der multipliziert
mit diesem rechnerischen Sollwert Rx' einen ganzzahligen Spannungsabfall ergibt.
Die Einstellung des Spannungsteilers erfolgt nach diesem Spannungsabfall, und die
Messung wird ausgeführt. Aus dem bei der Spannungsmessung abgelesenen Ausschlag
a des Galvanometers errechnet man nach der Gleichung ARx=(Rx'+RNo) u0 den Widerstandswert
#Rx, der noch an dem zugrunde gelegten rechnerischen Sollwert Rx' zugezählt oder
abgezogen werden muß. Ce ist die Spannungskonstante des Gaivanometers in mV/sktl,
und u0 ist die maximal abgreifbare Spannung am Kompensator.
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Dieses Verfahren wird an einem Beispiel erläutert: Die orientierende
Messung eines unbekannten Wider-
standes, ergibt 6540 Q. Der verwendete Normalweiderstand
hat die Werete RN0 = 100 # mit einer Anzapfung bei RN = 10 #. Der Meßstrom ist mit
10 mA gewählt. Für die Konstanten des Kompensators sind die die vorkommenden Werte
Ge, = 0,2 Sktl. und,,0 300mV zugrunde gelegt. Der Spannungsteiler ist auf den Spannungswert
65 V + 1 V = 66V eingestellt. Diesem Wert entspricht ein rechnerischer Sollwert
Rx' von 6500 #. Bei der Spannungsmessung zeigt das Galvanometer einen Ausschlag
von a= +7,3 Sktl. Dann ist der tatsächliche Wert des Widerstandes Rx Rx=R'x+#Rx=6500#+(6500#+100#)
0,2/300.7,3 RS"= 6532, 1 Q Durch die Maßnahme gemäß der Erfindung ist also die Anwendung
einer Meßeinrichtung aus Stufenkompensator und zugehörigem Spannungsteiler wertvoll
bereichert worden. Der erforderliche Aufwand ist sehr gering, da lediglich der Normalwiderstand
einen bestimmten Widerstandswert aufweisen muß. Somit ist auch eine nachträgliche
Erweiterung bereits vorhandener Meßeinrichtungen praktisch ohne Umbau und zusätzliche
Kosten möglich.