DE638959C - Einrichtung zum Messen oder Registrieren von physikalischen Groessen durch entsprechende AEnderungen eines Wechselstromwiderstandes - Google Patents

Description

Es ist bekannt, physikalische Größen dadurch zu messen oder ihren zeitlichen Verlauf dadurch aufzuzeichnen, daß man die Änderungen der zu messenden Größe in entsprechende Änderungen eines Wechselstromwiderstandes umwandelt. So kann man z. B. kleine Verschiebungen, Drücke, Verdrehungen usw. in Kapazitätsänderungen überführen. Zur Messung der Kapazitätsänderungen sind verschiedene Verfahren bekanntgeworden. Wenn es sich um die Registrierung schnell verlaufender Kapazitätsänderungen handelt, wird vielfach das als Methode der halben Resonanzkurve bekannte Hochfrequenzverfahren benutzt. Mit Rücksicht auf 'die Stabilität und Reproduzierbarkeit der Meßwerte ist es aber vorteilhaft, eine Brükkenschaltung zu verwenden.

Es ist nun bekannt, bei Wechselstrommessungen in Brückenanordnungen das Meßobjekt so abzuschirmen und die Schirme mit der Brücke so zu verbinden, daß es möglich ist, den Scheinwiderstand zu messen, ohne daß die Kapazität des Meßobjektes gegen die Umgebung bzw. gegen den Schirm in die Meßergebnisse mit eingeht. Diese Anordnungen arbeiten jedoch nur einwandfrei, wenn die Brücke sich im Gleichgewicht befindet. Wird eine solche Brücke dagegen in unabgeglichenem Zustand verwendet, d. h. soll aus der Brückenausgangsspannung auf die Änderung des Meßwiderstandes geschlossen werden, so fälschen die vorhandenen Störkapazitäten die Messung, so daß keine eindeutige Beziehung zwischen der Widerstandsänderung und der Spannung am Brückenausgang besteht. Eine Messung wird überhaupt unmöglich, wenn diese Störkapazitäten sich während der Messung ändern, z. B. wenn sie im wesentlichen durch die Zuleitungen zum Meßobjekt eingeführt werden, die im Betrieb Erschütterungen ausgesetzt sind. Ähnlich wie diese Störkapazitäten wirken unabhängig auftretende Änderungen der für die Messungen nicht interessierenden Scheinwiderstandskomponenten, ζ. Β. des Wirkwiderstandes einer zu messenden Kapazität.

Diese Nachteile werden gemäß der Erfindung durch die Verwendung eines phasenempfindlichen Indikators vermieden, der so eingestellt ist, daß er nur auf die durch Änderungen der Größe des Meßobjektes erzeugte Spannungskomponente der Ausgangsspannung der Brücke anspricht. Als phasenempfindlicher Indikator ist eine Anzeigevorrichtung anzusehen, deren Anzeigewert nicht nur von der Amplitude, sondern auch von der Phasenlage der zu messenden Wechselstrom-

*.) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Dipl.-Ing. Hans Walter f in Berlin-Siemensstadt.

größe beeinflußt wird. Als Bezugspunkt dient ■ hierbei zweckmäßig eine dem Indikator gleichzeitig zugeführte synchrone Hilfsspannung, die eine beliebige, je nach dem Zweclg der Messung einstellbare Phasenlage hat. Jfr· wiefern durch die neue Anordnung die Jg^? schilderten Nachteile der bekannten Einri'dl· tungen vermieden werden, soll an einem Beispiel an Hand der Abbildungen erläutert werden.

Es möge sich beispielsweise darum handeln,

kleine Änderungen einer Kapazität laufend anzuzeigen bzw. aufzuzeichnen, die durch Änderungen der zu messenden Größe hervorgerufen werden.

Eine einfache Ausführungsform einer bekannten Meßbrücke zeigt Fig. 1. Der Meßkondensator C_x wird mit einem Normalkondensator C_n verglichen. Die Verhältnisarme R₁, i?₂ bestehen aus beliebigen ohmschen oder komplexen Widerständen. Die Brücke wird von einer WechselstromquelleS gespeist; bei Änderungen von C_x zeigt der Indikator / einen Ausschlag, aus dem auf die Kapazitätsänderung geschlossen werden kann.

Das Meßverfahren" mit einer Brückenschaltung dieser Art hat ebenso wie andere bekannte Verfahren, z. B. auch das nach der Methode der halben Resonanzkurve, den Nachteil, daß die Kapazitäten, die die Zuleitungen a, b gegeneinander besitzen, sich der Meßkapazität C_x parallel legen und so die Messung störend beeinflussen. In vielen Fällen lassen sich bewegliche Zuleitungen beträchtlicher Länge nicht vermeiden, wobei dann die Zuleitungskapazitäten leicht ein Vielfaches der Meßkapazität C_x betragen. Ebenso überwiegen oft die unvermeidlichen Änderungen der Zuleitungskapazitäten die'zu messenden Änderungen von C_x.

Es ist bekannt, daß man durch Schirmung und geeignete Wahl der Schirmpotentiale verhindern kann, daß sich diese Störkapazitäten der Meßkapazität in der Brücke parallel ♦5 legen. Ein Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 2. Die Zuleitungen zu C_x sind einzeln durch die Schirme P₁ und P₂ geschützt. Die konzentriert gedachte Kapazität zwischen jeder Zuleitung und dem zugehörigen Schirm sei C_a bzw. C_b. Verbindet man die Schirme mit dem Brückenpunkt d bzw. werden sie wie dieser geerdet, so wirken die Zuleitungskapazitäten C_a, C_b an den in Fig. 2 punktiert eingezeichneten Stellen.

■55 Ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem ein Punkt von C_x geerdet ist, zeigt Fig. 3. Hier ist die eine Verbindung zu C_x durch Erde ersetzt und die zweite mit zwei Schirmen umgeben, von denen der äußere auch wegfallen kann, wobei dann C_a die Kapazität gegen die Umgebung darstellt. Im allgemeinen kann man auch einen Punkt der Stromquelle erden bzw. mit dem Schirm verbinden, wie es sich in den Fig. 2 und 3 z. B. durch ■^Vertauschen von Stromquelle und Indikator ; "pigibt. Die eine der Teilkapazitäten legt sich ijdä-hn nicht dem Indikator, sondern der Stromquelle parallel.

Diese an sich bekannten Maßnahmen genügen aber noch nicht, um die Wirkung unabhängiger Änderungen der Zuleitungskapazitäten für die Messung unwirksam zu machen. Die eine Teilkapazität C_a verringert in dem dargestellten Beispiel zwar nur die Empfindlichkeit des Indikators und kann bei Verwendung eines genügend niederohmigen Indikators unschädlich gemacht werden. Dagegen bewirkt die Teilkapazitat C₆ ebenso wie die zu messende Änderung von C_x eine Verstimmung der Brücke, stört also die Messung. So

Eine einwandfreie Messung wird erfindungsgemäß mit einer Einrichtung erreicht, bei der eine in beschriebener Weise geschirmte Brücke mit einem phasenempfindlichen Indikator vereinigt wird, z. B. in der aus Fig. 4 ersichtlichen Weise. Die Teilkapazitäten sind wieder in der Brücke an den Stellen punktiert eingezeichnet, an denen sie im Betrieb wirksam werden. Wird in der zunächst abgestimmt gedachten Brücke die Kapazität C_x verändert, so entsteht am Brükkenausgang eine Spannung, die vektoriell mit E₁ bezeichnet sei. Wird dagegen die abgestimmt gedachte Brücke durch,, Hinzuschalten oder Verändern von C_b verstimmt, so entsteht eine Ausgangsspannung, die mit jB₂ bezeichnet werden möge." Es läßt sich nun leicht nachweisen, daß E₁ stets gegenüber E_s um 90⁰ in der Phase verschoben ist, falls

gewählt wird. Verwendet man

nun zur Anzeige der Brückenausgangsspannung einen phasenempfindlichen Indikator der oben gekennzeichneten Art in der Weise, daß die Spannung E₁ mit maximaler Empfindlichkeit angezeigt wird, so bleibt die um 90 ° verschobene Spannung E₂ ohne Einfluß auf die Messung, gleichgültig ob diese allein oder zugleich mit E₁ auftritt.

Phasenempfindliche Indikatoren sind an iw sich zur Erleichterung der Abstimmung in Verbindung mit Wechselstrommeßbrücken bekannt. Im vorliegenden Falle wird aber durch die Anwendung eines phasenempfindlichen Indikators bei einer Brückenschaltung, die derart abgeschirmt ist, daß die Teilkapazitäten, insbesondere die des Meßobjektes und seiner Verbindungsleitungen, gegen die Schirme sich entweder der Stromquelle, dem Indikator oder einem der Brückenzweige, jedoch nicht der Meßgröße, parallel legen, erreicht, daß die bei Verwendung der Meß-

brücke in nicht abgeglichenem Zustande auftretenden, störenden Einflüsse der Teilkapazitäten vermieden werden.

Die Einzelheiten einer als Beispiel dienenden Meßschaltung sind nach Fig. 4 folgende: Die Wechselspannung wird in bekannter Weise von einem rückgekoppelten Röhrengenerator erzeugt. R₁ ist das Schwingrohr, L₁ und C₁ sind die frequenzbestimmenden Schwingkreiselemente. Dem Generator wird . die Energie über den Transformator U₁ entnommen, dessen Windungen W₁ im Schwingkreis liegen. Über die Windungen W₂ wird der Meßbrücke die Speisespannung zugeführt.

Die Windungen w_s, W₄ des Übertragers U₁ dienen zur Entnahme der Hilfsspannung für den phasenempfindlichen Indikator. Die Meßbrücke entspricht der Anordnung von Fig. 2. Zum Ausgleich des unveränderlichen Teiles der variablen Störkapazität C₆ ist ein Kondensator C₁I vorgesehen. Der Ausgang der Meßbrücke ist mit dem Eingang eines zweistufigen Verstärkers R₃, i?₄ verbunden, der zur Vermeidung zusätzlicher Phasendrehungen mit Widerstandskopplung ausgeführt und, falls erforderlich, für das zu übertragende Frequenzband mit besonderer Phasenentzerrung ausgerüstet, ist. Vom Verstärkerausgang gelangt die zu messende Spannung über einen Empfindlichkeitsregler R₁, und den Übertrager U₂ zu dem phasenempfindlichen Indikator.

Als solcher.ist hier eine bereits bekannte Gleichrichteranordnung verwendet, die aus zwei Gleichrichterkreisen besteht, von denen jeder einen Widerstand T₁ bzw. r₂ und eine Gleichrichterkombination G₁ bzw. G₂ enthält, die hier in der bekannten Graetzschen Anordnung ausgeführt ist. Jedem der Kreise wird außer der zu messenden Spannung eine gegenüber dieser große Hilfsspannung zugeführt, wobei in dem einen Kreis die Summe, in dem anderen die Differenz von Hilfs- und Meßspannung wirkt. Die Hilfsspannung bewirkt lediglich das synchrone Öffnen und Sperren der Gleichrichter und ist auf das an den Klemmen x, y angeschlossene Anzeigeinstrument / unwirksam. Auf dieses wirkt ein Strom von der Größe i = k · E cos φ, wo E die Meßspannung, φ den Winkel zwischen dieser und der Hilfsspannung und k eine Konstante bedeuten. Nach den vorangegangenen Erläuterungen muß cos φ für diejenige Komponente der Meßspannung zu 1 werden, die durch eine Veränderung der Meßgröße C_x hervorgerufen wird. Um das zu erreichen, wird im allgemeinen eine feste Phasendrehung der Meß- oder Hilfsspannung vorzusehen sein, z. B. durch einen Scheinwider-So stand Z vor der Meßbrücke.

Handelt es sich um die Darstellung schneller Änderungen von C_x, so wird das Anzeigeorgan zweckmäßig eine Oszillographenschleife sein. Natürlich muß die Frequenz des speisenden Generators höher sein als die höchste Teilfrequenz der aufzuzeichnenden Änderungen. Dabei kann es sich als nötig erweis&a, die Speisefrequenz von der Schleife durch einen Filter F fernzuhalten, sofern die Grenzfrequenz der Schleife selbst nicht genügend tief dagegenliegt. Bei der dargestellten Doppelgleichrichtung ist im Ausgangssystem nicht die Speisefrequenz, sondern die doppelte Frequenz der Speisespannung enthalten, was für die Siebung günstiger ist.

In der Fig. 4 ist schließlich noch eine nicht zum Gegenstand der Erfindung gehörende Einrichtung A zur Entnahme der Heiz- und Anodenspannungen aus dem Wechselstromnetz dargestellt.

Als phasenempfindlicher Indikator kann auch jede andere Anordnung mit den gekennzeichneten Eigenschaften verwendet werden, z.B. bekannte Bolometer und Thermokreuzschaltungen oder ein Dynamometer. Ebenso kann auch die Meßbrücke noch andere Ausgestaltungen erfahren. Wesentlich ist nur, daß die störenden Teilkapazitäten des Meßobjektes durch geeigneten Aufbau teils der Stromquelle oder dem Indikator, teils einem der Brückenzweige in der Weise parallel gelegt werden, daß die durch sie hervorgerufenen Ausgangsspannungen der Brücke um annähernd 90⁰ gegenüber denen verschoben sind, die durch die zu messenden Änderungen des Objektes erzeugt werden, und daß ein phasenempfindlicher Indikator verwendet wird, der auf diese störenden Spannungskomponenten nicht anspricht. Die Erfindung kann auch nutzbar gemacht werden bei der Kon- J trolle von Werkstoffen, die sich als Dielektrikum zwischen den Platten des Meßkondensators befinden.

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   i. Einrichtung zum Messen oder Registrieren von physikalischen Größen durch entsprechende Änderungen eines Wechselstromwiderstandes unter Benutzung einer nicht abgeglichenen Brückenschaltung, die no derart abgeschirmt ist, daß die Teilkapazitäten, insbesondere die des Meßobjektes und seiner Verbindungsleitungen, gegen die Schirme sich entweder der Stromquelle, dem Indikator oder einem der Brückenzweige, jedoch nicht der Meßgröße, parallel legen, gekennzeichnet durch einen phasenempfindlichen Indikator, der so eingestellt ist, daß er nur auf die durch Änderungen der Größe des Meßobjektes erzeugte Spannungskomponente der Ausgangsspannung der Brücke anspricht.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch ι mit einem Verstärker für die Meßspannung, dadurch gekennzeichnet, daß dieser in dem zu übertragenden Frequenzbereich entweder infolge seines Aufbaues ohne Phasenverzerrung arbeitet oder mit besonderen Schaltmitteln zur Phasenentzerrung versehen ist.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch elektrische Siebmittel oder durch Wahl der Eigenfrequenz des Anzeigeorgans im Indikator alle Frequenzen, die höher liegen als die höchste Änderungsfrequenz des zu messenden Widerstandes, von dem Anzeigeorgan ferngehalten werden.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen