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Elektrometer Die leistungslose Messung von Spannungen und damit anderer
elektrischer Größen spielt in der Meßtechnik eine bedeutende Rolle. Das klassische
Instrument hierfür, das bisher in der Verlustlosigkeit der Messung nicht übertroffen
wurde, ist das Elektrometer, meist in der Form des Faden- oder nuadrantenelektrometers.
Ein großer Nachteil dieser Instrumente ist jedoch, daß sie nur eine visuelle Ablesung
gestatten, daß es also nicht möglich ist, eine Registrierung, Fernübertragung oder
gar Regelung mit ihnen vorzunehmen.
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Mit der Einführung der Verstärkerröhre in die Meßtechnik wurde deshalb
ein anderer Weg beschritten, indem die sog. Elektrometerröhre geschaffen wurde.
Diese zeichnet sich durch eine besonders gute Gitterisolation und einen geringen
Energieverbrauch am Gitter aus. Mit einer solchen Röhre gelingt es, in Verbindung
mit weiteren Verstärkerstufen Spannungen verhältnismäßig verlustarm zu registrieren
oder zu Regelzwecken zu benutzen. Jedoch zeigt auch dieser Weg grundsätzliche Mängel.
Einmal stellen solche Elektrometerröhren kostspielige Sonderanfertigungen dar: Auch
können durch diese Röhren Störungen im Meßkreis verursacht werden, da sie elektrische
Leistung am Gitter abgeben. Schließlich aber gehen die Röhrendaten, da ja die Meßspannung
direkt verstärkt wird, voll in die Messung ein, und dies bedeutet, daß die Eichung
eines solchen Röhrenelektrometers dauernd überwacht werden
muß,
denn. es kann nicht damit gerechnet werden, daß die Röhrendaten für eitle derartige
Anwendung genügend konstant sind.
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Die vorliegende Erfindung vermeidet nicht nur die geschilderten Nachteile
der bekannten Einrichtungen, sondern es werden darüber hinaus durch das besonders
verwendete Meßprinzip neuartige. Anwendungsmöglichkeiten erschlossen. Die Erfindung
benutzt als eigentliches Meßelement die schon erwähnten normalen Elektrometer, also
eine Anordnung, bei der ein beweglicher Leiter in einem elektrischen Feld entsprechend
der zu messenden Spannungsdifferenz gegen eine Rückstellkraft bewegt wird. Bei der
Erfindung wird aber nun die Bewegung des Leiters nicht direkt optisch gemessen,
sondern sie dient dazu, wiederum die Änderung einer Potentialverteilung in einem
weiteren elektrischen Feld zu bewirken, die dann zur Anzeige dient. Da dieser zweite
gekoppelte Vorgang unter Energiezufuhr und ohne wesentliche Rückwirkung auf das
eigentliche Meßsystem durchgeführt werden kann, ergibt sich hierbei ohne weiteres
die notwendige Verstärkung der Meßenergie. Die eigentliche Messung verbraucht hierbei
aber nicht mehr Energie als ein normales Elektrometer. Es ist möglich, die beiden
Meßglieder, nämlich die bewegliche Elektrode des Elektrometers und die Steuerelektrode,
für die Anzeige.unmittelbar zu koppeln bzw. zu einem einzigen Glied zu vereinigen
oder aber durch Übertragungsglieder, z. B. eine Übersetzung, zu verbinden. Im einzelnen
sei die Erfindung an einigen Ausführungsbeispielen erläutert.
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Zunächst zeigen Bild i und 2 im Prinzip bekannte Ausführungsformen
von Elektrometersystemen, die für den vorliegenden Fall besonders geeignet sind.
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Bei dem Folienelektrometer nach Bild i befindet sich die Folie, die
an Bändern federnd aufgehängt ist, zwischen den beiden festen Elektroden 2 und 3,
welche ein elektrisches Feld erzeugen. In Bild 2 ist das bewegliche Blatt i zwischen
zwei Torsionsfäden 4 und 5 drehbar aufgehängt, und seine eine Seite bewegt sich
dadurch wiederum zwischen den beiden festen Elektroden 2 und 3.
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Eine besonders für die vorliegende Erfindung ausgebildete Abwandlung
dieser Anordnung zeigt Bild 3. Bei dieser Ausführungsform sind die beiden Seiten
6 und 7 des drehbaren Blättchens elektrisch getrennt, und jede von ihnen ist mit
einem der Torsionsfäden 4 und 5 verbunden. Zusammen mit den jeder Blatthälfte zugeordneten
zwei festen Elektroden erhält man also zwei vollkommen getrennte Systeme, von denen
das eine als Meß- und das andere als Steuersystem für die Anzeige benutzt werden
kann.
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Bild 4 zeigt eine allgemein gebräuchliche grundsätzliche Schaltung
von Elektrometern, bei denen an die festen Elektroden zur Erhöhung der Empfindlichkeit
eine Hilfsspannung angelegt wird. Es ist aber auch möglich, die Erfindung in gleicher
Weise bei anderen bekannten Elektrometerschaltungen zu verwenden, die eine zusätzliche
Spannungsquelle nicht 1?enötigen: Es ist i wieder die bewegliche Elektrode, die
zwischen den beiden Platteng und 3 liegt. 8 ist eine Hilfsspannungsquelle und 9
ein Potentiometer, das die Spannungsverteilung zwischen den Platten 2 und 3 und
dem beweglichen Teil i zu regeln gestattet. Die Bedeutung der drei Schutzwiderstände
io wird noch später erläutert. Die zu messende Spannung wird zwischen den _ Punkten
i i und 12 angelegt. Es ergibt sich dann eine Bewegung der Elektrode i bei
nicht zu großen Ausschlägen proportional der angelegten Spannung. Um die Bewegung
der Meßelektrode entsprechend den Vorschlägen der vorliegenden Erfindung zu messen,
gibt es verschiedene Wege. Bei einer Ausführung gemäß Bild 3 können z. B. an dem
elektrisch getrennten Steuerkreis alle üblichen elektrischen Meßmethoden zur Kapazitätsmessung
angewendet werden, um die Bewegung des Blättchens festzustellen.' Sind Meß- und
Steuerelektrode identisch, wie das zumeist der Fall sein wird, muß dafür gesorgt
werden, daß sich Meß- und Anzeigekreis elektrisch nicht beeinflussen. Am besten
ist es in diesem Fall, wenn der Anzeigekreis mit einer anderen Frequenz betrieben
wird, als sie im Meßkreis auftritt. Häufig wird im Meßkreis nur Gleichstrom auftreten.
Es genügt dann, den Anzeigekreis mit Wechselstrom beliebiger Frequenz zu betreiben.
Überhaupt ist die Messung des Ausschlages mit Wechselstrom sehr vorteilhaft.
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Bild 5 zeigt eine grundsätzliche Schaltung für die Messung der Bewegung
des Elektrometerblattes durch einen Wechselstromkreis. Hierbei sind die in Bild
4 bereits erläuterten Schaltelemente für den Meßkreis weggelassen. Über den Transformator
13, dessen Sekundärwicklung eine Mittelanzapfung besitzt, und die hochisolierten
Kondensatoren 14 wird den festen Elektrometerelektroden eine Wechselspannung möglichst
hoher Frequenz zugeführt. Die zwischen der beweglichen Elektrode und der Mittelanzapfung
des Transformators entstehende Spannung ist dann der Differenz der Teilkapazitäten
und damit dem Ausschlag der beweglichen Elektrode bei nicht zu großen Ausschlägen
proportional. Diese Spannung wird im Verstärker 15 verstärkt, im Gleichrichter 16
gleichgerichtet und dem Anzeigeinstrument icg zugneführt. Um dtie Richtung des Ausschlages
feststellen zu können, erfolgt die Gleichrichtung phasenabhängig. Es wird hierzu
durch die Hilfswicklung 17 am Transformator 13 dem Gleichrichter die Speisespannung
auch direkt zugeführt. Der Kondensator 18 riegelt den Verstärker gegen die Meßspannung
am Elektrometer ab. Ebenso dienen die schon erwähnten Widerstände io in Bild 4 dazu,
Elektrometerkreis und Hochfrequenzkreis zu trennen.
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Bild 6 zeigt eine Schaltung, die den gleichen Zweck erfüllt und sich
bei der Verwendung des Elektrometers als Indikator in Wechselstrombrücken bewährt
hat. Hierbei liegen in den Zuleitungen zu den Elektrometerplatten die Primärseiten
von zwei Transformatoren 2o, deren Sekundärseiten mit entgegengesetztem Wicklungssinn
parallel geschaltet sind. Ein dritter Transformator 21
in der Folienleitung
führt eine Hilfswechselspannung zu. Der NN'echselstrom verteilt sich je nach Lage
der Folie auf die beiden Transformatoren. Die Spannung auf der gemeinsamen Sekundärseite
hängt daher von der Stellung der Folie ab.
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Die Schaltung ist nur anwendbar, wenn zwischen den Anschlägen, die
von den Platten und der Folie fuhren, eine äußere kapazitive Verbindung besteht.
Diese ist im Bild gestrichelt angedeutet.
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Eine weitere Möglichkeit der Meßwertübertragung kann dadurch erreicht
werden, daß durch Verlagern der Folie die Rückkopplung eines Oszillators gesetzmäßig
geändert wird. Gitterwechselspannung, Anodenstrom und schließlich der Spannungsabfall
an einem Arbeitswiderstand sind von der Lage der Folie und damit von der zu messenden
Spannung abhängig.
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Bild 7 zeigt eine Anordnung tnit getrennter Meß-und Steuerelektrode
gemäß Bild 3. 7 ist die Elektrode ini Meßkreis der wie üblich aufgebaut ist. 6 ist
die Steuerelektrode. Beide haben durch die Spannbänder 4 und 5 getrennte Ausführungen
nach rußen. 22 ist ein Verstärker mit phasenabhängigem Gleichrichter und 23 das
Anzeigeinstrument. Die Wirkungsweise ist durch (las bisher Gesagte ohne weiteres
verständlich. Die Schaltung wird durch die vollständige Trennung der Kreise sehr
vereinfacht, jedoch können in der gezeigten Ausführungsforin Fehler durch die Trägheit
der Folie und durch Verformungen auftreten. Es ist hierauf bei der mechanischen
Ausbildung des Gerätes zu achten.
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Dadurch, (laß bei den beschriebenen Anordnungen nach der Erfindung
die Anzeige von der Differenz zweier Kapazitäten abhängt, gehen die Röhrendaten
nicht mehr in dem Maße in die Messungen ein, wie dieses z. B. bei unmittelbarer
Spannungsmessung mit Röhrenverstärkern der Fall ist. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung
läßt sich die Konstanz jedoch noch durch eine einfache selbsttätige Kompensation
verbessern. Bild 8 gibt hierfür ein Beispiel. Der an dem konstanten Widerstand 24,
der im Anzeigekreis liegt, erzeugte Spannungsabfall wird in den Eingangskreis zurückgeführt.
Hierdurch wird der Ausschlag des Elektrometers kompensiert, und bei hohem Übertragungsmaß
der urkompensierten Anordnung und genügend großem Kompensationswiderstand ist das
Übertragungsmaß der kompensierten Anordnung im wesentlichen durch den Kompensationswiderstand
bestimmt und von Änderungen der Verstärkerdaten weitgehend unabhängig. Gleichzeitig
wird die mechanische Rückstellkraft durch eine elektrische Feder zu einer wesentlich
höheren Gesamtrückstellkraft ergänzt. Hierdurch erhöht sich das Auflösungsvermögen
für rasch ablaufende Vorgänge.
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Auf diese Weise läßt sich der Ausschlag außer bei Meßgleichspannungen
auch bei Meßwechselspannungen selbsttätig kompensieren. Im letzteren Fall kann jede
störende Beeinflussung der Meßspannung durch Trennen der Meß- und Kompensationsspannung
durch die bekannten elektrischen Weichen vermieden werden. Soll auch bei der Messung
von Gleichspannungen jede störende Beeinflussung des Meßkreises vermieden werden,
so wird vorteilhaft eitre Ausbildung dies Elektrometers nach Bild 3 gewählt. Bild
9 gibt hierfür ein Ausführungsbeispiel. Die Meßspannung wird bei 25 angelegt und
bewegt die Elektrode 26. Die andere Elektrode 27 steuert in schon beschriebener
Weise den Anzeigekreis. Der dabei am Widerstand 28 erzeugte Spannungsabfall wirkt
auf die Elektrode 26 zurück und kompensiert deren Ausschlag, ohne auf den :Meßkreis
Einfluß au haben. Die Meßspannung kann auch eine Wechselspannung sein, wobei sich
als Vorteil der Wegfall aller elektrischer Trennglieder ergibt.
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Bild io zeigt noch die Schaltung eines phasenabhängigen Gleichrichters,
wie er bei der Erfindung benutzt werden kann. Der Transformator 29 wird unmittelbar
durch den Oszillator gespeist, während bei 3o die Ausgangsspannung des Verstärkers
zugeführt wird. Bei 31 kann noch ein Gleichstromverstärker angeschlossen
werden.
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Bild i i zeigt eine Gegentaktendstufe des Verstärkers, die gleichzeitig
eine phasenabhängige Gleichrichtung zuläßt. Der Transformator 32 wird wiederum vom
Oszillator gespeist und gibt auf den Transformator 33 durch die Mittelanzapfung
eine symmetrische Hilfsspannung. Die Gleichrichtung der bei 34 zugeführten Ausgangsspannung
der Vorstufe in der Endstufe ist also phasenabhängig.
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Verfolgt man den Ausschlag der beweglichen Elektrode eines Elektrometers
rechnerisch, so ergibt sich für kleine Ausschläge a in guter Näherung
Hierbei bedeutet U die Hilfsspannung in Volt, h die Meßspannung in Volt, e den Abstand
der Platten, C die Rückstellkraft in Dvn/cm, F die Fläche der Platten in cmE, e
die Iiielektrizitätskonstante.
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Die Auslenkung der beweglichen Elektrometerelektrode ist also abhängig
von dem Verhältnis der angelegten Spannungen U und V und umgekehrt proportional
der Federkonstante C. Macht man C sehr klein, so wird die Anzeige unstabil. Wird
aber jetzt eine lagerabhängige Rückstellkraft eingeführt, etwa durch sichelförmige
Ausbildung der Elektroden bei einem nach Art eines Quadrantenelektrometers aufgebautem
Gerät, so kann eine Abhängigkeit der Anzeige von L erzielt werden. Auf diese Weise
wird ein Quotientenmesser geschaffen.
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Wird umgekehrt die Federkonstante sehr groß gemacht, so wird im wesentlichen
das Produkt von U h für den Ausschlag maßgebend, und das Elektrometer wird zu einem
Produktenmeßgerät. Beide Maßnahmen lassen sich mit großen Vorteilen bei den bereits
beschriebenen Anordnungen mit Meßwertverstärkung anwenden.
Besondere
Vorteile ergeben sich aber dann, wenn einem derartigen Produkte bildenden Elektrometer
die Spannungen U und h als Wechselspannungen zugeführt werden. Es ergibt sich nämlich
'dann, daß die Anzeige phasenempfindlich ist und damit direkt zur Leistungsmessung
für Wechselstrom geeignet ist. Die Dämpfung der Folie und die Trägheit der Abstandsmeßanordnung
bewirken nämlich, daß am Anzeigegerät der zeitliche Mittelwert Tiber die Periode
erscheint. Ganz besondere Vorteile ergeben sich dann, wenn ein solches Wechselstromelektrometer
als Brückenindikator angewendet wird.
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Bild 12 gibt hierfür ein Beispiel. Die Brücke besteht aus den vier
Kondensatoren 35, 36, 37 und 38. Die Speisespannung für die Brücke wird bei 39 zugeführt.
In die Diagonale der Brücke wird-das Elektrometer eingeschaltet. Die Anzeige erfolgt
in der schon beschriebenen Weise mittels einer Hilfsspannung. Die Spulen der Übertragungstransformatoren
für diese Hilfsspannung sind mit Kondensatoren zu Schwingungskreisen ergänzt, die
auf die Hilfsfrequenzen abgestimmt sind.
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Das Anzeigegerät zeigt die Verstimmung der Brücke infolge Kapazitätsänderungen
direkt an. Ändern sich jedoch die dielektrischen Verluste, z. B. des Kondensators
35, so ist die entstehende Diagonalspannung zwischen Folie und Brückenmitte um 9o°
verschoben, und das Instrument spricht nicht an. Es ist deshalb noch in bekannter
Weise bei 4o eine weitere Hilfsspannung vorgesehen, deren Vektor, von dem Potential
der Brückenmitte an gerechnet, auf dem Vektor der Brückenspannung senkrecht steht.
Wird die Folie an diese Hilfsspannung gelegt, reagiert sie nur noch auf dielektrische
Verluste und nicht mehr auf kapazitive Verstimmungen. Der wesentliche Vorteil der
beschriebenen Anordnung liegt darin, daß sie ohne weiteres eine Messung mit erheblicher
Meßenergie über weite Frequenzbereiche in einer Wechselstrombrücke unter getrennter
Bestimmung von Kapazität und Verlust auch im Hochfrequenzgebiet gestattet. Es ist
lediglich notwendig, die Hilfsfrequenz entsprechend zu legen und die geometrischen
Abmessungen des Meßsystems geeignet zu wählen.
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Die beschriebenen Anordnungen sind auch geeignet, mittels eines Servomotors
einen' selbsttätigen Brückenabgleich vorzunehmen und den Verstellweg zu registrieren.
Man kann mit einer derartigen Brücke dann Kurven der Dielektrizitätskonstante, der
dielektrischen Verluste von Isolierstoffen in Abhängigkeit von Frequenz, Temperatur
und anderen Variablen unmittelbar aufzeichnen.