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Elektrisches Zeigerfrequenzmeßgerät, bei welchem das Verhältnis der
Ströme mehrerer Stromkreise mit verschieden mit der Frequenz veränderlichen Wechselstromwiderständen
gemessen wird. Zur Messung der Frequenz elektrischer Wechselstromvorgänge verwendet
man in neuerer Zeit Instrumente, bei denen der zu messende Wert an einem Zeiger
auf einer Skala abgelesen werden kann. Solche Instrurnente können bekanntlich auch
dazu benutzt werden, Aufzeichnungen der Frequenz auszuführen. Ein Frequenzmeßgerät
muß so beschaffen sein, daß seine Angaben einzig eine Funktion der anzuzeigenden
Frequenz sind
und nicht durch Nebenumstände beeinflußt «-erden.
Außerdem soll bei ausreichender Frequenzempfindlichkeit (las im Meßgerät wirksame
Drehmoment so groß sein daß eine einwandfreie Messung bzw. Registrierung gewährleistet
ist.
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Die vorliegende Erfindung stellt ein elektrisches Zeigerfrequenzmeßgerät
dar, welches hei besonders einfachem Aufbau diese Forderungen in weitgehendem Maße
erfüllt. Es ermöglicht, bei niederen und mittleren Frequenzen hohe Frequenzempfindlichkeiten
bei günstigem Skalenverlauf zu erzielen. Dabei ist der Eigenverbrauch des neuen
1'Ießgerätes verhältnismäßig gering, so (laß auch Wechselstroinquellen kleiner Leitung
damit untersucht werden können. Auch zur Aufzeichnung der in ihrem zeitlichen Verlauf
zu untersuchenden Frequenz ist das neue Meßgerät gut geeignet.
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Der Aufbau des Instrumentes ist in Abb. i schematisch dargestellt.
Vier itii Kreise zu je zwei einander gegenüber fest angeordnete Spulen S1, S_, S3,
S,, erzeugen zwei Wechselfelder F" F_, die räumlich um 9o° gegeneinander versetzt
sind. Zwischen den vier kreisförmig ausgebohrten Polschuhen eines gemeinsamen Eisenkörpers
Iil liegt, drehbar gelagert, eine bewegliche Spule S, welche einen zylinderförmigen
Eisenkern l_ umschließt und die aus Abb. i ersichtliche, ihr eigentümliche Gestalt
besitzt.
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je zwei gegenüberliegende Spulen sind in Reihe geschaltet. Ein Spulenpaar
S1, S;, liegt in einem stark induktiv ausgebildeten Stromkreis z, während das andere
S_, S-, in einem Stromkreis i eingeschaltet ist, welcher Kapazität und Induktivität
in Reihenschaltung enthält. Die bewegliche Spule liegt unter Vermittlung zwei; r
feiner Bronzebänder finit vernachlässigbar kleiner Torsionskraft in einem besonderen
Stromkreis 3, welcher ebenfalls stark induktiv ausgebildet ist. Die drei Stromkreise
sind parallel geschaltet und finit der zu untersuchenden Wechselspannung E verbunden.
Da keinerlei mechanische Richtkräfte vorgesehen sind, wird die bewegliche Spule
im Gleichgewicht gehalten durch zwei elektrische Drehmomente 1), und
D_, welche bei der vorliegenden Anordnung entgegengesetzte Richtung haben.
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Der Einfachheit der Betrachtung wegen wird angenommen, daß die wirksamen
Felder F" F_, F3 mit den erzeugenden Ströinen J1, J_, J3 in Phase sind. Abb. a zeigt
die räumliche Lage, Abb.3 die Phasenlage der Felder und Ströme. Da nun bekanntlich
das Drehmoment zwischen zwei Wechselfeldern, die hier sinusförniig und homogen gedacht
sind, proportional ist, erstens der Größe der Felder, zweitens proportional dem
Kosinus des Phasenverschiebungswinkels zwischen dem festen und dem beweglichen Feld
und drittens dein Sinus des räumlichen Winkels, unter dem die genannten Felder gegeneinander
versetzt liegen, so wird:
Hierin bedeutet v eine beliebig angenommene Verdrehung des beweglichen Feldes F_
gegen das feste Feld F2, während mit q)1, y2, 93 die in Abb. 3 dargestellten
Phasenwinkel der Zweigströme Il, J_, I_ gegen die Spannung E, mit c und c' Proporticnalitätsfaktoren
bezeichnet sind.
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Für Gleichgewicht werden die beiden auf das bewegliche System einwirkenden
Drehmomente, «-elche, wie erwähnt, entgegengesetzte Richtung haben, der Größe nach
gleich: Dl =- D2 oder J1 # cos (9,)l - y,) # cos v ü J2 # cos kp2- q)3) # sinn.
Daher wird
Unter Zugrundelegung bekannter Beziehungen läßt sich leicht ableiten, in welcher
Forin die Ströme J1, l.= und weiterhin die Phasenwinkel y1, y2, c)3 von der Frequenz
abhängen. Da der Zweigstrom h in einem Stromkreis wirksam ist, welcher Kapazität
und Induktivität in Reihenschaltung enthält, so kann bei geeigneter Wahl dieser
Größen eine starke Abhängigkeit dieses Stromes von der Frequenz und somit eine hohe
Frequenzempfindlichkeit des Meßgerätes erzielt werden. -Man erreicht dies praktisch
dadurch, claß man die Eigenfrequenz des Kondensatorkreises annähernd auf die mittlere
der zu messenden Frequenzen abstimmt. Dabei hat e s sich gezeigt, daß die Induktivität
des Kondensatorkreises stark abhängig ist von der
Winkelstellung
der beweglichen Spule. Es ist also mit der Änderung des Zeigerausschlages eine Änderung
der Eigenfrequenz des Kondensatorkrerises verbunden. Diese Erscheinung ermöglicht,
besonders hohe Frequenzenipfindlichkeiten zu erzielen.
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Der Skalenverlauf ist praktisch linear und kann durch Änderung der
in den drei Stromkreisen befindlichen Widerstände und Induktivitäten künstlich beeinflußt
werden, so daß enge und weite 1leßbereiche einstellbar sind. Spannungsschwankungen
haben bis zu mehr als ± 3o Prozent der Betriebsspannung keinen Einfluß. Die Verwendung
des abgestimmten Kondensatorkreises und der stark induktiv ausgebildeten Spulenkreise
ergibt den Vorteil, (iaß die Angaben von der Kurvenform des zu eiessenden Wechselstromes
praktisch unabhängig sind, und zwar auch bei sehr von der Sinusform abweichenden
Kurvenformen.
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Bei Frequenzen von etwa 50 Perioden und mehr, besonders bei
mittleren Frequenzen, kiinnen die verwendeten Kondensatoren in Bezug auf ihre Kapazität
verhältnismäßig klein gewählt werden. So beträgt beispielsweise die erforderliche
Kapazität bai einer mittleren Frequenz voll 50 Perioden etwa 2 ML, bei einer
solchen von ioo Perioden etwa o,5 11f. Bei niederen Periodenzahlen müßten die Kondensatoren
sehr groß bemessen werden, um günstigste elektrische Verhältnisse beizubehalten.
So wäre z. B. bei der oft gebräuchlichen Frequenz von 16=j, Perioden eine Kapazität
von etwa 18 Mf. erforderlich, wenn die bei 5o Perioden benutzten Spulenanordnungen
des Kondensatorkreis-es beibehalten werden. Eine derartige Kondensatoranordnung
wäre kostspielig und würde viel Raum beanspruchen.
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Um auch bei diesen niederen Frequenzen mit klein bemessenen Kondensatoren
auskommen zu können, ist bei dem neuen Meßgerät die Anordnung so getroffen, daß
bei niederen Periodenzahlen der Kondensator nicht unmittelbar, sondern unter Zwischenschaltung
eines eisengeschlossenen, praktisch streuungsfreien Transformators mit dem Kondensatorkreis
verbunden wird (Abb. 4.). Bezeichnet il das Übersetzungsverhältnis des Transformators
T, also das Verhältnis der primären zur sekundären Windungszahl, so wird nach bekannten
Gesetzen in dem Kondensatorkreis eine Kapazität wirksam sein, deren Größe dem üifachen
Wert der wirklich vorhandenen Kapazität C entspricht. Der dein Kondensator vorgeschaltete
Transforinator ermöglicht, also mit dein ölfachen desjenigen Kapazitätswertes auszukommen,
den der Kondensator eigentlich haben müßte, wenn der Transformator nicht zwischengeschaltet
wäre. Es kann ein kleiner Spartransformator verwendet werden, welcher iti dem Gehäuse
des Meßgeräts untergebracht ist. Der Skalencharakter wird bei Zwischenschaltung
eines Transformators nicht verändert.