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Einrichtung zur Bestimmung der Amplitude und Phase einer Wechselspannung
durch Kompensation. In dem Hauptpatent handelt es sich um ein Kompensationsmeßverfahren,
bei dem die zu untersuchende Wechselspannung kompensiert wird durch eine in bezug
auf Amplitude und Phase veränderliche Kompensationsspannung, welche aus zwei hintereinandergeschalteten,
um 9ö° in der Phase gegeneinander verschobenen Teilspannungen zusammengesetzt ist.
Die beiden Teilspannungen werden als regelbare Spannungsabfälle an zwei mit Schleifkontakten
versehenen
und leitend miteinander verbundenen Meßdrähten abgegriffen, die von zwei um cgo°
in der Phase gegeneinander verschobenen- Wechselströmen durchflossen -werden, welche
dieselbe Frequenz besitzen- wie die zu prüfende Wechselspannung. Hierbei sind die
Verhältnisse so gewählt, daß das Verhältnis der wirksamen Drahtlänge zur. abgegriffenen
Teilspannung bei beiden Meßdräliten dasselbe ist, daß also der einer Längeneinheit
entsprechende Spannungsabfall bei beiden Meßdrähten derselbe ist.
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Bei gewissen Arten von Messungen kann es vorkommen, daß die beiden
bei Kompensation wirksamen Teilspannungen voneinander sehr verschieden sind. Dann
ist die am einen Meßdraht wirksame Drahtlänge entsprechend der Kleinheit der abgegriffenen
Teilspannung so klein, (laß die Ablesung dieser Teilspannung ungenau wird. Diese
Unannehmlichkeit wird durch die Erfindung vermieden, und zwar wird dies dadurch
erreicht, daß die beiden Verhältnisse der wirksamen Drahtlänge zur abgegriffenen
Teilspannung bei beiden Meßdrähten beliebig, also auch verschieden einstellbar gewählt
werden. Sind diese Verhältnisse bei beiden Meßdrähten bekannt, so kann die gesuchte
Wechselspannung aus den beiden Teilspannungen ohne weiteres berechnet werden.
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Erfindungsgemäß ist die Meßeinrichtung so beschaffen, daß das Verhältnis
der wirksamen Drahtlänge zur abgegriffenen Teilspannung bei beiden Meßdrähten beliebig
eingestellt und an der Meßeinrichtung unmittelbar abgelesen werden kann.
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Abb. i zeigt als Beispiel eine besonders vorteilhafte Meßanordnung
in schematischer Darstellung. Meßdraht Ml ist mit einem veränderbaren induktions-
und kapazitätsfreien Widerstand R1 in Reihe geschaltet und an den Nebenwiderstand
r angeschlossen, welcher mit der Primärspule S,1 des Lufttransformators T in Reihe
geschaltet ist, während Meßdraht M2 über einen ebenfalls veränder-. baren induktions-
und kapazitätsfreien Widerstand R2 an die Sekundärspule SZ des Transformators angeschlossen
ist. Die an den Meßdrähten wirksamen Gesamtspannungen El, EZ ergeben sich aus folgenden
Gleichungen:
wo c-) die Kreisfrequenz, J den Meßstrom und 21 die gegenseitige Induktivität des
Lufttransformators bedeuten, während mit M1, M2, R1, R@, r, 2 die aus Abb.
i ersichtlichen Widerstände bezeichnet sind. Sind die Werte Ml, JU" r, o,
co, il sowie der Meßstrom J gegeben, so können mit Hilfe der veränderbaren Widerstände
R1, R2 die Spannungen El, E. in beliebiger Weise reguliert und ihre Größen an R1,
R, unmittelbar abgelesen werden. Sind beispielsweise die Gesamtlängen der beiden
Meßdrähte einander gleich und ist die am Meßdraht M, wirksame Gesamtspannung EZ
zehnmal so klein wie die Spannung El am Meßdraht 1V11, so kann man eine an M@ abgegriffene
Teilspannung; welche bei El - E. einer Drahtlänge von z. B. i i mm entspricht,
sehr viel genauer ablesen, da jetzt die zur Einstellung derselben Teilspannung erforderliche
Drahtlänge zehnmal so groß ausfällt, in dem gewählten Beispiel also r io min beträgt.
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Hierbei ist es oft vorteilhaft, .mit verhältnismäßig großen Kompensationsspannungen
zu arbeiten. Man ist dann in der Lage, auch mit weniger empfindlichen WechselstromnullinstrUmenten
messen zu können. Die Anwendung der in Abb. i dargestellten Meßanordnung ist dann
nicht immer möglich, da die Einstellung der go°-Phasenverschiebung zwischen den
Spannungen El, E= bei den in diesen Fällen erforderlichen hohen Windungszahlen des
Lufttransformators Schwierigkeiten bereitet.
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Gemäß der Erfindung wird eine einfache Kunstschaltung angewendet,
welche verhältnismäßig hohe Meßdrahtspannungen herzustellen gestattet, deren gegenseitige
Phasenverschiebung genau 9o° beträgt. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht,
daß der dem Meßdraht Ml vorgeschaltete Widerstand R1 induktiv ausgebildet ist. Die
Induktivität dieses Vorwiderstandes wird so bemessen, daß der Phasenwinkel zwischen
El und EZ genau 9o° beträgt. Die Ermittlung der erforderlichen Werte der Induktiv
ität und des Ohmschen Widerstandes von R, erfolgt auf rechnerischem - oder -- experimentellem
Wege.
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Abb. 2 zeigt- als Beispiel eine solche Meßanordnung in schematischer
Darstellung. Sie unterscheidet sich von der in Abb. i dargestellten, mit gleichen
Bezeichnungen- versehenen Anordnung nur dadurch, daß dem Meßdraht lYh ein induktiv
ausgebildeter Widerstand Ri vorgeschaltet ist.
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Arbeitet man, wie aus obigen Ausführungen hervorgeht, mit höheren
Windungszahlen des Lufttransformators T, um verhältnismäßig hohe Meßdrahtspannungen
herstellen zu können, so kann es vorkommen, daß die Sekundärspule SZ des. Transformators
durch elektromagnetische Fremdfelder in solchem Maße beeinflußt wird, daß bei starken
Fremdfeldern Meßfehler auftreten.
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Die Erfindung bietet die Möglichkeit, eine
derartige
Fremdfeldbeeinflussung auch bei höheren Windungszahlen der Sekundärspule zu vermeiden.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Lufttransforinator T aus zwei
primär und sekundär in Reihe geschalteten, zweckmäßig vollständig gleichartigen
Lufttransformatoren zusammengesetzt ist, deren primäre und sekundäre Spulenanschlüsse
derart geschaltet sind, daß die durch ein äußeres Fremdfeld in den beiden Sekundiirspulen
erzeugten elektromotorischen Kräfte entgegengesetzte Richtung besitzen. Bei dieser
Anordnung kommt nur die Differenz dieser elektromotorischen Kräfte für eine störende
Fremdfeldwirkung in Betracht. Sind die beiden Lufttransformatoren vollständig gleichartig
beschaffen und ist der räumliche Verlauf des Fremdfeldes homogen, so tritt überhaupt
keine Störwirkung auf.
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In Abb. 3 ist als Beispiel eine derartige Anordnung schematisch dargestellt.
Der Lufttransformator T ist aus zwei praktisch gleichartigen Lufttransformatoren
T" T, zusamniengesetzt, deren Primärspulen S,', S," und Sekundärspulen
S"', S," derart in Reihe geschaltet sind, daß die durch das homogene Fremdfeld F
induzierten elektromotorischen Kräfte sich gegenseitig aufheben, eine Störwirkung
also überhaupt nicht auftritt.
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Zur Vermeidung von Fremdfeldeinflüssen und zur Herstellung hoher hießdralitspannungen
kann man auch, gemäß der Erfindung, in der in Abb. 2 dargestellten Meßanordnung
an Stelle eines Lufttransformators einen Transformator mit Eisenkern, z. B. einen
eisengeschlossenen Transformator, verwenden. Die Einstellung der go°-Phasenverschiebung
zwischen den an den Meßdrähten wirksamen Gesamtspannungen E" E., geschieht erfindungsgemäß
mit Hilfe der in Abb.2 dargestellten Kunstschaltung. Ohmscher Widerstand und Induktiv
ität des dem Meßdralit M, vorgeschalteten Vorwiderstandes R, werden so bemessen,
daß der Phasenwinkel zwischen E, und E, genau 9o° beträgt. Die geeignetste Dimensionierung
von R, ergibt sich aus einer einfachen Kompensationsmessung, welche beispielsweise
unter Zuhilfenahme eines eisenfreien Transformators ausgeführt werden kann.