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Elektrizitätszähler zum Messen einer elektrischen Energiemenge Die
Erfindung bezieht sich auf einen Elektrizitätszähler zum Messen einer elektrischen
Energiemenge und besteht darin, daß ein zum Antrieb eines Zählwerks dienendem umlaufender
Kontaktkörper mit teilweise leitender Oberfläche derartiger Gestalt vorgesehen ist,
daß ein auf ihm in Richtung seiner Achse und senkrecht zu seiner Umlaufbewegung
schleifender Kontakt Stromkreise je nach der Höhe der Spannung oder des Stromes
länger oder kürzer schließt oder unterbricht, die ein Zählwerk mit dem umlaufenden
Körper kuppeln und entkuppeln. Dieser schleifende Kontakt wird entweder durch die
Spannung oder den Strom verschoben. In dieser Form dient der Elektrizitätszähler
als Amperestundenzähler. Sind die beiden Größen, Spannung und Strom, veränderlich
und soll die Zahl der Kilowattstunden bestimmt werden, so wird der mit dem Zählwerk
kuppelbare umlaufende Körper durch eine elektromagnietische Kupplung mit einem ähnlichen
umlaufenden Körper verbun.den, der entsprechend gestaltete leitende Auflagen besitzt.
Ein nach Maßgabe des Stromes (oder der Spannung) parallel zur Achse des zweiten
umlaufenden Körpers und senkrecht zu dessen Umlaufbewegung verschiebbarer Kontakt
schließt mit den leitenden Auflagen Stromkreise, die die Kupplung steuern. Die umlaufenden
Körper können beispielsweise von einer Trommel oder einer Scheibe gebildet sein.
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Der Elektrizitätszähler nach der Erfindung eignet sich für Gleichstrom,
und Wechselstrom. Im letzteren Falle bietet er insbesondere die Möglichkeit, .die
Scheinleistung von Wechselstrom zu bestimmen, während die bekannten Elektrizitätszähler
im allgemeinen nur die Wirkleistung messen. Daneben besitzt er noch den Vorteil
großer Meßgenauigkeit innerhalb weiter Grenzen der zu messenden Energien, da die
umlaufenden Körper entweder in Ruhe sind oder eine bestimmte, gleichbleibende Geschwindiglzeit
besitzen. Der Einfluß der vorhandenen Fehlerquellen wird daher auf ein Mindestmaß
beschränkt. Ferner verträgt der Zähler erhebliche Überlastungen, da der Strom lediglich
zur Steuerung eines Schleifkontaktes dient, die Größen der durch die Schleifkontakte
und die Kontaktflächen fließenden Steuerströme aber bei Überlastung unbeeinflußt
bleiben.
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Die Zeichnung veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Fig. i zeigt, teilweise im Schnitt, teilweise im Aufriß, die gesamte
Vorrichtung. Die elektrischen Leitungen sind schematisch dargestellt.
Fig.
2 zeigt in größerem Maßstabe eine der umlaufenden Trommeln, in Richtung der Achse
gesehen.
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Fig. 3 zeigt die gleiche Trommel in Ansicht. In der Nähe der Leitung
A, B, beispielsweise einer Wechselstromleitung, befindet sich ein Gehäuse i, in
dem ein langer Hebel 2 drehbar ist. Dieser Hebel sitzt auf dem Anker 25 eines Elektromagneten
26, der von dem in der Leitung A, B fließenden Strom erregt wird. Die Drehung
des Ankers und infolgedessen auch die Bewegung des Hebels entspricht der Änderung
des Stromes, sie ist also abhängig von der in der Leitung A, B fließenden Stromstärke.
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An seinem freien Ende besitzt der' Hebel 2 einen Schlitz, in dem sich
ein Gleitstück 3 frei bewegen kann. Das Gleitstück 3 gleitet außerdem in einer Führung
q., welche senkrecht zum Hebel angeordnet ist. Der Änderung der Stromstärke in der
Leitung A, B
entsprechend wird sich das Gleitstück 3 in der Führung q. auf
und ab bewegen. Da der Hebelarm ziemlich lang und der Elektromagnet so eingerichtet
.ist, daß bei den üblichen Stromstärken der Drehwinkel verhältnismäßig klein ist,
so wird der Weg, den das Gleitstück 3 in seiner Führung zurücklegt, stets angenähert
proportional der Stromstärke sein. Würde die Stellung des Gleitstückes in der Führung
'direkt abgelesen werden, beispielsweise zur Ermittlung des jeweils fließenden Stromes,
so könnte die Abweichung der geradlinigen Bewegung des Gleitstückes vom Drehwinkel
des Ankers vernachlässigt werden. Tatsächlich ist jedoch die Einrichtung so getroffen,
daß auch dieser kleine und verhältnismäßig unbedeutende Fehler verschwindet.
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Parallel zur Führung q. befindet sich eine Trommel 5, die durch ein
Uhrwerk 6 gleichmäßig'angetrieben wird. Statt einer Trommel kann auch ein ähnlicher
Körper, beispielsweise eine umlaufende Scheibe, verwendet werden. Am Gleitstück
3 ist eine Bürste befestigt, die auf der Oberfläche der Trommel 5 schleift. Die
Oberfläche der Trommel besitzt Flächen aus Isolierstoff und Streifen aus leitendem
Stoff, die so angeordnet sind, daß durch die Drehung der Trommel nacheinander Stromkreise
geöffnet oder 'geschlossen werden. Zweckmäßig besteht die Oberfläche der Trommel
aus Isolierstoff, auf dem Streifen oder Auflagen 8 und 9 aus leitendem Stoff befestigt
sind. Die Auflage 8 erstreckt sich über die ganze Länge der Trommeloberfläche und
liegt parallel zur Achse. Die Auflage 9 dagegen. ist so angeordnet, daß die Abstände
zwischen den Auflagen 8 und 9, gemessen am Umfange der Trommel, proportional den
Abständen des Gleitstückes 3 von seinem Nullpunkt, gemessen längs der Trommelachse,
sind. Bei der in der Zeichnung dargestellten Einrichtung würden die Auflagen 8 und
9 verlängert einander in der Nähe der oberen Trommelkante treffen. Wenn die Stromstärke
in der Leitung A, B null ist, so hat sich der Hebel 2 so weit nach links herumgedreht,
daß die Bürste 7 gerade nicht mehr mit den Auflagen 8 und 9 in Berührung steht und
sich gerade an dem Punkt befindet, an dem die beiden Auflagen einander treffen oder
sich am nächsten kommen. Sowie Strom durch die Leitung A, B zu fließen beginnt und
zu einer bestimmten Höhe ansteigt, wird sich der Hebel 2 rechtsherum drehen und
das Gleitstück 3 vom Nullpunkt aus nach unten entlang der Führung q. bewegen. Die
Auflagen 8 und 9 sind so zueinander angeordnet, daß der Abstand zwischen ihnen,
gemessen am Umfange der Trommel, proportional dein Abstand des Gleitstückes 3 vom
Nullpunkt ist. Die Auflagen 8 und 9 sind in der Zeichnung nur .schematisch dargestellt.
Durch die Abweichung der geradlinigen Bewegung des Gleitstückes q. von dem Bogen,
den der Hebel 2 beschreibt, entsteht ein Fehler. In der Wahl der Anordnung der Auflagen
8 und 9 hat man jedoch ein Mittel, diesen Fehler auszugleichen, derart, daß bei
jeder Stellung des Gleitstückes der Abstand zwischen den Auflagen genau proportional
der Stromstärke ist.
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Gleichachsig mit der Trommel 5 ist eine Welle io angeordnet; auf dieser
sitzt fest eine Hälfte einer Kupplung, die als Scheibe i i ausgebildet ist. Die
Trommel 5 trägt einen oder mehrere, Kupplungsglieder bildende schwenkbare Arme 12,
die über die Trommel hinausragen und der Scheibe i i gegenüberstehen. Die Arme können
so gedreht werden, daß sie in die Scheibe eingreifen, um den Kupplungsschluß herbeizuführen.
Zu diesem Zweck sind die Scheibe und die Arme gezahnt, wie in den Zeichnungen angedeutet
ist. Zweckmäßig werden auf der Trommel 5 zwei Arme 12 einander gegenüber angeordnet.
Im allgemeinen sind die Arme 12 durch die Wirkung von Federn 13 zurückgezogen und
außer Eingriff mit der Scheibe. Aus dieser Stellung werden sie entgegen der Federkraft
durch Elektromagnete 1q. nach innen bewegt. Die Elektromagnete 1q. sind auf der
Trommel 5 befestigt und so angeordnet, daß sie bei Stromdurchgang die Arme nach
innen ziehen. Zu diesem Zweck sind die Arme 12 aus magnetisch leitendem Stoff hergestellt
oder aber mit Auflagen aus magnetisch leitendem Stoff versehen.
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Auf der Trommel 5 sind außerdem eine Reihe von Sperrhaken 15 angeordnet.
Wenn durch die Wirkung der Elektromagnete 1q. sich die Arme 12 nach innen in die
Stellung
des Kupplungsschlusses bewegt haben, legen sich die Sperrhaken
15 unter der Wirkung von Federn 16 hinter die Arme und halten diese in ihrer Stellung
fest. Solange die Arme 12 sich in der äußeren Stellung befinden, berühren die Sperrhaken
15 die Arme seitlich. Auf der Trommel 5 befindet sich ein zweites Paar Elektromagnete,
die so angeordnet sind, d@aß sie bei Stromdurchgang die Rückbewegung der Sperrhaken
i 5 gegen die Kraft der Federn 16 bewirken, so daß sie aus der Sperrstellung wieder
in die offene Stellung zurückkehren. Die Arme 12 werden dann durch die Federn 13
in die Stellung der Kupplungsöffnung zurückbewegt. Auf diese Weise wird sich die
Welle io gemeinsam mit dem dauernd umlaufenden Zylinder 5 so lange drehen, wie die
Kupplung geschlossen ist. Wenn die Kupplung offen ist, ist auch die Welle io in
Ruhe.
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Die geringe Menge elektrischer Energie, die zur Erregung der Elektromagnete
i q. und 17 benötigt wird, kann von irgendeiner geeigneten Stromquelle geliefert
werden. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Strom von der Leitung
A, B über einen Transformator 27 abgenommen. Dies stellt die zweckmäßigste
Lösung dieser Frage dar.
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Zu den Hilfsstromkreisen gehören ein Relais ig und Schleifringe 2o
und 21, welche isoliert auf der Welle der Trommel 5 sitzen. Während der Schleifring
2o aus einem Teil besteht, ist der Schleifring 21 aus zwei voneinander isolierten
Segmenten zusammengesetzt. Die Führung der Leitungen, die Kontakte und die Bürsten
erfordern keine nähere Beschreibung. Es ist noch zu erwähnen, daß das eine Segment
des Schleifringes 21 an die Spulen der Magnete 14 und das andere Segment an die
Spulen der Magnete 17 angeschlossen ist.
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Wenn bei der Drehung der Trommel die an dem Gleitstück 3 sitzende
Bürste 7 mit der Auflage 8 in Berührung kommt, so schaltet sich zunächst das Relais
ig ein, so daß sogleich ein stärkerer Strom durch die Magnete 14 fließt und diese
erregt; dadurch wird die Kupplung hergestellt. Die Sperrhaken 15 schließen sich
hierauf selbsttätig hifiter den Armen 12. Nachdem die Elektromagnete 14 ihre Wirkung
ausgeübt haben, werden sie durch das Abgleiten der Bürste 7 von .den Auflagen 8
ausgeschaltet. Die Kupplung bleibt jedoch geschlossen, da sie durch die Sperrhaken
i5 gehalten wird; die Welle io dreht sich also gemeinsam mit der Trommel 5 weiter.
Im weiteren Verlauf wird nun die Bürste 7 mit der Auflage g in Berührung kommen,
das Relais ig schaltet sich wieder ein, und es fließt wiederum ein Strom, diesmal
jedoch durch die Elektromagnete 17. Durch diese werden die Sperrhaken 15 aus der
Sperrstellung zurückbewegt, und die Arme z2 bewegen sich nach außen. Die Kupplung
ist geöffnet, und die Welle io bleibt stehen. Nachdem so auch die Elektromagnete
17 ihre Wirkung ausgeübt haben, werden sie durch die weitere Drehung der Trommel
5 und die Unterbrechung des Kontaktes' zwischen Bürste 7 und Auflage g abgeschaltet.
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Das Relais i g soll Funkenbildung beim Ein- und Ausschalten an der
Bürste 7 und den Auflagen 8 und g verhindern.
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Die Welle io dreht sich also bei jeder vollen Umdrehung der Trommel
5 um einen Bruchteil einer Umdrehung; dieser Bruchteil wird größer oder kleiner
sein, je nach der Stellung des Gleitstückes 3 in seiner Führung 4 und dem der Bürste
7 zwischen den beiden Auflagen 8 und g, gemessen am Umfang der Trommel. Dieser ist
proportional der Stromstärke in der Leitung A, B. Die Gesamtdrehung der Welle
io innerhalb eines gegebenen Zeitabschnittes ist somit ein Maß für die elektrische
Energie, die während dieser Zeit durch .die Leitung geflossen ist, gleichbleibende
Spannung vorausgesetzt. Würde man mit der Welle io ein Zählwerk verbinden, so könnte
an diesem die gesamte elektrische Energie abgelesen werden, allerdings unter Vernachlässigung
von Spannungsänderungen.
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Die Genauigkeit eines solchen Meßverfahrens setzt gleiche Spannung
voraus. Sind Spannungsänderungen vorhanden, so wird die durchgehende elektrische
Energie sich entsprechend ändern. Man kann nun einmal eine gleiche Einrichtung wie
die soeben beschriebene verwenden, indem man die Drehung der Welle dazu benutzt,
die elektrische Energie unter Voraussetzung von Spannungsänderungen zu summieren.
(Dabei muß aber angenommen werden, daß die Stromstärke gleichbleibt.) Man kann aber
auch auf der Welle io eine zweite Trommel befestigen, von der aus, in gleicher Weise
wie beschrieben, eine zweite Welle angetrieben wird. Läßt man nun in geeigneter
Weise auf diese zweite Vorrichtung die Spannung zwischen den Leitungen
A und B einwirken, so erhält man in der Drehung der zweiten Welle
ein Maß für die elektrische Energie, die durch die Leitungen fließt, unter Berücksichtigung
sowohl der Spannungs- wie der Stromänderungen. Man erhält auf diese Weise also einen
Wattstundenzähler.
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In Fig. i ist auf dem beschriebenen Gerät ein weiteres angeordnet,
das dem ersten im wesentlichen gleicht. Die Trommel 55 des zweiten Gerätes
sitzt fest auf der von der ersten Trommel aus angetriebenen Welle io. Der Hebel
22 sitzt auf dem Anker des Elektromagneten
29, dessen Wicklung
so an die Leitung Ä`, B angeschlossen ist, daß sich Änderungen in der Spannung
in entsprechenden Drehungen des Ankers 28 auswirken. Die Anordnung der Auflagen
88 und 99 auf der zweiten Trommel ist so gewählt, daß bei jedem Umlauf der Trommel
55 die Welle ioo sich um einen Winkel dreht, der der Spannung proportional ist.
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Wenn die beiden Geräte in der beschriebenen Weise zusammengebaut werden,
so wird die Welle ioo sich insgesamt um einen Winkel drehen, welcher der durch die
Leitung fließenden Energie proportional ist; dabei kann sowohl die Spannung wie
der Strom veränderlich sein. Verbindet man die Welle ioo mit einem Zählwerk 23,
so kann man an diesem direkt die elektrische Arbeit ablesen.
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Das Antriebsorgan 6 für die Trommel 5 kann auch elektrisch betrieben
werden. Diese Anordnung ist in Fig. i dargestellt. Naturgemäß kann ebensowohl ein
Antrieb durch Federkraft oder durch Gewicht vorgesehen werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. i war vorausgesetzt worden,
daß in der Leitung Wechselstrom fließt. Die Einrichtung kann ebensowohl für Gleichstrom
verwendet werden, wenn die Elektromagnete 26 und 29 entsprechend abgeändert werden.
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An Stelle einer elektromagnetischen Kupplung kann ebensowohl eine
andere Kupplungsvorrichtung, beispielsweise eine mechanische, Anwendung finden.
Ebenso, können an Stelle der Trommeln andere bewegliche Körper, beispielsweise umlaufende
Scheiben, verwendet werden.