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Elektrisches Quotientenmeßgerät mit zwei miteinander verbundenen,
einen zylindrischen Eisenkern umschließenden Drehspulen Elektrische Quotientemneßgeräte
werden meist als Kreuzspulinstrumente in der Weise gebaut, daß sich zwei miteinander
verbundene gekreuzte Drehspulen in einem gemeinsamen Magnetfeld bewegen. Wenn das
Magnetfeld durch geeignete Gestaltung der Polflächen ungleichmäßig gemacht wird,
so stellt sich das Meßwerk in eine Lage ein, die dem Quotienten aus den Stromstärken
in den beiden Spulen entspricht. Wenn die Stromstärke in einer der beiden Drehspulen
sich betriebsmäßig nur wenig ändert, so pflegt man die betreffende Drehspule als
Richtspule zu bezeichnen im Gegensatz zu der sog. Meßspule, der ein Strom zugeführt
wird, der sich beliebig mndern kann.
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Das Skalengesetz eines derartigen Quotientenmeßgerätes ist nun abhängig
von der Feldverteilung. Wenn also das Gerät eine bestimmte gewünschte, z. B. eine
der betreffenden Meßgröße proportionale Skalenteilung erhalten soll, so ist es nötig,
die entsprechende Feldverteilung durch eine passende Gestaltung der Polflächen einzuhalten.
Dabei wird es meist als störend empfunden, daß die erforderliche Polgestaltung durch
umständliches Probieren gefunden werden muß. Da die so erhaltenen Polflächen im
allgemeinen keine geometrisch bestimmten Formen aufweisen, ist es sehr schwer, bei
der Reihenfertigung eine genügende Gleichmäßigkeit in der Feldverteilung und damit
in der Skalenteilung bei den einzelnen Meßgeräten zu erreichen. In der Regel muß
vielmehr jedes einzelne Magnetsystem durch mühseliges Ausfeilen der Polschuhe von
besonders geschickten Arbeitern sorgfältig justiert werden, wenn eine Übereinstimmung
in der Skaleneinteilung gefordert wird. Dadurch wird die Herstellung in unerwünschter
Weise verteuere Die Schwierigkeit der Justierung wird dadurch noch besonders erhöht,
daß bei der verhältnismäßig geringen Weite des Luftspaltes für die Bewegung der
Drehspulen ganz geringfügige Abweichungen von der richtigen Polform verhältnismäßig
große Abweichungen von der gewünschten Skalenteilung ergeben.
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Um diese Nachteile zu vermeiden, hat man vorgeschlagen, in einem
mehr oder weniger gleichförmigen Magnetfeld verhältnismäßig geringer Ausdehnung
zwei Stromspulen anzuordnen, die bei der Drehung nach und nach in das Magnetfeld
eintreten. Diese Anordnung ist aber nur bei Flachspulmeßgeräten bekanntgeworden,
d. h. bei solchen, deren
Drehspulen nach Art der bekannten Elektrizitätszählermeßwerke
auf einer flachen Scheibe angeordnet sind, die von dem Magnetfeldsenkrecht durchsetzt
wird. Ihrer bekannten Nachteile wegen haben sich diese Flach spulmeßgeräte aber
nicht eingeführt, vielmelir \ sind Quotientenmeßgeräte allgemein unter Benutzung
eines Magnetsystems gebaut worden, dessen Pole nach Art der üblichen Drehspulinstrumente
einen zylindrischen Eisenkern umschließen, wobei mindestens die eine von zwei miteinander
verbundenen Drehspulen, vorzugsweise die Meßspule, den Eisenkern derart umschließt,
daß ihre achsenparallelen Seiten sich im Feld je eines Magnetpoles bewegen. Im übrigen
hat das bekannte, mit Flachspulen ausgerüstete Quotientenmeßgerät den Nachteil,
daß der Magnetfluß infolge der verhältnismäßig kleinen Ausdehnung der Polflächen
im Vergleich zu den üblichen Drehspulmeßgeräten sehr schwach ist und die Spulen
andererseits vergleichsweise große Abmessungen aufweisen.
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Dadurch ergibt sich eine verhältnismäßig geringe Empfindlichkeit und
eine ungenügende Dämpfung.
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Andererseits ist ein Meßgerät mit zwei sich kreuzenden Drehspulen
bekanntgeworden, wobei ein allmähliches Eintreten der Spulen in das Magnetfeld dadurch
erreicht wird, daß die Polschuhe abgeschrägt sind. Diese Maßnahme hat den gleichen
Nachteil, wie er auch bei der üblichen Anordnung vorliegt, bei der die Polkanten
parallel zur Drehachse liegen und der Luftspalt für die Bewegung der Spulen ungleichmäßig
ist. Außerdem haben Anordnungen dieser Art grundsätzlich den Nachteil, daß jede
Anderung in der Gestalt der Polschuhe sich mehr oder weniger auf beide Spulen auswirkt.
Demgegenüber ist es ein grundsätzlicher Vorzug des Gegenstandes der Erfindung, daß
nur die Richtspule entsprechend gestaltet wird, während die Meßspule davon völlig
unberührt bleibt.
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Diese Übelstände werden bei dem Quotientenmeßgerät nach der Erfindung
vermieden, bei dem der Aufbau in der bei Drehspulinstrumenten üblichen Weise erfolgt,
wobei die beiden miteinander verbundenen Drehspulen einen zylindrischen Eisenkern
umschließen und mindestens die eine, vorzugsweise die Meßspule, sich mit ihren achsenparallelen
Seiten in dem Feld je eines Magnetpoles bewegt. Gemäß der Erfindung sind nun die
wirksamen Spulenseiten mindestens einer der beiden Drehspulen, vorzugsweise der
Richtspule, nach einer den Eisenkern umfassenden Zylinderfläche gebogen und enthalten
einen oder mehrere schräg zu der Drehachse bzw. der Zylinderachse liegende Teile,
die bei der Drehung des Meßwerkes im Sinne eines ansteigenden Gegendrehmomentes
allmählich in das Feld des betreffenden Magnetpoles ein-; treten.
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An die StelIe einer ungleichmäßigen Feldv'teilung tritt gewissermaßen
eine entsprechende Verteilung der Spulenteile, die durch eine viel einfacher und
mit größerer Sicherheit herstellbare Gestaltung einer der beiden Drehspulen zu erreichen
ist. Dabei ist es im allgemeinen möglich und empfehLenswert, ein gleichmäßiges Magnetfeld
zu benutzen, wie es bei den gewöhnlichen Drehspulinstrumen ten üblich und durch
gleichachsige Lage der zylindrischen Polflächen zu dem zylindrischen Eisenkern mit
großer Genauigkeit erreichbar ist.
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Um ein ansteigendes Drehmoment zu erhalten, kann die betreffende,
nach einer Zvlinderfläche gebogene Spule so gestaltet werden, daß ihre Höhe in Richtung
der Mantellinien des Zylinders einseitig abnimmt. Dadurch wird erreicht, daß die
Spule zunächst mit ihrer Spitze und sodann allmählich mit einer immer größer werdenden
Höhe in das Feld des betreffenden Magnetpoles eintritt. Vorzugsweise wird die Spule
so gestaltet, daß ihre Abwicklung im wesentlichen die Form eines rechtwinkligen
Dreiecks hat.
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In Fig. 1 a, 1 b ist eine solche Abwicklung schematisch dargestellt.
Dabei ist das Spulensystem in Fig. 1a in der Anfangsstellung und in Fig. 1 b in
der Endstellung vor den ebenfalls in der Abwicklung dargestellten Polflächen N,
S angedeutet. Mit Ian 1b ist die Abwicklung der Meßspule bezeichnet, die in der
üblichen Weise im wesentlichen rechteckig gestaltet ist und sich mit ihren einander
gegenüberliegenden, in Richtung der Drehachse erstreckenden Seiten, und Ib in dem
Magnetfeld je eines der beiden Pole N und S bewegt. 2aX 2s, 2c ist die im wesentlichen
dreieckig gestaltete Richtspule. Die Seiten, liegt parallel zu den Mantellinien
des Zylinders und grenzt unmittelbar an die Seiten, der Meßspule an. Die dazu senkrechte
Seiten liegt neben der entsprechenden Seite der Meßspule. Die dritte Seiten, bildet
somit die Diagonale eines rechtwinkligen Dreiecks.
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Wenn durch nichtgezeichnete bewegliche Zuleitungen ein Strom, z.
B. in der Pfeilrichtung, in die Richtspule geleitet wird, die der Einfachheit halber
nur als aus einer oder wenigen Windungen bestehend gezeichnet ist, so wirken bei
der in Fig. in gezeichneten Stellung auf die Richtspule zwei Kräfte, die von je
einer der beiden Seiten 2a und 2a herrühren. Dabei ist jede der beiden Kräfte offenbar
proportional der Projektion der von dem Magnetfeld des Nordpols beeinflußten Spulenseite
auf eine Mantellinie des Zylinders.
Unter der Voraussetzung, daß
die Feldverteilung gleichmäßig ist, werden also in bezug auf einen beliebigen Sfreifen
8 die beiden von den Seiten und 2e herrührenden Kräfte p sich gegenseitig aufheben,
da sie gleich groß, aber entgegengesetzt gerichtet sind.
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In dem Maße, wie die Spulen nach rechts herüberwandern, verringert
sich der Betrag der schrägen Spulenseite 2c, der vor dem Nordpol liegt, und entsprechend
vergrößert sich der vor dem Südpol liegende Teil, so daß eine stetig wachsende resultierende
Kraft entsteht, die in der in Fig. 1 b gezeichneten Stellung ihren Höchstwert erreicht,
wobei die beiden gleich großen Kräfte p sich addieren.
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Die Gesamtkraft ergibt sich als Summe bzw.
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Integral der in den einzelnen Zonen auftretenden resultierenden Kräfte
p iiber die ganze Höhe des Magnetfeldes in Richtung der Achse.
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Es ist daher leicht, durch eine passende Form der in den betreffenden
Magnetpol allmählich eintretenden Spulenseite2e das Skalengesetz in der jeweils
gewünschten Weise zu beeinflussen. Insbesondere ist es leicht einzusehen, daß unter
der Voraussetzung einer gleichmäßigen Feldstärke die Form der betreffenden Spulenseite
im wesentlichen der gewünschten Kennlinie des Skalenverlaufes entsprechen muß. Wenn
also z. B. eine lineare Skalenteilunggewünscht wird, so muß die betreffende Spulenseite
ebenfails geradlinig sein.
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Bei der praktischen Ausführung trifft aber die Voraussetzung der
gleichmäßigen Feldstärke bei den üblichen Drehspulmeßgeräten nur für die Teile des
Feldes zu, die sich unter den Polflächen befinden, während am Rande der Polflächen
die Feldstärke bis zur neutralen Zone zwischen den Polen auf Null abfällt. Dieser
Einfluß kann durch eine geeignete Krümmung der Spitze des Dreiecks annähernd ausgeglichen
werden. Eine solche Gestaltung der Spule ist in Fig. Ia, Ib auge deutet.
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Eine andere Ausgleichsmöglichkeit ist in Fig. 2 a, 2 b dargestellt.
Hier ist die schräge Seite 2,' der Richtspule gerade geformt, und die Spitze des
rechtwinkligen Dreiecks reicht in der in Fig. 2 a dargestellten Anfangslage bis
zu der Stelle, wo das Feld des Südpoles bereits gleichförmig zu werden beginnt.
In diesem Falle sind allerdings die Kräfte in der gezeichneten Stellung zunächst
nicht ausgeglichen, da die auf das in der Zone zwischen den beiden Polen liegende
Spulenstück wirkenden Kräfte sich gegenseitig aufheben und somit die auf das im
Hauptfeld des Nordpoles liegende Stück der Seiten wirkende Kraft P2 kleiner ist
als die auf die Seite 2a' wirkende Kraft. Es ist deshalb nötig, den Unterschiedpl
P2 durch eine entsprechende zusätzliche Kraft auszugleichen.
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Zu diesem Zweck kann z. B. eine Federkraft benutzt werden, vorzugsweise
die Kraft der als Federn ausgebildeten Zuleitungen. Man kann die erforderliche zusätzliche
Kraft aber auch dadurch gewinnen, daß man die e Hauptspule I, 11 mit einer Zusatzwicklung,
bestehend aus einer oder einigen wenigen Windungen, versieht, die von dem Strom
der Richtspule durchflossen werden.
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In Fig. 3 a, 3 b ist eine andere Ausführungsform des Erfindungsgedankens-dargestellt.
Hier ist die betreffende Spulenseite 2, 2' in eine größere Anzahl von kleinen Spulengruppen
zerlegt, die auf die Zylindermantelfläche verteilt sind, so daß eine Gruppe nach
der anderen in das Magnetfeld eintritt.
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Jede Spulengruppe besteht vorzugsweise aus einer einzigen oder nur
wenigen Windungen.
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Um einen möglichst stetigen Skalenverlauf zu erhalten, ist es zu empfehlen,
die wirksamen Teile der einzelnen Spulengruppen gegenüber der Richtung der Mantellinien
des Zylinders so weit schräg zu stellen, daß jede Mantellinie den wirksamen Teil
mindestens einer Spulengruppe schneidet, wie es in Fig. 3 a, 3 b in der Abwicklung
dargestellt ist.
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Bei der praktischen Ausführung ist es zweckmäßig, nur die im Felde
befindlichen, also im wesentlichen parallel zur Drehachse verlaufenden Spulenteile
auf einer zu dieser konzentrischen Zylinderfläche anzuordnen, die quer zur Achse
liegenden Teile aber geradlinig zu führen. Um einen besseren Halt für die einzelnen
Spulengruppen zu gewinnen, empfiehlt es sich, diese auf dem Umfang eines zum mindesten
einen Halbkreis umfassenden leichten Hohlzylinders zu befestigen. Dieser kann aus
Metall hergestellt und somit gleichzeitig als Dämpfungskörper benutzt werden.
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Man kann den Hohlzylinder auch an den Stirnflächen schließen und auf
diesen die quer zur Achse liegenden Spulenteile befestigen.
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Der Hohlzylinder wird dann n zweckmäßig so ausgebildet, daß er gleichzeitig
auch als Träger der Hauptspule dienen kann.
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In Fig. 4 und 5 sind die in Betracht kommenden Teile eines Quotientenmeßgerätes
in einer beispielsweisen Ausführung der Erfindung gemäß Fig. 2 a, 2b dargestellt.
Dabei ist Fig. 5 eine Draufsicht und Fig. 4 ein Schnitt nach der Linie, B der Fig.
5.
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Mit 3 ist ein zylindrischer Eisenkern bezeichnet, der konzentrisch
zu den in der üblichen Weise zylindrisch ausgehöhlten Magnetpolen 4, 5 angeordnet
ist. Auf der Oberseite der Magnetpole ist eine aus nichtmagnetischem Werkstoff bestehende
Platte 6 befestigt, die der Deutlichkeit halber in Fig. 5
nicht
gezeichnet ist. Der Eisenkern 3 ist an einem seine obere Stirnfläche bedeckenden
Teil der Platte 6 befestigt. Dabei ist die Platte 6 so gestaltet, daß sie die Bewegung
der Drehspulen nicht hindert.
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Die in der bei Drehspulmeßgeräten üblichen Weise gestaltete Meßspule
1 ist mit ihren quer zur Drehachse liegenden Teilen mittels geeigneter Achsenstücke7,
8 an dem Eisenkern 3 drehbar gelagert. An die eigentliche Meßspule schließt sich
eine aus wenigen Windungen bestehende Zusatzwicklungg an, die einen Teil der eigentlichen,
aus den mit 2n X 2b', 2C bezeichneten Teilen bestehenden Richtspule bildet. Der
Teil 2a' ist mit dem Teilt, und der Teil 2b' mit dem unteren, quer zur Drehachse
liegenden Teil der Meßspule verbunden, während der Teil 2' nach einer den Eisenkern
3 umfassenden Zylinderfläche gebogen und so gestaltet ist, wie es der in Fig. 2
a, 2 b dargestellten Abwicklung entspricht.
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Wenn die Ableseskala einem beliebigen anderen Gesetz folgen soll,
so ist man in der Lage, die Gestalt der wirksamen Teile der Richtspule der gewünschten
Skalenkennlinie anzupassen. Gegebenenfalls kann auch die andere Drehspule abweichend
von der bei Drehspulmeßgeräten üblichen Form ähnlich wie die Richtspule gestaltet
werden. Ein weiteres Mittel zur Beeinflussung der Skalengestaltung besteht in der
Verwendung eines nicht in allen Teilen gleichmäßigen Magnetfeldes.