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Verfahren zur Messung von WechselstromgröI3en
Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Messung von Wechselstromgrößen unter Verwendung der Sekundärspannung
eines in Reihe mit einer Luftspaltdrossel an einer Wechselspannung liegenden Transformators
mit einem ein scharfes Sättigungsknie aufweisenden Eisenkern, der primärseitig bis
in den Sättigungsbereich magnetisiert ist und dessen Restanstieg der Induktion oberhalb
des Sättigungsknies durch eine zusätzliche, vom Primärstrom in die sekundäre Wicklung
induzierte Spannung kompensiert wird, als Vergleichsspannung. Eine derartige Vergleichsspannung
ermöglicht die Durchführung von den Meßverfahren für Gleichstromgrößen unter Benutzung
von Normalelementen, beispielsweise dem Weston-Normalelement, analogen Messungen
von Wechselstromgrößen, wieWechselspannung,Wechselstromwiderständen u. dgl.
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Die Anwendung von bis in den Sättigungsbereich magnetisierten Transformatoren,
deren Eisenkerne ein scharfes Sättigungsknie aufweisen, unter Vorschaltung einer
Luftspaltdrossel für Spannungskonstanthalter in Netzanschlußgeräten, zur Spannungskonstanthaltung
in Drehstromnetzen u. dgl. ist bereits bekannt. Durch die vorliegende Erfindung
wird nun die Sekundärspannung derartiger Transformatoren Meßverfahren von Wechselstromgrößen
als unmittelbar in den Meßvorgang eingehende Vergleichsgröße zugrunde gelegt, wodurch
Präzisionsmessungen von Wechselstromgrößen möglich werden, die den auf dem Vergleich
mit einem Normalelement beruhenden Messungen von Gleichstromgrößen gleichwertig
sind. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung von Wechselstromgrößen unter Verwendung
der Sekundärspannung eines in Reihe mit einer Luftsp alt drossel an einer Wechselspannung
liegenden Transformators mit einem ein
scharfes Sättigungsknie aufweisenden
Eisenkern, der primärseitig bis in den Sättigungsbereich magnetisiert ist und dessen
Restanstieg der Induktion oberhalb des Sättigungsknies durch eine zusätzliche, vom
Primärstrom in die sekundäre Wicklung induzierte Spannung kompensiert wird, als
Vergleichsspannung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine der zu messenden Wechselstromgröße
proportionale Wechselspannung nach Gleichrichtung mit einem mechanischen Präzisionsgleichrichter
mit der durch Gleichrichtung der in ihrem zeitlichen Mittelwert von der Größe des
Primärstromes unabhängigen Sekundärspannung des Transformators mit einem mechanischen
Präzisionsgleichrichter gewonnenen, bei entsprechender Einstellung seiner Kontaktzeit
ihrem arithmetischen Mittelwert entsprechenden und der Frequenz des Primärstromes
proportionalen Normalspannung verglichen wird. Zweckmäßig wird die Schaltung so
gewählt, daß die der zu messenden Wechselstromgröße proportionale Spannung der Frequenz
der zu messenden Wechselstromgröße bzw. der Frequenz der an ihr liegenden Spannung
proportional ist. Besitzen sowohl die Bezugsspannungen und die der zu messenden
Wechselstromgröße proportionale Spannung die gleiche Frequenz, so kann das gesamte
Meßverfahren unabhängig von der Frequenz durchgeführt werden, und es ermöglicht
die absolute Messung von Wechselstromwiderständen, Wechselströmen oder Wechselspannungen.
Dies ist auch ein besonderer Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens gegenüber anderen,
sich Gleichrichtern bedienenden Kompensationsmeßverfahren von Wechselstromgrößen
unter Zugrundelegung von Normalelementen, da diese Verfahren nicht in der vorliegenden
Art frequenzunabhängig sind. Ist die zu messende Wechselstromgröße selbst keine
Wechselspannung oder kein Wechselstrom, also beispielsweise ein Wechselstromwiderstand,
so muß ervon einer geeigneten Spannung gespeist werden.
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Es ist vorteilhaft, hierzu einen zerhackten Gleichstrom zu verwenden,
dessen Amplitude unter Verwendung eines die gleiche Kontaktzahl wie der zerhackende
mechanische Gleichrichter besitzenden weiteren mechanischen Gleichrichters mittels
Normalelement und Normalwiderstand absolut in bekannter Weise gemessen werden kann.
Eine etwa noch auftretende Temperaturabhängigkeit der Sättigungsinduktion des Transformators
läßt sich durch eine Kombination von Widerständen verschiedener Temperaturkoeffizienten
in seinem Sekundärkreis kompensieren.
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An Hand einiger Zeichnungen sei das erfindungsgemäße Verfahren näher
erläutert. Fig. I zeigt die Schaltung zur Gewinnung einer im arithmetischen Mittelwert
zeitlich konstanten Spannung aus einer Wechselspannung. Dabei ist mit I der Eisenkern
eines Transformators mit angenähert rechtwinklig geknickter Magnetisierungskennlinie
bezeichnet, wie sie in Fig. 2 beispielsweise dargestellt ist. Die Primärwicklung
dieses Eisenkerns liegt über eine Vorschaltdrossel 2 mit Luftspalt an einer Wechselspannung
U.
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Die Sekundärwicklung 3 des Eisenkerns liegt in einem Stromkreis in
Reihe mit einem periodisch synchron betätigten mechanischen Gleichrichter 4, bei
dem die Kontaktzeit und ihre Phasenlage gegenüber der Spannung U in weiten Grenzen
einstellbar ist (Vektormesser). In diesem Stromkreis befindet sich ferner ein Drehspulinstrument
5 sowie einVorschaltwiderstandr".
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Regelt man mit der Vorschaltdrossel 2 den Strom i im Primärkreis auf
einen so großen Betrag, daß der Eisenkern I nahezu gesättigt ist, so erhält man
an der Sekundärwicklung 3 eine Spannung , deren Augenblickswert ist dB = wq dt Darin
ist w die Windungszahl der Wicklung 3, q der Eisenquerschnitt des Kerns I. Die Spannung
X hat bei sinusförmiger Speisespannung U keine Sinusform, sondern einen zeitlichen
Verlauf, wie er etwa in Fig. 3 dargestellt ist. Legt man die Spannung X über den
synchron betätigten Meßkontakt 4 an das Drehspulinstrument 5 und stellt man seine
Schaltzeitpunkte so ein, daß im Zeitpunkt t1 eingeschaltet und im Zeitpunkt t2 ausgeschaltet
wird, so zeigt das Drehspulinstrument eine Spannung an ?so = fd t = 2fwqBs.
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Darin ist f die Frequenz der Wechselspannung U und Bs der Höchstwert
der Induktion, bis zu dem der Strom i den Eisenkern 1 magnetisiert. Wenn der Strom
i genügend groß ist, ist Bs die Sättigungsinduktion des Eisens, die dann praktisch
unabhängig von kleinen Schwankungen des Stroms wird. In diesem Falle ist die Spannung
X praktisch fast unabhängig von der Spannung U und mit ziemlicher Annäherung proportional
der Frequenz f.
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Um die geringe Abhängigkeit der Induktion Bs vom Strom i und gleichzeitig
ihre Abhängigkeit von der der Temperatur zu beseitigen, kann eine Anordnung gemäß
Fig. 4 gewählt werden. I ist wiederum der Eisenkern, 2 die Vorschaltdrossel, die
in Reihe an der Eingangswechselspannung U liegen. Die Sekundärwicklung3 des Eisenkerns
ist entgegengesetzt in Reihe geschaltet mit der Sekundärwicklung einer Gegeninduktivität
M. rl, r2 ist ein Spannungsteiler. Durch die Gegeninduktivität M wird eine dem Strom
i im Primärkreis proportionale Spannung zur zusätzlich induziert, die so abgestimmt
und von solcher Richtung ist, daß sie die von dem kleinen Anstieg der Sättigungsinduktion
Bs mit dem Strom i herrührende Spannung gerade kompensiert. Der Spannungsteiler
rl, r2 besteht aus einem Kupferwiderstand rl, welcher durch Zusammenwickeln mit
dem Ringkern I auf der gleichen Temperatur wie das Eisen gehalten wird, und aus
einem vorgeschalteten Manganinwiderstand r2. Bezeichnet man mit fl den Temperaturkoeffizienten
des Eisens bei der Sättigungsinduktion und mit a den Temperaturkoeffizienten des
Widerstandes rl, so muß r2 = ß ru afp gemacht werden, damit die Abhängigkeit der
Induktion Bs von der Temperatur gerade kompensiert wird. Auf diese Weise erhält
man eine Spannung «, deren mit dem mechanischen Gleichrichter gebildeter arithmetischer
Mittelwert unabhängig von der Eingangsspannung U und unabhängig von der Temperatur
einen weitgehend konstanten, der Frequenz genau
proportionalen Betrag
hat. Die Anordnung kann infolgedessen als Normalwechselspannung bezeichnet werden.
Statt des Spannungsteilers rl, r2 kann man auch die Spannung «* benutzen, die Temperatur
des Eisenkerns messen und eine Korrektor anbringen.
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Der Temperaturkoeffizient von Eisen-Nickel-Legierungen, wie sie für
den vorliegenden Zweck geeignet sind, beträgt etwa 5 Io-4/° C.
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Zur Messung von Wechselstromgrößen wird diese Normalspannung mit
einer der zu messenden Wechselstromgröße proportionalen Wechselspannung verglichen.
Eine derartige Schaltung zur absoluten Messung von Gegeninduktivitäten zeigt Fig.
5. Die Schaltung im linken Teil ist im wesentlichen identisch mit der Schaltung
Fig. 4. An dem Widerstand r1 wird eine Spannung abgegriffen, die mittels eines mechanischen
Synchrongleichrichters K1 gleichgerichtet und einem weiteren Spannungsteiler, bestehend
aus den Widerständen R1, R2, R3, zugeführt wird. An einem dieser Widerstände, und
zwar an R1, wird eine Spannung X abgegriffen. Im rechten Teil enthält die Schaltung
einen Stromkreis, bestehend aus einer Batterie B, einem Normalwiderstand Rn, einem
veränderlichen Vorwiderstand Rv, einem mechanischen Synchronschalter K4 und der
Primärwicklung der zu messenden Gegeninduktivität M2.
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Die Sekundärwicklung der Gegeninduktivität M2 ist über einen weiteren
mechanischen Synchrongleichrichter K2, einen Widerstand vn, ein Galvanometer G und
eine Drossel D gegen die Spannung X geschaltet.
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Der Spannungsabfall am Widerstand Rn wird mittels eines Normalelements
NE, eines mechanischen Synchrongleichrichters K3 und eines Galvanometers G2 gemessen.
Durch den Kontakt K4 wird der Primärstrom J der Gegeninduktivität M2 periodisch
im Takt der Wechselspannung U unterbrochen und geschlossen. Es entsteht dadurch
ein pulsierender Strom, dessen zeitlicher Verlauf in Fig. 6 dargestellt ist. Darin
bezeichnet Tk die Kontaktzeit des Schalters K4. Dieser Strom erzeugt in den Ein-
und Ausschaltzeitpunkten tein und taUS Spannungsimpulse an der Sekundärwicklung
der Gegeninduktivität M2, deren Verlauf in Fig. 7 dargestellt ist. Stellt man den
mechanischen Gleichrichter K2 so ein, daß er im Zeitpunkt tal schließt und im Zeitpunkt
t2 öffnet, so entsteht an dem Widerstand rn eine Spannung, deren zeitlicher Mittelwert
ist:
Kompensiert man diese Spannung gegen die Normalspannung, so wie in Fig. 5 angegeben,
so erhält man als Gleichgewichtsbedingung, d. h. für den Fall der Stromlosigkeit
des Galvanometers G1: u = konst R1 =fMJ, R1 +R2 +R3 tr1 M = konst R J Rl +R2+R3+rl
Die Konstante kann durch Eichung mit Normalelement bei Normalfrequenz bestimmt werden.
Der Strom J läßt sich in der in Fig. 5 angegebenen Weise ebenfalls mit einem Normalelement
kompensieren.
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Dabei benutzt man im Kompensationskreis einen Meßkontakt K3, dessen
Kontaktzeit auf die Zeitpunkte t3 und t4 eingestellt wird. Wählt man beispielsweise
R 1 Q (Normalwiderstand), so wird J I,OI83 A. Auf diese Weise läßt sich M aus dem
Wider standsverhältnis R1 R1 + R2 + R3 $r1 errechnen. Der Widerstand rn (beispielsweise
rn = IOOOO Q) ist erforderlich, um im Galvanometer G einen Dauergleichstrom fließen
zu lassen. Er belastet die Gegeninduktivität M, die dadurch entstehende Spannungsabsenkung
kann aus rn und dem ohmschen Widerstand der Sekundärwicklung der Gegeninduktivität
berechnet werden.
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Zur absoluten Messung von Kapazitäten kann eine Schaltung gemäß Fig.
8 verwendet werden. Der linke Teil der Schaltung stimmt mit der gemäß Fig. 5 überein.
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Im rechten Teil enthält die Schaltung eine Batterie B, Widerstände
R und Rv, ein Normalelement NE, ein Galvanometer G2 und synchron betätigte mechanische
Schalter K3 und K4. Die unbekannte Kapazität ist mit C bezeichnet. Die Messung erfolgt
ähnlich wie bei der Anordnung Fig. 5, d. h., die am Widerstand rn auftretendeSpannungwirdgegen
die Normalspannung kompensiert. Hat man in der angegebenen Weise Kapazitäten oder
Gegeninduktivitäten absolut gemessen, kann man sie benutzen, um mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren Wechselströme oder -spannungen absolut mit großer Genauigkeit zu messen.
Zu dem Zweck speist man beispielsweise die Gegeninduktivität M2 in Fig. 5 statt
mit zerhacktem Gleichstrom mit dem zu messenden Wechselstrom.
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Die mit K2 gleichgerichtete Spannung wird dann
Man mißt also auf diese Weise den Scheitelwert f,,,ax des Wechselstromes in seinem
Absolutbetrage mit der Genauigkeit des Kompensationsverfahrens. An den Meßkontakt
K2 werden in diesem Falle etwas höhere Anforderungen gestellt. Seine Kontaktzeit
muß nämlich möglichst genau I80" sein. Die sekundäre Spannung an M2 ist zwar auch
bei sinusförmigem Verlauf von J in den Schaltzeitpunkten t1 und t2 Null, die Neigung
der Spannungskurve gegenüber der Nullinie ist jedoch größer als in Fig. 3 oder 6.
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Bei den angegebenen Verfahren muß wie bei allen Kompensationsverfahren
in sorgfältigster Weise auf Erdung geachtet werden.