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Vorrichtung zum Anzeigen des Quotienten zweier, durch elektrische Ströme darge- stellter physikalischer Grössen.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Anzeigen des Quotienten zweier physikalischer Grössen, z. B. zweier elektrischer Ströme.
Der Bau eines derartigen Messgerätes stösst auf Schwierigkeiten, die bei gewöhnlichen Messgeräten
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Grössen, die in bestimmtem Verhältnis zueinander stehen und daher zu ein und derselben Einstellung führen, sehr verschiedene Werte annehmen. Demgemäss schwanken die Einstellkräfte, die zu ein und derselben Zeigereinstellung führen, zwischen sehr weiten Grenzen. Diese Schwierigkeiten sind es, die bisher den Bau derartiger Geräte schwierig oder unmöglich machten, die aber durch die Erfindung überwunden werden.
Diese Schwierigkeiten haben zur Folge, dass die Dämpfungskraft immer nur für einen bestimmten Wert der auf den Zeiger wirkenden Einstellkraft richtig bemessen sein kann. Ist aber die lämpfungs- kraft so gross, so wird die Zeigereinstellung schleichend und ungenau ; ist die Dämpfungskraft zu klein, so kommt der Zeiger infolge auftretender Pendelungen nicht schnell genug zur Ruhe. Soll der Quotient zweier elektrischer Ströme, z. B. mittels eines Drehspulinstrumentes, angezeigt werden, so können bei starkem Anwachsen der Ströme ausserdem Zerstörungen der von ihnen durchflossenen Drehspulen eintreten.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die erwähnten Übelstände zu beseitigen, u. zw. zunächst dadurch, dass die auf die Zeigerachse wirkende Dämpfungskraft abhängig von einer der beiden physikalischen Grössen ist. Dadurch lässt sich erreichen, dass das logarithmische Dekrement der Dämpfung
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Eine solche Dämpfung lässt sich beispielsweise bei der Anzeige des Quotienten zweier Ströme so erreichen, dass ein Elektromagnet in einem der drehbaren Teile Wirbelströme erzeugt und von einem der beiden Ströme erregt wird, deren Quotient zu bestimmen ist. In welcher Weise bei Drehspuleninstrumenten unzulässige Beeinträchtigung der Drehspulen bei zu hohen Stromstärken ihrer Erreserströme unter
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beispiele näher erläutert werden.
In den Figuren sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Fig. 1 veranschaulicht die Anwendung der Erfindung bei einem Drehspuleninstrument. Fig. 2 zeigt die Anwendung der Erfindung bei einem Fehlerortrelais, d. h. einem Relais zum Schutz von elektrischen Leitungen, dessen bewegliches Organ beim Auftreten eines Fehlers' ! n der überwachten Leitung entsprechend der Entfernung des Fehlerortes sich einstellt. Fig. 3 zeigt eine besondere Ausführung der Stromzuführung für eine Drehspule bei der Vorrichtung nach Fig. 1 oder Fig. 2.
In Fig. 1 ist auf einer Welle 1 ein Zeiger 17 befestigt, der über einer Skala spielt oder sonstwie zum Anzeigen oder zum Schliessen von elektrischen Kontakten dient. Auf der Welle 1 sind ausserdem
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zwei Spulen 2 und 3 befestigt, die um einen Winkel gegeneinander versetzt sind. Die Spule 2 bewegt sich im Feld einer feststehenden Spule 4 und die Spule 3 im Feld einer feststehenden Spule 5. Bei I und 11 werden die beiden Ströme zugeführt, deren Quotient bestimmt werden soll. Der Strom 1 fliesst durch
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liche Spule 2 ein, aus der bei 8 abgeleitet wird. Der Strom 11 tritt durch die Zuleitung 9 in die feststehende Spule 5, durch die biegsame Leitung 10 in die drehbare Spule 3, durch die Leitung 11 wird er der Magnetwicklung 12 zugeführt.
Durch die Leitung 18 wird er wieder abgeleitet. Es ist bekannt, dass bei einer derartigen Schaltung der Spulen das drehbare System eine Gleichgewichtslage hat, die eine eindeutige Funktion des Verhältnisses der beiden Ströme llmd 11 ist. Sind beide Ströme gross, so erzeugen sie auch eine grosse Richtkraft und zur Erzielung einer bestimmten Dämpfung bedarf es auch einer grossen Dämpfungskraft. Diese wird durch den von der Spule 12 erregten Magneten 13 erzeugt, dessen Kraftlinien die Bremsscheibe 14 durchsetzen, so dass die entsprechenden Wirbelströme eine Bremskraft ausüben.
Wenn die Bremskraft linear mit dem Strome wechseln soll, so wird bei der neuen Vorrichtung der Eisenweg der Kraftlinien so stark gesättigt, dass der Kraftlinienfluss mit der Wurzel aus dem die Spule 12 durchfliessenden Strom wächst. Denn die Bremskraft ist dem Quadrate des Kraftflusses proportional. Die gewünschte Abhängigkeit lässt sich mit zufriedenstellender Genauigkeit am einfachsten dadurch erreichen, dass der Weg des Kraftflusses aus schwach und stark gesättigten Teilen besteht. Aus diesem Grunde sind die Joche 15 des Kraftlinienpfades schwächer gehalten als der Kern 16.
Soll eine Dämpfung bei einem elektrischen Drehspulenmessgerät angewendet werden, dessen Drehspule hohe Stromstärken auszuhalten hat, so ist es zweckmässig, etwaige Unzuträglichkeiten durch die hohen dabei auftretenden Drehmomente durch eine besondere Ausbildung des Gerätes zu vermeiden. Die Drehmomente werden mitunter beispielsweise bei Messgeräten, die auch Kurzschlussströme aufzunehmen haben, so gross, dass die mechanische Festigkeit der bekannten Drehspule ihnen nicht mehr gewachsen ist. Man kann nämlich Drehspulen nicht beliebig kräftig bauen, da sonst ihre mechanische Trägheit so gross wird, dass das drehbare System sich bei kleinem Strom zu langsam einstellt und bei grossem Strom zu schwer zu dämpfen ist.
Nun lässt sich mit dem dargestellten Ferrarissystem die Dämpfungskraft so beeinflussen, dass das logarithmische Dekrement für alle Betriebsverhältnisse annähernd den gewünschten konstanten Wert hat. Damit auch das drehbare System den obenerwähnten Forderungen der Praxis gerecht wird, empfiehlt es sich, die auf der Zeigerachse befestigte Drehspule aus einer einzigen Stromschleife zu bilden und ihr den Wechselstrom über einen Hilfstromwandler zuzuführen, der den Strom soweit hinauftransformiert, dass die Stromschleife zur Erzeugung des notwendigen Drehmomentes ausreicht.
Besondere Bedeutung hat die Erfindung für Fehlerortsrelais. Diese sind zuweilen sehr starken Kurzschlussströmen ausgesetzt und müssen sich gerade dann richtig und zuverlässig einstellen. Aber auch bei geringen Stromstärken müssen sie genau arbeiten. In allen Fällen muss sich das Anzeigegerät
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nach Auftreten des Kurzschlusses besteht, angezeigt wird ; denn die elektrischen Verhältnisse im Kurz- schlussstromkreise ändern sich oft schon innerhalb weniger Sekunden wesentlich.
In Fig. 2 ist als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Anzeigegerät für ein Fehlerortsrelais dargestellt. Der Zeiger 109 soll den Widerstand eines Kurzschlusskreises anzeigen. Er sitzt auf
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Der Strom wird durch Quecksilberkontakte 104 zugeführt, jedoch nicht unmittelbar von dem Stromwandler 147, sondern über einen Transformator 152. Dieser transformiert den Strom so weit hinauf, dass er auch bei den vorkommenden kleinsten Werten ausreicht, um in der einen Stromschleife ein ausreichendes Drehmoment zu erzeugen. Die Ferraristrommel 107 dreht sich im Felde der Strom-
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der Strommagneten 111 und der Spannungsmagnete 112.
Innerhalb der Ferraristrommel 107 und 108 sind feststehende Eisenkern angeordnet, die in der Zeichnung nicht sichtbar sind ; sie dienen dazu, den Widerstand der magnetischen Kraftlinienwege herabzusetzen. Die Stromschleife 102 erzeugt ein Drehmoment, das eine Funktion des Quadrates der Stromstärke ist, während die Ferraristrommel 70. S ein Drehmoment erzeugt, das eine Funktion des Produktes aus Spannung und Stromstärke ist. Es ist bekannt, dass infolgedessen der Zeiger 109 sich so einstellt, dass sein Ausschlagwinkel eine Funktion des Quotienten aus jenen beiden Grössen, also eine Funktion des Widerstandes in der zu überwachenden Leitung ist.
Die Ferraristrommel 107 erzeugt überhaupt kein Drehmoment, sondern hat nur den Zweck, die Bewegung des ganzen drehbaren Systems zu dämpfen, u. zw. mit einer Dämpfungskraft, die proportional mit der Stromstärke wächst.
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grosse Bewegungen, bis er auf den Zeiger auftrifft, den er dabei auf eine Unterlage 114 festdrückt. Diese verschieden grossen Bewegungen dienen in nicht dargestellter Weise dazu, die Ölschalter auszulösen, durch welche fehlerhafte Strecken abgetrennt werden. Der Zeiger muss seine Gleichgewichtslage unbedingt eingenommen haben, bevor er von dem Fallbügel festgehalten wird. Das ist nur möglich, wenn das gesamte drehbare System leicht genug gebaut ist, obwohl es die nötige Widerstandskraft haben muss, um auch grosse Drehmomente zu ertragen.
Aus diesem Grunde sind auch die Ferraristeile 107 und 108 nicht in der üblichen Weise als Scheiben, sondern als hohle Trommeln ausgebildet. Die Trommel hat vor der Scheibe den Vorzug, dass alle Kräfte entwickelnden Teile an demselben Hebelarm angreifen.
Sie ist infolgedessen bei gleichem Drehmoment leichter. Denn bei der Scheibe trägt gerade der äusserste Rand zum Drehmoment nur wenig bei, vergrössert das Gewicht aber beträchtlich.
Um auch die Welle möglichst leicht ausführen zu können, liegt das dämpfende System 107 zwischen den beiden drehenden Systemen 102 und 108. Die Welle muss nämlich so bemessen werden, dass sie auch in dem Falle genügend widerstandsfähig ist, dass infolge umgekehrter Energierichtung die beiden Systeme 119 und 120 nach derselben Seite wirken. Ihr Drehmoment muss dann bis zur Erreichung der Ausschlagbegrenzung vom dämpfenden System 107 aufgenommen werden. Würde man dieses an einem Ende anordnen, so würde auf die Welle die Summe der Drehmomente wirken. Bei der hier dargestellten Einrichtung dagegen wird die Welle nur von den einzelnen Drehmomenten belastet.
In der Zeichnung ist eine einphasige Strecke mit Hin-und Rückleitung < S'und T angenommen.
Sie kann durch den Ölschalter 164 abgeschaltet werden, sobald die Auslösespule 163 erregt wird. Der Stromwandler 147 speist den Stromwandler 162, die Stromspulen 151, 150 und 149. Ein Spannungswandler 156 speist über die Leitungen 157 und 158 die Spannungsspule 159.
Bei den in Fig. 1 und 2 dargestellten Drehspuleninstrumenten ist es ausserdem zweckmässig, die Zuleitungen für die Drehspulen in besonderer Weise auszubilden. Wenn man nämlich, wie bei den bisher bekannten Drehspuleninstrumenten der Drehspule den Strom durch eine biegsame Leitung zuführt, so darf die Federkraft dieser biegsamen Leitung nicht zu gross sein. Bei Instrumenten, deren drehbarer Teil ganz ohne Richtkraft arbeiten soll, darf eine Federkraft überhaupt nicht auftreten. Aus diesem Grunde war man bisher auf Zuleitungen mit einem geringen Querschnitt beschränkt. Dieser Querschnitt
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oft nicht aus.
Um diesen Nachteil zu vermeiden und gleichzeitig die Vorteile der neuen aus einer einzigen Stromschleife gebildeten Stromspule zu wahren, wird ihr der Strom über Quecksilbergefässe zugeführt, in welche Kontakte eintauchen, die an der Spulenachse befestigt sind. In Fig. 3 ist eine besondere Ausführungsform derartiger Zuleitungen für eine Drehspule dargestellt. Ihre Anwendung bei den Vorrichtungen nach Fig. 1 und Fig. ist in diesen Figuren schematisch angedeutet.
In Fig. 3 wird die drehbare Spule 201 von den beiden Achsen 202 und 203 getragen, die in den Spitzenlagern 204 und 205 laufen. Diese Achsen führen gleichzeitig der Spule 201 den Strom zu. Zu diesem Zweck ist das untere Ende der Achse 202 von einem Gefäss 206 umgeben, das teilweise mit Quecksilber 207 angefüllt ist. Durch dieses Quecksilber wird der Achse 202 der Strom zugeführt. Das obere Ende der Achse 203 trägt zwei Flügel 208 und 209, die gleichfalls in ein quecksilbergefülltes Gefäss 210 eintauchen, wobei das Quecksilber mit dem andern Pol des Stromes verbunden ist. Diese Flügel können auch zur Dämpfung dienen. Auf der Achse 202 ist ferner ein konisches Verschlussstück 211 befestigt und auf der Achse 203 ein entsprechendes Verschlussstück 212.
Beide Verschlussstücke passen in konische Öffnungen der Quecksilbergefässe 206 und 210, sind aber beim Gebrauch des Instrumentes mit den Quecksilbergefässen ausser Berührung. Um den Verschluss herbeiführen zu können, ist das Quecksilbergefäss 210 verschiebbar. Eine Feder 213 sucht es in die Verschlussstellung zu ziehen, während eine Schraube 214 es in Gebrauchsstellung festhält. Zwecks Arretierung des Instrumentes und Verschluss des Quecksilbergefässes wird die Schraube 214 zurückgedreht. Die Feder 213 hebt dann das Quecksilbergefäss 210 an, so dass sich seine Öffnung unter das Verschlussstück 212 setzt. Bei weiterer Bewegung hebt das Gefäss 210
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Gleichzeitig sind die beiden Achsen von ihren Lagern abgehoben. Die Spannung der Feder 213 ist so bemessen, dass sie die drehbare Spule 201 nicht verbiegen kann. Diese Spule dreht sich gegenüber einer feststehenden Spule 215, u. zw. ohne jede Richtkraft. Weitere Vorrichtungen, die ihre Gleichgewichtslage bestimmen, haben mit der Erfindung nichts zu tun und sind daher nicht gezeichnet. Die stromzuführenden Teile können ohne Schwierigkeit so ausgebildet werden, dass sie auch der stärksten Strombeanspruchung gegenüber standhalten.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zum Anzeigen des Quotienten zweier durch elektrische Ströme dargestellter physikalischer Grössen, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungskraft, welche auf die den Zeiger tragende Instrumentendrehachse (1) wirkt, abhängig von einer der zwei physikalischen Grössen ist.