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Messverfahren und Messanordnung zur Bestimmung der Kurvenform von Wechselstrom- grössen mittels einer Kompensationsschaltung
Neben den oszillographischen Verfahren zur Bestimmung der Wellenformen schnell ver- änderlicher periodischer Wechselstromgrössen sind auch Verfahren mit direkt anzeigenden Zeigermessinstrumenten bekannt geworden, bei denen entweder eine punktweise Abtastung der Augenblickswerte erfolgt oder diese sich als Mittelwerte der Messgrösse in einer Kunstscha1tung (CSchaltung für Spannungsmessung oder L-Schaltung für Strommessung) ergeben.
Diese Verfahren beruhen auf der Anwendung von Schwingkontaktgleichrichtem und sind daher auch durch deren Eigenschaften begrenzt anwendbar. Insbesondere bei der L-Schaltung und bei der C-Schaltung sind die Messresultate linear von der Frequenz abhängig, so dass diese stets mitgemessen werden muss.
Ferner hat der Eigenverbrauch der Instrumente bei diesen Schaltungen grossen Einfluss auf die Genauigkeit der Messung und vor allem sind die erheblichen Rückwirkungen auf den Messkreis, insbesondere bei hochohmigen Kreisen sehr störend. Durch die Anwendung der Schwingkontaktgleichrichter ist die Messfrequenz auf zirka 100 Hertz beschränkt. Dies gilt für die sinusförmige Grundwelle. Die Verzerrungsfehler von Oberwellen steigen mit deren Ordnungszahl.
Gegenstand der Erfindung ist nun ein Messverfahren, welches diese Mängel weitgehend vermeidet und trotzdem den Vorteil hoher Auswertgenauigkeit direkt anzeigender Messgeräte gegenuber den oszillographischen Methoden beibehält.
Das Prinzip dieser Messmethode besteht in der Anwendung einer Schaltung, welche es erlaubt, das Kompensationsmessverfahren auf jeden Augenblickswert der Wechselstrommessgrösse anzuwenden. Der Eigenverbrauch des Anzeigeinstrumentes kann daher das Messresultat nicht mehr beeinflussen.
Entsprechend Fig. 1 wird die zu messende Wechselstromgrösse (Wechselspannung) UM mit
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U stets entgegengesetztes Vorzeichen besitzen. Ist UM" :--' Uk, dann erhält das Rohr negative Spannung und sperrt infolge seiner natürlichen Ventilwirkung. Ist dagegen Uk =-U, dann kann ein durch das Gitter beeinflussbarer Anodenstrom fliessen. Das Gitter des Rohres gibt durch einen äusserst kurzen, Spannungsimpuls nur bei einem durch einen Phasenschieber 2 einstellbaren Phasenwinkel x gegenüber einer Bezugsgrösse nur für die Zeit des Impulses den Anodenstrom frei, während für die andere Zeit durch eine hohe negative Gittervorspannung, auch bei grossen Anodenspannungen das Rohr vollkommen gesperrt ist.
Nimmt man nun an, dass beispielsweise in der positiven Halbwelle der
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gerichtet sind, so gibt es entsprechend Fig. 2 für jeden Winkel a einen Wert von Uk, bei welchem die Anodenspannung UA 0 wird, also = L ist. Wird U UMa, so fliesst ein der Differenzspannung UA entsprechender Anodenstromstoss.
Ein in den Anodenkreis geschalteter Nullstromindikator 3 ermöglicht die Abgleichung von Uk auf Anodenstrom null. Da aber fur das ganze Gebiet, in welchem Uk.-UAI, ist, der Anodenstrom null wird, führt man die Abgleichung zweckmässig so durch, dass bei jedem Winkel ot die Kompensationsspannung so lange gesteigert wird, bis der Anodenstrom gerade einsetzt. In diesem Augenblick ist Uku = Um und kann am Anzeigeinstrument 4 als Augenblickswert der Messspannung beim Phasenwinkel @ abgelesen werden.
Stimmt die Steuerimpulsfrequenz mit der Frequenz der Messspannung, oder einem ganzzahligen Bruchteil derselben überein, so kann damit die Kurvenform der Messspannung punktweise aufgenommen werden. Gibt man dem Steuerrohr 1 eine hohe Schirmg : tnrspannung, so wird erreicht, dass auch bei Anodenspannung Null während der Zeit des Stererimpulses ein kleiner, von den Röhreneigenschaften abhängiger Strom fliesst. Da man die Abhängigkeit dieses Stromes im Gebiet des Nulldurchgangs der Anodenspannung genau aufnehmen kann, ist es möglich, die Abgleichempfindlichkeit den jeweiligen Anforderungen entsprechend einzustellen und bis auf etwa 1/100 Volt zu steigern.
Der Nullindikator kann also eine Skala erhalten, die unter Berücksichtigung der Kreiswiderstände direkt in mV Differeiizspannung geeicht ist. Für die höchsten Anforderungen an Empfindlichkeit
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muss als NuUindikator ein Spiegelgalvanometer verwendet werden. Dieses ist teuer und umständlich in der Handhabung und erfordert wegen der geringen Dämpfung einen grossen Zeitaufwand für die Messungen. Statt der Abgleichung der Kompensationsspannung von Hand, kann aber auch ein automatisch arbeitender Kompensationspannungsregler, der vom Nullindikator gesteuert wird, verwendet werden. Der Augenblickswert der MeBspannung kann dann für jeden am Phasenregler 2 eingestellten Winkel a direkt am Spannungsmesser 4 abgelesen werden.
Als Kompensationsspannungsregler wurde ein quasi astatisch im Sinne der Abgleichbedingung t, U A = 0 arbeitender Röhrenregler 5 entwickelt, der an Stelle des Nullindikators über einen Kopplungsübertrager 6 angeschlossen wird.
Die geregelte Kompensationsspannung wird entsprechend Fig. 1 in den Messkreis geschaltet.
Der Röhrenregler arbeitet so, dass er, wenn der Strom im Messkreis gleich null ist, die höchste Kompensationsspannung einregelt. Seine Stromempfindlichkeit wird so eingestellt, dass der bei einer kleinen negativen Anodenspannung noch auftretende positive Stromimpuls gerade die Ansprechgrenze des quasi astatisch arbeitenden Reglers erreicht, der Regler also die vollkommene Kompensation Uku. = Um", bewirkt, wobei die durch den Ansprechstrom des Reglers hervorgerufenen Spannungsabfälle an den Messkreis- widerständen gerade durch die negative Anodenspannung kompensiert sind.
Für die negative Halbwelle der Messspannung (Fig. 2) würde der Regler eine entsprechende negative Spannung einregeln, wozu eine besondere Ausführung des Gleichstromspeisegerätes für die Anodenspannungen der einzelnen Röhren erforderlich ist. Wegen des einfacheren Aufbaues kann man sich aber auch auf positive Anodenspannungen beschränken und für den Bereich dei negativen Halbwelle der Messspannung einfach deren Anschlüsse im Messkreis durch einen Umschalter 7 umpolen. Regler und Steuerrohr werden zweckmässig durch ein gemeinsames Netzgerät 8 gespeist.
Der Röhrenregler (Fig. 3) erhält je nach den
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Anodenstromimpulses, eine Röhre 10 für die Impulsgleichrichtung (Audionschaltung) und das eigentliche Spannungsregelrohr 11. Die Impulsgleichrichtung in Audionschaltung ergibt bei kleinster Steuerleitung die grösste Empfindlichkeit.
Da das Regelrohr eine von der einzuregelnden Kompensationsspannung Uk abhängige Steuer- gttterspannung benötigt, wird die Verstärkung vom Anodenstromimpuls zum Messkreis, also vom Kopplungsübenrager zum Gitter des Regelrohres so gross gewählt, dass ein quasi asiatisches Verhalten der Regeleinrichtung entsteht. D. h., die Änderung der Amplitude des steuernden Anodenstromes und der dadurch verurteilte Abgleichfehler liegt dann für den gesamten Mess- bereich der benötigten Regelspannung unterhalb der Empfindlichkeitsgrenze des verwendeten Anzeigeinstrumentes für U so dass die Statik der Regelung, also die Abhängigkeit der geregelten Spannung von dem steuernden Anodenstrom, keinen Einfluss auf das Messresultat hat.
Durch die Audionschaltung und die Glättungskondensatoren für die Kompensationsspannung entsteht eine gewisse Einstellträgheit des Reglers, die aber in erträglichen Grenzen gehalten werden kann. Der Aufbau des Rehresreglers ist schaltungstechnisch so durchgeführt, dass sämtliche benötigten Gleichspannungen aus einem einzigen, im Netzgerät 8 enthaltenen handelsüblichen Glimmstreckenstabilisator 12 entnommen werden können.
Die Erzeugung des phasenabhängigen Gitterspannungssieuerimpulses für das Steuerrohr 1 kann bei Messfrequenzen bis zu 100 Hertz in einfachster Weise durch eine sogenannte Impulsdrossel 13 erfolgen. An die Sekundärwicklung des Phasenschiebers ist über eine stromunabhängige Induktivität 14 ein Ringkernübertrager mit hochpermeablen Ni-Fe Kern angeschlossen. Die Windungsfläche der Erregerwicklung ist so klein gewählt, dass die treibende Wechselspannung (Sekundärspannung des Phasenreglers) die Ummagnetisierung des Kernes innerhalb weniger Mikrosekunden bewirkt, so dass an der Sekundär- wicklung des Übertragers in jeder Halbwelle nur eine ganz kurze Spannungsspitze entsteht (Fig. 2).
Die Amplitude derselben wird so gewählt, dass sie die negative Gittervorspannung 15 des Steuerrohres 1 vollkommen aufhebt. Durch die geringe Impulszeit ist eine sehr weitgehende zeitliche Auflösung der Messgrösse erreichbar. Damit wird auch die Wiedergabe sprunghafter Veränderungen der Messgrösse, wie sie bei periodischen Schaltvorgängen oder Kippschwingungen auftreten, möglich. Ausser auf magnetischem Wege kann die steuernde Spannungsspitze insbesondere fur höhere Messfrequenzen aber auch in bekannter Weise durch eine Multivibrator-oder Dynatronschaltung erzeugt werden.
Die erzielbare Genauigkeit der Messeinrichtung liegt bei Spannungsbereichen über 10 Volt in der Grössenordnung von Präzisionslaboratoriumsmessgeräten. Die Beeinflussung der Messgrösse durch das Messverfahren ist auf den sehr kleinen Steuerstrom des Reglers begrenzt und daher sehr gering. Der Anschluss eines schreibenden Messgerätes und damit die automatische Aufzeichnung von Kurvenformen ist : ohneweiteres möglich, da der Kompensationsspannungsregler in seiner Endstufe entsprechend leistungsfähig ausgelegt werden kann.
Der Anwendungsbereich der Messanordnung liegt hauptsächlich im Niederfrequenzgebiet bei der Messung periodischer Vorgänge mit stark von der Sinusform abweichenden Messgrössen. Besonders bei der Untersuchung von Regel-und Steuervorgängen und bei Schaltungen mit hochgesättigten Eisenkreisen erweist sich diese Messanordnung durch grössere Genauigkeit und geringere Oberwellenverzerrung den Schwinggleichrichterschaltungen und durch die einfachere
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verfahren nur zur Aufnahme von Spannungkurven geeignet. Die Aufnahme der Wellenformen von Strömen erfolgt am besten unter Zwischenschaltung eines Stromwandler, der sekundär mit einer passenden Bürde (Ohmschen Widerstand) abgeschlossen wird. Die Spannung am Widerstand wird der Messeinrichtung zugeführt.
PATENTANSPRÜCHE : l. Messverfahren zur Bestimmung der Kurvenform von Wechselstromgrössen mittels einer Kompensationsschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass durch Einschaltung einer mit Spannungsimpulsen gittergesteuerten Elektronenröhre in den Kompensationskreis dieser nur für äusserst kurze, dem gewünschten zeitlichen Auflösungsvermögen entsprechende Zeitabschnitte, periodisch wirksam wird und damit die Spannungskompensation jeweils nur bezüglich eines zeitlich genau definierten Augenblickswertes der zu untersuchenden Wechselspannung erfolgt, dass ferner durch eine phasenschiebende Anordnung der Zeitpunkt des
Steuerimpulses am Gitter des Rohres kontinuierlich über die gesamte Periode der zu messenden Spannung verschoben werden kann,
wobei die dem Phasenverschiebungswinkel zugeordneten Augenblickswerte der zu messenden
Spannung mittels eines an der Kompensation- gleichspannung liegenden elektrischen Mess- instrumentes abgelesen werden.