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Einrichtung zur Messung der spezifischen Verluste an Elektroblechen
Bei bisherigen Einrichtungen zur Messung der Eisenverluste wird teilweise wattmetrisch das Produkt aus Induktion und Feldstärke gebildet (u. a. Epsteinapparat), teils die Wirkkomponente der Feldstärke
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S. 1507beschrie-benenMesseinrichtung (s. a. österr. Patentschrift Nr. 191015, Dipl. Ing. E. Wemer). Bei dieser Messeinrich- tung wird die Induktion im Blech zerstörungsfrei durch beiderseits abgegriffene Spannungen gemessen bzw. elektronisch in Abhängigkeit von einer Vergleichsspannung mit einem Verstärker, der das Joch speist, geregelt. Die Feldstärke (gemessen mit einer Luftspulenanordnung) wird elektronisch in Wirk-und Blindkomponente zerlegt unter Verwendung einer Wechselstromkompensationsschaltung.
In einer Erweiterung der im folgenden beschriebenen neuen Messeinrichtung wird mit dieser die in obiger Messeinrichtung verwendete wie auch schon früher bekannte Induktionsregelung kombiniert sowie in einem Beispiel (Fig. 3) auf Efnzelheiten der in der genannten Messeinrichtung verwendeten Wechselstromkompensationsschaltung zurückgegriffen. Im einfachsten Fall kommt jedoch die neue Messeinrichtung ganz ohne Anzeigegeräte aus und lässt sich so überaus robust bauen.
Erfindungsgemäss bildet bei der neuenMesseinrichtung der Magnetisierungskreis, der aus dem zuprü- fenden Blech und dem die Erregerwicklung tragenden Eisenkern besteht, die Induktivität eines Schwingkreises, welcher mit einem rückgekoppelten Verstärker zum Schwingen gebracht wird, wobei die Verluste des zu prüfenden Bleches die Dämpfung des Schwingkreises erhöhen und im Rückkopplungsweg ein Stellglied angeordnet ist, dessen zur Erzielung ungedämpfter Schwingungen mit einer der gewünschten Induktion im zu prüfenden Blech entsprechenden Amplitude erforderlichen Einstellung als Mass für die Verluste dient.
Die erforderliche Rückkopplung kann leicht, z. B. mit einem Potentiometer eingestellt werden. und es ist dann die Stellung des Potentiometers ein Mass für die zu messenden Verluste. Benutzt man zur Anzeige desErreichens der Sollinduktion an Stelle eines Messgerätes z. B. eine Signallampe, so ist überhaupt kein Anzeigegerät erforderlich.
Bei quadratischer Abhängigkeit der Verluste von der Induktion, die bei hohen Induktionen allgemein annähernd gegeben ist, ist der erforderliche Rückkopplungsgrad unabhängig von der Induktion. Es ist daher die Genauigkeit der Induktionsmessung bei dem neuen Verfahren im Gegensatz zu allen bisherigen Verfahren nicht sehr von Bedeutung. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Leistungsaufnahme im wesentlichen auf die Wirkleistung beschränkt ist, die Elektronik also nur für diese ausgelegt werden muss. Dadurch ist es z. B. bei einem Anlegejoch möglich, das Gerät mit einer Taschenlampenbatterie zu speisen. Bei einem Anlegejoch kommt noch dazu, dass mit Rücksicht auf die zusätzlichen Wirbelströme die Magnetisierungsfrequenz nicht mit der Netzfrequenz übereinstimmen soll, für die ja die Verluste im allgemeinenbestimmtwerden sollen (s.
AufsatziInIndustrieanzeiger. Essen, Ver1ag W. Girardet [1956], S. 1507). In einem solchen Fall ist eine Oszillatorschaltung ohnedies notwendig, um die notwendige Magnetisierungsfrequenz zu erhalten und es gehört dann gar nicht mehr eel dazu, um das Joch und die zur Magnetisierung erforderlichen Teile zu einem kompletten Verlustmessgerät zu ergänzen.
Bei ändern Geräten macht es einige Mühe, den Eigenverbrauch des Joches auszuschalten. Die Jochverluste rühren teils vom Jocheisen her, teils von der Erregerwicklung. Der erstgenannte Teil ist bei gro- ssem Eisenquerschnitt des Joches nicht allzu gross, annähernd proportional dem Quadrat der Induktion und erfordert eine geringe zusätzliche, feste Rückkopplung. Hingegen sind die Kupferverluste in der Erreger-
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wicklung sehr gross, unter Umständen ein Mehrfaches der zu messenden Verluste. Um eine einigermassen konstante Frequenz, unabhängig von eventuellen kleinen Luftspalten unter dem Joch und dem Magnetisierungsstrom des zu prüfenden Bleches zu erhalten, muss ein zusätzlicher Luftspalt eingefügt werden, der jedoch einen entsprechend höheren Magnetisierungsstrom erfordert und die Kupferverluste erhöht.
Zur Berücksichtigung derKupferverluste ist eine weitere zusätzliche Rückkopplung erforderlich. Während jedoch zur Kompensation der Eisenverluste des Joches eine der Induktion proportionale Spannung in den Rückkopp- lungsweg einzufügen ist, wird zur Kompensation der Kupferverluste eine dem Differentialquotienten des Magnetisierungsstromes proportionale Spannung eingefügt (da diese Verluste vom Strom abhängen und überdies bei eventuellem zusätzlichemluftspalt eine dann auftretende Frequenzänderung auch eine frequenzabhängige Kopplung erfordert).
Wie bereits bemerkt, ist die Frequenz bei der beschriebenen Anordnung nicht zuverlässig konstant.
Nun ändern sich aber die Verluste mit der Frequenz, die Wirbelstromverluste mit dem Quadrat, die Hy- steresisveduste aber, die im allgemeinen den Hauptanteil ausmachen, linear mit der Frequenz. Die für
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anteile linear mit der Frequenz zunehmen bzw. (betreffend die Hysteresisverluste) etwa konstant bleiben. Die rückgekoppelte Spannung würde aber bei gleicher Induktion und zunehmender Frequenz ebenfalls zunehmen. Dazu wird vorgesehen, dass der Frequenzgang im Rückkopplungsweg (z. B. durch ein eingefügtes RC-Glied) im gewünschten Sinn beeinflusst wird.
Die Verluste steigen wohl wie eingangs bereits erwähnt, annähernd mit dem Quadrat der Induktion. der Exponent ist jedoch im allgemeinen etwas kleiner als 2. Dadurch ergibt sich, die Dämpfung mit zunehmender Induktion etwas abnimmt und das Gerät zunächst nicht stabil mit irgend einer Induktion arbeiten würde, sondern die Schwingungen nur durch Übersteuerung begrenzt wurden.
Um eine Stabilisierung bei einer bestimmten Induktion zu erreichen, wird bei Erreichen dieser Induktion (z. B. über eine vorgespannte Diode) eine zusätzliche Dämpfung eingefügt. Der dann auftretende zusätzliche Strom kann zugleich das Erreichen der Sollinduktion über eine Signallampe erkennbar machen.
Die Anordnung und Schaltung eines ausgeführten Anlegejoches soll nun als Beispiel näher beschrieben werden. Das Joch besteht aus einemE-förmigen Kern 2, dessen Mittelschenkel etwas verkürzt ist. Der hier zwischen dem Joch und dem Blech 1 bleibende Luftspalt bestimmt im wesentlichen die Induktivität der auf demMittelschenkel desloches untergebrachten Erregerwicklung 3. Diese bildet zusammen mit dem Kondensator C einen Schwingungskreis (wie erwähnt, mit Rücksicht auf zusätzliche Wirbelströme nicht auf
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gespeisten Verstärkers V und wird von diesem unter Rückkopplung der verschiedenen Mess- und Justierspannungen zum Schwingen gebracht.
Zunächst ist auf dem Joch noch eine Messwicklung 6 angeordnet, an der über ein der Blechdickenberücksichtigung dienendes Potentiometer P das Messpotentiometer M mit Skala Sk liegt. Die an diesem Messpotentiometer abgegriffene Spannung wird noch zwecks ungefährer
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teilt. In Reihe mit der an Cl auftretenden Spannung liegt die über ein Potentiometer Pz einstellbare, von der Wicklung 5 herrührende Spannung zur Berücksichtigung der Eisenverluste des Joches und die ebenfalls mit einem Potentiometer P3 einstellbare Spannung, die von der in Reihe mit der Erregerwicklung liegenden Differentierdrossel D geliefert wird.
Die zur Induktionsmessung dienende Wicklung 4 hat Anzapfungen für verschiedene Blechstärken und eventuell auch für verschiedene Induktionen. Über dem Schalter S, der zur Grobeinstellung der Blechstärke und eventueller verschiedener Induktionen auf die verschiedenen Anzapfungen der Wicklung 4 umschaltbar ist, wird über eine Zenerdiode Z der Kondensator C 2 auf den Scheitelwert der von der Wicklung 4 entnommenen Spannung aufgeladen.
Bei Überschreitung der Zenerspannung fliesst wegen des auftretenden Rückstromes ein Wechselstrom über den eingefügten Widerstand R 2. Dadurch ergibt sich eine zusätzliche Dämpfung, die die Schwingungen stabilisiert. Zugleich dient die dann an R auftretende Spannung über eine elektronische Relaisschaltung zur Betätigung einer Signallampe (Glimmlampe) L. (Es könnte auch die Induktivität mit einem anC oder auch an der Messwicklung liegenden Messgerät angezeigt werden.)
Die Bedienung des Gerätes erfolgt dann so, dass das Joch auf das zu prüfende Blech aufgesetzt wird, die Blechdicke (eventuell auch die Induktion) grob mit Schalter S eingestellt wird.
Die Blechdicke wird noch fein eingestellt mit Potentiometer P Hierauf wird das Messpotentiometer M ganz aufgedreht (hohe Verlustwerte auf der Skala). Die starke Rückkopplung bringt die Anordnung zum Schwingen. Die Signallampe L leuchtet bei Erreichen der Sollinduktion auf.
Man dreht das Messpotentiometer zurück bis die Lampe erlischt. An der dem Messpotentiometer beigefügten Skala können die Verluste dann direkt in W/kg abgelesen werden. Eines der beiden
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Justierpotentiometer P und P kann noch zusätzlich für eine eventuelle Nullpunktjustierung verwendet werden, um einen eventuellen Temperatureinfluss (Änderung der Verstärkung und des Eigenverbrauches des Joches) auszugleichen.
Die Anwendbarkeit des beschriebenen Messprinzip Ist natürlich nicht auf ein Anlegejoch beschränkt.
Es kann genau so gut bei einem Streifenjoch oder auch bei einem Ganztafeljoch usw. Verwendung finden. Wenn man den Aufwand nicht scheut, kann man zur bequemeren Bedienung das Abgleichen auch automatisieren und die am Messpotentiometer abgegriffene Spannung mit einem Messgerät als Mass für die Verluste zur Anzeige bringen.
Flg. 2 soll zeigen, wie beispielsweise die Schaltung Fig. 1 zu diesem Zweck abgeändert werden kann. Bei Überschreiten der Sollinduktion lässt die Zenerdiode Z2 Strom durch und die Gleichrichteranordnung G nimmt Wechselstrom auf. Der zugehörige Spannungsabfall an Widerstand Vermindert bei richtiger Polung die Rückkopplung und stabilisiert damit die Schwingungen. Natürlich kann die Regelung auch durch Einfügung anderer amplitudenabhängiger Schaltungen bewirkt werden. So könnte beispielsweise auch der Spannungsabfall an Widerstand R 2 in Schaltung nach Fig. 1 eingefügt werden.
Die Wechselspan- nu. ng anKondensatorCl ist proportional dem Verluststrom abzüglich der. durch die nachfolgenden Korrekturglieder berücksichtigten Anteile des Joches, also bei der eingeregelten Induktion auch ein Mass für die zugehörigen Verluste im Prüfblech welche an dem (elektronischen) Voltmeter M ablesbar sind.
Es ist auch nicht nötig, dass das Joch selbst die Induktivität des Schwingkreises bildet. Man kann dafür eine eigene Drossel vorsehen, und eine Wicklung dieser Drossel mit einem der Feldstärke in dem zu prüfenden Blech proportionalen Strom speisen, sei es, dass dieser Strom der Magnetisierungsstrom des Joches Ist oder, dass er, genauer, nach irgend einem bekannten Verfahren über Feldmesswicklungen und Verstärker gebildet wird. Es ist dann noch für eine Proportionalität zwischen der Induktion im zu prüfenden Blech und der Induktion in der Drossel zu sorgen, z. B. unter Zwischenschaltung einer Induktionsregelschaltung, wie sie unter anderem auch in dem eingangs erwähnten Aufsatz kurz beschrieben ist. Eine solche Anordnung könnte von Vorteil sein, um auch bei hohen Induktionen hohe Genauigkeit zu erzielen.
Es steht natürlich nichts im Wege, auch noch Anzeigegeräte zur Messung von Feldstärke usw., oder auch einen Oszillographen zur Darstellung der Hysteresisschleife beizufügen, da ja die erforderlichen Grössenin Form von Spannungen und Strömen wie bei jeder bisherigenMessanordnung zur Verfügung stehen.
Eine solchermassen erweiterte Schaltung zeigt im Prinzip beispielsweise Fig. 3. Auf Einzelheiten, wie
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mäss Fig. 1. Die in dieser Oszillatorschaltung auftretenden Schwingungen werden also wie zuvor bereits be- schrieben, stabilisiert. Das (Ganztafel- oder Streifen-) Joch 2'trägt unter anderem die Magnetisierungswicklung 7, welche im Ausgang des Verstärkers VB liegt. Dieser Verstärker hat die Aufgabe, die Induktion im zu prüfenden Blech 1 in Abhängigkeit von der Induktion in der Drossel Dr zu regeln (so, dass beide in ihren Momentanwerten einander entsprechen).
Als Sollwert dient die von der Wicklung 11 der Drossel gelieferte Spannung, während den Istwert die imjoch 2'untergebrachte Messwicklung 8 liefert. Die weitere im Joch untergebrachte Wicklung 9 liefert eine als Mass für die Feldstärke dienende Spannung. Diese Spannung beeinflusst über den Verstärker VH und der auf der Drossel untergebrachten Wicklung 10 die Dämpfung des Schwingungskreises, bei phasenrichtiger Anordnung nur mit ihrer dem zu messenden Wirkfeld entsprechenden Komponente. Zur Vermeidung einer Frequenzverschiebung und einer Kurvenformvsrzerrung kann es zweckmässig sein, die Blindkomponente sowie die Oberwellen in ihrem Einfluss auf den Schwingungskreis zu reduzieren.
Die Herabsetzung der Blindkomponente ist in dem Schaltbeispiel so gedacht, dass in den Eingang des Ver- stärkers VH noch eine Spannung eingefügt wird, die phasenmässig der Blindfeldstärke entspricht. Diese Spannung wird von einem Verstärker K entnommen, der eingangseitig von der Wicklung 11 der Drossel Spannung erhält und in den eine von dem phasenabhängigen Gleichrichter gelieferte Spannung regelnd eingreift. Der phasenabhängige Gleichrichter bildet die Regelspannung in Abhängigkeit von der Blindkomponente der Eingangsspannung des Verstärkers VH. Die Anforderung an diese Kompensation der Blind komponente ist nicht sehr hoch, weil sie nicht wie anderwärts (Halbwellenverfahren nach Schindler, E. u.
M. [1953 ], S. 406) den Zweck verfolgt, dass der verbleibende Rest unmittelbar als Mass für die Wirkfeldstärke bzw.. die Verluste dient.
Die Herabsetzung der Oberwellen kann durch grundwellenselektive Ausbildung des Verstärkers VEI, durch Einfügen eines Tiefpasses usw. leicht bewirkt werden. Selbstverständlich kann auch ein Messgerät M, zur Anzeige der Feldstärke beigefügt werden.
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Um unabhängig von Netzspannungsschwankungen zu sein, mag es an sich schon zweckmässig sein, die massgebende Spannung in einem eigenen Oszillator zu erzeugen, so dass bei Vervrendung eines LC-Generators die frilhere Bemerkung gilt, dass dann wesentliche Teile der erfindungsgemässen Anordnung damit bereits vorhanden sind.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Messung der spezifischen Verluste an Elektroblechen, bei welcher der einseitig oder beidseitig symmetrisch zu dem zu prüfenden Blech angeordneteMagnetisierungskreis als Anlege-, Streifen-oder Ganztafeljoch ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetisierungskreis, bestehend aus dem zu prüfenden Blech (1) und dem oder den die Magnetisienmgswicklung bzw.-wicklun- gen (3) tragenden Eisenkern (en) (2), die Induktivität eines Schwingkreises bildet, der mit einem rück gekoppelten Verstärker (V) zum Schwingen gebracht wird, wobei die Verluste des zu prüfenden Bleches die Dämpfung dieses Schwingkreises erhöhen und im Ruckkopplungsweg ein Stellglied (M) angeordnet ist,
dessen zur Erzielung ungedämpfter Schwingungen mit einer der Sollinduktion im zu prüfenden Blech entsprechenden Amplitude erforderliche Einstellung als Mass für die Verluste dient.