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Frequenzmesser.
Den Gegenstand der Erfindung bildet ein Messgerät zur Messung der Frequenz von Wechsel- spannungen oder Wechselströmen, das von dem zeitlichen Verlauf der Wechselspannung oder des Wechselstromes unabhängig ist und das ferner den Vorzug bietet, dass sein Messbereich sehr eng gewählt werden kann, wobei bei kleinem Energieverbrauch grosse Drehmomente im beweg- lichen System des Messgerätes und ein annähernd liniearer Verlauf der Skala erzielt werden können. Es steht auch frei, das Messgerät so auszubilden, dass es die Frequenzen innerhalb eines grossen Messbereiches zu messen gestattet, wobei ebenfalls eine annähernd linear verlaufende
Skala und bei entsprechender Wahl der einzelnen in Frage kommenden elektrischen Grössen auch eine innerhalb gewisser Gebiete eingeengte Skala erzielbar ist.
Der neue Frequenzmesser besteht in seiner Hauptausführungsform in an sich bekannter
Weise aus einem Feldspulensystem und zwei in dessen Magnetfelde ohne Beeinflussung durch mechanische Richtkräfte frei drehbaren, aber miteinander gekuppelten Leitersystemen. Während eines dieser beweglichen Systeme, das aus einer gegebenenfalls über geeignete Widerstände in sich geschlossenen Spule besteht, als Richtkraft dient, ist das feste Feldspulensystem und das andere der beweglichen Systeme an die Wechselstromquelle, deren Frequenz zu messen ist, angeschlossen.
Diese beiden Systeme sind dabei derartig mit Ohmschen oder induktiven Widerständen oder Kapazitäten oder Kombinationen davon verbunden, dass die in ihnen fliessenden
Ströme bei mittlerer Frequenz um 900 oder annähernd 900 gegeneinander in der Phase verschoben sind, wobei das Anzeigeorgan des Messgerätes sich in der Stellung befindet, die durch die Senkrechtstellung des in sich geschlossenen Leitersystems bestimmt wird, während bei Abweichungen von der Mittelfrequenz die Phasenverschiebungen grösser oder kleiner als go0 werden. Es entstehen dann negative oder positive Drehmomente, die eine der Frequenzänderung entsprechende Einstellung des Anzeigeorgan bewirken.
Der Frequenzmesser kann auch so ausgeführt sein, dass die Rollen des festen und des beweglichen Teiles miteinander vertauscht sind. Zweckmässig bestehen die beiden beweglichen Leitersysteme aus Spulen paralleler Achsrichtung. Zwecks Erzielung eines gedrängten Aufbaues sind diese beiden Spulen konachsial angeordnet.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
Fig i zeigt das Messgerät im Aufriss, Fig. 2 im Grundriss. Innerhalb der festen, geteilten Feldspule S1 sind um eine gemeinsame Achse a drehbar zwei konachsiale Spulen S2 und S3 in einer Ebene angeordnet. Die Enden der Spule stehen durch Vermittlung von Spiralfedern/z und :' mit den Klemmen k2 und k2'und ähnlich die Enden der Spule S3 durch die Stromzuführungs-
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Alle Stromzuführungsfedern sind so gewählt, dass sie bei Verdrehung der Achse. a ein Drehmoment entwickeln, das gegenüber den auf die beweglichen Spulen ausgeübten Drehmomenten vernachlässigbar gering ist.
Die Feldspule S1 ist mit einer Selbstinduktion Ll und einer Kapazität Cl in Reihe an die beiden Leitungen des Wechselstromnetzes N angeschlossen, dessen
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sind so gewählt, dass im Kreise der Feldspule SI bei der mittleren Frequenz N0 elektrische Resonanz besieht. Es ist demnach der Gleichung genügt :
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Die Spule S2 ist mit einer Selbstinduktion 12 in Reihe parallel zu einem Widerstand r2 geschaltet.
Diese Kombination in Reihe mit der Selbstinduktion L2 ist ebenfalls an die beiden Leitungen des Netzes N angeschlossen. Der Widerstand r2 und die Selbstinduktionen l : und L2 sind so gewählt, dass der in der beweglichen Spule s2 flicssende Strom bei der mittleren Frequenz 110 gegen d'e Netzspannung genau um go0 in der Phase verschoben ist. Es ergibt sich dann auch bei Frequenzen, die noch um ein Wesentliches von der mittleren Frequenz s3 verschieden sind, eine von 900 nur sehr wenig abweichende Phasenverschiebung des die Spule s2 durchfliessenden
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Im Kreise der Spule s3 wirken also bloss diejenigen elektromotorischen Krüfte. die in ihr von den die Spulen SI und S2 durchfliessenden Strömen induziert werden. Da das Feld der beweg-
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gesehen werden.
Da bei der mittleren Frequenz 110 im Kreise der Feldspule SI Resonanz besteht. mi it die Intensität des die Feldspule durchfliessenden Stromes bei dieser Frequenz ein Maximum. Die Phasenverschiebung des Spulenstromes gegen die Wechselspannung ist hiebei = 0. Je nachdem die Frequenz grösser oder kleiner als die mittlere Frequenz Ko ist, eilt der Strom in der Spule $1 der Wechselspannung nach oder vor.
Unter Voraussetzung einer konstanten Xetzspannung ändert sich demnach die effektive Stärke des die Spule SI durchfliessenden Stromes in Funktion von der Frequenz 1l gemäss der in Fig. 3 dargestellten Kurve I1, während die Änderung des Phasenverschiebungswinkels @1 dieses Stromes gegen dieWechselspannung der Kurve z1 entspricht.
Der in der Spule S2 fliessende Strom nimmt mit wachsender Freqenz ab und ist. chenso wie die Stärke 11 des die Spule s'durchfliessenden Stromes, der Wechselspannung proportional.
Der Phasenverschiebungswinkel @2 des die Spule s2 durchfliessenden Stromes ist hingegen sowohl) von der Wechselspannung, wie von der Frequenz unabhängig und dauernd = 90 .
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der Freqenz 1l und des Winkels oc, den die gemeinsame Mittelebene der Spulen s2 und s2 mit der Mittelebene der Spule SI einschliesst.
Würde der durch die Spule S3 und die Selbstinduktion l3 gebildete Leiterkreis rein induktiv sein. so würde die effektive Stärke des in diesem Kreise vom Felde der Spule SI induzierten Stromes, eine bestimmte räumliche Stellung der Spule s2 vorausgesetzt, von der Frequenz der die Spule durchfliessenden Ströme unabhängig und nur von der
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Widerstand enthält, so nimmt l2 bei konstantem 11 mit wachsender Freqenz zu. Daber variiett I3 mit der Frequenz n gemäss einer Kurve, die, wie Fig. 3 zeigt, den Charakter der Kurve j hat. jedoch insofern von dieser abweicht, als die Steigerung der Frequenz 11 bei konstantem 11 ein Anwachsen von 13 zur Folge hat.
Auf die Drehachse a des beweglichen Systems wirken stets zwei Drehmomente ein. die sich aus der elektrodynamischen Wechselwirkung des in der Spule S2 fliessenden und des in der Spule S3 induzierten Stromes mit dem Strom in der Spule SI ergeben. Da auf die Achse keine weiteren mechanischen oder elektromagnetischen Drehmomente einwirken, so stellt sich das bewegliche System jeweils in eine solche Lage ein, in der die von der Spule s1 auf die Spulen s2 und s3 ausgeübten Drehmomente einander das Gleichgewicht halten.
Das mittlere Drehmoment, das eine feste, stromdurchflossene Spule auf eine zweite, beweg- liche ausübt, ist den effektiven Stärken der die Spulen durchfliessenden Ströme und dem Cosinus des Phasenverschiebungswinkels der beiden Ströme proportional. Da die Phasenverschiebung
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verschiebung 900 bei der Frequenz 110 erreicht ist, so ergibt sich. dass das von der Spule SI auf die Spule s2 ausgeübte Drehmoment unter Voraussetzung einer bestimmten räumlichen Stellung der Spule S2 stetig von positiven zu negativen Werten übergeht, wobei der Vorzeichenwehsct im Drehmoment bei der Frequenz n0 stattfindet. Bei dieser mittleren Frequenz ist also das 1 on s1 auf s2 ausgeübte Drehmoment = Null.
Die Veränderlichkeit dieses Drehmomentes DM1 für einen bestimmten Wert von α ist ebenfalls in Fig. 3 dargestellt.
Würde der Leiterkreis s3, g rein induktiv sein, so würde der in ihm induzierte Strom mit dem Magnetfelde und dem Strom der Spule SI in Phase sein. Da der Leiterkreis jedoch einen nicht vernachlässigbar geringen induktionsfreien Widerstand enthält. so besteht zwischen den
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Drehmoment muss somit, eine bestimmte räumliche Stellung der Spule s vorausgesetzt. bei der Frequenz no ein Maximum haben und gemäss einer Kurve DA/g der in Fig. 3 dargestellten Art veränderlich sein.
Aus den Drehmomentkurven ergeben sich die für alle Werte von x resultierenden Drehmomente, wenn map. die Ordinaten der Kurven sich proportional cos IX, variiert denkt.
Bei der mittleren Frequenz 110 ist das von der Spule SI auf s2 ausgeübte Drehmoment in allen Stellungen der Spule = o. Das bewegliche System muss sich somit bei dieser Frequenz in die Stellung rk = 900 begeben. denn bloss in dieser Stellung ist auch das auf die Spule ausgeübte Drehmoment Null und somit das bewegliche System im Gleichgewicht. Da nun das Drehmoment DMl bei der Frequenz 110 sein Vorzeichen wechselt, so ergibt sich. dass das bewegliche System dann, wenn die Frequenz vom Werte n0 ausgehend abnimmt, sich in einem Sinne. wenn es zunimmt, im anderen Sinne zu bewegen bestrebt ist.
Nach welcher Richtung das System aber auch ausschlagen möge, tritt dem Drehmoment Dol dans auf die Spule S3 ausgeübte Drehmoment DM2 entgegen, das immer so wirkt, dass es die Spule S3 auf die Spule SI senkrecht zu stellen bestrebt ist.
Die Einstellung des beweglichen Systemes ist von der Höhe der Wechselspannung unabhängig. DaI1 wie auch I2 derWechselspannung proportional sind. so wächst das Drehmoment DM2 proportional dem Quadrate der Wechselspannung. Ferner ist 13 proportional 11 und somit auch der Wechselspannung. Also lst auch das Drehmoment DAL dem Quadrat der Wechselspannung proportional. Das Verhältnis der beiden Drehmomente und somit die Gleichgewichtsstellungen des Systems sind also von der Höhe der Wechselspannung unabhängig.
Die Angaben des Messgerätes sind auch von der Kurvenform der Wechselspannung praktisch vollkommen unabhängig. Da der Kreis der Spule SI auf Resonanz abgestimmt ist. so sind dadurch die oberen Harmonischen des Stromes 11 praktisch unterdrückt. Auch der in der Spule s2 induzierte Strom ist da ihr Kreis nahezu rein induktiv ist. umsomehr sinoidal. Ferner ist auch der von der Spule s2 aufgenommene Strom, da dieser Stromkreis nahezu rein induktiv ist. praktisch rein sinoidal.
Da die induktionsfreien Widerstände in den Kreisen der Spulen s2 und S3 gegenüber den
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Ströme von untergeordneter Bedeutung. Durch die entsprechende Wahl des Verhältnisses der in diesen enthaltenen, induktionsfreien Widerstände zu den Selbstinduktionen lässt es sich erreichen. dass die Drehmomente DAfj und D Ms mit veränderlicher Temperatur gleiche prozentuelle Ver- änderungen erfahren. Die Temperaturunabhängigkeit von 11 lässt sich ohneweiters durch die entsprechende Wahl des Materials der in dem Kreis der Spule SI angeordneten Leiter erzielen.
Wie aus der genaueren Theorie des Messgerätes hervorgeht und durch die Erfahrung be- stätigt ist, ergibt sich für einen weiten, die mittlere Frequenz i0 einschliessenden Bereich der Frequenzen n ein fast mathematisch genau geradliniger Verlauf von (x. Ein geradliniger Verlauf ist für einen Messbereich, bei dem die beiden Grenzwerte der Frequenz beispielsweise im Verhältnis i : 2 zueinander stehen, vollends erreichbar.
Durch Verstärkung des Stromes in der Spule s2 ist eine bei allen Frequenzen n proportionale Vergrösserung des Drehmomentes Dill, erzielbar. Es lässt sich also durch Verstärkung von l2 eine Einengung des Messbereiches erzielen. Es ist beispielsweise ohneweiters möglich, den Messbereich unter Annahme einer Verdrehung des beweglichen Systems von go0 so zu wählen, dass Frequenzen gemessen werden können, die von no nach der einen oder anderen Seite hin um
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mit Hilfe einesUmschalters, veränderbar, so lässt sich derMessbereich des Messgerätes nach Belieben in weiten Grenzen verändern.
Ist beispielsweise das Messgerät für die mittlere Frequenz M == go gebaut, so kann man durch Verstellung eines Umschalters erzielen, dass das Messgerät beispielsweise für den Messbereich 49 bis 51 oder für den Messbereich 40 bis 60 oder für den Bereich 25 bis 75 brauchbar ist.
Durch Veränderung der Kapazität C1 oder der Selbstinduktion Li oder beider kann die Resonanzlage im Bereich der ersten Spule verändert werden und so lässt sich auf diesem Wege bei einem solchen Frequenzmesser der Messbereich auch durch Verschiebung seines Mittelpunktes verändern.
Die Schaltung im Kreise der Spule s2 kann auch auf verschiedene andere Weisen erfolgen.
Es lassen sich hier alle bekannten Schaltungen zur Erzielung eines gegen eine gegebene Wechselspannung um 900 verschobenen Stromes anwenden.
In vielen Fällen empfiehlt es sich, in den Kreis der Spule s3 eine Kapazität zu schalten.
Es wird in diesem Falle, abweichend vom Ausführungsbeispiel, bei konstanter Wechselspannung und konstantem 11 ein mit der Frequenz abnehmender Strom 13 erzielt.
I-'ie Spule s3 kann auch aus einem einzigen, geschlitzten Rahmen bestehen, gegebenenfalls kann sie auch durch einen Kurzschlussrahmen gebildet sein.
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Zweckmässig ist der Frequenzmesser nach Art der eisengeschlossenen dynamometrischen Messgeräte ausgeführt, bei denen der von der festen Spule erzeugte Kraftfluss der Hauptsache nach durch Eisen verlauft und wobei die beiden Spulen einen Eisenkern umfassen.
PATENT-ANSPRÜCHE : i. Elektrischer Frequenzmesser mit einem Feldspulensystem und zwei in dessen Felde angeordneten, miteinander mechanisch gekuppelten Leitersystemen, von denen die eine Systemgruppe gegen die andere drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Feldspulensystem und eines der Leitersysteme derartig an die Wechselstromquelle, duren Frequenz zu messen ist.
angeschlossen s'nd, dass die darin fliessenden Ströme bei mittlerer Frequenz um 900 gegeneinander in der Phase verschoben sind und das Anzeigeorgan sich hiebei in der Stellung befindet, die durch die Senkrechtstellung des anderen, in sich geschlossenen Leitersystemes zur Feldrichtung des Feldspulensystemes gegeben ist, während bei Abweichungen von der Mittelfrequenz die Phasen- verschiebung grosser oder kleiner als 900 wird, wodmch negative oder positive Drehmomente entstehen, die eine der Frequenzänderung entsprechende Einstellung des Anzeigeorganes bewirken.