Verfahren zur Bestimmung der Komponenten von Vektoren elektrischer Grössen.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung der Komponenten von Vektoren elektrischer Grössen (Spannung Stromstärke, Impedanz usw.). Diese Vektoren oder deren Komponenten wurden bisher durch . Alessen der Leistung, Spannung und Stromstärke bestimmt, oder es wurden besonderte Messinstrumente verwendet, die die Vektoren auf Grund des Prinzipes der mechanischen Gleichrichter bestimmten.
Erfindungsgemäss ist es möglich, die Komponenten von Vektoren elektrischer Grössen mittels mindestens einer Messbrücke mit eingeschalteten elektrischen Ventilen zu bestimmen, wobei der Stromkreis einer Diagonale der Messbrücke über ein Messinstrument durch eine zu messende Spannung Es gespeist wird, wobei der Stromkreis dieser Diagonale periodisch während der Zeitdauer einer Halbwelle durch in den Zweigen der Messbrüoke geschaltete Ventile unterbrochen wird, deren Tätigkeit durch eine, die andere Diagonale der Messbrücke speisende Hilfsspannung Ep von gleicher Periodenzahl, jedoch vielfach grösserer Amplitude wie die zu messende Spannung Ex gesteuert wird.
Die Bezugsrichtung der Vektoren wird zweckmässig durch die Riohtung des Zeitvektors der Hilfsspannung El, bestimmt, die in den vier Quadranten beliebig geändert werden kann.
Die nötigen Ventileffekte der in einigen oder allen Zweigen der Brücke geschalteten Ventile können nach umständen z. B. mittels einer Vakuum- oder gasgefüllten Elektronenröhre (Diode, Duodio dc, Gleichrichterröhre), oder mittels Selen- oder anderer Ventile erzielt werden.
Die gemessene Grösse ist dem Ausschlag des Messinstrumentes proportional. dieser Ausschlag ist aber von der absoluten Grösse des gemessenen Wertes Ex und von der Neigung des Zeitvektors gegenüber der Bezugsrichtung, die durch den Zeitvektor der Hilfspannung Ep gegeben ist, abhängig.
Beispiele der Messeinrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens sind in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt. Es zeigen: Fig. 10 bis 1d verschiedene Brückenschaltungen, Fig. 9 den Zeitverlauf einer Periode der Mess-und der Hilfsspannung, Fig. 3 eine über einen Stromwandler gespeiste Brücke, Fig. 4 eine symbolische Darstellung der Brücke, Fig. 5 die Verwendung der messbrücke zur Messung der Impedanz mit Hilfe eines Normalwiderstandes und Fig. 6 das entsprechende Vektorenbild dazu.
Die Messeinrichtung gemäss Fig. la ist so angeordnet, dass die Zweige I und II rein Ohmsche Widerstände in Potentiometersehaltung darstellen, so dass das Verhältnis der Widerstände I und II gegenseitig geändert werden kann. während in den Zweigen III und IV elektrische Ventile eingeschaltet sind und der Elektronenfluss lediglich in der Richtung a d b führt. Um die Empfindlichkeit zu ändern, ist es vorteilhaft, dem Galvanometer einen Regelwiderstand Rp vorzuschal- ten, oder dem Galvanometer einen Shunt paralIel zu schalten.
Wirkungsweise:
Falls die Brücke nur durch eine Hilfs- spannung Ep bei abgeschalteter Messspan- nung Ex gespeist wird, kann man durch Ver änderung des gegenseitigen Verhältnisses der Widerstände beider Zweige I und II eine Stromlosigkeit in der Diagonale c d erzielen (das Galvanometer G zeigt keinen Aussohlag).
Die Brücke ist im Gleichgewicht. Falls die Diagonale c d über das empfindliche Galvanometer G durch die Spannung Ex gespeist wird, deren Zeitvektor festgestellt werden soll, verursacht die Spannung Ex im Galvanometer G auch bei gewisser Phasenverschiebung beider Spannungen einen Strom praktisch nur während der positiven Ilaibwelle der Hilfsspannung Ep, die durch die Ventile durchgelassen wird, da der Absolutwert der Eilfsspannung Ep ordnungsgemäss viel höher ist als der Absolutwert der gemessenen Grösse Ex (siehe Fig. 2).
Falls der Zeitvektor der gemessenen Spannung gegenüber dem Zeitvektor der Hilfsspannung Ep allgemein um einen Winkel g verspätet ist, hat der Galvanometerausschlag im gegebenen Falle den Wert (arithmetischer Mittelwert)
EMI2.1
woraus folgt, dass a 1C) # Exm cos r,.
Falls die Phase der Hilfsspannung Ep durch einen Phasenverschieber geändert wird, und zwar um 900, ist im erwähnten Fall der Gal vanometeraussehlag a j # E,, sin So.
Im Falle des Maximalausschlages des Galvanometers sind beide Zeitvektoren Ep und ES phasengleich; erreicht demgegenüber der Galvanometerausschlag den Nullwert, stehen beide Vektoren Ep und Ex aufeinander senk- recht. Dieser Umstand wird bei der Bestimmung der Komponenten von Vektoren elektrischer Werte benützt, und zwar so, dass wir die Bezugsrichtung durch die Richtung des Zeitvektors der Hilfsspannung Fp bestimmen.
In Fig. la wird die Diagonale c d der Messbrücke durch die zu messende Spannung Ex so gespeist, dass die zu messende Spannung auf dem Widerstand R, < einen Stromabfall verursacht.
Gemäss Fig. 1b wird die Diagonale direkt über das Galvanometer G gespeist.
Gemäss Fig. le ist eine Speisung mittels Spannungsteilers vorgesehen
Falls zwei oben beschriebene Vektormesseinrichtungen gleichzeitig, z. B. durch die Spannung Ex, deren Vektor bestimmt werden soll, gespeist werden, wobei die zweite Messeinrichtung mit einer um 900 der Hilfsspannung Evi der ersten Messeinrichtung nach eilender Hilfsspannung Ep2 gespeist wird, zeigen die Ausschläge beider Galvanometer die Wirk- und Blindkomponente des gesuchten Vektors. Eine solche Schaltung ist in Fig. ld angegeben.
Die einzelnen Brückenzweige können beliebig aus Ohmschen Widerständen, Rapazitä- ten und Induktivitäten zusammengestellt werden. Die Wirkungsweise der Brücke ändert sich gleichfalls nicht, falls in den einzelnen Zweigen den Röhren Widerstände vorgeschaltet werden, oder falls die Röhren oder Ventile zwecks Ausgleichens ihrer Charakteristik durch Widerstände überbrückt werden. Die Hilfsspannung Ep kann gleichfalls mittels eines Transformators mit Nullpunktklemme C (Fig. 3) zugeführt werden, so dass die Einrichtung den Charakter einer ausgesprochenen Brücke verliert. Gleichfalls kann die Spannung Ex, deren Zeitvektor bestimmt werden soll, der betreffenden Diagonale über einen Wandler zugeführt werden.
Die Anwendung des neuen Verfahrens für die Messung der Komponenten von Vektoren ist mannigfaltig und kann z. B. auch zur Bestimmung von Messfehlern bei Stromund Spannungswandlern, und zwar entweder mittels eines Normaltransformators, oder Normalwiderstandes, oder als Anordnung zur Messung von Vcrlustwinkeln verwendet werden.
Die Anwendung des Verfahrens zur Widerstands-, Kapazitäts- und Impedanzmes- sung mittels eines Normalwiderstandes Rn geeigneter Grösse ist aus Fig. 5 ersichtlich, wobei die oben beschriebene Messbrücke der Einfachheit halber symbolisch nach Fig. 4 dargestellt ist und die Klemmen 1, 2 der Fig. 4 den Klemmen 1, 2 in Fig. la bis id entsprechen. Die Zeichen W und J in Fig. 4 sollen andeuten, dass die Wirk- und Blindkomponente durch die Messbrücke bestimmt wird.
Der zu messenden Impedanz Z = R + jY wird ein Normalwiderstand Rn vorgeschaltet.
Die oben beschriebene, symbolisch nach Fig. 4 dargestellte Messbrücke kann über einen Um- schalter wahlweise entweder an die Klemmen des Normalwiderstandes R", oder an die Klemmen der Impedanz Z geschaltet werden (Lage A bzw. B).
Sollen die Komponenten der Impedanz Z bestimmt werden, wird die gegen die Hilfsspannung Ep ausgeglichene Messbrücke mittels des Umschalters in der Lage Ä an die Klemmen des Normalwiderstandes Rn ge- schaltet. Die Phase der Hilfsspannung Ep wird dann durch den Phasenschieber so ver- schoben, bis der Galvanometeraussehlag maximal wird. Danach wird der Umschalter in die Lage B gebracht und der Galvano- meteraussehlag gibt die Wirkkomponente der Impedanz Z im Verhältnis zum Normal- widerstand an. Wird die Hilfsspannung Ep um 90 verschoben wird auf gleiche Weise die Blindkomponente abgelesen.
Die entsprechenden Vektorenverhältnisse sind in Fig. 6 dargestellt.
Die Verwendung des neuen Verfahrens zur Bestimmung der Komponenten der elek- trischen Vektoren ist vielseitig. Die Vorteile des neuen Verfahrens sind insbesondere der ungemein niedrige Eigenverbrauch, vernachlässigbarer Messfehler und der Umstand, dass auch elektrische Grössen von höheren Frequenzen gemessen werden können. Falls der Wert, dessen Vektor bestimmt werden soll, zu gering ist, kann eine Verstärkung auf übliche Weise vorgenommen werden.