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Einrichtung zum Messen nicht sinusförmiger Wechselströme, insbesondere
der kurzzeitigen Ströme von mittels Entladungsgefäßen leistungsgesteuerten Schweißmaschinen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Messung von nicht sinusförmigen
Wechselströmen, insbesondere von Strömen mit extrem kurzer Einschaltzeit.
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Sie soll in erster Linie zur Messung der Ströme von mittels EntladungsgefäßenleistungsgesteuertenSchweißmaschinen
dienen, da diese Ströme infolge ihrer nur teilweisen Aussteuerung keine Sinusform
haben.
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Es ist bekannt, die Messung von sinusförmigen Schweißströmen im Primärkreis
der Schweißmaschine über einen Stromwandler vorzunehmen. Ebenso ist es bekannt,
die Messung sinusförmiger Schweißströme im Sekundärkreis von Schweißmaschinen mittels
eines magnetischen Spannungsmessers in Form einer flachen, um einen Schweißleiter
gelegten biegsamen Induktionsspule in Verbindung mit einem Voltmeter vorzunehmen.
Diese letztere Meßmethode beruht auf der Anwendung des physikalischen Gesetzes,
nach dem die Durchflutung gleich dem Linienintegral der magnetischen Feldstärke
ist. Das magnetische Wechselfeld, das einen vom zu messenden Wechselstrom durchflossenen
Leiter umgibt, erzeugt bekanntlich in einer diesen Leiter umfassenden Induktionsspule
eine Spannung.
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Diese in einer solchen Spule - z. B. nach Art des bekannten Rogowskigürtels
- induzierte Spannung ist dem Differentialquotienten des Stromes proportional und
gibt bei sinusförmigem Strom ein Maß für den fließenden Schweißstrom, so daß sich
eine Meßeinrichtung, bestehend aus magnetischem Spannungsmesser und Voltmeter, bei
einer feststehenden Frequenz in Stromeinheiten eichen läßt.
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Bei kurzzeitigen Strömen von beispielsweise weniger als 10 Perioden
Dauer ist ein gewöhnliches Drehspulinstrument aber zu träge, um einem solch kurzen
Spannungsstoß zu folgen. Es zeigt einen zu kleinen Wert an und den nur so kurzzeitig,
daß eine Ablesung des Zeigers unmöglich ist.
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Es ist ferner bekannt, den arithmetischen Mittelwert des Schweißstromes
zu messen. Es wird hierbei ein Kondensator über einen Schweißstromwandler aufgeladen.
Der arithmetische Mittelwert läßt jedoch keine Aussage über die tatsächlich wirksame
Stromstärke zu, insbesondere dann nicht, wenn Ströme leistungsgesteuerter Schweißmaschinen
gemessen werden sollen.
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Neben der Steuerung des Schweißstromes durch Änderung der Windungszahl
des Schweißtransformators ist eine stufenlose Steuerung bekanntlich dadurch möglich,
daß man z. B. bei elektronisch gesteuerten Schweißmaschinen den Zündeinsatz von
gitter- oder zündstiftgesteuerten Entladungsgefäßen innerhalb einer Halbperiode
so verschiebt, daß Strom nur während eines Bruchteiles der Halbperiode fließen kann.
Dieser Strom ist nun nicht mehr rein sinusförmig, sondern kann beispielsweise aus
einer Folge von sinusähnlichen Kurvenstücken bestehen, die durch stromlose Pausen
unterbrochen werden. Die im primärseitigen Stromwandler bzw. im sekundärseitigen
magnetischen
Spannungsmesser entstehende und vom Voltmeter angezeigte Spannung ist dann aber
kein brauchbares Maß mehr für den Schweißstrom, da sie durch den Oberwellengehalt
des Schweißstromes stark verzerrt wird. Die Anzeige einer solchen Meßeinrichtung
ist also nur dann verwertbar, wenn man die Form des Stromes kennt.
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Zum Stand der Technik sei noch bemerkt, daß es bekannt ist, den Effektivwert
kurvenverzerrter Ströme mit Hilfe von Gleichrichtern und nachgeschalteten RC-Gliedern
zu bestimmen sowie Spannungen mit einer Kombination aus Widerstand und Induktivität
zu integrieren.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Messen nicht
sinusförmiger Wechselströme, insbesondere der kurzzeitigen Ströme von mittels Entladungsgefäßen
leistungsgesteuerten Schweißmaschinen mit Hilfe eines Meßwandlers, eines Meßwertumformers
zur Bildung einer dem arithmetischen und/oder wahlweise dem quadratischen Mittelwert
des zu messenden Stromes proportionalen Spannung und einem Speicherglied, das diesen
Spannungswert bis zu einer ablesbaren Anzeige durch ein an das Speicherglied angeschlossenes
Anzeigegerät speichert. Sie ist gekennzeichnet durch einen mit einem Integrierglied
zusammenwirkenden Verstärker mit einem
Abschlußwiderstand, welcher
aus ohmschem Widerstand und Induktivität besteht und im Sinne der Bildung des gewünschten
Mittelwertes einstellbar ist.
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Die Meßeinrichtung nach der Erfindung unterscheidet sich grundsätzlich
von einer bekannten Einrichtung zur Effektivwertmessung, bei der eine dem Augenblickswert
des Schweißstromes proportionale Spannung quadriert, das Quadrat integriert und
dieser Wert dann gespeichert und gemessen wird. Wie im folgenden noch näher beschrieben,
beruht die neue Meßeinrichtung auf einem ganz anderen Meßprinzip, das zu einem erheblich
geringeren Aufwand für den genannten Schaltungsaulbau führt. Außerdem wird durch
die Erfindung eine wahlweise aufeinanderfolgende Messung von arithmetischem und
quadratischem Mittelwert ermöglicht, so daß der Aussteuerungsgrad des Stromes bestimmt
werden kann.
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Schließlich ist das neue Meßgerät auf einfachste Weise transportabel
ausführbar, da auf einen Wandler im Schweißkreis verzichtet und ein magnetischer
Spannungsmesser verwendet werden kann.
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Aufbau und Wirkungsweise werden an Hand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt die Prinzipschaltung einer Widerstandsschweißmaschine
mit Primärkreis 1, Sekundärkreis 2 und Steuergerät 3 sowie dem Anschluß der Meßeinrichtung
4 an den Primärkreis. In den von einer Wechselspannungsquelle 5 über das Steuergerät
3 gespeisten Primärkreis 1 ist ein Stromwandler 6 mit einer Bürde 7 eingeschaltet.
Parallel zu der Bürde 7 liegt ein Meßwertumformer 8, dem ein Verstärker 9 nachgeschaltet
ist. Über einen Gleichrichter 10 ist ein Speicherglied 11 angeschlossen, das ein
Anzeigegerät 12 speist. Mit 13 sind die Stromquellen zur Speisung des Verstärkers
9 bezeichnet.
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Fig. 2 zeigt die gleiche Prinzipschaltung wie Fig. 1 mit dem Anschluß
der neuen Meßeinrichtung 4 an den Sekundärkreis. Gleiche Glieder sind mit den gleichen
Bezeichnungen versehen. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist hier
als Meßwandler ein magnetischer Spannungsmesser 14 im Sekundärkreis 2 vorgesehen.
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Mit 81 ist ein Meßwertumformer, mit 91 ein Verstärker bezeichnet,
die ähnliche Bauart wie die entsprechenden Glieder 8 und 9 in Fig. 1 aufweisen.
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Fig. 3 zeigt den Schaltungsaufbau der neuen Meßeinrichtung im einzelnen.
Die in den Fig. 1 und 2 als Meßwertumformer 8 bzw. 81 bezeichneten Glieder unterscheiden
sich nur dadurch, daß der Meßwertumformer 8 aus einem RC-Glied R2 C2 und der Meßwertumformer
81 aus zwei RC-Gliedern Rl Cl und R2 C2 in an sich bekannter Integrationsschaltung
bestehen, wobei die Bedingung R > 1/ C gestellt ist. Bei dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 1 wird also nur ein Integrationsglied benötigt, während für das Ausführungsbeispiel
nach Fig. 2 beide RC-Glieder in der Schaltung eingebaut sind, An das RC-Glied R2
C2 ist ein zur Verstärkung ausreichender, vorzugsweise zweistufiger Verstärker von
ebenfalls an sich bekannter Schaltung mit den Verstärkerröhren 15 und 16 angeschlossen.
Mit 17 und 18 sind deren einstellbare Kathodenwiderstände bezeichnet. Einstufige
Verstärkung kann dann ausreichen, wenn eine nur geringe Verstärkung erforderlich
ist, z. B. bei Messung des Primärstromes durch einen Stromwandler, wobei das erste
RC-Glied fortfällt. Der Verstärker 9 in Fig. 1 kann daher ein- oder zweistufig ausgeführt
sein; der Verstärker 91 in Fig. 2 wird vorteilhaft zwei- oder mehrstufig ausgeführt.
Mit 19 ist der ohmsche Außenwiderstand des Verstärkers bezeichnet, mit 20 die dazu
parallel liegende Primärspule und mit 21 die Sekundärspule eines Übertragers 22.
Zur Aufladung des Speichergliedes, das aus einem Speicher-
kondensator 11 oder einer
Schaltung von mehreren Kondensatoren bestehen kann, dient ein Gleichrichter 10 oder
eine Gleichrichterschaltung. Dem Speicherglied 11 ist ein hochohmiger Widerstand
23 und ein Entladungswiderstand 24 mit Schalter 25 parallel geschaltet. Als Anzeigeglied
wird ein Röhrenvoltmeter mit der an sich bekannten Richtverstärker-Röhrenvoltmeterschaltung
einer Anzeigeröhre 26 in Verbindung mit dem eigentlichen Anzeigegerät 12, z. B.
einem Milliamperemeter, verwendet.
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Mit 27 ist ein einstellbarer Kathodenwiderstand der Anzeigeröhre 26
bezeichnet. An den Klemmen 28 und 29 sind die Stromquellen für Anoden- und Heizspannung
anschließbar, die in den Fig. 1 und 2 mit 13 bezeichnet sind.
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Im folgenden wird die Wirkungsweise der neuen Meßeinrichtung beschrieben:
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 mit nur einem RC-Glied (R2 C2) wird die an
der Bürde 7 des Stromwandlers 6 abgegriffene Spannung, die dem Schweißstrom Js proportional
ist, im Meßwertumformer 8 durch das RC-Glied R2 C2 integriert, so daß sich am Kondensator
C2 die Spannung Uc2 fJ5 dt ergibt.
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Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 mit zwei RC Gliedern (Rl Ci,
R2 C2) entsteht im Meßwertumformer 81 am Kondensator C2 eine der Spannung Uc2 proportionale
Spannung UCO ~ fJ5 dt. Die von dem magnetischen Spannungsmesser 14 (z. B. Rogowskigürtel)
gelieferte Spannung Usog dJ,,/dt wird durch das RC-Glied R1 C integriert, so daß
am Kondensator C1 die Spannung Uc, N J Unog dt - Js entsteht. Eine nochmalige Integration
von Ucl mit dem RC-Glied R2 C2 ergibt am Kondensator C2 dann die Spannung UC2 ~
SJs dt. Der maximale Wert Uc2fm=t der Spannung Uc2 bzw. Uc2 ist dem arithmetischen
Mittelwert von Ucl gemittelt über eine halbe Periode proportional. Es gilt:
Uc(2 man erscheint als ein vernünftiges Maß für den Schweißstrom und wird als der
zu messendeWert verstärkt. DerVerstärkeristhlerbeispielsweise-wie oben beschrieben-zweistufig
ausgeführt, da durch die zweifache Integration Ucs nur noch einen geringen Bruchteil
von URog beträgt. Die Gegenkopplung durch die Kathodenwiderstände 17 und 18 vermindert
den Einfluß von Röhrenalterung und Netzschwankungen. Durch Ankopplung mittels des
Übertragers 22 wird der Kondensator 11 über den Gleichrichter 10 oder die Gleichrichterschaltung
auf die verstärkte Spannung aufgeladen. Die erzielte Verstärkung ist hierbei nur
ein Nebeneffekt; entscheidend für die Wirkungsweise ist der komplexe Abschlußwiderstand
des Verstärkers. Dabei ist die Bemessung des Außenwiderstandes 19 und der parallel
dazu geschalteten Induktivität 20 ausschlaggebend für den auf den Speicherkondensator
übertragenen Spannungswert. Je nach den Werten von 19 und 20 ist es möglich, in
dem nach Verstärkung im Kondensator 11 gespeicherten Wert - Uc2 (";z) einen dem
arithmetischen Mittelwert von Ucl oder dem quadratischen Mittelwert Uc,2 proportionalen
Wert zu messen. Bei rein ohmschem Außenwiderstand ist die anfallende Wechselspannung
proportional dem arithmetischen Mittelwert von Ucl. Durch passende Kombination von
19 und 20 kann sie proportional dem quadratischen Mittelwert Um12, und zwar unabhängig
von dem Grad der Aussteuerung des zu messenden Wechselstromes Js gemacht werden.
Die Verhältnisse seien an Hand der Fig. 6, 7 und 8 erläutert.
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Diese Figuren zeigen die Abhängigkeit des Meßstromes JA vom arithmetischen
(T) bzw. quadratischen Mittelwert(Js2) des Schweißstromes. Die durch Kreuze gekennzeichneten
Meßpunkte wurden bei sinusförmigem, die mit Kreisen dargestellten bei teilausgesteuertem
Schweißstrom erhalten. In den Fig. 6 a, 7 a und 8 a ist jeweils der Charakter des
Abschlußwiderstandes des Verstärkers angedeutet, und zwar rein ohmisch, gemischt
ohmisch-induktiv und rein induktiv. Wie aus den Keunlinien ersichtlich, ist bei
ohmischem Abschluß (Fig. 6 a) nur der arithmetische Mittelwert richtig bestimmbar,
bei induktivem Abschluß (Fig. 8 a, 8b) wird auf jeden Fall falsch gemessen. Nur
bei gemischtem Abschluß gemäß der Erfindung (Fig. 7 b) entsteht unabhängig von der
Aussteuerung ein genaues Meßergebnis hinsichtlich des Effektivwertes. Dies ist folgendermaßen
zu erklären: Die am Kondensator C1 stehende Spannung (vgl.
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Fig. 3, 5) enthält im wesentlichen nur Anteile der ersten und dritten
Harmonischen, deren Maxima zusammenfallen. Die dritte Harmonische wird im komplexen
Abschlußwiderstand so phasenverschoben, daß nach vektorieller Zusammensetzung am
Kondensator 11 eine Gleichspannung entsteht, die maximal etwa den Wert
besitzt (Ul, U3 Amplituden der ersten und dritten Harmonischen). Durch Speicherung
im Kondensator wird das Abbild des Effektivwertes zur Messung nutzbar gemacht. Es
handelt sich also gewissermaßen um die vektorielle Addition von Größen, deren Vektoren
an sich wegen verschiedener Rotationsgeschwindigkeit gar nicht zusammengesetzt werden
können. Schaltelemente zur Quadrierung werden hierdurch entbehrlich, was zu einem
einfachen und billigen Aufbau der Meßeinrichtung führt.
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Der Kondensator 11 liefert die Gitterspannung der Anzeigeröhre 26.
Diese Anzeigeröhre kann vorzugsweise die an sich bekannte Richtverstärker-Röhrenvoltmeterschaltung
haben, die sich ebenfalls durch geringe Anfälligkeit gegen Netzschwankungen und
Alterung auszeichnet. In ihrem Anodenkreis liegt das eigentliche Anzeigegerät 12,
z. B. ein Milliamperemeter, das in Stromeinheiten, vorzugsweise in Kiloampere (kA)
geeicht werden kann. Über den Gleichrichter 10 wird der Kondensator 11 schnell aufgeladen
und langsam entladen, er besitzt so die gewünschten Speichereigenschaften. Durch
die Größe des hochohmigen Widerstandes 23 kann der Aufladevorgang beeinflußt werden.
Sie ist aber gleichzeitig auch auf die Entladezeit von Einfluß. Auf- und Entladezeit
hängen außerdem von den Eigenschaften des Gleichrichters 10 und von der Größe des
Kondensators 11 ab. Sie können insbesondere durch die Wahl des Kondensators auf
die gewünschten Zeiten gebracht werden. Der Gleichrichter 10 ist für das Verhältnis
von Auflade- zu Entladezeit von wesentlichem Einfluß; darum muß ein Gleichrichter
bzw. eine Gleichrichterschaltung mit möglichst hohem Verhältnis von Sperr- zu Flußwiderstand
gewählt werden.
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Das Verhältnis von Auflade- zu Entladezeit hängt zusätzlich noch von
der angelegten Spannung ab, mit der sich sowohl Fluß- als auch Sperrwiderstand des
Gleichrichters ändern. Bei Selengleichrichtern in Einwegschaltung kann beispielsweise
ein Verhältnis von Aufladezu Entladezeit von etwa 1: 200 erzielt werden, bei Graetzschaltung
ein solches von etwa 1: 400. Für die gewünschte Speicherwirkung kann beispielsweise
ein Verhältnis von etwa 1: 200 genügen. Der Graetzschaltung kann jedoch wegen Erfassung
der beiden Halbperioden der Vorzug vor der Einwegschaltung gegeben werden. Speicherkondensator
11 und Gleichrichter 10 können dabei so abgeglichen sein, daß die Aufladung möglichst
schnell erfolgt, der Meßwert beispielsweise dagegen sehr langsam erfolgt, z. B.
mit einem Spannungsabfall von einigen Prozent
nach mehreren Perioden. Der einstellbare
Kathodenwiderstand 18 der Röhre 16 dient zur Feineinstellung, der einstellbare Kathodenwiderstand
27 der Anzeigeröhre 26 zur Einstellung der einzelnen Meßbereiche.
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Eine Meßbereichunterteilung kann außer am Widerstand 27 auch am Eingang
der Meßeinrichtung 4 erfolgen.
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Parallel zu dem ersten RC-Glied können zwischen den Eingangsklemmen
mehrere z. B. ohmsche Widerstände in Reihenschaltung angeordnet sein, zwischen denen
jeweils ein Abzweig zu dem zugehörigen Kontakt eines Meßbereichschalters geführt
sein kann. Es kann aber auch eine kontinuierliche Einstellbarkeit vorgesehen sein.
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Die Fig. 4 und 5 zeigen den Kurvenverlauf der Spannungen im Meßwertumformer
8 bzw. 81, wie sie sich bei der Messung nicht sinusförmiger, insbesondere kurzzeitiger,
vor allem teilausgesteuerter Ströme, z. B. bei Schweißströmen von mittels Entladungsgefäßen
leistungsgesteuerten Schweißmaschinen ergeben. Die erste Kurve in Fig. 4 und 5 zeigt
den Verlauf des Schweißstromes Js, der hier beispielsweise jeweils bei den Nulldurchgängen
unterbrochen ist. Die zweite Kurve in Fig. 4 zeigt den Verlauf der Spannung Uc2
am Kondensator C2 nach der Integration der von der Bürde 7 des Stromwandlers 6 abgegriffenen
Spannung. Die zweite Kurve in Fig. 5 stellt dagegen den Verlauf der Spannung Unog
dar, die durch den Schweißstrom Js in dem magnetischen Spannungsmesser (z. B. Rogowskigürtel)
14 induziert wird und die der Meßeinrichtung als Eingangsspannung zugeführt wird.
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Die dritte Kurve zeigt den Spannungsverlauf Ucl am Kondensator Cl,
die vierte Kurve den Spannungsverlauf Uc2 am Kondensator C2. Alle Strom- bzw. Spannungswerte
sind über der Zeit t aufgetragen.
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Durch die neue Meßeinrichtung ist es erfindungsgemäß also möglich,
aus der von einem Meßwandler im Primär-oder Sekundärkreis - beispielsweise einer
Schweißmaschine - gelieferten Spannung des zu messenden Wechselstromes proportionale
Größe zu erhalten, auch wenn der zu messende Wechselstrom infolge seiner nur teilweisen
Aussteuerung sehr kurzzeitig auftritt und keine Sinusform hat.
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Die verschiedenen Meßbereiche können durch einstellbare Widerstände
eingestellt werden. Hierzu können z. B. die Eingangswiderstände R2 bzw. Rl und der
Kathodenwiderstand 27 mehrstufig umschaltbar eingerichtet sein.
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Eine Feineinstellung der Verstärkung kann mit Hilfe der einstellbaren
Kathodenwiderstände 17 oder 18 vorgenommen werden.
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Die Eichung der Meßeinrichtung ist nur zusammen mit dem jeweils zugehörigen
Meßwandler, insbesondere bei magnetischen Spannungsmessern (z. B. Rogowskigürtel),
sinnvoll. Die Eichung wird bei einer festen Frequenz, z. B.
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50 Hz, ausgeführt; bei Verwendung anderer Frequenzen ist eine Neueichung
nötig. Die Nacheichung der Meßeinrichtung bei einem Röhrenwechsel kann zweckmäßigerweise
am besten durch Anlegen von Wechselspannung an den Eingang und Vergleich des Anzeigestromes
mit der Eichkurve des Meßwandlers, insbesondere des magnetischen Spannungsmessers
(z. B. Rogowskigürtels), erfolgen, eine Justierung gegebenenfalls durch Veränderung
des Vorwiderstandes der betreffenden Röhre.
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Die neue Meßeinrichtung ist besonders zur Messung von kurzzeitigen
teilausgesteuerten Schweißströmen vorteilhaft; sie zeigt dabei den effektiven Schweißstrom
unabhängig von Schweißzeit und Teilaussteuerung an und ermöglicht dessen genaue
Einstellung. Der erhaltene Meßwert, z. B. der Anodenstrom der Anzeigeröhre 26 (Fig.
3) oder die am Widerstand 23 auftretende Spannung, kann aber auch zur selbsttätigen
Regelung des Schweißstromes unmittelbar verwendet werden.
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Die Meßeinrichtung kann aber auch zur Messung und, oder selbsttätigen
Regelung ähnlicher extrem kurzzeitiger Wechselströme oder sonstiger Meßgrößen verwendet
werden, die in Form solcher elektrischer Wechselströme darstellbar sind.