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Nullindikator für Gleichstrom mit einem einen Luftspalt aufweisenden
ferromagnetischen Kern Nach dem Frequenzverdopplungsverfahren arbeitende, einem
magnetischen Kern aufweisende Nullindikatoren für Gleichstrom liefern bei großen
Unterschieden zwischen Meß- und Kompensationsstrom kein brauchbares Signal mehr,
da der Kern gesättigt wird. Einen größeren Arbeitsbereich erhält man bei selbsttätigen
Komparatoren mit einer Magnetfeld-Meßsonde im Luftspalt des magnetischen Kreises.
Mit einem Hall-Generator in einem sehr engen Luftspalt ist zwar die erreichbare
Empfindlichkeit vollauf befriedigend, nicht aber die Meßgenauigkeit, da die Ummagnetisierungsarbeit
eine remanente Restfeldstärke erzeugt, deren Vorzeichen unterschiedlich ist, je
nachdem, ob die Kompensation mit steigenden oder fallenden Werten des kompensierenden
Stromes erreicht wird. Der Abgleichfehler der Durchflutungen ist gleich dem Produkt
aus Koerzitivfeldstärke und Eisenweglänge und damit auch bei hochwertigem Kernmaterial
viel größer als bei Anwendung des Frequenzverdopplungsverfahrens, weil hier die
Ummagnetisierungsverluste von dem Wechselfeld-Erregerstromkreis gedeckt werden.
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Die Erfindung schlägt einen Nullindikator für Gleichstrom vor, der
die Vorteile hoher Empfindlichkeit und weiten Proportionalbereichs der Anzeige hat
wie der einfache, oben beschriebene Komparator mit Hall-Sonde, und auch den Vorteil
der hohen, von der Ummagnetisierungsarbeit unbeeinflußten Genauigkeit wie der Komparator
mit Nullindikator nach dem Frequenzverdopplungsverfahren.
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Nullindikator für Gleichstrom
mit einem einen Luftspalt aufweisenden ferromagnetischen Kern, auf dem sich eine
von einem Meßgleichstrom, eine von einem Kompensationsgleichstrom sowie eine von
Wechselstrom erregte, den Einfluß der Kernremanenz beseitigende Hilfswicklung befinden,
und mit einem die magnetische Feldstärke im Luftspalt anzeigenden Meßfühler. Die
Erfindung besteht darin, daß der Kern ein Dreischenkelkern mit einem den Luftspalt
aufweisenden Mittelschenkel ist, daß auf denAußenschenkeln des Magnetkernes konzentrisch
zueinander je eine Teilwicklung für den Meßstrom und für den Kompensationsstrom
angeordnet sind, daß sowohl die beiden Meßstrom-Teilwicklungen als auch die beiden
Kompensations-Teilwicklungen je mit derartigem Sinn in Reihe geschaltet sind, daß
bei Anwesenheit eines Meßgleichstromes und eines Kompensationsstromes in den entsprechenden
Wicklungen im Luftspalt des Mittelschenkels magnetische Gleichflüsse auftreten,
und daß ferner auf den
Außenschenkeln je eine wechselstromdurchflossene Teilwicklung
gleicher Windungszahl angeordnet ist, die in derartigem Sinn zusammengeschaltet
sind, daß ein magnetischer Wechselfluß nur in den Außenschenkeln und den anliegenden
Jochen, nicht aber über den Luftspalt des Mittelschenkels fließen kann.
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Es ist eine Einrichtung zur Gleichstrommessung bekannt, bei welcher
der vom Meßstrom hervorgerufene Fluß durch einen Hilfsgleichstrom kompensiert wird.
Der Einfluß der Resonanz wird bei dieser Einrichtung bereits durch Überlagerung
eines Wechselfeldes beseitigt. Eine besondere Vorrichtung dient dazu, um den Kompensationsgrad
festzustellen.
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Bei einer weiteren bekannten Einrichtung zur Messung von Gleichstrom
ist ein Rahmenkern mit einer Kompensationswicklung vorgesehen, wobei der Leiter,
der den zu messenden Strom führt, das Kernfenster durchsetzt. Ein Joch des Rahmenkernes
hat einem Luftspalt, in dem ein zum Anzeigen des Kompensationsgrades dienender Fühler,
z. B. in Form eines rotierenden Ankers mit davon gespeistem Stromanzeigeinstrument
angeordnet ist. Hier wird ebenfalls zum Vermeiden einer magnetischen Remanenz des
Kernes eine Wechselfeldmagnetisierung verwendet. Die Kerne der bei diesen bekannten
Einrichtungen verwendeten Nullindikatoren sind indes einfache Rahmenkerne, und es
wird infolgedessen der den Kompensationszustand feststellende Fühler ebenfalls von
der Wechselfeldmagnetisierung beaufschlagt und nicht, wie dies der Erfindungsgedanke
bewirkt, davon frei gehalten.
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Der Erfindungsgedanke wird an Hand eines in der Zeichnung schematisch
dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Der Nullindikator nach F i g. 1 besteht aus einem ferromagnetischen
Kern 1, der beispielsweise zweiteilig ausgebildet ist. Zwei Polschuhe 2 und 3,
zweckmäßig
aus hochpermeablem Werkstoff, bilden einen Luftspalt 4. Der Gesamtkern 1 bildet
zwei magnetische Teilkreise 21 und 31. Jeder magnetische Teilkreis weist auf den
äußeren Schenkeln Gleichstromwicklungen 5 und 6 für den Meßstromkreis und Gleichstromwicklungen
7 und 8 für den Kompensationskreis auf. Die Wicklungen 5 bis 8 haben je gleiche
Windungszahlen auf jedem magnetischen Teilkreis. Diese Wicklungen beider magnetischer
Teilkreise 21 und 31 sind so in Reihe geschaltet, daß sich ihre Flüsse im Luftspalt
4 addieren. Sie werden beispielsweise mit einer Hallsonde 11 erfaßt.
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Die durch den MeßstromI (vgl. Fig. 2) erzeugte Durchflutung s0 wirkt
gegen die durch den Kompensationsstrom II erzeugte Durchflutung çll. Stimmen diese
beiden Durchflutungen überein, so ergibt sich im Luftspalt 4 kein magnetischer Fluß.
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Über den Wicklungen 5 bis 8 sind wechselstromerregte Wicklungen 9
und 10 aufgebracht. Diese sind vorzugsweise parallelgeschaltet (F i g. 2) und müssen
so gepolt und abgeglichen werden (Windungsabgleich), daß kein magnetisches Wechselpotenlial
am Luftspalt 4 entsteht, wohl aber ein Wechselfluß 0~ mit relativ hoher Scheitelinduktion
von einigen tausend Gauß, der praktisch den ganzen ferromagnetischen Kern 1 magnetisiert.
Dieser Wechselstromkreis deckt dann die Ummagnetisierungsverluste des ferromagnetischen
Kreises, so daß die Gleichstromdurchflutung des Fehlabgleiches der Kompensationswicklungen
7 und 8 eine mittlere Induktionsänderung nahezu nach Maßgabe der sogenannten idealisierten
Magnetisierungskurve ergibt, wie sie sich als hysteresefreie Magnetisierungskurve
sonst auch einstellt, wenn man jedem Gleichfeldwert zunächst eine bis auf Null abnehmende
Wechselfeldamplitude überlagert und die dann verbleibende Induktion der Gleichfeldstärke
zuordnet. Die Scheitelinduktion des Wechselflusses wird so hoch gewählt, daß nahezu
die volle Koerzitivfeldstärke der äußeren Hysteresiskurve erreicht wird. Das ist
erforderlich, um ein remanentes Gleichfeld zu vermeiden, das die Einstellgenauigkeit
nach einem, den Kern bis zur Sättigung magnetisierenden Fehlabgleich begrenzen würde.
Die Scheitelinduktion des Wechselflusses soll aber nicht so hoch gewählt werden,
daß die Scheitelfeldstärke erheblich über der Koerzitivfeldstärke liegt, weil dadurch
die Empfindlichkeit des Gleichstrom-Nullabgleiches herabgemindert wird; denn die
Änderung der mittleren Magnetisierung bei überlagertem Gleich- und Wechselfeld entspricht
der differentiellen Permeabilität des ansteigenden Astes der durchlaufenden Hysteresiskurve
an den Umkehrpunkten. Beide Bedingungen werden am besten von Kernmaterial mit rechteckförmiger
Hysteresiskurve erfüllt. Es sind also die gleichen Materialeigenschaften und die
gleichen Wechselflußamplituden optimal, die auch bei nach dem Frequenzverdopplungsver-
fahren
arbeitenden Einrichtungen optimale Empfindlichkeit ergeben.
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Der Nullindikator ist mit Vorteil als Soll-Ist-Vergleichsglied in
Regelkreisen verwendbar. Die Wicklungen 5 und 6 können - dabei mit dem Istwert und
die Wicklungen 7 und 8 mit dem Sollwert beaufschlagt werden. Bei einer Abweichung
von Soll- und Istwert ergibt sich im Luftspalt 4 eine magnetische Induktion, wodurch
die Hall-Sonde 11 eine Spannung erzeugt, die der Abweichung zwischen Soll-und Istwert
entspricht.
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Ein gemeinsamer Vorwiderstand 12 (F i g. 2) begrenzt die Stromaufnahme
und Wechselfeldstärke bei starkem Fehlabgleich der -Gleichstromkompensation durch
Sättigung.