DE139472C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

M 139472 KLASSE 21 e.

Der Elektrizitätszähler, welcher im Nachstehenden beschrieben werden wird, eignet sich in gleicher Weise für Gleich-, Wechsel- und Mehrphasenstrom, und zwar sowohl für sich gleichbleibende als veränderliche Spannungen. Der Zähler hat, wie die meisten seiner Art, eine Nebenschlußspule, welche sich im magnetischen Felde einer Hauptstromschlußspule bewegt. Die Einrichtung ist derart getroffen, daß diese Spule nicht nur Schwingungen um eine Achse ausführt, sondern sich außerdem um 'eine hierzu senkrechte Achse neigen kann. Dabei ist die Anzahl ihrer Schwingungen der verbrauchten Energie proportional. Ein Vorzug des Apparates, den er übrigens mit anderen teilt, ist, daß er bei unterbrochenem Hauptstrom auch im Nebenschluß keinen Stromverbrauch aufweist, woraus sich ein geringer mittlerer Energieverbrauch für den Zähler ergibt.

Fig. ι ist ein geometrisch - mechanisches Schema. Fig. 2 zeigt die besondere Anordnung der Nebenschlußspule, Fig. 3 den gesamten Zähler im Vertikalschnitt. Fig. 4 ist eine hierzu gehörige Ansicht. Fig. 5 zeigt einen Teil, welcher mit dazu dient, die Schwingungen zu unterhalten. Fig. 6 gibt ein Schema der Stromverbindungen, Fig. 7 ein solches für die Wirkung der Kraft und Fig. 8 endlich zeigt die Stromverbindungen.

Die Spulen, welche von dem zu messenden Strom durchflossen werden, sind (vergl. Fig. 3 und 4) mit e, e, e bezeichnet, und zwar in der Zeichnung als ein schraubenförmig gewundenes Blech oder Gußstück - dargestellt, und solcher Spulen sind zwei vorhanden, die vom Strom in umgekehrter Richtung durchlaufen werden. Eine jede von ihnen enthält eine Nebenschlußspule α, welche ihren Strom von den Klemmen n, n¹ her erhält. Es ist dabei gleichgültig, ob diese Spulen in Hintereinanderschaltung oder in Parallelschaltung angeordnet sind.

Die Spulen α können sich je um eine Achse 2, 2, welche gleichzeitig zur geometrisehen Achse und zu dem magnetischen Felde senkrecht ist, neigen. Die Bewegung der beiden Spulen α ist durch irgend ein Mittel zwangläufig gemacht, in der Zeichnung ist es eine Gliederkette k, k, welche sich auf den Rollen b, die mit den Spulen fest verbunden sind, abwickelt. Durch die gewählte Anordnung ist erreicht, daß die Spulen sich in bezug auf das magnetische Feld der Hauptstromspulen unterstützen, in bezug auf fremde Einflüsse wie Erdmagnetismus einander entgegenarbeiten, also von diesen unabhängig sind. Es ist dies insofern von Bedeutung, als sowohl Deklination wie Inklination des Erdmagnetismus eine Wirkung ausübt.

Die beiden Spulen α werden von einem beweglichen Rahmen getragen, der um die Achse i, i, welche gleichzeitig zum magnetischen Felde der Hauptstromspule und zur Achse 2, 2 (Fig. 4) senkrecht ist, drehbar ist. Jede Spule muß, wenn sie voll gewickelt ist,

eine Länge haben, die sich durch die Formel

bestimmt und im Falle sie hohl gewickelt ist, durch die Formel

L = l/i?² + r² - ]/₃ ,

wobei r den inneren Radius und R den äußeren bedeuten und wobei stets homogene Verhältnisse für die Drahtwicklungen angenommen sind. Diese Verhältnisse sind nämlich die günstigsten, um ein konstantes Trägheitsmoment der Spule zu gestatten, was für die Theorie des Zählers von Bedeutung ist. Kleine Hülfsmassen y, y (Fig. 2) können auf den Schrauben bewegt werden und gestatten somit eine Kompensation für den Mangel an Homogenität der Spulen, wie später beschrieben werden wird.
Jede Spule α ist von einem mit ihr starr verbundenen Ring b umgeben, der z. B. vermittels Zähnen auf eine Scheibe c einwirkt, die mit einem Gegengewicht d ausgestattet ist; dabei beträgt der Durchmesser der kleineren Scheibe c aus später zu entwickelnden Gründen genau die Hälfte des Durchmessers des Ringes b. Im Ruhezustand ist die Achse der Spule α vertikal und befindet sich das Gewicht d in seiner tiefsten Stellung.

Die Wirkungsweise des Zählers beruht auf folgendem:

Wenn eine Magnetnadel innerhalb einer Spule schwingt, so hängt die Schwingungszahl von der Stärke und Gestalt des Magneten und von der Gestalt und Lage der Spule, sowie des durchfließenden Stromes ab. Dasselbe tritt ein bei dem Web er'sehen Elektrodynamometer. Ist bei einem solchen die schwingende Spule außerdem um eine zweite Achse drehbar, so verändert sich ihr magnetisches Moment.

Es wird null bei horizontaler Lage der Achse der feststehenden Spule, wenn die Achse der beweglichen senkrecht liegt, und es wird ein Maximum, wenn beide Spulenachsen in einer horizontalen Ebene gelegen sind.

Die Theorie des beschriebenen Elektrizitätszählers gründet sich hierauf. Wenn der zu messende Strom die Spule e, e, e (Fig. 3) durchfließt, so drehen sich die Nebenschlußspulen α, α um die Achse 2, 2 (Fig. 1), bis Gleichgewicht zwischen dem Kräftepaar F, F (Fig. 1) und dem, welches von dem Gegengewicht d (Fig. 2 und 3) herrührt, eingetreten ist.

Da nun der Hebelarm des Kräftepaars F, F gleich ist I · cos w (Fig. 1), wobei / die Länge der Spule bezeichnet, und da F proportional dem Produkte·? ist (F = K· e · ij, so ist das Moment dieses Kräftepaares gleich F-I' cos tu oder gleich K· /· e· i· cos tu. Dabei ist i die Stromstärke in Spule e, e, e; e die Klemmenspannung.

Das Verhältnis 1 : 2 für die Übersetzung zwischen b und c ist gewählt, damit c sich um einen Winkel 2 w dreht, wenn b sich um tu dreht; durch diese Wahl wird die Proportionalität der Schwingungszahl zur Energie erreicht.

Nennt man ρ den Wert des Gegengewichtes d, so ist das Moment des Gegengewichtes gleich ρ·1· sin 2 w. Es ist also des Gleichgewichtes wegen:

ΚΊ · e> i· cos tu = ρ · I' sin 2 tu.

Aus

sin 2 Ui .= 2 sin tu · cos u> folgt:

Κ· e · i — sin ω · ip

K ei

sin ω =

ip

Die Linie r r' (Fig. 1) ist gleich — · sin tu, d. i.

Kl

r r = · e · ι;

W
JC1

da aber = B einer Konstante ist, so er-

AP

hält man endlich:

r r' = B · e · i.

Läßt man nun das bewegliche System ein wenig um die Achse 1,1 so drehen, daß es sich aus der Ebene der Figur entfernt, so kehrt es in die Ebene unter der Wirkung der Kräfte F bald zurück und geht darüber hinaus, es führt also um die Achse 1, 1 Schwingungen aus, deren Dauer t von der Länge r r' abhängt, mithin auch von dem Produkt e · i.

In der Tat hat man nach der wohlbekannten Formel zu setzen:

da aber
und ferner
so erhält man

t =

rr' =

K.e-i B · e · z,

2 K e i - B e i'

wobei / das Trägheitsmoment des beweglichen Systems in bezug auf die Achse 1, 1 bezeichnet.

Daraus erhält man e-i-t = C, wobei C eine neue Konstante bedeutet, vorausgesetzt, daß / konstant bleibt.

Man erkennt aus der vorhergehenden Darlegung, daß die Schwingungszahl proportional der Energie ist, also eine Registrierung der Anzahl der Schwingungen die Energie wiedergibt.

Die Einrichtung ist aus den Figuren erkennbar.

In Fig. 4 sind die Schrauben, um welche die Spule α sich dreht, mit i, i' bezeichnet; sie dienen gleichzeitig zur Einführung des Stromes (vergl. die Pfeile und die gezeichnete Isolation). Der Nebenschlußspulenstrom geht, ehe er von einer Spule α zur anderen kommt, wie man auf der Zeichnung verfolgen kann, durch die Federn /, die Rolle i und die metallischen Sektoren (vergl. Fig. 4 und 8). Die Elektromagnete v, v' sind bestimmt, um durch Einwirkung auf ein astatisches System zweier Magnete oder einfach. auf ein Stück weichen Eisens den Impuls hervorzurufen, welcher zur Erhaltung der Schwingungen notwendig ist.

Zu diesem Zweck ist das astatische Magnetsystem (oder das Stück weichen Eisens) an seinem Ende von einem horizontalen Stück (s. Fig. 4 und 5) getragen, welches senkrecht zur Achse 1, 1 und mit ihr fest verbunden ist.

Das andere Ende dieses in Fig. 5 dargestellten Horizontalstückes trägt ein System von vier Sektoren, die voneinander durch Isolationsmaterial getrennt sind und von welchen vier Stücken je zwei übereinander liegen.

Die Segmentstücke, welche sich um die Achse ι, ι drehen, rollen sich an der Rolle j ab, welche ihrerseits um Zapfen vertikal drehbar ist; hierbei wird durch die Federn h und die Stellschrauben g der zur Stromüberleitung notwendige Druck erzeugt. Es können auch an Stelle von einer Rolle deren zwei treten. Der Nebenschlußstrom, welcher durch die Federn h geleitet wird und durch die Rollen von dem oberen zum unteren Segment seinen Weg findet, wird unterbrochen gerade in dem Moment, wo das schwingende System durch seine Mittellage hindurchgeht.

In Fig. 8 und Fig. 4 ist auch der Umschalter zu erkennen, welcher um die Horizontalachse 4, 4 schwingen kann. Dieser Umschalter wird durch den Anschlag 7 bei jeder Schwingung mitgenommen. Er ruht in seinen Endstellungen auf den Auflagstücken 3, 3' und versorgt je nach seiner Stellung entweder die Spule ν oder v' mit Strom. Sowohl auf Fig. 8 wie Fig. 4 ist ein weiterer Schwinghebel q, s, s erkennbar, der ebenfalls in einem statischen Magnetsystem oder einem Stück weichen Eisens q endet; dieses taucht in eine Spule n>, die vom Nebenschlußstrom durchflossen wird. Endlich sieht man in Fig. 8 auch die Einrichtung, die das selbsttätige Anlaufen bewirkt. Sie besteht aus einer Spule % mit dem Anker p, der, unter Federwirkung stehend, in angezogener Stellung den Kontakt 0 schließt, ihn aber unterbricht, sobald die Spule \ stromlos ist. Was nun die Wirkungsweise des Apparates betrifft, so besteht sie im folgenden:

Mittels eines gewöhnlichen Unterbrechers läßt man Strom durch den Leiter x, y gehen (Fig. 8), worauf sich ein Teil des Stromes in die Spule ^. verzweigt, dessen Größe sich durch den Widerstand m, m' bestimmt. Hierdurch schließt sich der Ausschalter 0 und damit die Stromleitung zu den Klemmen n, n'. Die Einrichtung der Teile kann dabei so vorgesehen sein, daß das Ende des Hebels vonp bei seiner Bewegung das Anschlagstück 7 aus der Mittellage bringt und hierdurch den Apparat zum Anlaufen bringt. Sobald aber 0 geschlossen list, geht der Strom, welcher von den Klemmen μ, ή abgezweigt ist, durch den Apparat, und zwar längs der Achse 1, 1 (Fig. 4) durch die Spule α, die Leiterstücke /, /' (vermöge der vorher erwähnten Segmentstücke), hierauf findet er seinen Weg durch die untere Spule a, durch die Spule n> und gelangt schließlich bei n' an.

Unter der Wirkung der Kraft F (Fig. 1), welche durch die Hauptstromspule e hervorgebracht wird, neigt sich die Nebenschlußspule α unter einem gewissen Winkel w, der durch die Gegenwirkung des Gegengewichtes d bestimmt wird. Dieselbe Kraft ist aber auch ersichtlichermaßen andererseits bestrebt, das bewegliche System um die Achse 1, 1 in seine Anfangsstellung zurückzubringen. Indem es nun dieses Bestreben äußert, geht es über die Mittelstellung hinweg, kehrt zurück und führt eine Anzahl Schwingungen aus, deren Zahl der Energie proportional ist.

In Fig. 7 ist dargestellt, wie die Kraft F den Punkt r' (Fig. 1) um den Punkt r schwingen läßt. Wenn es keine Reibung und Widerstand in der Luft gäbe, so würden die Schwingungen unendlich lange dauern. R bedeutet in Fig. 7 den Widerstand der Luft, welcher die Schwingungen verringert.

Um nun die Schwingungen aufrecht zu erhalten, muß dem Horizontalsystem ein entsprechender Stoß mitgeteilt werden. Dies geschieht vermöge der Magnete v, v\ und zwar in dem Augenblick, wo das System durch seine Mittelstellung geht. In diesem Augenblick nämlich ist die Rolle j (Fig. 4 und 5) nicht mehr mit den Sektoren in Berührung, sondern mit der isolierenden Masse, welche diese trennt. Der Nebenschlußstrom ist also während eines sehr kurzen Augenblicks unterbrochen und der Hebel q, s, s, welcher in diesem Augenblick nicht von seinem Elektromagneten w angezogen wird, unterliegt der Wirkung seiner Feder u. s stellt infolgedessen bei t einen Kontakt her, welcher einem Teil des Stromes erlaubt, den Metallweg x, v, 3', 4, H5 4', i, 5, 5, und y zu folgen, d. h. dem astatischen Magnetsystem einen leichten Impuls im gewünschten Sinne zu erteilen. Der Rahmen fährt fort, seine Schwingung auszuführen und nimmt vermöge des Anschlagstückes 7 den

Verteiler mit, der sich auf 3 gestützt hatte. Dasselbe Spiel wiederholt sich in bezug auf die Spule v' beim nächsten Mal.

Wenn das Instrument für Wechselstrom dienen soll, so müssen die weichen Eisenstücke p, q durch kleine Spulen oder Elektromagnete ersetzt werden.

Überdies läßt sich, da der Impuls dem Quadrat der wirksamen Intensität¹ proportional ist, eine Einrichtung anbringen in der Weise, daß ein Metallstück dem beweglichen Teile folgt und, von den Kraftlinien der Spule e geschnitten, als Bremse dient.

Die Joule'sehe Wärme läßt sich zum Anlaufen des Instrumentes und zur Unterhaltung der Schwingungen verwenden. Zu diesem Behuf setzt man in die unmittelbare Nachbarschaft des Hauptleiters oder in die eines Widerstandsstreifens die Lötstellen einer thermoelektrischen Batterie. Der von dieser erzeugte Strom kann dann an Stelle des Stromes, welcher von x,y abgezweigt wird, sei es für den Anlauf, sei es für die Unterhaltung der Schwingungen dienen.

Indirekt endlich kann man wie folgt verfahren :

Eine Wheatstonebrücke ist in den Stromkreis eines gewöhnlichen Elementes 10 eingeschaltet. Einer der Zweige 8 der Brücke ist von einer Abzweigung von x, y aus durchflossen. Das Erhitzen des Zweiges aber stört das Gleichgewicht der Brücke, so daß der Strom 9, welcher zuvor Null war, eine gewisse Größe erreicht, daß er sowohl zum Anlaufen wie zum Unterhalten der Schwingungen benutzt werden kann.

Um die Schwingungen, also auch die verzehrte Energie zu registrieren, benutzt man die Stromstöße, weiche in den Spulen ν fließen.

Claims (3)

Patent-Ansprüche:

1. Ein Elektrizitätszähler für Gleich- und Wechselstrom, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Energie gemessen wird durch Zählung der Schwingungen, welche eine bewegliche, um zwei aufeinander senkrechte Achsen drehbare und mit einem durch Übertragung von 1 : 2 drehbar angebrachten Gegengewicht ausgerüstete Spule mit bei ihrer Drehung sich gleichbleibendem Trägheitsmoment in einer festen Spule ausführt.

2. Eine Ausführungsform des Zählers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungen der beweglichen Spule durch plötzliche Stromstöße, welche vom. Hauptstrom abgezweigt sind, hervorgebracht werden, und zwar in der Weise, daß die Stromstöße in dem Augenblick erfolgen, wo die bewegliche Spule durch ihre Mittellage hindurchschwingt.

3. Eine Ausführungsform der Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch Stromunterbrechen beim Durchgang durch die Mittellage ein Relais zur Tätigkeit kommt, welches einen Stromweg über die Schwingungen unterhaltende Spulen kurze Zeit herstellt, wobei ein von dem schwingenden System umzulegender Umschalter die Stromrichtung bestimmt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.