DE1616394C

DE1616394C - Selbstabgleichender Kompensator für Gleich- und Wechselstrom

Info

Publication number: DE1616394C
Authority: DE
Inventors: Siegfried χ 3000 Magdeburg. GOIr 31-02 Kegel
Original assignee: VEB Kombinat Meß- und Regelungstechnik, χ 4500 Dessau
Publication date: 1972-11-16

Description

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Die Erfindung betrifft einen selbstabgleichenden Kompensator für Gleich- und Wechselstrom zur Messung von hoch- oder niederfrequenten Wechselströmen oder Gleichstromimpulsen beliebiger Kurvenform mit einem selbstabgleichenden Nullindikator-Verstärker. Bei den bekannten Betriebs- und Feinmeßgeräten für Wechselspannung und Wechselstrom muß das Drehspulinstrument für die Wechselstrommessung mit einem Zusatzgerät, dem Gleichrichter, versehen sein. Durch den Zusatzfehler des meist verwandten Trockengleichrichters liegen die Anzeigefehler dieser Geräte bei ±1,5% vom Skalenendwert und somit wird die Güteklasse für Feinmeßgeräte nicht erreicht. Bei Dreheisenmeßgeräten ist wiederum die Ansprechempfindlichkeit sehr klein. Klassengenauigkeiten bis ±0,2°/o vom Skalenendwert können nur auf Kosten eines erhöhten Stromverbrauchs erreicht werden.

Dagegen kann das Drehspulinstrument mit einem Thermoumformer nur eine Klassengenauigkeit von ± 1 % vom Skalenendwert erreichen. Diese Genauigkeit ist bedingt durch den Anwärmfehler und durch die mit steigender Frequenz zunehmende Stromverdrängung, sowie durch die ebenfalls zunehmenden Einflüsse von Kapazität und Selbstinduktion des Umformers und der Leitungen.

Die weiterhin bekannten Röhrenvoltmeter setzen sich aus den Hauptgruppen Verstärker und Galvanometer zusammen. Zu dem Fehler des eingebauten Galvanometers kommen noch die Fehler des Verstärkers wie Temperaturverhalten, Verlagerung des Nullpunktes, Heiz- und Netzspannungsschwankungen, Alterung der Verstärkerbauelemente und die Änderung der Kathodenemission hinzu, so daß mit Sicherheit nur die Klassengenauigkeit von ± 1,5 %> erreicht werden kann.

Es ist weiterhin bekannt, Meßgeräte mit einem selbstabgleichenden Meßverstärker auszuführen, die einen Thermoumformer (geheiztes Thermoelement) im Ausgangskreis des Meßverstärkers besitzen, der zur Erzeugung der Kompensationsspannung dient (USA.-Patentschrift 1 612 628). Diese Meßgeräte besitzen einen quadratischen Verlauf der Skalenteilung. Die Teilung der Skale ist im unteren Bereich entsprechend erweitert. Die Kompensationsspannung, die der zu messenden Spannung entgegengeschaltet wird, kann auch durch andere Energieumformer, wie beispielsweise einen Widerstand oder eine Fotozelle im Ausgangsstromkreis des Meßverstärkers erzeugt werden. Der Skalenverlauf ist in diesen Fällen linear. Mit dieser Meßschaltung kömien nur Gleichspannungen gemessen werden. Die Umgebungstemperatur geht bei diesen Meßschaltungen mit einem Thermoumformer als zusätzlicher Meßfehler ein. Es wurde weiterhin vorgeschlagen, Meßgeräte, die elektrische Meßsysteme zum Messen einer oder mehrerer physikalischer Größen besitzen, mit einem oder mehreren Brückenkreisen auszuführen. An diese Brückenkreise können ein oder mehrere Meßwandler bzw. Meßwertgeber zur Erfassung der Meßwerte angeschlossen werden. Ändert sich die zu messende physikalische Größe, befinden sich die Brückenkreise nicht im Gleichgewicht. Die dadurch entstehende Spannung wird im Kompensationsverfahren gemessen. Bei diesen elektrischen Meßsystemen müssen die Meßwandler bzw. Meßwertgeber und die Brückenkreise aus einer gemeinsamen Wechselstromquelle (Transformator) gespeist werden, um die für die Messung erforderliche Phasensynchronisation zu gewährleisten. Es ist daher nicht möglich, Spannungen und Ströme beliebiger Frequenz zu messen.

Bei den Wechselstromkompensatoren nach G e y g e r oder nach Krukowsky ist das Frequenzband eingeengt, so daß sie nur unter Berücksichtigung der Phasenlage zum Einsatz gebracht werden können. Bei der Verwendung dieser Geräte sind Meßobjekte und Kompensator aus der gleichen Energiequelle zu speisen. Auch können diese Geräte auf Grund ihres Aufbaues nur im Labor oder als Justiergeräte in der Werkstatt eingesetzt und in Verbindung mit einem Phasenschieber verwendet werden.

Bei den bekannten Leistungsmeßgeräten mit elektrodynamischem Meßwerk, die ausschließlich im Niederfrequenzbereich einsetzbar sind, liegt der Eigenverbrauch bei einigen VA. Nur mit diesem hohen Eigenverbrauch können Klassengenauigkeiten bis ± 0,2% erreicht werden.

Die bekannten thermischen Leistungsmesser mit drei Thermoumformern nach Fischer, mit zwei

Thermoumformem und vier Widerständen nach Bader und mit zwei Thermoumformem und Stromwandlern nach Siemens sind an je einem Drehspulinstrument angeschlossen. Bei diesen thermischen Meßgeräten kann'nur bei der Einhaltung der auf der Skale angegebenen Eichtemperatur eine Klassengenauigkeit von maximal ± 1 % erreicht werden.

Wechselstromkompensatoren mit zwei gegeneinander geschalteten Thermoumformem, Null-Galvanometer und Äbgleichdekaden sind bisher ausschließlich als Geräte für manuelle Betätigung bekannt. Auf Grund des Aufbaues sind sie nur im Labor oder als Justiergeräte in der Werkstatt einsetzbar, haben dafür aber eine Meßgenauigkeit von ±0,05% bei 0 bis 1OkHz. In der industriellen Verfahrenstechnik sind sie wegen des umständlichen und zeitraubenden Abgleichvorgangs kaum einsetzbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßgerät zu entwickeln, welches als selbstabgleichender Kompensator entweder die richtige Messung des Effektivwertes von hoch- oder niederfrequenten Wechselströmen oder Gleichstromimpulsen von beliebiger Kurvenform, mit den Klassengenauigkeiten von ±1, ±0,5 und ±0,2^u/d oder die richtige Messung des Effektivwertes von hoch- oder niederfrequenten elektrischen Leistungen oder Gleichntromimpuls-LSistungen von beliebiger Kurvenform _gestattet. Dabei soll ein Eigenverbrauch von 4 bis 1OmVA, mit den Klassengenauigkeiten von ± 1 und ± 0,5 %> eingehalten und der Temperatureinfluß, der zur Verfälschung des Meßwertes führt, beseitigt werden. Weiterhin soll das Gerät durch eine entsprechende Ausbildung nicht mehr standortgebunden, sondern transportabel zum industriellen Einsatz geeignet sein.

Die. erfindungsgemäße Lösung sieht vor, daß in einem an sich bekannten Kompensator die zu messenden elektrischen Größen einem Vakuumthermoumformer 1 und der Kompensationsstrom einem zweiten Vakuumthermoumformer 2 zugeführt werden und daß die von den beiden Vakuumthermoumformern erzeugten Spannungen zur selbsttätigen Abgleichung benutzt werden. Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens werden zur Erreichung höchster Meßgenauigkeit in festgelegten Zeitabständen die Vakuumthermoumformer durch selbständige Umschalter und vorzugsweise Widerstände so reguliert, daß eventuell auftretende Veränderungen in den Vakuumthermoumformern selbständig korrigiert werden. Der eingeregelte Strom im Heizdraht des zweiten Vakuumthermoumformers ist dann das Maß für den zu messenden Wert.

Mit diesem selbstabgleichenden Kompensator kann, ohne daß die Skale mit dem vorgesehenen Meßbereich verändert oder gewechselt wird, Wechselstrom, dessen hoch- oder niederfrequente Leistung und Gleichstrom, einschließlich dessen Iinpulsleistung beliebiger Kurvenform sowie Wechselspannung und Gleichspannung gemessen werden, da bei den verwendeten Vakuumthermoumformern keine Polempfindlichkeit durch die Trennung von Heizdraht und Thermoelement auftreten kann. Bei der Verwendung zur Leistungsmessung sind gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgedankens drei Vakuumthermoumformer \a, \b, Ic gegen einen vierten Vakuumthermoumformer 2 geschaltet und mit einem Nullindikatorverstärker 13 verbunden. Die Meßgenauigkeit, besonders von Wechselstrom- und Wechselspannungswerten, kann mühelos mit der jeweils geforderten Klassengenauigkeit von ± I und ± 0,5¹Vo vom Skalenendwert erreicht werden. Wird der selbstabgleichende Kompensator noch mit einer aus zwei bis vier Widerständen und sechs selbsttätigen Umschaltern bestehenden automatischen- Korrektureinrichtung versehen, kann eine Klassengenauigkeit von ±0,2% erreicht werden. Infolge.der äußerst gering-; fügigen Strombeaufschlagung, die das zu messende System erfährt, kann in , vielen Fällen in ^:der in-

ίο dustriellen Verfahrenstechnik die EMK mit diesem Gerät gemessen werden. Somit eignet sich der selbstabgleichende Kompensator insbesondere zum Einsatz in der Nachrichtentechnik, Rundfunktechnik, Elektromedizin und zur Messung der EMK an kleinen Wechselstromgeneratoren. Durch das Vorschalten von Strom- und Spannungswandlern kann der selbstabgleichende Kompensator auch in allen Bereichen der Starkstromtechnik eingesetzt werden, da er ohne die zeitraubende Vorarbeit des Abgleichens jederzeit ein-, satzbereit ist. Infolge der Gegeneinanderschaltung der Vakuumthermoumformer mit ihren Thermoelementen hat die Wärmeleitung, die durch die Umgebungstemperatur über die Anschlußleitungen der Kaltlötstellen · erfolgen kann, auf das Meßergebnis keinen Einfluß. Eine absolute Sicherstellung der Temperaturstabilität des Meßwertes bei Wärmekonvektion wird dadurch gewährleistet, daß gemäß einer weiteren Ausbildung des Erfindungsgedankens entweder die Vakuurnthennoumformer mit den erforderlichen Abgleichwiderständen gemeinsam in einem Gefäß untergebracht oder den Anschlüssen der Vakuumthermoumformer wärmeempfindliche Widerstände zugeordr„ net werden.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind

nachfolgend an Hand der Zeichnungen näher be-~ schrieben..Es zeigt y ; -.,-·■ --·-—■

Fig. 1 die Schaltungsanordnung für eine Spannungsmessung mit einer Klassengenauigkeit von

Fig. 2 die Schaltungsanordnung für eine Spannungsmessung mit einer Klassengenauigkeit von

Fig. 3 die Schaltungsanordnung für eine Spannungsmessung mit einer Klassengenauigkeit von

F i g. 4 die Schaltungsanordnung für eine Leistungsmessung mit einer Klassengenauigkeit von ± 1 %,

F i g. 5 die Schaltungsanordnung für eine Leistungsmessung mit einer Klassengenauigkeit von ± 0,5 %.

F i g. 1 zeigt die Schaltungsanordnung eines selbstabgleichenden Kompensator, an dessen Meßeingang ein Vakuumthermoumformer 1 mit einem dem vorgesehenen Meßbereich entsprechenden Vorwiderstand 20 zur Spannungsmessung angeordnet ist. Sobald vor diesem Vorwiderstand 20 noch ein parallel zum Eingang liegender, nicht gezeichneter, zusätzlicher Widerstand geschaltet wird, ist das Gerät für die Strommessung geeignet. ^Λ:

Der durch den Heizdraht vom Vakuumthermoumformer 1 fließende Strom bringt diesen zum Erwärmen und erzeugt durch die Wärme an der Lötstelle des Thermoelementes eine Spannung; Die Spannung des Thermoelementes vom Vakiiumthermouniformer 1 wird mit Hilfe eines richtkraftlosen Steuergalvanometers 3 mit der Kompensationsspannung eines Vakuumthermoumformers 2 verglichen. Bei Ungleichheit der Spannungen Hießt durch das Steuergalvanometer 3 ein Strom. Die Stromrichtung

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hängt von der Höhe der Spannung im Thermoelement doch gleichen sich hierbei die Thermoumformer 1 des Vakuumthermoumformers 1 ab. Ist z.B. die und 2 in zeitlich festgelegten Abständen selbst ab.
Spannung des Thermoelementes vom Vakuumther- Dabei ist folgendes Schema einzuhalten. Zuerst ist moumformer 1 größer, wird das Steuergalvanometer 3 der Vakuumthermoumformer 2 mit einem dazwivon einem Strom durchflossen, und eine Abschirm- 5 schengeschalteten Widerstand 22 abzugleichen, nachfahne 4 bewegt sich aus einem Transistoroszillator 5 folgend wird der Vakuumthermoumformer 1 abgeheraus. Die ansteigende Rückkopplung verursacht glichen. Die Schaltkontakte 25, 26, 27, 28, 29 und 30 eine Vergrößerung der Oszillatoramplitude und über . schalten jeweils den erforderlichen Abgleich bzw. die Kopplungsspule 9 und den Gleichrichter 8 ein Meßvorgang nach festgelegten Zeitabständen selbst-Ansteigen der Basisspannung am Transistor 7. Dar- io tätig ein und aus. Durch diesen zusätzlichen, selbstaufhin steigt der Kollektorstrom im Transistor? und tätigen" Abgleich der Vakuumthermoumformer 1 und 2 verursacht einen Spannungsabfall am Heizdraht des wird eine Klassengenauigkeit, für Wechselstrom- und Vakuumthermoumformers 2. Die Abschirmfahne 4 Wcchselspannungsmessung von ± 0,2 °/o erzielt. _-
bewegt sich solange, bis zwischen den Thermoele- Fig. 4 zeigt die Schaltungsanordnung eines Kommenten der Vakuumthermoumformer 1 und 2 Span- 15 pensators mit Selbstabgleichung, an dessen Meßeinnungsgleichheit herrscht und bis auf einen geringen gang eine bekannte thermische Leistungsschaltung Reststrom kein Strom mehr fließt. Der durch den vorzugsweise nach F i s c h e r mit den Vakuumthermo-Heizdraht des Vakuumthermoumformers 2 und den umformern 1 a, Ib, Ic und einem dem Meßbereich Parallelwiderstand 31 fließende Strom ist dann ein entsprechenden Vorwiderstand 20 im Spannungspfad Maß für den zu messenden Strom- oder Spannungs- ao angeordnet ist. Der für den Meßbereich erforderliche wert. Der Parallelwiderstand 19 dient zum Abgleich Parallel widerstand für den Strompfad ist nicht ge- j des. Vakuumthermoumformers 1, Mit dieser Meß- zeichnet. Die Schaltung nach Fischer entspricht der (^i. schaltung können Wechselströme und Wechselspan- eines fehlerfreien Wattmeters mit drei Vakuumther- '· innigen mit einer Klassengenauigkeit von ±1% ge- moumformern la, Ib, Ic. Die Summe der Thermo- I messen werden. 25 elementspannung der drei Vakuumthermoumformer

Fig. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung, die im we- la, Ib, lc wird mit Hilfe eines richtkraftlosen j senHi^hen nach dem Schaltungsprinzip der Fig. 1 Steuergalvanometers3 mit der Kompensationsspanaufgebaut ist, jedoch an Stelle eines richtkraftlosen nung eines Thermoelementes des Vakuumthermo-Steuergalvanometers 3 einen Verstärker 13 aufweist, Umformers 2 verglichen. Bei Ungleichheit der Spanin dessen Eingang sich ein Zerhacker 12 befindet. 30 nung fließt durch das Steuergalvanometer 3 ein Strom.

Die in den gegeneinander geschalteten Thermo- Die Stromrichlung hängt von der Höhe der Spannunelementen der Vakuumthermoumformer 1 und 2 bei gen in den Thermoelementen, der Vakuumthermoder Messung entstehende Differenzspannung wird im umformer la, Ib, Ic ab. Der weitere Kompensations-Verstärker 13 verstärkt und einem Umkehrmotor 14 Vorgang verläuft wie bereits geschildert. zugeführt, der den Schleifer Heines Meßpotentiomer 35 Fig. 5 zeigt eine Schaltungsanordnung, die im weters 18 so lange verstellt, bis die Thermospannung sentlichen nach dem Schaltungsprinzip der Fig. 1 zwischen den Thermoelementen der Vakuumthermo- aufgebaut ist, jedoch an Stelle eines richtkraftlosen umformer 1 und 2 gleich groß ist. Der Umkehrmotor Steuergalvanometers 3 einen Verstärker 13 aufweist, 14: kommt dann zum Stillstand. Die Stellung des in dessen Eingang sich ein Zerhacker 12 befindet.
Schleifers 11 auf dem Meßpotentiömeter 18 wird auf 40 Alle Schaltungsanordnungen. haben'das gemeinder Skale 16 angezeigt und ist ein'Maß für den zu ■ same Merkmal, daß sie entweder'ganz oder zumindest messenden Strom bzw. die zu messende Spannung. mit ihren durch Wärmekonvektion beeinflußbaren

Mit dieser Schaltung können Wechselstrom und Bauelementen wie Vakuumthermoumformern la, Ib, r

Wechselspannung mit einer Klassengenauigkeit von Ic, 2" und Abgleichwiderständen in einem nicht:ge- \

±0,5'/o gemessen werden. Zur Stromversorgung des 45 zeicluieteu Gefäß untergebracht sind. Die Einwirkung

Meßpotentiometers 18 einschließlich Vakuumthermo- der Wärmekorivektion kann auch durch Anbringung

umformer 2. dient die Konstantstromquelle. YJ.. von. wärmeempfindlichen Widerständen an den An-

Fig.'3 zeigt eine weitere Möglichkeit der Schal- schlußstellen, der Vakuumthermoumformer: 1ö,Ib,

tungsanordnung nach dem Prinzip der; Fig. 2, je- Ic, 2 korrigiert werden; .■-■.-■

Hierzu !BlattZeichnungen;

Claims

Patentansprüche:

1. Selbstabgleichender Kompensator für Gleich- und Wechselstrom zur Messung von hoch- oder niederfrequenten Wechselströmen oder Gleichstromimpulsen beliebiger Kurvenform mit einem selbstabgleichenden Nullindikator-Verstärker, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messenden elektrischen Größen einem Vakuumthermoumformer (1) und der. Kompensationsstrom einem zweiten Vakuumthermoumformer (2) zugeführt werden und daß die von den beiden Vakuumthermoumformer erzeugten Spannungen zur selbsttätigen Abgleichung benutzt werden.

2. Selbstabgleichender Kompensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumthermoumformer (1 α;- Ib; lc; 2) und im Bedarfsfalle Widerstände (19; 20; 21; 22; 23; 24) mittels selbsttätigen Umschaltern (25; 26; 27; 28; 29; 30) derart geschaltet werden, daß eine nach festgelegten Zeitabständen regulierbare, selbsttätige Korrektur der Vakuumthermoumformer (la, Ib; Ic; 2) zur Erzielung von Meßwerten höchster Genauigkeit erfolgt.

3. Selbstabgleichender Kompensator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verwendung zur Leistungsmessung drei Vakuumthermoumformer (la; Ib; Ic) gegen einen vierten Vakuumthermoumformer (2) geschaltet und mit einem Nullindikator-Verstärker (13) verbunden sind.

4. Selbstabgleichender Kompensator nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Einwirkungen durch Wärmekonvektion die Vakuumthermoumformer (la; Ib; Ic) mit ihren zugeordneten Widerständen gemeinsam in einem Gefäß angeordnet oder den Anschlüssen der Vakuumthermoumformer (la; Ib; Ic) wärmeempfindliche Widerstände zügeordnet sind.