DE1954635A1 - Vorrichtung zur stoerspannungskompensierter Messung hoher Gleichstroeme - Google Patents

Description

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Vorrichtung zur störspannungskompensierten Messung hoher Gleichströme

Unter den Vorrichtungen zur Messung von hohen Gleichströmen, wie sie im Bereich der Elektrometallurgie oder der Elektrochemie auftreten, ist das klassische Verfahren mittels Shunts seit langem bekannt. Laut Definition ist ein Shunt ein konstanter Widerstand, dessen Wert bekannt ist und an dessen Klemmen man den Spannungsabfall mißt, der vom durchströmenden Gleichstrom verursacht wird. Abgesehen davon, daß derartige Shunts recht kostspielig sind, stellt man oft fest, daß durch schlechte Verteilung des Stroms in den verschiedenen, meist aus Manganin hergestellten Widerstandsplatten des Shunts, Meßungenauigkeiten auftreten können.

Ferner können hohe Gleichströme auch mit Hilfe eines Gleichstrommeßwandlers (vergleiche z. B. Elektrotechnische Zeitschrift 58, S. 1309, 1937) bestimmt werden. Doch auch diese Meßmethode ist sehr aufwendig und besitzt auch den Nachteil, daß derartige Gleichstromwandler Dämpfungsglieder aufweisen. Dadurch wird der zeitliche Verlauf des Stromflusses nicht exakt wiedergegeben.

Eine einfache und schon seit langem bekannte Methode zur Messung von sehr hohen Gleichströmen, wie sie z. B. in Elektrolyseanlagen auftreten, besteht darin, den Spannungsabfall in einer vom Gleichstrom durchflossenen Kupfer- oder Aluminiumschiene

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mit einem Gleichspannungsmeßgerät zu erfassen und aufgrund des Ohm'sehen Gesetzes als Maß für den Strom zu benutzen.

Für eine gerade Stromschiene mit gleichförmigem Querschnitt, deren Länge im Verhältnis zum Querschnitt so groß ist, daß eine homogene Stromverteilung angenommen werden kann, gilt die allgemeine Beziehung des Ohm¹sehen Gesetzes:

U
I = -

Der Widerstand R der Stromschiene zwischen den Spannungsabgriffen kann beispielsweise aus dem spezifischen Widerstand des Leiterwerkstoffes und den Abmessungen der Stromschiene errechnet werden. Da der spezifische Widers band temperaturaDhängig ist, muß auch die initiiere Temperatur der Stromschiene berücksichtigt werden. Die Bestimmung dieser verschiedenen Faktoren und Einflußgrößen ist jedoch immer mit Unsicherheiten behaftet, welche die Genauigkeit des beschriebenen Meßverfahrens erheblich einschränken. Es wird daher vorwiegend für Anwendungen mit g-eringeren Genauigkeitsansprüchen benutzt.

Für spezielle Anwendungen, beispielsweise im Zusammenhang mit der Überwachung von Elektrolyseanlagen auf Elektrodenkurzschlusse, ist es wünschenswert, alle -änderungen des Elektrolysestroms ohne Zeitverzögerung und Amplitudenverfälschung messen zu können. Das oben beschriebene Verfahren war für eine derartige Aufgabe bisher nicht geeignet, ^a die zur Messung des Spannungsabfalls benutzte Stromschiene von einem starken, dem ElektroLysestrom proportionalen magnetischen Feld umgeben ist, wird nämlich bei jeder Strom- und Feldstärkeänderung in der vom Meß3tromkreis gebildeten Leiterschleife

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eine Störspannung der Größe

df

U=

dt

erzeugt, wobei £ der durch die Leiterschleife hindurchtretende magnetische Fluß ist (vergleiche Fig. 1). Durch vorteilhafte Anordnung der Zuleitungen 1 zu den Spannungsabgriffen 2 an der Stromschiene 3 kann die Größe der vom magnetischen Feld durchsetzten Leiterschleife reduziert werden. In der Regel ist es jedoch nicht möglich, die in den Meßstromkreis induzierte Störspannung auf diese Art hinreichend zu unterdrücken.

Es wurde nun eine Vorrichtung zur Messung hoher Gleichströme mit Hilfe des Spannungsabfalls in einem stromdurchflossenen Leiter gefunden, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die bei Stromänderungen in den Meßstromkreis induzierte Störspannung durch Addition einer Kompensationsspannung jeweils gleicher Größe, aber mit entgegengesetztem Vorzeichen unwirksam gemacht wird, wobei die Kompensationsspannung mit Hilfe einer Leiterschleife gewonnen wird, die so angeordnet ist, daß sie in gleicher Weise wie die vom Meßstromkreis gebildete Leiterschleife vom magnetischen Feld des stromführendes Leiters durchsetzt wird.

Durch das erfindungsgemäße Einfügen der zweiten Leiterschleife 4 in den Meßstromkreis kann nunmehr erreicht werden, daß die Wirkung der beiden induzierten Spannungsanteile sich gegenseitig aufhebt.

Fig. 1 zeigt eine einfache Meßvorrichtung ohne Kompensationsschaltung mit einer Stromschiene 3, den Spannungsabgriffen 2,

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der Zuleitung 1 und einem Gleichspannungsmeßgerät U. In Fig. 2 bedeutet 4 eine zweite Leiterschleife und in Fig. 3 ist eine Meßvorrichtung mit einer Spule 5, einem hochohmigen Spannungsteiler 6 und einem Kathodenstrahloszillograph 7 dargestellt.

In der in Figur 3 dai'gestellten besonderen Ausführungsform dient eine Spule 5 aus mehreren Windungen zur Erzeugung der Koinpensat ions spannung. Entsprechend der Windungszahl kann eine solche Spule wesentlich kleiner sein als eine Leiterschleife mit nur einer Windung. Um den Abgleich auf den Kleinstwertder restlichen Störspannung zu erleichtern, hat es sich ferner als zweckmäßig erwiesen, die Größe bzw. die Windungszahl der Kompensationsspule über den notwendigen Wert zu erhöhen und die Einstellung mit einem ausreichend hochohmigen Spannungsteiler 6 vorzunehmen. Weiterhin hat es sich bewährt, als Sichtindikator für den Erfolg dieser Einstellung einen Kathodenstrahloszillographen 7 zu verwenden. Der im ■ praktischen Betrieb stets vorhandene Gehalt an Oberwellen, z. B. im Elektrolysegleichstrom und damit im magnetischen Feld der Stromschiene erzeugt in der Meßschleife und in der Kompensationsspule jeweils, einen Störspannungsanteil, der es gestattet, den Abgleich auf das Störspannungsminimum jederzeit vorzunehmen. Es ist also zu diesem Zweck nicht notwendig, Laständerungen oder andere betrieblich meist unerwünschte Maßnähme zur Erzeugung gewollter Stromschwankungen durchzuführen.

Die vorstehend beschriebene Vorrichtung eignet sich hervorragend zur Überwachung von Anlagen bei denen sehr hohe Gleichströme auftreten, wie z. B. bei Elektrolyseanlagen, insbesondere Natriumchloridelektrolysen und elektrolytischen Prozessen bei denen infolge der geringen Abstände zwischen den

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Elektroden die Gefahr von Kurzschlüssen erheblich ist, und wenn deren Strommessung ohne Zeitverzögerung und Amplitudenverfälschung erwünscht ist.

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Claims (6)

Patentansprüche

1.J Vorrichtung zur Messung hoher Gleichströme mit Hilfe des Spannungsabfalls in einem stromdurchflossenen Leiter, dadurch gekennzeichnet, daß die bei Stromänderungen in den Meßstromkreis induzierte Störspannung durch Addition einer Kompensationsspannunfo jeweils gleicher Größe, aber mit entgegengesetztem Vorzeichen, unwirksam gemacht wird, wobei die Kompensation-spannung mit hilfe einer. Leiterschleife gewonnen.wird, die so angeordnet ist, daß sie in gleicher Weise wie die vom Meßstromkreis gebildete Leiterschleife vom magnetisch? η Feld des stromführenden Leiters durchsetzt wird.

fe 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Kompensationsspannung als Leiterschleife eine Spule 5 (vergleiche Fig. 3) mit mehreren Windungen benutzt wird.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterschleife zur Erzeugung der,,*-;* Kompensationsspannung überdimensioniert wird und daß von der an s£ch zu großen Kompensationsspannung mit Hilfe eines Spannungsteilers 6 (Fig. 3), gebildet aus veränderbaren Widerständen, ein der Größe der Störspanmmg entsprechender,. Betrag abgegriffen wird. _ . ·- ■

4. Vorrichtung ,nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet,'-daß 3.1s Sichtindikator für die Einstellung der Kompensationsspannung ein Kathodenstrahloszillograph 7 (Fig. 3) verwendet wird.

5. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4 zur Überwachung von Elektrolyseanlagen.

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6. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche "1 - 4 zur Überwachung von Anlagen zur Alkalichloridelektrolyse.

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