DE254755C

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Publication number: DE254755C
Application number: DENDAT254755D
Authority: DE

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- JVl 254755 KLASSE 21 e. GRUPPE

in STRASZBURG i.E.

Den Gegenstand der Erfindung bildet eine Einrichtung zur Messung der Verhältnisse elektromagnetischer und elektrostatischer Effekte von Wechselströmen beliebiger Periode. Das Instrument gestattet es u. a., unabhängig von der Dämpfung und Amplitude (Intensität) des Wechselstromes die Periode genau zu bestimmen, und kann .somit als Frequenzanzeiger für Wechselströme dienen. Die Forderung

ίο der Unabhängigkeit von der Amplitude des Wechselstromes ist insbesondere wichtig bei der Eichung eines Frequenzmessers. Sie bleibt bestehen auch bei der Messung von Hochfrequenzströmen, wie sie z. B. in der draht-

losen Telegraphic verwendet werden. Da diese Ströme im aligemeinen nicht eine kontinuierliche Folge von ungedämpften Schwingungen darstellen, sondern auch aus aufeinanderfolgenden abklingenden Schwingungs-

ao zügen bestehen, also gedämpft sind, so kommt bei diesen Strömen zu der Bedingung der Unabhängigkeit von der Intensität eine weitere Forderung hinzu, nämlich die Unabhängigkeit der Ausschläge des Frequenzanzeigers von der Dämpfung der Schwingung.

Man kann sich nun von dem Einfluß der Amplitude des Stromes freimachen, indem man mittels eines geeigneten Apparates das Verhältnis zweier in gleicher Weise von der Amplitude abhängigen Effekte mißt. Wir betrachten z. B. den folgenden Fall:

Es fließt durch einen Leiter I (Fig. 1) ein Wechselstrom i — α sin ν t. Dann ist die Spannung ν zwischen zwei Punkten A, B des Leiters

, di

und der Spannungseffekt

fv* dt — (p² v² -f w^s)/i² dt

(p Selbstinduktionskoeffizient, w Ohmscher Widerstand des Stückes A, B). Hat man nun ein Instrument, welches das Verhältnis des Spannungseffektes
also

zum Stromeffekt anzeigt,

35

40

45

mißt, so hängen seine Angaben nur von p² v'^z 4- ze»² ab, nicht mehr aber von der Intensität (Amplitude) des Stromes. Man ko.nn also, indem man p und w konstant hält, das Instrument direkt in Frequenzen ν des Wechselstromes unabhängig von der Amplitude des Stromes eichen.

Man kann sich nun durch eine entsprechende Rechnung leicht überzeugen, daß auch in dem Fall einer gedämpften Schwingung, d. h. i= α e~& sin ν t, das Verhältnis zwischen der effektiven Spannung zur effektiven

(2. Auflage, ausgegeben am aS. ianuar 1915.)

Stromstärke praktisch denselben Wert behält. In allen in Betracht kommenden Fällen werden die Angaben des Intruments von der Dämpfung der Schwingung nicht beeinflußt.
Wie aus dem vorhergehenden ohne weiteres hervorgeht, kann man sich von dem Einfluß der Amplitude und der Dämpfung des Stromes auch dadurch freimachen, daß man mittels eines geeigneten Apparates das Verhältnis

ίο von Spannungseffekten mißt, die an den Enden von zwei Leiterstücken, die demselben Stromkreise angehören, mit verschiedenen Verhältnissen des Selbstinduktionskoeffizienten zum Ohmschen Widerstand herrschen. Ein solches, das Verhältnis von Spannungseffekten messendes Instrument kann also ebenfalls als Frequenzanzeiger dienen.

Die zur Messung des Verhältnisses der effektiven Spannung zur effektiven Stromstärke oder der effektiven Spannungen dienenden Instrumente bestehen aus einer Art elektrodynamischer . Drehwage ohne fremde Direktionskraft. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Instrument, welches das Verhältnis der effektiven Spannung zur effektiven Stromstärke mißt, wird die Drehwage gebildet von einem Elektrometer und einem Kurzschlußring-Induktionsdynamometer, die starr miteinander verbunden sind. Die Spannung wird an die beiden festen Quadrantenpaare des Elektrometers angelegt und die Stromstärke durch die feste Spule des Dynamometers geführt. Das Elektrometer und das Dynamometer sind so geschaltet, daß sie gegeneinander wirken.

Die Drehwage des in Fig. 3 dargestellten Instruments zur Messung des Verhältnisses der effektiven Spannungen besteht aus zwei Elektrometersystemen, die starr miteinander verbunden und so geschaltet sind, daß sie entgegengesetzte Drehmomente ergeben. Selbstverständlich muß die geometrische Form der wirksamen Teile der beiden Elektrometersysteme voneinander verschieden sein, damit das elektrostatische Drehmoment eines derselben eine Funktion des Drehungswinkels ist. Wie man sieht, ist es für die Eichung der Apparate notwendig, f und w der zur Spannungsabnahme benutzten Leiterstücke konstant zu halten.

Bei der in Fig_r 1 beschriebenen Anordnung muß man also das Instrument in den Stromkreis direkt einschalten. Man kann aber je nach den praktischen Verhältnissen auch das Instrument in anderen Schaltungen verwenden.

Solche Schaltungen sind in den Fig. 4 bis 7 abgebildet.

In Fig. 4 und 5 befindet sich das Instrument im Nebenschluß. In der Schaltung der Fig. 6 wird die Spannung transformiert.

Um verschiedene Bereiche mit demselben Instrument umfassen zu können, kann man verschiedene Transformationsverhältnisse wählen, indem man z. B. verschiedene Wicklungslagen je nach dem Bereich verwendet.

Schließlich ist in der Fig. 7 eine Schaltung abgebildet, die durch Nebenschlüsse an die Spule des Dynamometers den Übergang von einem Bereich zu einem anderen ermöglicht.

Man kann verschiedene Bereiche mit demselben Instrument auch in der Weise umfassen, daß einzelne der Windungen der festen Spule des Dynamometers abschaltbar gemacht werden.

Zur Erzielung einer gleichmäßigen, der Frequenz proportionalen Skala können die Platten des elektrometrischen Teiles des Frequenzmessers eine von der üblichen Gestaltung abweichende geometrische Form erhalten, die entsprechend den magnetischen Eigenschaften der Stromspule im voraus bestimmt werden kann. So kann man z. B. die Begrenzungskurve der Platten entweder des festen oder des beweglichen elektrometrischen Teiles entsprechend der Formel

85 const

(r = Radiusvektor, Sr = Drehungswinkel) wählen, falls die Kraftwirkung der festen Stromspule eine dein Ablenkungswinkel proportionale ist.

Um die Durchschlagsfestigkeit des Instrumentes zu erhöhen und das Sprühen zu vermeiden, ohne die Kapazität des elektromeirischen Teiles zu vermindern, kann dieser Teil aus einer Anzahl elektrometrischer Systeme zusammengesetzt sein.

Um bei geringeren Abmessungen des Frequenzanzeigers, wie sie für Schalttafelzwecke erforderlich sind, dieselben mechanischen Wirkungen zu erzielen, ohne die Durchschlagsgefahr und die Sprühwirkungen zu vergrößern, kann man den wirksamen Teil des Elektrometers innerhalb komprimierter Gase oder öle und anderen Flüssigkeiten mit hoher Dielektrizitätskonstante anordnen. Oder man kann auch die Platten ganz oder teilweise mit Isolierlacken oder anderen Stoffen, wie beispielsweise Glimmer, Kautschuk o. dgl., belegen.

Man kann mit dem beschriebenen Instrument, welches das Verhältnis der effektiven Spannung zur effektiven Stromstärke zu messen gestattet, auch andere Größen messen als die Frequenz des Wechselstromes. Da die Angaben des Instruments proportional zu

y² dt

fi² dt '

also zu ft² y² 4- wⁱ sind, wo ft den Selbstinduktionskoeffizienten des Leiterstückes bezeichnet, an dessen Enden die Spannung ν herrscht, so ist klar, daß dasselbe Instrument, welches bei konstant gehaltenem ft als Frequenzanzeiger benutzt wird, bei konstant gehaltenem ν zur Messung von Selbstinduktionskoeffizienten ft dienen kann (der Einfluß, des Ohmschen Widerstandes w kann in den praktischen Fällen, besonders bei Hochfrequenzströmen, immer sehr klein gemacht werden). Es können aber mit der neuen Anordnung auch Kapazitäten gemessen werden. Wenn V₁ bzw. v₂ die Spannungen bedeuten, die an den Enden von zwei verschiedenen im Hauptoder Nebenzweig sich befindenden Wechselstromwiderständen herrschen, so kann man bekanntlich allgemein setzen:

di

fidt

und

di . fidt

wo ft_x bzw. ft₂ die Selbstinduktionskoeffizienten, W₁ bzw. W₂ die Ohmschen Widerstände, C₁ bzw. C₂ die Kapazitäten bedeuten, aus welchen die beiden Wechselstrom widerstände allgemein bestehen.

Wählen wir nun die beiden Wechselstromwiderstände speziell so, daß sie nur aus Kapazitäten C₁ bzw. C₂ bestehen, so haben wir also:

fidt fidt

V = ^J V = ^

Da durch das in Frage stehende Instrument das Verhältnis von effektiven Spannungen gemessen wird, so sind in diesem Falle die Angaben des Instruments zu

-— oder zu ——

fv_t*dt C₁*

proportional. Man kann also mit dem Instrument in diesem Falle Kapazitäten vergleichen bzw. messen.

Es ist auch leicht ersichtlich, daß man mit diesem Instrument auch Selbstinduktionskoeffizienten vergleichen kann. Man braucht ja dazu die beiden Wechselstrom widerstände als in diesem Falle nur aus Selbstinduktionen bestehend aufzufassen.

Claims

Patent-Anspruch :

Instrument zur Messung von Frequenzen, Selbstinduktionskoeffizienten, Kapazitäten und anderen Größen von Wechselstromkreisen, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines durch mechanische Verbindung eines Elektrometers mit einem Dynamometer oder mit einem zweiten Elektrometer gebildeten Meßinstruments ohne fremde Direktionskraft entweder das Verhältnis der effektiven Spannung, welche an den Enden eines vom Haupt- oder Nebenschlußstrom durchflossenen festen oder veränderlichen Wechselst rom Widerstandes herrscht, zur effektiven Stromstärke dieses Wechselstromes oder das Verhältnis der effektiven Spannungen, welche an den Enden von zwei verschiedenen, von demselben Haupt- oder Nebenschlußstrom durchflossenen festen oder veränderlichen Wechselstromwiderständen herrschen, gemessen wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.