DE270612C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- M 270612 KLASSE 21 e. GRUPPE

JULES CARPENTIER in PARIS.

Vorrichtung zum Messen des Verhältnisses zweier Ströme.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 30. Dezember 1910 ab.

° ■ ° ° 14. Dezember igoo

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, welche ermöglicht, mittels eines über einem Zifferblatt beweglichen Zeigers das Verhältnis zwischen zwei Gleich- oder Wechselströmen 5 oder zwei elektromagnetischen Wirkungen zu ermitteln.

Das Neue bei dieser Vorrichtung, die in an sich bekannter Weise mit zwei Polstücken, einem inneren Kern, der geeignet ist, einen veränderlichen Luftspalt zur Entstehung zu bringen, sowie zwei von den zu vergleichenden Strömen durchflossenen, auf derselben Achse befestigten, beweglichen Spulen versehen ist, besteht darin, daß die beiden beweglichen

!5 Spulen in ein und derselben Ebene angeordnet sind, so daß die wirksamen Seiten einer jeden Spule die Gesamtheit des von dem Pol umfaßten Bogens (Polbogens) beschreiben. Der Kern ist hierbei so gestaltet, daß die wirksamen Seiten der einen Spule sich in Richtung stetig wachsender Feldstärke und die wirksamen Seiten der anderen Spule sich in Richtung stetig abnehmender Feldstärke bewegen.

Die beiden Spulen sind ähnlich wie bei den Deprez-d'Arsonvalschen Galvanometern an den beiden Seiten einer Drehachse 1 in ein und derselben Ebene angeordnet, wie dies in Fig.. 1 im Aufriß ersichtlich ist; die einzigen Kräfte, denen dieses bewegliche System unterworfen ist, wenn kein Strom hindurchfließt, sind diejenigen, welche von den für die Leitung des Stromes vorgesehenen Verbindungen verursacht werden, wobei diese Verbindungen aus schmalen Streifen aus Blattsilber bestehen, die biegsame Leiter bilden und ein Drehmoment besitzen, welches sehr klein ist und somit nicht in Betracht kommt.

Die Außenseiten der Spulen 2, 3 und 4, 5 bewegen sich in dem veränderlichen Luft-Zwischenräume eines Magrieten 6, dieser Magnet ist bei Benutzung von Gleichstrom' ein Dauermagnet und bei Benutzung von Wechselstrom ein Elektromagnet. Im letzteren Falle müssen die Ströme in der Magnetwicklung und in den Spulen gleiche Wechselzahl besitzen.

Indem die Spulen von Strömen ^₁ und i₂ durchflossen werden, welche entgegengesetzt wirkende Drehmomente hervorrufen, ent-

spricht jedem Werte des Verhältnisses ~

dieser Ströme eine Gleichgewichtslage, und zwar nur eine einzige, die sich aus der Gleichung k H₁ I₁ = H_z J₂

ergibt, wobei H₁ und H₂ die magnetischen Felder bedeuten, welche je auf die Außenseite der Spulen zur Einwirkung gelangen.

Bei zweckentsprechender Richtung der Ströme mit Bezug auf das magnetische Feld ist die Gleichgewichtslage der Rahmen eine stabile.

Der Strom i_v der durch die linke Spule (Fig. 3) hindurchfließt, ist bestrebt, das aus den beiden Spulen gebildete Ganze in der Richtung des Pfeiles f_lt d. h. in der Richtung der Abnahme der Stärke des Feldes H₁ zu drehen, während der Strom i₂, der durch die rechte Spule hindurchgeht, die Neigung besitzt, das aus den beiden Spulen bestehende Ganze in der durch den Pfeil f₂ angedeuteten Richtung zu drehen. Nimmt man nun an, daß das bewegliche Gestell der Vorrichtung sich in der Gleichgewichtsstellung befindet, die der obigen Gleichung entspricht, und setzt man das drehbare System in der Richtung des Pfeiles f₁ in Drehung, so vermindert sich das Drehmoment, das auf Grund des Stromes I₁ entsteht, weil die Spule sich in der Richtung der abnehmenden Feldstärke bewegt. Aus dem entgegengesetzten Grunde vergrößert sich das auf Grund des Stromes i₂ entstehende Drehmoment; infolgedessen ist das .Gleichgewicht zwischen den beiden Drehmomenten gestört, und das bewegliche Gestell der Vorrichtung wird in seine ursprüngliche Lage zurückgebracht. Da dieselbe Beweisführung ebenfalls gilt, wenn man das bewegliche Gestell in Richtung des Pfeiles f_% sich drehen läßt, ist das Gleichgewicht ein stabiles. ■

Ein an dem beweglichen System befestigter Zeiger, der sich über einer passenden Gradeinteilung bewegt, ermöglicht ferner, entweder das Verhältnis der beiden Ströme oder auch eine Funktion dieses Verhältnisses abzulesen, falls das Zifferblatt entsprechend geeicht worden ist.

Im nachfolgenden werden als Ausführungsbeispiel einige konstruktive Einzelheiten eines Apparates dieser Art angeführt:

Die beiden Spulen 2, 3 und 4, 5, welche in entgegengesetzter Richtung auf einen aus Kupfer oder Aluminium bestehenden Rahmen aufgebracht sind, besitzen einen gemeinsamen Anschlußpunkt 7 (Fig. 2), so daß die Ströme nur durch drei Zuleitungen 8, 9 und 10 zugeführt werden. Diese Zuleitungen bestehen, wie bereits oben erwähnt, aus Blattsilberstreifen, die nur einen geringen mechanischen Widersand zu leisten imstande sind, und es sind die beiden Rahmen außerdem auf ein Isolierstück 1 aufmontiert, welches die Rahmen voneinander trennt und die Drehzapfen trägt (Fig. 1).

Der Eisenkern 12, der zwischen den PoI-stücken oder den Polschuhen des Magneten exzentrisch gelagert ist, besitzt einen U-förmigen Querschnitt, wobei eine Querverbindung oder ein Steg das Gebilde seitlich schließt (Fig. 3). Der Querschnitt der Polschuhe kann so bestimmt werden, daß die jeweilig gewünschte Empfindlichkeit erzielt wird und eine für jeden Einzelfall passende Gradeinteilung sich ergibt.

Die Bewegung der Spulen in Feldern von veränderlicher Stärke kann auch in anderer Weise erzielt werden. Beispielsweise könnte man eine Vorrichtung schaffen, die nach Art der durch die Fig. 4 und 5 veranschaulichten ausgebildet ist; in diesem Falle liegen die beiden Rahmen 13, 14 und 15, 16 untereinander, sie bewegen sich jedoch dabei in veränderlichen Luftzwischenräumen 17, 18, um das gewünschte Resultat zu erreichen. Bei dem durch die Fig. 4 und 5 veranschaulichten Beispiel wird der Luftzwischenraum erzeugt mittels zweier übereinander liegender Kerne 19 und 20, deren Umfang ovalförmig gestaltet ist.

Als praktische Anwendungen der Vorrichtung kann man beispielsweise die nachstehenden nennen.

i. Apparat zur Übertragung von
Befehlen oder Nachrichten.

Legt man an zwei Punkte des Widerstandes 21 (Fig. 6) eine Spannung und teilt man diesen Widerstand in verschiedene Abschnitte 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28 und 29, die mit Kontakten 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36 verbunden sind, über welche ein Schieber 37 gleiten kann, so kann man mittels der drei Leitungen 38, 39 und 40, die je an die Enden des Widerstandes 21 sowie an den Schieber 37 angeschlossen sind, Ströme von einer entfernten Stelle aus in die Spulen 41 und 42 senden. Da letztere in Serie zu unveränderlichen Widerständen 43 und 44 geschaltet sind, wird das Verhältnis der Stärke der Ströme in den Spulen durch die jeweilige Stellung des Schiebers 37 auf dem entsprechenden Kontakt bedingt. Jeder Stellung des Schiebers 37 entspricht dann eine Stellung des an dem beweglichen Spülensystem befindlichen Zeigers.

2. Anzeiger für die jeweilige Stelle, an welche ein Kontakt geschlossen
wird.

Die oben beschriebene Vorrichtung kann ebenfalls dazu nutzbar gemacht werden, um an einer entfernten Stelle zu erfahren, auf welchem Kontakt beispielsweise ein Anlaßhebel oder eine Stellvorrichtung zur Verringerung der Stromabgabe einer Sammlerbatterie usw. sich soeben befindet.

3. Ohmmesser.

Man kann einen Widerstand mittels des Verhältnisses zwischen zwei Strömen messen, und zwar auf zwei verschiedene Weisen:

a. Es werden der zu messende Widerstand χ und ein bekannter Widerstand r an dieselbe Spannung gelegt. Werden nun die

beiden Ströme mit i_r und i_x bezeichnet, so erhält man:

r =

χ ■=.

ix

woraus sich ergibt:

Es ergibt sich hieraus, daß die Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung bei Verwendung der Schaltung gemäß Fig. 7 ermöglicht, zwei Widerstände r und * gegenseitig zu vergleichen, und es kann der Apparat so geeicht sein, daß er den Wert von χ durch direkte Ablesung ergibt. Es liegt die Möglichkeit vor, durch Schaltung eines Nebenschlusses zu der einen oder anderen der Spulen, oder durch Ersatz des Vergleichswiderstandes durch andere, mittels eines Schalters den Meßbereich des Meßinstrumentes zu variieren.

b. Der vorliegende Apparat kann verwen-

det werden, um den Wert -.-, d. h. den Widerstand r direkt zu messen. Eine geeignete Schaltung zeigt Fig. 8.

Die Spule 41, die parallel zu einem Nebenschluß geschaltet ist, wird von einem Strom durchflossen, der proportional dem den Widerstand r durchfließenden Strom i ist, während durch die Spule 42 ein Strom hindurchgeht, der proportional ist dem Spannungsunterschied an den Klemmen des Widerstandes r. Da die Vorrichtung nach vorliegender Erfindung das Verhältnis der beiden Ströme anzeigt, liefert dieselbe den Wert von r.

Man kann den Meßbereich variieren, indem man entweder die Nebenschlüsse zur Spule 41 oder die mit der Spule 42 in Reihe geschalteten Widerstände oder beide auf einmal verändert.

Wohl haftet vorliegender Methode ein Fehler an, der von der Stromverzehrung im Stromkreis der Spule 42 herrührt, es kann jedoch diese Fehlerquelle so klein gemacht werden, daß sie für praktische Zwecke nicht ins Gewicht fällt.

4. Andere Verwendungen der Vorrichtung.

Der Apparat kann mit Vorteil bei Messungen und Registrierungen Verwendung finden, die sich auf geringe Widerstandsänderungen beziehen.

Beispielsweise können unter Benutzung der

bei Fig. 8 erläuterten Meßmethode Pyrometer oder Wärmemesser oder registrierende Vorrichtungen dieser Art geschaffen werden, indem man das aus Fig. 9 zu entnehmende Schema benutzt, in welchem mit 45 ein Widerstand aus Platin oder anderem Metall mit zweckentsprechendem Ausdehnungskoeffizienten bezeichnet ist, während 46 ein unveränderlicher Widerstand, 47 und 48 die beiden Spulen der Vorrichtung und schließlich 49 eine Glühlampe ist, welche ermöglicht, den Apparat unmittelbar in ein Gleichstrom- oder Wechselstromnetz einzuschalten, je nachdem das Feld der Vorrichtung durch einen Dauermagneten oder einen Elektromagneten gebildet wird.

Es ist hierbei zu bemerken, daß es genügt, den Strom i zu verstärken, um irgendeine gewünschte Lenkkraft zu erzielen, so daß auf diese Weise sehr leistungsfähige Meßapparate erzeugt werden können.

Die beiden Widerstände 45 und 46 können auch mit je einer Spule in Reihe und miteinander parallel geschaltet werden, wie es dem Schema der Fig. 7 entspricht.

Falls man an Stelle einer Platinspule 45, die zur Messung hoher Temperaturen geeignet ist, irgendeinen anderen veränderlichen Widerstand verwendet, kann man beispielsweise 85, einen registrierenden Salinometer erhalten (d. h. eine Vorrichtung zur Registrierung des Widerstandes von Salzlösungen), oder es läßt sich in der Weise irgendein anderer registrierender Ohmmesser erzielen.

Es ist ferner unter denselben Bedingungen möglich, elektrische Fernanzeiger für den Wasserstand irgendeines Kessels o. dgl. zu schaffen.

Wird angenommen, daß ein Schwimmer mit Kette und Gegengewicht durch Drehung eines Rades die Bewegung eines Schiebers auf einem am Ende einer Leitung angeordneten Rheostaten 49 bewirkt und an der anderen Seite der Leitung eine Vorrichtung mit zwei Spulen 50 und 51 entsprechend dem aus Fig. 10 ersichtlichen Schema eingeschaltet wird, so ergeben sich auf diese Weise Anzeigen, welche nur von der Höhe des Wasserstandes abhängig sind; es kann hierbei der Apparat nach dem Metermaß geeicht sein, und ist die Vorrichtung als Registrierapparat ausgebildet, so zeichnet sie den jeweiligen Wasserstand auf. Will man ferner etwa eine proportionale Gradeinteilung erhalten, so kann man die Luftzwischenräume der Anzeigevorrichtung verändern.

Soll die Verstellung des Schwimmers dazu dienen, den Wasserstand oder beispielsweise den Druck eines in einer Glocke eingeschlossenen Gases (Fig. 11) oder auch die Menge einer austretenden Flüssigkeit mit Hilfe der Niveauänderung in einer sogenannten Pitotschen Röhre (Fig. 12) zu messen, so kann man in der angegebenen Weise Gasdruckanzeiger oder Flüssigkeitsmesser, welche Angaben in einer Entfernung machen, schaffen.

Wenn man gemäß Fig. 13 einen Kondensator 52, der mittes der Daumenscheibe 54 und eines schwingenden Kontaktes «-mal in der Sekunde geladen und entladen wird, in Reihe mit der Spule 53 schaltet und die Spule 53' an die den Ladestrom liefernde Gleichstromquelle anschließt, dann ist der Ausschlag des Instrumentes ein Maß für die Anzahl η der Stromunterbrechungen. Auf diese Weise erhält man einen Ferngeschwindigkeitsanzeiger, der gewünschtenfalls als registrierender Apparat ausgebildet sein kann. Da beide Spulen an dieselbe Stromquelle angeschlossen sind, ist das Instrument unabhängig von der Klemmenspannung.

Fig. 14 zeigt einen Ferntorsionsanzeiger, der erforderlichenfalls ein registrierender sein kann und der ermöglicht, das von einer Welle übertragene Drehmoment zu messen. Auf den Enden einer Transmissionswelle 55 sind zwei Metallscheiben 56, 57 befestigt, deren Umfang

. mit isolierenden Einsätzen versehen ist und von Schleifbürsten 58, 59 bestrichen wird, so daß der Stromkreis über die Welle und die Spule 42 geschlossen wird, wenn beide Bürsten auf den Metallteilen der Scheiben schleifen. Die Spule 41 wird dauernd von Strom durchflossen. Je nach dem Grad der Verdrehung der Welle ändert sich das Verhältnis der Schließungs- und Öffnungszeiten für den Stromkreis der Spule 42 und infolgedessen auch das Drehmoment dieser Spule sowie der Zeigerausschlag.

Wird der Elektromagnet mit Wechselstrom gespeist, so kann das Instrument zur Phasenoder Frequenzmessung in Wechselstromlagen benutzt werden.

Ein gewünschtenfalls registrierender Phasenmesser kann geschaffen werden, indem man einen Elektromagneten mit Hauptstrom speist, während in die beiden Spulen zwei um go° oder irgendeinen anderen feststehenden Winkel in der Phase verschobene Ströme gesandt werden, wobei die ,beiden Ströme jedoch unter der Spannung des Netzes stehen. Bei Einphasenstrom kann zu diesem Zwecke beispielsweise das aus Fig. 15 zu ersehende Schaltungsschema benutzt werden.

Der Elektromagnet wird hier von dem Serienstrom gespeist und liefert das magnetische Feld des Apparates. Die Spule g¹ wird durch Vermittlung eines im Nebenschluß zum Netz liegenden Transformators mit offenem magnetischen Stromkreis gespeist und der die Spule durchfließende Strom ist etwa um 90° gegen den Primärstrom verschoben. Der Primärstrom durchfließt auch einen kleinen Widerstand, an dessen Klemmen die Spule g² angeschlossen ist. .Der durch diese Spule fließende Strom befindet sich demnach in Phase mit dem Primärstrom des Transformators,

d. h. ungefähr um 90° gegen den Strom verschoben, der die Spule g¹ durchfließt.

Bei dieser Einrichtung wird nun je nach der Beziehung der Feldphase zu der Phase jedes der Ströme, die die Spulen g¹ und g² durchfließen, bald die eine, bald die andere Spule eine überwiegende Wirkung ausüben und den Apparat aus der mittleren Stellung nach rechts oder nach links ablenken. Wie man sieht, können aber die Spannungsschwankungen das Ablenken nicht merklich beeinflussen, weil die Ströme in beiden Spulen sich im Verhältnis zur Netzspannung ändern. Fig. 16 zeigt die Schaltung des Phasenmessers für Drehstrom.

Es ist hier jede der beiden Spulen g¹ und g² durch Vermittlung eines nichtinduktiven Widerstandes einerseits an die Elektromagnetspule enthaltende Phasenleitung und andererseits an je eine der beiden anderen Phasenleitungen angeschlossen. Es ergibt sich also, daß je nach der Phase des Serienstroms in bezug zu der Phase der Ströme der Spulen g¹ und g² die eine oder andere dieser Spulen einer überwiegenden Stromwirkung unterliegt, woraufhin der bewegliche Teil des Apparates nach links oder nach rechts abgelenkt wird. Auch hier bewirken die Spannungsschwankungen gleiche Änderungen in den beiden Spulen und somit wird die Ablenkungsgröße des beweglichen Teils nicht dadurch beeinflußt.

Ein Frequenzmesser, der gewünschtenfalls als Registrierapparat ausgebildet sein kann, läßt sich erzielen unter Verwendung des einen oder anderen der sich aus den Fig. 17 und 18 ergebenden Schaltungsschemata.

In dem durch Fig. 17 veranschaulichten Fall dient der Elektromagnet des Apparates als Selbstinduktion und bedingt den Wert des Stromes, der durch die eine der Spulen hindurchfließt, während der Strom, der durch die andere Spule hindurchgeht, durch die in Serie zu ihr 'geschaltete Kapazität (Kondensator o. dgl.) 60 bestimmt wird. Der Vorteil, der in letzterer Einrichtung liegt, besteht darin, daß in den beiden Spulen zwei Ströme erhalten werden, deren Phasen annähernd entgegengesetzt sind, und es liegt hierbei die Möglichkeit vor, die beiden Ströme durch einfachen Umtausch der Stromanschlüsse in der einen der Spulen in Phasenübereinstimmung zu bringen.

Unter diesen Umständen ist der Apparat vollkommen unabhängig von der Klemmenspannung. Bei Benutzung eines Elektromagneten mit einem einen genügenden Widerstand bietenden Draht sind die Resonanzwirkungen wenig beträchtlich, j edenfalls aber wenig störend.

In dem Fall der Fig. 18 kann man unter Benutzung weiterer Hilfsvorrichtungen und unter Mitwirkung einer Resonanzerscheinung

eine noch größere Empfindlichkeit erzielen. Es genügt zu diesem Zwecke, in die beiden Spulen die Ströme zu entsenden, die in zwei Stromkreisen 61, 62 und 63, 64 entstehen, welche annähernd resonant sind; während jedoch die Resonanz in dem ersten Stromkreis eine steigende ist, indem also der Strom mit der Wechselzahl wächst, ist in dem zweiten Stromkreis die Resonanz eine abnehmende, j

d, h. es verringert sich der Strom, wenn die j Wechselzahl sich erhöht.

Man kann die beschriebene Einrichtung : auch zur Messung von Gleich- oder Wechsel- j Stromspannungen verwenden, je nachdem das Meßgerät mit einem Dauermagneten oder einem Elektromagneten ausgerüstet ist, für diesen Verwendungszweck zeigt Fig. 19 eine geeignete Schaltung.

Es ist die Spule 65 zwischen die Punkte 66 und 67 geschaltet, während die Spule 68 zwischen 66 und 70 liegt. Die Widerstände 71 sind solche mit ziemlich beträchtlichem Temperaturkoeffizienten (z. B. Glühlampe, Widerstände aus Eisen in einer Wasserstoffatmo-Sphäre usw.); die Widerstände 72 dagegen sind unveränderliche, wie stark auch der Strom, der durch dieselben hindurchfließt, sein mag, oder es besitzen diese Widerstände einen Koeffizienten, dessen Zeichen denjenigen der Widerstände 71 entgegengesetzt. sind.

Wie ersichtlich, kann man auf diese Weise in der Spule 65 einen Strom erhalten, der sich in bestimmtem Sinn verändert, wenn die Spannung sich erhöht, während der Strom in der Spule 68 sich in entgegengesetztem Sinn verändert. Ob sich bei Spannungserhöhungen der Strom in der Spule 65 verstärkt oder vermindert, hängt davon ab, ob die Widerstände 71 einen positiven oder negativen Temperaturkoeffizienten besitzen. In dieser Weise erhält man Voltmesser mit vergrößerter Skala und mit einer hinsichtlich der Registrierung sehr großen Lenkkraft.

Schließlich erhält man, wenn man bei der erläuterten Einrichtung den Strom in den beiden Spulen auf einmal umkehrt, so daß die Kiäfte nach den zunehmenden Feldern im Luftzwischenraum hingelenkt werden, einen Apparat mit labilem Gleichgewicht, wie dies beispielsweise der Fall wäre bei einer Wage, deren Schwerpunkt oberhalb der Drehachse läge. Vermindert man hierbei den Bewegungsausschlag mittels zweier Anschläge, so ergeben sich sehr kräftige Relais, die unter allen beschriebenen Verhältnissen verwendet werden können.

Claims (4)

P A T E N T - A N S P R Ü C H E :

1. Vorrichtung zum Messen des Verhältnisses zweier Ströme oder zweier elektromagnetischer Wirkungen bei Gleich- oder Wechselstrom, die mit zwei Polstücken, einem inneren Kern, der geeignet ist, einen veränderlichen Luftzwischenraum zur Entstehung zu bringen und zwei von den zu vergleichenden Strömen durchflossenen, auf derselben Achse befestigten beweglichen Spulen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden beweglichen Spulen in ein und derselben durch die Drehachse gehenden Ebene angeordnet sind, so daß die wirksamen Seiten einer jeden Spule die Gesamtheit des von dem Magnetpol umfaßten Bogens (Polbogens) beschreiben, und hierbei der Kern so gestaltet ist, daß ,sich die wirksamen Seiten der einen Spule während ihrer Bewegung über den ganzen Polbogen in Richtung stetig zunehmender Feldstärke und die wirksamen Seiten der anderen Spule in Richtung stetig abnehmender Feldstärke bewegen.

2. Ausführungsform der Vorrichtung nach Anspruch τ, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spulen einander diametral gegenüberliegen, ferner nur je eine wirksame Seite besitzen und der Kern exzentrisch zur Bohrung der Magnetpole gelagert sowie ausgehöhlt ist, um die Achse und die unwirksamen Seiten der Spulen aufnehmen zu können.

3. Ausführungsform der Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spulen übereinander liegen und beide mit zwei wirksamen Seiten versehen sind, und außerdem der Kern in zwei ebenfalls übereinander liegende Kerne ovaler Gestalt unterteilt ist, die unter geeigneter Neigung angeordnet sind, so daß eine Zu- und Abnahme der Feldstärke auf der ganzen Länge des Polbogens erzielt wird.

4. Ausführungsform der Vorrichtung nach Anspruch 2 zur Bildung eines Relais, dadurch gekennzeichnet, daß den Strömen in den beiden Spulen eine solche Richtung gegeben wird, daß beide Ströme ihre Spulen in das Gebiet stetig zunehmender Feldstärke zu bewegen suchen, wobei der Bewegungsausschlag des drehbaren Gestells durch zwei Anschläge begrenzt wird, die so nahe wie erforderlich aneinander gebracht werden können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.