DE290914C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21 e. GRUPPE

THE CUTLER-HAMMER MANUFACTURING CO. in MILWAUKEE, V. St. A.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 9. September 1914 ab.

Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen, zur Messung der elektrischen Energie, die durch eine Belastung aufgenommen wird, an deren Klemmen die Spannung nicht konstant

Die gewöhnlich in der Praxis verwendeten integrierenden Wattmeter (Zähler) werden in Brücke zur Hauptleitung derart geschaltet, daß sie mit ihren Feldspulen in Reihe mit dem \^erbrauchswiderstand und mit ihren Ankern parallel dazu liegen. Das auf Drehung der Ankerwelle hinwirkende Drehmoment ist auf diese Weise bei Gleichstrom proportional dem Produkt der Stromstärke in der Hauptstromspule und der Spannung am Anker. Die Bremswirkung der üblichen zwischen Magnetpolen rotierenden Scheibe ist der Umdrehungsgeschwindigkeit proportional. -

Eine Ausgleichspule ist vorgesehen, um der Einwirkung der Reibung auf die Umdrehungsgeschwindigkeit der Anker welle entgegen zu arbeiten.

Es hat sich als nicht schwierig erwiesen, Wattstundenzähler herzustellen, welche unter konstanten Spannungsverhältnissen genaue Messungen ergeben. Wenn es aber erforderlich ist, die Energie zu messen, welche einem Verbraucher unter wechselnden Spannungen zugeführt wird, beispielsweise in dem Falle, daß die Belastung mittels eines mit dem Verbraucher in Reihe geschalteten Rheostaten geregelt wird, waren gewisse Nachteile zu beobachten.

Der hauptsächlichste derselben beruht darauf, daß der Strom in der Spannungsspule der Meßvorrichtung mit der Betriebsspannung schwankt, woraus sich Temperaturänderungen und daraus wieder Schwankungen im Widerstand der erwähnten Spule ergeben, so daß Irrtümer in die Ablesungen hineinkommen.

Da alle metallischen Leiter ihren Widerstand bei steigender Temperatur vergrößern, so ist es klar, daß der Stromfluß durch die Spannungsspulen nicht in. gleichem Verhältnis wie die Spannung abnehmen kann. Daher ist nach der Erfindung die bekannte bei Wattstundenzählern zum Ausgleich des Einflusses der Reibung übliche Ausgleichspule derart geschaltet, daß in gewissen Grenzen der Strom in dieser Spule steigt, wenn die an dem Verbraucher liegende Spannung sich vermindert, so daß also diese Spule sowohl den Einfluß der Widerstandsänderung wie denjenigen der Reibung ausgleicht. Dieses Resultat kann auf verschiedenen Wegen erreicht werden. Ein Weg liegt darin, daß der Spannungsabfall in dem dem Verbraucher vorgeschalteten Regulierwiderstand benutzt wird, um die Stärke

des durch die Ausgleichspule fließenden Stromes zu regeln. Ein weiterer Weg liegt darin, einen zweiten Rheostaten in Reihe mit der Ausgleichspule anzuordnen und diesen Rhe-5 ostaten mit dem die Belastung regelnden Rheostaten mechanisch zu verbinden, so daß, wenn der Widerstand des letzteren gesteigert wird, der Widerstand des zweiten Rheostaten sich vermindert.

ίο Wenn die Belastung übermäßig verringert wird, so überwiegt der auf der Reibungswirkung beruhende Fehler gegenüber dem auf der Widerstandsverringerung in der Spannungsspule beruhenden Fehler. Dementsprechend muß jenseits eines gewissen Punktes bei der Verringerung der Belastung der Strom in der Ausgleichspule vermindert anstatt verstärkt werden. Dies kann automatisch erreicht werden, indem ein Ende der Spule mit einem Zwischenpunkt am Regulierwiderstand und das andere Ende mit einem Zwischenpunkt an einem zweiten Widerstand verbunden wird, welcher höher ist als der Regulierwiderstand und parallel zu ihm liegt. Der Verbindungspunkt mit dem Rheostatwiderstand ist so ausgewählt, daß, wenn die Belastung mit dem Rheostaten an demselben Punkte verbunden ist, das auf dem wechselnden Widerstand der Spannungsspule beruhende, relativ gesteigerte Drehmoment den wechselnden Einfluß der Reibung ausgleicht. An diesem Punkt ist der Strom in der Ausgleichspule am stärksten.

Auf den Zeichnungen sind einige Ausführungsformen der Erfindung schematisch dargestellt.

Fig. ι zeigt ein mit einem geeigneten Verbrauchswiderstand 3 verbundenes Wattmeter, wobei die Belastung durch einen mit dem Verbrauchswiderstand in Reihe geschalteten Rheostaten 4 regelbar ist.

Fig. 2 zeigt ein mit einem gleichartigen Verbraucher verbundenes Wattmeter, · das mit Ausgleicheinrichtungen versehen ist, um die Ablesungen genau zu machen, unbeschadet der Spannungsschwankungen, die sich aus der Benutzung des Rheostaten ergeben.

Fig. 3 ist eine ähnliche Darstellung mit einer anderen Ausführungsform der Ausgleicheinrichtung.

Fig. 4 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform der Ausgleicheinrichtungen.

Fig. 5, 6 und 7 sind erklärende Diagramme. Fig. 8 zeigt eine fernere Ausführungform der Ausgleicheinrichtungen.

Die positive und negative Hauptleitung 1 und 2 speisen einen geeigneten Verbrauchswiderstand 3, mit dem ein Regulierwiderstand 4 beliebiger Art in Reihe geschaltet ist. Der Verbrauchswiderstand 3 kann z. B. die Heizspule eines Flüssigkeitsmessers sein, er kann aber auch durch irgendeine andere beliebige Vorrichtung für Elektrizitätsverbrauch gebildet werden. Zur Messung des Energieverbrauchs der Belastung dient ein Wattstundenzähler 5. Der Zähler ist von üblicher Bauart. Seine meisten Teile sind als nebensächlich nicht dargestellt. Der umlaufende Anker 6 ist auf einer geeigneten Spindel gelagert. Diese trägt auch die übliche Metallscheibe, die zwischen Magnetpolen rotiert, um die notwendige Bremswirkung zu ergeben. Um den Anker herum ist die übliche Hauptstromwicklung 7 angeordnet, die mit dem Verbrauchswiderstand 3 in Reihe liegt.

Der Anker 6 liegt an den Klemmen des Verbrauchswiderstandes 3 und besitzt in seinem Stromkreis einen Widerstand 8, welcher die Spannung am Anker herabsetzt. Bei dieser Anordnung ist unter der Annahme, daß die Größe des Regulierwiderstandes 4 konstant bleibt, das auf Drehung des Ankers hinwirkende Drehmoment proportional der am Anker liegenden Spannung multipliziert mit der Amperezahl des in den Feldspulen fließenden Stromes.

Die von den Magneten auf die Bremsscheibe ausgeübte Bremswirkung ist proportional der Umdrehungsgeschwindigkeit der Scheibe. Die Reibung des umlaufenden Systems kann auf verschiedene Weise ausgeglichen werden. Ein bekanntes Mittel hierfür ist die Anordnung einer Ausgleichspule 9, die an den Klemmen des Ankers liegt und den Feldspulen derart benachbart ist, daß sie die letzteren unterstützt. Das Drehmoment der Reibung ist für verschiedene Geschwindigkeiten nahezu konstant, und da der Strom in dem Anker 6 und in der Ausgleichspule 9 bei verschiedenen Belastungen praktisch konstant ist, so ergeben sich genaue Wattmeterablesungen, auch wenn an Stelle des Verbrauchswiderstandes 3 beispielsweise ein Glühlampenstromkreis angenommen ist, dessen Widerstand durch Ein- oder Ausschalten von Lampen geändert wird.

Wenn als Belastung eine elektrische Heizspule eines Flüssigkeitsmessers der obenerwähnten Art dient, oder wenn es aus anderen Gründen erwünscht oder nötig ist, den Rheostaten 4 zur Änderung des in Reihe mit der Belastung liegenden Widerstandes zu benutzen, so ergibt die Meßvorrichtung keine genauen Ablesungen. Beispielsweise vermindert sich, wenn der Widerstand 4 vergrößert wird und die Wattleistung in der Heizspule 3 von Vollast auf einen geringeren Wert sinkt, die Spannung an den Klemmen der Heizspule sowohl wie der hindurchfließende Strom. Dies vermindert den durch den Spannungskreis des Wattmeters 5 fließenden Strom, und dadurch ergibt sich eine Änderung in der Temperatur der den Stromkreis bildenden verschiedenen Teile und daraus wieder eine entsprechende

Änderung des Widerstandes und des davon abhängigen Stromes. Schwankungen in der Raumtemperatur veranlassen ebenfalls Schwankungen im Widerstand des genannten Stromkreises, so daß bei hoher Raumtemperatur der bei einer bestimmten Spannung hindurchfließende Strom geringer ist als bei niedrigerer Temperatur. Ferner schwankt auch die Bremswirkung der Bremsscheibe für eine bestimmte Geschwindigkeit mit den Temperaturschwankungen. Dies beruht darauf, daß mit der Temperatur sich der elektrische Widerstand der Scheibe ändert, welche dazu dient, die durch die Magneten induzierten Ströme zu vernichten. Mithin nimmt die Bremswirkung der Scheibe bei steigender Temperatur derselben ab. Diese Scheibe braucht durch die von den Spulen der Meßvorrichtung ausgeströmte AVärme nicht beeinflußt zu werden, da sie .für gewöhnlich am Boden des Gehäuses gelagert ist; sie wird aber durch Schwankungen der Raumtemperatur beeinflußt.

Es ist vorgeschlagen worden, einige der oben erwähnten Fehlerquellen dadurch zu beseitigen, daß man die Leiter des Ankerstromkreises und die Bremsscheibe aus solchem Material herstellt, daß der vergrößerte Widerstand der Leiter und die verringerte Bremswirkung der Scheibe sich gegenseitig ausgleichen. Dies bedingt, daß der Ankerstromkreis einschließlich des Widerstandes 8 einen'Temperaturkoeffizienten haben muß, der demjenigen der Scheibe gleichkommt. Diese Materialauswahl ermöglicht dem Instrument einen befriedigenden Ausgleich für Schwankungen der Raumtemperatur. Bei solcher Anordnung aber ergeben sich bei verschiedenen Belastungen Fehler durch die Schwankung der Spannung an den Klemmen der Heizspule, die entsprechende Schwankung des Stromes im Ankerstromkreis und die entsprechende Schwankung des Widerstandes dieses Stromkreises auf Grund der Heizwirkung des Stromes.

Dieser Fehler, der auf der Temperatur-Schwankung des Ankerstromkreises wegen der Schwankung des hindurchfließenden Stromes beruht, könnte dadurch beseitigt werden, daß man den Ankerstromkreis aus einem Material herstellt, das den Temperaturkoeffizienten O besitzt. Wenn dies aber geschieht, so werden Schwankungen in der Raumtemperatur, welche die Bremswirkung der Scheibe beeinflussen, nicht mehr ausgeglichen.

Weiterhin vermindert sich bei sinkender Last die verzögernde oder verstärkende Wirkung des Ausgleichstromes, da diese Wirkung dem Produkt des Stromes im Ankerstromkreis und des Stromes in der Ausgleichspule ungefähr proportional ist; bei niedrigeren Belastungen, bei denen das Drehmoment der Reibung einen erheblichen Prozentsatz des gesamten Drehmomentes ausmacht, hat sich demgemäß das ausgleichende Drehmoment auf einen sehr niedrigen Betrag verringert, so daß es bei niedrigen Belastungen unmöglich wird, auf diese Weise das Drehmoment des Ankers in einem zum Ausgleich der Reibung genügenden Maße zu verstärken. Der Zweck der Erfindung liegt nun darin, Mittel zu schaffen, um die durch obige Verhältnisse in die Ablesungen eingeführten Fehler auszugleichen.

Fig. 5 erläutert die Art der obenerwähnten Ungenauigkeiten, welche sich ergeben, wenn es versucht wird, mit einem gewöhnlichen Wattstundenzähler verschiedene Belastungen zu messen, die dadurch verschieden sind, daß die an einen festen Widerstand angelegte Spannung schwankt. In dieser Figur bedeuten die Abszissen der Kurve 10 den Prozentsatz der Belastung bzw. der Spannung bis zu 100 Prozent und die Ordinaten den Prozentsatz der Genauigkeit in der Ablesung. Die durch diese Kurve angezeigten Werte sind unter der Annahme aufgenommen, daß das betreffende Instrument in seiner Genauigkeit durch Schwankungen der Raumtemperatur nicht beeinträchtigt wird. Die Kurve zeigt zwei charakteristische Merkmale: vom höchsten Punkt links von der Mitte aus fällt die Kurve allmählich zur vollen Belastung hin ab wegen der bei höherer Belastung gesteigerten Temperatur des Spannungsstromkreises. Die Kurve fällt ferner vom Maximalpunkt nach der Nullast hin allmählich ab wegen des wachsenden Verhältnisses des Reibungsdrehmomentes zum wirksamen Drehmoment. Es ist klar, daß diese Erscheinungen durch keine der bekannten Methoden ausgeglichen werden könnten.

Bevor die neuen Ausgleichsmittel zur Beseitigung obiger Schwierigkeiten näher beschrieben werden, sei noch Fig. 6 erläutert, in welcher eine Kurve 11 im Einklang mit der Kurve 10 in Fig. 5 diejenigen Spannungswerte bei den verschiedenen Belastungen darstellt, welche, wenn man sie an die Ausgleichspule des Wattmeters anlegt, die Bewegung des umlaufenden Systems derart steigern oder verzögern würden, daß eine genaue Messung erzielt wird. Spannungen, die so gerichtet sind, daß sie die Bewegung des umlaufenden Systems verzögern würden, sind unterhalb der Nullinie, und solche, welche die Bewegung steigern würden, sind oberhalb dieser Linie aufgetragen. In Fig. 2 ist ein Ausgleichsystem dargestellt, durch das im wesentlichen die gewünschten Spannungswerte erzielt werden können. Außer den in Fig. 1 vorhandenen Teilen ist ein zweiteiliger Widerstand 12, 13 vorgesehen, der an die Klemmen des Rheostaten 4 angeschlossen und dessen Gesamtwiderstand verglichen mit demjenigen des Rhe-

ostaten groß ist. Von einem den beiden Teilen des Widerstandes gemeinsamen Punkt führt ein Leiter 14 zu der Ausgleichspule 9. Ein Widerstand 15 ist für gewöhnlich in den Stromkreis dieser Ausgleichspule eingeschaltet. Ein zweiter Leiter 16 führt von der Ausgleichspule 9 zu einem passenden Punkt des Regulierwiderstandes 4. Es ist klar, daß, wenn der durch den Pfeil dargestellte Arm des Rheostaten sich aus seiner linksseitigen Stellung nach rechts bewegt, die Spannung an der Ausgleichspule 9 wächst, bis die in vollen Linien gezeichnete Stellung des Armes erreicht ist. Dies beruht darauf, daß die Spannung an der Ausgleichspule annähernd proportional dem Spannungsabfall in demjenigen Teil des Rheostaten 4 ist, der zwischen der Anfangsstellung des Rheostatenarmes und der durch die ausgezogene Linie veranschaulichten Stellung dieses Armes liegt. Der Spannungsabfall in diesem Teil des Rheostaten wird ein Maximum, wenn der Arm des Rheostaten die mit vollen Linien gezeichnete Stellung erreicht. Nachdem diese Stellung überschritten ist, muß der Spannungsabfall in dem oben erwähnten Teil des Rheostaten abnehmen wegen der allmäh- ! liehen Abnahme des Stromes durch den Rheostaten. Entsprechend nimmt die Spannung an der Ausgleichspule 9 ab. Wenn der Arm des Rheostaten 4 eine derartige Stellung erreicht, daß das Verhältnis des Widerstandes desjenigen Teiles des Rheostaten, der sich zwischen der mit vollen Linien gezeichneten Stellung des Hebels und dem Anfangspunkt befindet, zum Widerstand desjenigen Teiles, der sich zwischen der mit vollen Linien gezeichneten Stellung des Hebels und der rechtsseitigen Stellung desselben befindet, das Verhältnis von Widerstand 12 zu Widerstand 13 annimmt, so wird die Spannung an der Ausgleichspule gleich Null. Nachdem dieser Punkt erreicht ist, Avird die Spannung an der Ausgleichspule wachsen und nach der entgegengesetzten Richtung* liegen.

Die durch die eben beschriebene Bewegung des Rheostatenarmes hervorgebrachten Spannungswerte sind in Fig. 6 durch die Kurve 17 verzeichnet. Aus einem Vergleich dieser Kurve mit der anzustrebenden Kurve 11 ergibt sich, daß die wirklich erzielten Werte an die theoretisch vollkommenen Werte sehr nahe j herankommen, mit anderen Worten: das in j Fig. 2 veranschaulichte Ausgleichsystem gibt sehr genaue Resultate, welche allen praktischen Anforderungen genügen.

Aus Fig. 6 ergibt sich, daß die Spannung an | demjenigen Punkte, welcher der in Fig. 2 mit vollen Linien gezeichneten Stellung des Rheostatenarmes entspricht, etwas größer als not- \vendig ist. Die Spannung an diesem Punkt kann aber vermindert oder noch weiter gesteigert werden, indem man den Widerstand 15 vermehrt oder vermindert. Ferner kann der Anschlußpunkt des Leiters 16 am Widerstand 4 nach rechts oder links verschoben werden, wodurch die Stellung des maximalen Spannungswertes in Fig. 6 ebenfalls verschoben wird. Ferner kann auch der Nullwert der Spannung oder der Punkt, wo die Kurven die Abszissenlinie in Fig. 6 kreuzen, ebenfalls nach rechts oder links verschoben werden, indem die relativen Werte der Widerstände 12 und 13 geändert werden, wodurch sich die mittels ausgezogener Linien veranschaulichte Stellung des Pfeiles in Fig. 2 ändert. Mit anderen Worten: das oben beschriebene Ausgleichsverfahren ist sehr schmiegsam und kann leicht eingestellt werden, um den bei irgendeiner Art von Wattstundenzählern herausgefundenen charakteristischen Fehler zu beseitigen.

Das Schaubild der Fig. 3 zeigt eine weitere Verbesserung und entspricht demjenigen der Fig. 2 mit der Ausnahme, daß statt des Widerstandes 15 mehrere parallel geschaltete Widerstände 18, 19 verwendet sind. Diese Anordnung hat die Wirkung, daß der Betrag verringert wird, um welchen die wirklichen Spannungen von den theoretisch richtigen Spannungen abweichen. Die Kurve 20 in Fig. 7 zeigt den Prozentsatz der Genauigkeit des in Fig. 2 dargestellten Systems. Durch die Verbesserung nach Fig. 3 wird der Genauigkeitsgrad noch weiterhin gesteigert. Diese vergrößerte Genauigkeit wird dadurch erreicht, daß die Anzahl der Knotenpunkte gesteigert und dadurch die Länge des zwischen je zwei Knotenpunkten liegenden Kurvenstückes verringert wird. Die Anzahl der. parallelen Zweige und damit die Anzahl der Knotenpunkte kann gesteigert werden, bis die Kurve 20 sich annähernd vollständig mit der Nullinie deckt.

In Fig. 4 ist eine verbesserte Ausgleichung dargestellt, wobei der Rheostat 21 einen zweiten Rheostaten 22 vorteilhaft mittels einer mechanischen Verbindung 23 bewegt. Der Rheostat 22 ist in Reihe mit der Ausgleichspule 9 quer zur Hauptleitung 1,2 geschaltet. Er ist so eingerichtet, daß die Spannung an der Ausgleichspule je nach dem gewünschten zu verkörpernden Gesetz durch einfache Bewegung des Hauptrheostaten 21 eingeregelt werden kann, der die Belastung 3 einstellt. Wenn auch gemäß dieser Figur die Rheostaten mit drehbaren Armen 24 und 25 versehen sind, die beide an einer Welle 23 befestigt sind, so ist es doch ohne weiteres klar, daß auch jede andere entsprechende Anordnung gewählt werden kann.

In Fig. 8 ist eine andere Ausführungsform der Ausgleichsmittel dargestellt, wobei die Ausgleichspule 9 entbehrlich ist. Der Rheostat 26 beliebiger Art, der beispielsweise ein

Gleitrheöstat ist, liegt in Reihenschaltung mit dem Anker 6 und dient dazu, den Ankerstrom in der gewünschten Weise zu verstellen. Von Vollast ausgehend schaltet der Rheostat allmählich Widerstand in den Ankerstromkreis, bis der Punkt des größten Fehlers erreicht ist. Dann wird im Bereich der niedrigen Belastungen der Widerstand, allmählich ausgeschaltet, um mehr Strom durch den Anker hindurchzusenden und so die durch den linken Zweig der Fehlerkurve in Fig. 5 veranschaulichten Fehler auszugleichen.

Außer den bereits erwähnten Vorteilen obigen Ausgleichsystems ist noch zu betonen, daß das Ausgleichsystem außerhalb des Zählers und unabhängig von ihm anzubringen ist, so daß der Zähler keine besondere Bauart zu besitzen braucht und einfach in den gewünschten Stromkreis eingeschaltet werden kann.

Claims (6)

1. Patent-Ansprüche:

   i. Verfahren zur Messung der elektrischen Leistung, die an einen mit veränderlicher Spannung arbeitenden Verbrauchskreis geliefert wird, mittels eines Wattstundenzählers, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromkreise des Zählers (5) in Abhängigkeit von der Spannung am Verbrauchsstromkreis mittels geeigneter Vorrichtungen derart geregelt werden, daß die Wirkung der durch die Spannungsänderungen hervorgerufenen Änderungen im Widerstand der Spannungsspulen des Zählers selbsttätig ausgeglichen wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichspule (9) des Zählers (5), die gewöhnlich dazu dient, der Wirkung der Reibung entgegen zu arbeiten, dazu benutzt wird, der Wirkung von Änderungen im Widerstand der Spannungsspulen entgegen zu arbeiten.
   
3. 3. Vorrichtung. für das Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regulierwiderstand (4) in Reihe mit dem Verbrauchswiderstand (3) liegt, und daß der durch den Durchgang des Belastungsstromes durch den Regulierwiderstand in diesem bewirkte Spannungsabfall dazu benutzt wird, den Stromkreis in der Ausgleichspule (9) des Zählers (5) zu regeln.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine derartige Verbindung der Ausgleichspule (9) mit dem Regulierwiderstand (4), daß, wenn die Spannung am Verbrauchskreis verringert wird, der Strom in der Ausgleichspule (9) zunächst verstärkt wird, um der Wirkung des verringerten Widerstandes der Spannungsspulen entgegen zu arbeiten, und dann ver- mindert wird, um dem relativ sich vergrößernden Einfluß der Reibung entgegen zu wirken.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichspule (9) an dem einen Ende mit einem Zwischenpunkt am Regulierwiderstand (4) und an dem anderen Ende mit einem Zwischenpunkt an einem zweiten Widerstand (i2, 13) verbunden ist, der von größerem Werte als der Regulierwiderstand und mit diesem parallel geschaltet ist.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichspule (9) in Reihe mit einem besonderen Regulierwiderstand (25) in Brücke zur Quelle der elektrischen Energie geschaltet ist, wobei der Regulierwiderstand für die Ausgleichspule (25) mit dem die Belastung regelnden Regulierwiderstand (24) beispielsweise mechanisch verbunden ist, daß der Strom durch die Ausgleichspule sich steigert, wenn die Spannung am Verbrauchskreis sich verringert (Fig. 4).

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.