DE293271C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21 e. GRUPPE

Elektrischer Frequenzmesser. Patentiert im Deutschen Reiche vom 18. Februar 1915 ab.

Den Gegenstand der Erfindung bildet ein Meßgerät zur Messung der Frequenz von Wechselspannungen oder Wechselströmen, das von dem zeitlichen Verlauf der Wechselspannung oder des Wechselstromes unabhängig ist, und das ferner den Vorzug bietet, daß sein Meßbereich sehr eng gewählt werden kann, wobei bei kleinem Energieverbrauch große Drehmomente im beweglichen System des

ίο Meßgerätes und ein annähernd linearer Verlauf der Skala erzielt werden können. Es steht auch frei, das Meßgerät so auszubilden, daß es die Frequenzen innerhalb eines großen Meßbereiches zu messen gestattet, wobei ebenfalls eine annähernd linear verlaufende Skala und bei entsprechender Wahl der einzelnen in Frage kommenden elektrischen Größen auch eine innerhalb gewisser Gebiete eingeengte Skala erzielbar ist. Der neue Frequenzmesser besteht in seiner Hauptausführungsform in an sich bekannter Weise aus einem Feldspulensystem und zwei in dessen Magnetfelde ohne Beeinflussung durch mechanische Richtkräfte frei drehbaren, aber miteinander gekuppelten Leitersystemen. Während eins dieser beweglichen Systeme, das aus einer gegebenenfalls über geeignete Widerstände in sich geschlossenen Spule besteht, als Richtkraft dient, ist das feste Feldspulensystem und das andere der beweglichen Systeme ari die Wechselstromquelle, deren Frequenz zu messen ist, angeschlossen. Diese beiden Systeme sind dabei derartig mit Ohmschen oder induktiven Widerständen oder Kapazitäten oder Kombinationen davon verbunden, daß die in ihnen fließenden Ströme bei mittlerer Frequenz um 90 ° oder annähernd 90° gegeneinander in der Phase verschoben sind, wobei das Anzeigeorgan des Meßgerätes sich in der Stellung befindet, die durch die Senkrechtstellung des in sich geschlossenen Leitersystems bestimmt wird, während bei Abweichungen von der Mittelfrequenz die Phasenverschiebungen größer oder kleiner als 90° werden. Es entstehen dann negative oder positive Drehmomente, die eine der Frequenzänderung entsprechende Einstellung des Anzeigeorgans bewirken.

Der Frequenzmesser kann auch so ausgeführt sein, daß die Rollen des festen und des beweglichen Teiles miteinander vertauscht sind. Zweckmäßig bestehen die beiden beweglichen Leitersysteme aus" Spulen paralleler Achsrichtung. Zwecks Erzielung eines gedrängten Aufbaues sind diese beiden Spulen konachsial angeordnet.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Hauptform des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Fig. 1 zeigt das Meßgerät im Aufriß, Fig. 2 im Grundriß. Innerhalb der festen, geteilten Feldspule S₁ sind um eine gemeinsame Achse α drehbar zwei konachsiale Spulen S₂ ^un(i ^S3 iⁿ einer Ebene angeordnet. Die Enden der Spule s₂ stehen durch Vermittlung von Spiralfedern f₂ und f₂' mit den Klemmen A₂ und k₂', und ähnlich die Enden der Spule S₃ durch die Stromzuführungsfeder f₂ und eine weitere Feder f₃ mit der Klemme k₂ und einer dritten Klemme k₃ in Verbindung. Alle Stromzuführungsfedern sind so gewählt, daß sie bei Verdrehung der Achse α ein Drehmoment entwickeln, das gegenüber den auf die beweglichen Spulen ausgeübten Drehmomenten vernachlässigbar gering ist. Die Feldspule S₁

ist mit einer Selbstinduktion L₁ und einer Kapazität C₁ in Reihe an die beiden Leitungen des Wechselstromnetzes N, dessen Frequenz der Wechselspannung gemessen werden soll, angeschlossen. Die Kapazität C₁ und die Selbstinduktion L₁ sind so gewählt, daß im Kreise der Feldspule S₁ bei der mittleren Frequenz n₀ elektrische Resonanz besteht. Es ist demnach der Gleichung genügt:

2 π n₀ L₁ =

2 7Γ W₀ C₁'

Die Spule S₂ ist mit einer Selbstinduktion I₂ in Reihe parallel zu einem Widerstand r₂ ge-

*5 schaltet. Diese Kombination in Reihe mit der Selbstinduktion L₂ ist ebenfalls "an die beiden Leitungen des Netzes N angeschlossen. Der Widerstand r₂und die Selbstinduktionen I₂ und L₂ sind so gewählt, daß der in der.bewegliehen Spule S₂ fließende Strom bei der mittleren Frequenz n₀ gegen die Netzspannung genau um 90 ° in der Phase verschoben ist. Es ergibt sich dann auch bei Frequenzen, die noch um ein wesentliches von der mittleren Frequenz n₀ verschieden sind, eine von 90 ° nur sehr wenig abweichende Phasenverschiebung des die Spule S₂ durchfließenden Stromes gegen die Wechselspannung.' Die Spule s₃ ist über eine Selbstinduktion I₃ geschlossen. Im Kreise der Spule S₃ wirken also bloß diejenigen elektromotorischen Kräfte, die in ihr von den die Spulen S₁ und S₂ durchfließenden Strömen induziert werden. Da das Feld der beweglichen Spule S₂ im Vergleich zu demjenigen der FeIdspule S₁ sehr schwach ist, so kann von den elektromotorischen Kräften, die in der Spule S₃ vom Felde der Spule S₂ induziert werden, abgesehen werden.

Da bei der mittleren Frequenz n_Q im Kreise der Feldspule S₁ Resonanz" besteht, so ist die Intensität des die Feldspule durchfließenden Stromes bei dieser Frequenz ein Maximum. Die Phasenverschiebung des Spulenstromes gegen die Wechselspannung ist hierbei = Null.

Je nachdem die Frequenz größer oder kleiner als die mittlere Frequenz n₀ ist, eilt der Strom in der Spule S₁ der Wechselspannung nach oder vor. Unter Voraussetzung einer konstanten Netzspannung ändert sich demnach die effektive Stärke des die Spule S₁ durchfließenden Stromes in Funktion von der Frequenz η gemäß der in Fig. 3 dargestellten Kurve I₁, während die Änderung des Phasenverschiebungswinkels Cp₁ dieses Stromes gegen die Wechselspannung der Kurve Cp₁ entspricht.

Der in der Spule S₂ fließende Strom nimmt mit wachsender Frequenz ab und ist, ebenso wie die Stärke J₁ des die Spule S₁ durchfließenden Stromes, der Wechselspannung proportional.

Der Phasenverschiebungäwinkel φ₂ des die Spule s₂ durchfließenden Stromes ist hingegen sowohl von der Wechselspannung wie von der Frequenz unabhängig und dauernd = 90 °.

Die effektive Stärke I₃ des die Spule S₃ durchfließenden Stromes ist eine Funktion von I₁, der Frequenz η und des Winkels a, den die gemeinsame Mittelebene der Spulen S₂ und S₃ mit der Mittelebene der Spule S₁ einschließen. Würde der durch die Spule S₃ und die Selbstinduktion /₃ gebildete Leiterkreis rein induktiv sein, so würde die effektive Stärke des in diesem Kreise vom Felde der Spule S₁ induzierten Stromes, eine bestimmte räumliche Stellung der Spule S₃ vorausgesetzt, von der Frequenz der die Spule durchfließenden Ströme unabhängig und nur von der effektiven Stärke I₁ des die Spule S₁ durchfließenden Stromes abhängig, und zwar dieser proportional sein. 'Da aber der Leiterkreis S₃, I₃ einen nicht vernachlässigbar kleinen Ohmschen Widerstand enthält, so nimmt I₃ bei konstantem I₁ mit wachsender Frequenz zu. Daher variiert I_s mit der Frequenz η gemäß einer Kurve, die, wie Fig. 3 zeigt, den Charakter der Kurve I₁ hat, jedoch insofern von dieser abweicht, als die Steigerung der Frequenz η bei konstantem Z₁ ein Anwachsen von I₃ zur Folge hat.

Auf die Drehachse a des beweglichen Systems wirken stets zwei Drehmomente ein, die sich aus der elektrodynamischen Wechselwirkung des in der Spule S₂ fließenden und des in der Spule S₃ induzierten Stromes mit dem Strom in der Spule S₁ ergeben. Da auf die Achse keine weiteren mechanischen oder elektromagnetischen Drehmomente einwirken, so stellt sich das bewegliche System jeweils in eine solche Lage ein, in der die von der Spule S₁ auf die Spulen S₂ und S₃' ausgeübten Drehmomente einander das Gleichgewicht halten.

Das mittlere Drehmoment, das eine feste, stromdurchflossene Spule auf eine zweite bewegliche ausübt, ist den effektiven Stärken der die Spulen durchfließenden Ströme und dem Kosinus des Phasenverschiebungswinkels der beiden Ströme proportional. Da die Phasenverschiebung der Ströme I₁ und I₂ mit wachsender Frequenz stetig von Null bis 180 ° variiert, wobei die Phasenverschiebung 90° bei der Frequenz W₀ erreicht ist, so ergibt sich, daß das von der. Spule S₁ auf die Spule S₂ ausgeübte Drehmoment unter Voraussetzung einer bestimmten räumlichen Stellung der Spule S₂ stetig von positiven zu negativen Werten übergeht, wobei der Vorzeichenwechsel im Drehmoment bei der Frequenz W₀ stattfindet. Bei dieser mittleren Frequenz ist also das von S₁ auf S₂ ausgeübte Drehmoment == Null. Die Veränderlichkeit dieses Drehmomentes DM₁ für einen bestimmten Wert von α ist ebenfalls in Fig. 3 dargestellt.

Würde der Leiterkreis s₃, I₃ rein induktiv sein, so würde der in ihm induzierte Strom mit

dem Magnetfelde und dem Strom der Spule S₁ in Phase sein. Da der Leiterkreis jedoch einen nicht vernachlässigbar geringen induktionsfreien Widerstand enthält, so besteht zwischen S den Strömen I₃ und I₁ eine bestimmte Phasen- - verschiebung, die mit wachsender Frequenz abnimmt. Sie ist jedoch so gering, daß man von ihr absehen kann. Das von der Spule S₁ auf S₃ ausgeübte Drehmoment muß somit, eine

ίο bestimmte räumliche Stellung der Spule S₃ vorausgesetzt, bei der Frequenz n₀ ein Maximum haben und gemäß einer Kurve DM₂ der in Fig. 3 dargestellten Art veränderlich sein.
Aus den Drehmomentkurven ergeben sich die für alle Werte von α resultierenden Drehmomentkurven, wenn man die Ordinaten der Kurven sich proportional cos α variiert denkt. Bei der mittleren Frequenz n₀ ist das von der Spule S₁ auf S₂ ausgeübte Drehmoment in allen Stellungen der Spule = Null. Das bewegliche System muß sich somit bei dieser Frequenz in die Stellung a = 90 ° begeben, denn bloß in dieser Stellung ist auch das auf die Spule S₃ ausgeübte Drehmoment Null und somit das bewegliche System im Gleichgewicht. Da nun das Drehmoment DM₁ bei der Frequenz W₀ sein Vorzeichen wechselt, so ergibt sich, daß das bewegliche System dann, wenn die Frequenz vom Werte n₀ ausgehend abnimmt, sich im einen Sinne, wenn es zunimmt, im anderen Sinne zu bewegen bestrebt ist. Nach welcher Richtung das System aber auch ausschlagen möge, tritt dem Drehmoment DM₁ das auf die Spule S₃ ausgeübte Drehmoment DM₂ entgegen, das immer so wirkt, daß es die Spule s₃ auf die Spule S₁ senkrecht zu stellen bestrebt ist.

Die Einstellung des beweglichen Systems ist von der Höhe der Wechselspannung unabhängig. Da I₁ wie auch I₂ der Wechselspannung proportional sind, so wächst das Drehmoment DM₁ proportional dem Quadrate der Wechselspannung. Ferner ist I₃ proportional I₁ und somit auch der Wechselspannung. Also ist auch das Drehmoment DM₂ dem Quadrat der Wechselspannung proportional. Das Verhältnis der beiden Drehmomente und somit die Gleichgewichtsstellungen des Systems sind also von der Höhe der Wechselspannung unabhängig.

Die Angaben des Meßgerätes sind auch von der Kurvenform der Wechselspannung praktisch vollkommen unabhängig. Da der Kreis der Spule S₁ auf Resonanz abgestimmt ist, so sind dadurch die oberen Harmonischen des Stromes I₁ praktisch unterdrückt. Auch der in der Spule S₃ induzierte Strom ist, da ihr Kreis nahezu rein induktiv ist, um so mehr sinoidal. Ferner ist auch der von der Spule s₂ aufgenommene Strom, da dieser Stromkreis nahezu rein induktiv ist, praktisch rein sinoidal.

Da die induktionsfreien Widerstände in den Kreisen der Spulen S₂ und S₃ gegenüber den Induktanzen sehr gering sind, so ist der Einfluß der Temperatur auf die. in diesen Spulen fließenden Ströme von untergeordneter Bedeutung. Durch die entsprechende Wahl des Verhältnisses der in diesen enthaltenen induktionsfreien Widerstände zu den Selbstinduktionen läßt es sich erreichen, daß die Drehmomente DM₁ und DM₂ mit veränderlicher Temperatur gleiche prozentuelle Veränderungen erfahren. Die Temperaturunabhängigkeit von I₁ läßt sich ohne weiteres durch die entsprechende Wahl des Materials der in dem Kreis der Spule S₁ angeordneten Leiter erzielen.

Wie aus der genaueren Theorie des Meßgerätes hervorgeht und durch die Erfahrung bestätigt ist, ergibt sich für einen weiten, die mittlere Frequenz n₀ einschließenden Bereich der Frequenzen η ein fast mathematisch genau geradliniger Verlauf von α. Ein geradliniger Verlauf ist für einen Meßbereich, bei dem die beiden Grenzwerte der Frequenz beispielsweise im Verhältnis ι: 2 zueinander stehen, vollends erreichbar. '

Durch Verstärkung des Stromes in der Spule s₂ ist eine bei allen Frequenzen η proportionale Vergrößerung des Drehmomentes DM₁ erzielbar. Es läßt sich also durch Verstärkung von I₂ eine Einengung des Meßbereiches erzielen. Es ist beispielsweise ohne weiteres möglich, den Meßbereich unter Annahme einer Verdrehung des ' beweglichen Systems von 90 ° so zu wählen, daß Freqenzen gemessen werden können, die von n₀ nach der einen oder anderen Seite hin um nicht mehr als V₂ Prozent abweichen.

Macht man die Widerstände und Selbstinduktionen im Kreise der Spule s₂, beispielsweise mit Hilfe eines Umschalters, veränderbar, so läßt sich der Meßbereich des Meßgerätes nach Belieben in weiten Grenzen verändern. Ist beispielsweise das Meßgerät für die mittlere Frequenz n₀ = 50 gebaut, so kann man durch Verstellung eines Umschalters erzielen, daß das Meßgerät beispielsweise für den Meßbereich 49-51 oder für den Meßbereich 40-60 oder für den Bereich 25-75 brauchbar ist.

Durch Veränderung der Kapazität C₁ oder der Selbstinduktion L₁ oder beider kann die Resonanzlage im Bereich der ersten Spule verändert werden, und so läßt sich auf diesem Wege bei einem solchen Frequenzmesser der Meßbereich auch durch Verschiebung seines Mittelpunktes verändern.

Die Schaltung im Kreise der Spule S₂ kann auch auf verschiedene andere Weisen erfolgen. Es lassen sich hier alle bekannten Schaltungen zur Erzielung eines gegen eine gegebene Wechselspannung um 90 ° verschobenen Stromes anwenden. · iao

In vielen Fällen empfiehlt es sich, in den Kreis der Spule S₃ eine Kapazität zu schalten.

Es wird in diesem Falle abweichend vom Ausführungsbeispiel, bei konstanter Wechselspannung und konstantem I₁ ein mit der Frequenz abnehmender Strom I₃ erzielt.
Die Spule S₃ kann auch aus einem einzigen geschlitzten Rahmen bestehen, gegebenenfalls kann sie auch durch einen Kurzschlußrahmen gebildet sein.
Zweckmäßig ist der Frequenzmesser nach

ίο Art der eisengeschlossenen dynamometrischen Meßgeräte ausgeführt, bei denen der von der festen Spule erzeugte Kraftfluß der Hauptsache nach durch Eisen verläuft, und wobei die beiden beweglichen Spulen einen Eisenkern umfassen.

Claims (6)

1. Patent-An Sprüche:

   i. Elektrischer Frequenzmesser mit einem Feldspulensystem und zwei in dessen Felde angeordneten, miteinander mechanisch gekuppelten Leitersystemen, von denen die eine Systemgruppe gegen die andere drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Feldspulensystem und eins der Leitersysteme derartig an die Wechselstromquelle, deren Frequenz zu messen ist, angeschlossen sind, daß die darin fließenden Ströme bei mittlerer Frequenz um 90 ° gegeneinander in der Phase verschoben sind und das Anzeigeorgan sich hierbei in der Stellung befindet, die durch die Senkrechtstellung des anderen, in sich geschlossenen Leitersystems zur Feldrichtung des Feldspulensystems gegeben ist, während bei Abweichungen von der Mittelfrequenz die Phasenverschiebung größer oder kleiner als 90 ° wird, wodurch negative oder positive Drehmomente entstehen, die eine der Frequenzänderung entsprechende Einstellung des Anzeigeorgans bewirken.
2. 2. Elektrischer Frequenzmesser nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß dem Feldspulensystem derartig Selbstinduktionen und Kapazität vorgeschaltet sind, daß in diesem Kreis für die mittlere Frequenz Resonanz zwischen Strom und Spannung besteht, während das an die Wechselstromquelle angeschlossene Leitersystem derart geschaltet ist, daß es einen um annähernd oder genau 90 ° gegen die Spannung in der Phase verschobenen Strom führt.
3. 3. Frequenzmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Leitersysteme zwei konachsiale Spulen bilden, deren Mittelebenen in dieselben Achsenebenen fallen.
4. 4. Frequenzmesser nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durch das Feldspulensystem erzeugten magnetischen Kraftlinien der Hauptsache nach innerhalb eines Eisenkörpers verlaufen.
5. 5. Frequenzmesser nach Anspruch 1 oder den Unter ansprächen, dadurch gekennzeichnet, daß entweder die dem einen oder die dem anderen Leitersystem zugeschalteten Impedanzen regelbar sind, zum Zwecke, den Meßbereich veränderbar zu machen.
6. 6. Frequenzmesser nach Anspruch 1 oder den Unteransprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Feldspulensystem vorgeschaltete Kapazität oder die Selbstinduktion oder beide zwecks Veränderung des Meßbereichs regelbar sind.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.