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Elektrisches Meßgerät. Die Erfindung bezieht sich auf solche elektrischen
Meßgeräte, deren Angaben von der Stärke der die wirksamen Systeme durchfließenden
Ströme abhängt, die also, streng genommen, Stromzeiger sind, wenn sie auch in anderen
Einheiten oder in anderen Bestimmungsstücken elektrischer Stromkreise geeicht werden.
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Von derartigen Meßgeräten für Wechselstrom weisen die in Spannungen
oder Strömen geeichten durchgehends wegen der Abhängigkeit ihres Ausschlages vom
Quadrat des Meßstromes eine im Anfang sehi enge; dann immer weiter werdende Teilung
auf. Das ist belanglos in allen Fällen, in denen die Instrumente nur Spannungen
oder Ströme in einem enger umgrenzten Bereich anzeigen sollen, also sich ständig
auf die weitere Endteilung einstellen, wie es beispielsweise bei Schalttafelvoltmetern
für Wechselstromnetze der Fall ist. Vielfach kommt es aber bei Meßgeräten für höhere
Spannungen oder Ströme auf die sehr kleinen Meßströmen entsprechenden Angaben an.
Es gibt z. B. eine Reihe von physikalischen und technischen-Messungen und Schaltverfahren,
bei denen die Ablesung einer Größe oder die Vornahme von Schaltungen bei Verschwinden
von Wechselspannungen oder Wechselströmen erfolgen muß : die große Gruppe der sogenannten
Nullmethoden. Für diese Fälle 'ist die geringe Anfangsempfindlichkeit der Wechselstrommeßgeräte
sehr nachteilig und eine möglichst gleichmäßig geteilte, ja eine im Anfang weiter,
nach dem Ende zu enger geteilte Skala erwünscht. Man könnte sich zwar bei manchen
Messungen, insbesondere solchen physikalischer Art, dadurch helfen, daß man Meßgeräte
verwendet, die von vornherein zur Anzeige und Messung geringerer Spannungen oder
kleinerer Ströme bestimmt sind. Das ist aber nur dann angängig, wenn die maßgebenden
Größen der Stromkreise schon so weit auf das Verschwinden der Spannungen oder Ströme
hin geregelt sind, daß nur noch niedrigere Spannungen am -Meßgerät auftreten können.
Für die grobe Einstellung auf den Zustand des Verschwindens von Spannung und Strom
hin wäre dann ein besonderes unempfindliches Meßgerät vonnöten, und das ist fast
immer der Fall, da die einzustellenden Größen selten von vornherein annähernd bekannt
sind, wie beispielsweise bei dem unter dem Namen Dunkelschaltung bekannten Verfahren
des Parallelschaltens von Wechselstromnetzen. Dieses Verfahren ist eine Nullmethode
und als solche weit empfindlicher als das entsprechende Ausschlagverfahren, die
Hellschaltung. Bisher konnte man aber praktisch diesen großen Vorteil der Synchronisier-Dunkelschaltung
nicht ausnutzen, da es an für die volle Netzspannung bestimmten Spannungszeigern
mit genügend hoher Anfangsempfindlichkeit fehlte. Das gleiche gilt auch für alle
anderen Meß-und Schaltverfahren, bei denen auf das Meßgerät, mit dem das Verschwinden
der Spannungen oder Ströme festgestellt werden soll, unter Umständen die volle Spannung
der Stromquellen wirkt.
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Aber nicht nur bei den sonst eine enge Anfangsteilung aufweisenden
Wechselstrommeßgeräten besteht ein besonderes Bedürfnis
für die
Erhöhung der Anfangsempfindlichkeit, sondern ebenso auch bei Gleichstrommeßgeräten,
deren Ausschlag für gewöhnlich proportional den das wirksame System durchfließenden
Meßströmen ist. Denn die proportionale Teilung der in Spannungen und Strömen geeichten
Gleichstrommeßgeräte ist nicht die ideale; sie erleichtert nur das Ablesen. Die
durch Lagerreibung, Schätzungsfehler, Eichungsfehler u. dgl. begrenzte Ablesegenauigkeit
ist als Strecke gemessen im großen und ganzen unabhängig von der Einstellung des
Meßgerätes ; wird also für alle Skalenwerte die gleiche prozentische Ablesegenauigkeit
verlangt, so müssen die Teilstriche am Anfang weiter auseinanderliegen als am Ende,
genauer gesagt, die Skala muß angenähert logarithmisch verlaufen. Bei Verwendung
von Meßgeräten mit solcher Skalenteilung erspart man in vielen Fällen ein besonderes
Meßgerät für einen niedrigeren Meßbereich.
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Andererseits benötigt man unter Umständen Meßgeräte, dercn Anfangsteilung
sehr eng zusammengedrängt, deren Teilung an der Gebrauchsstelle entsprechend höheren
Werten der zu messenden Größe dafür weit auseinandergezogen ist. Bisher behalf man
sich hierbei mit Unterdrückung des Nullpunktes; die das bewegliche System steuernde
Feder wurde entsprechend vorgespannt. Sie wird dabei häufig übermäßig beansprucht.
Die Angaben des Meßgerätes werden unzuverlässig, um so mehr, als jegliche Kontrolle
für die Unveränderlichkeit des Nullpunktes der Skalenteilung fehlt.
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Die bisher verwandten Mittel zur Beeinflussung des Skalenverlaufes
in dem jeweils gewünschten Sinne sind entweder nicht besonders wirksam oder unzuverlässig;
nur in beschränktem Umfange und in gewissen Fällen ist die Skalenteilung durch Formgebung,
der wirksamen Teile des Meßgerätes - selbst zu beeinflussen. Andererseits unzuverlässig,
besonders dann, wenn für gewisse Teile der Skala eine erhöhte Empfindlichkeit erzielt
werden, soll, ist die Änderung der auf das bewegliche System wirkenden mechanischen
Richtkräfte, beispielsweise unter Anwendung von Kurvenscheiben oder von zusätzlichen
Richtkräften. Denn hierbei geschieht die Empfindlichkeitssteigerung auf Kosten der
Meßgenauigkeit, da die mechanischen und sonstigen Apparatefehle, mit vergrößert
werden.
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Der Erfindung liegt nun der Gedanke zugrunde, die gewünschte Beeinflussung
des Skalenverlaufes, das Zusammendrängen und Auseinanderziehen der Teilung an bestimmten
Stellen der Skala dadurch herbeizuführen, daß die in dem wirksamen Leiter des Meßgerätes
selbst herrschende Stromstärke in entsprechender Abhängigkeit von den zu messenden
Größen eines Stromkreises (wie z. B. Strom, Spannung, Leistung) geregelt wird. Dies
geschieht erfindungsgemäß durch Verwendung von Vorschalt- bzw. Abzweigwiderständen,
deren Widerstandsbetrag von dem sie durchfließenden Strom stark und in eindeutiger
Weise derart abhängt, daß einem bestimmten Stromwert immer nur ein Spannungswert
entspricht und umgekehrt, während bisher konstante Widerstände mit besonders geringem
Temperaturkoeffizienten angewendet wurden. Als solche Widerstände sollen in den
einzelnen Teilen der Meßschaltung Leiter verwendet werden, die bei Durchgang der
betriebsmäßigen Ströme auf hohe Temperaturen erhitzt werden, vorzugsweise Metall-
und Kohlenfadenlampen.
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Beispielsweise werden Spannungsmesser mit hoher Anfangsempfindlichkeit,
die aber gleichwohl bis zu den höchsten zu messenden Spannungen hinauf reichende,
gut ablesbare Teilungen aufweisen, dadurch hergestellt, daß dem wirksamen Leiter
eines stromverbrauchenden elektrischen Meßgerätes, etwa eines Spannungszeigers der
üblichen Bauart, eine oder im Bedarfsfalle mehrere Metall fadenlampen, beispielsweise
Wolframlampen, vorgeschaltet werden, deren Gesamtwiderstand für sehr geringe Stromstärken
verhältnismäßig klein ist, aber mit zunehmendem Strom rasch und stetig wächst und
schließlich dann, wenn an der Reihenschaltung von Lampen und wirksamem Leiter die
höchste zu messende Spannung liegt, einen derart hohen Wert annimmt, daß der das
Meßgerät durchfließende Strom dessen Endausschlag entspricht. Die Metallfadenlampen
können hell glühen oder mit fast normaler Helligkeit brennen, und es ist dann ihr
Widerstand ein sehr großes Vielfaches des Kaltwiderstandes, besonders, wenn man
gasgefüllte Wolframlampen vorsieht. Die Wirkung der mit wachsender an der Reihenschaltung
liegender Spannung immer stärker werdenden Verschiedenheit der Spannungsverteilung
auf Meßgerät und Lampen kann auch dadurch unterstützt werden, daß zu dem Meßgerät
selbst ein stark von der Klemmenspannung abhängiger Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten,
z. B. eine Kohlenfadenlampe, parallel geschaltet wird.
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Die Anfangsteilung von Stromzeigern läßt sich auseinanderziehen durch
Verwendung -von Nebenschlüssen, die aus Kohlenfadenlampen aufgebaut werden.
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Ferner wird die Anfangsteilung von Spannungszeigern stark zusammengedrängt
durch Vorschalten von einer oder mehreren Kohlenfadenlampen vor das Meßsystem. Dann
wird die Wirkung noch verstärkt durch Parallelschalten von Metallfadenlampen zu
dem Meßsystem.
Sehr häufig lassen sich bei entsprechendem Bau der
Meßgeräte die üblichen im Handel allerorts. erhältlichen Lampen verwenden, jedoch
lassen sich ebenso leicht und billig eigens für die Meßzwecke Lampen aus besonders
dünnem Draht herstellen. Zweckmäßig verwendet man zum Anschluß die Swanfassung,
um wechselnde Übergangswiderstände; wie sie bei Edisonfassungen durch Lockern des
Schraubgewindes entstehen können, zu vermeiden. Von den Metallfadenlampen zeigen
die besten Ergebnisse die gasgefüllten Wolframlampen. Verwendet man solche als Vorschaltwiderstände
für Spannungszeiger, so ergibt sich eine doppelt so weite Anfangsteilung wie bei
Verwendung gewöhnlicher Metallfadenlampen. Das rührt daher, daß, in diesen Lampen
der Glühdraht ohne Gefahr der Zerstäubung wesentlich höhere Temperaturen erreicht,
also die Charakteristik der Lampe, d. h. die Schaulinie, die die Abhängigkeit der
an der Lampe angelegten Klemmenspannung von dem die Lampe durchfließenden Strom
darstellt, sehr steil ansteigt. Es gibt nun auch Widerstände, bei denen die Steigung
dieser Schaulinie so stark wird, daß sie parallel der Ordinate, an der die Spannungen
aufgetragen sind, verläuft oder gar rückwärts umbiegt. Der Zusammenhang zwischen
Klemmenspannung und Stromstärke ist dann nicht mehr eindeutig. Solche Widerstände
sind für vorliegenden Zweck nicht verwendbar. Beispielsweise können die in Wasserstoff
eingebetteten, zum Regeln von Stromkreisen häufig verwendeten Eisendrahtwiderstände
die sogenannten Variatoren nicht als Vorschaltwiderstände für Spannungszeiger dienen,
denn sie halten den Strom auf einem von der Abmessung des Drahtes u. dgl. gegebenen
bestimmten Wert, heben also die Abhängigkeit der Einstellung des Meßgerätes von
der zu messenden Größe und damit die Skala auf. Eisendrahtwiderstände lassen sich,
wie man bereits vorgeschlagen hat, nur in solchen Fällen verwenden, in denen der
Ausschlag des Instrumentes nicht nur von der Stärke des in dem wirksamen Leiter
fließenden Stromes abhängt, sondern noch von anderen Bestimmungsstücken des Stromkreises,
z. B. der Frequenz. Dann dient der Eisendrahtwiderstand dazu, die eine Abhängigkeit,
die von der Stromstärke, auszuschalten und damit ein wesentlich nur von der anderen
Größe beeinflußtes Meßgerät zu schaffen.
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Es ist nun noch allerdings eine Verwendung von Eisendrahtlampen denkbar,
wobei diese nicht in dem Gebiete der Charakteristik betriebsmäßig arbeiten, in dem
Unveränderlichkeit des durchfließenden Stromes von der Klemmenspannung besteht,
sondern in dem vorhergehenden Teil der Charakteristik. Eine derartige Verwendung
der bekannten Eisenwiderstände gehört aber nicht zur vorliegenden Erfindung, zumal
sie auf die eingangs erwähnte bekannte Verwendung noch eines besonderen unempfindlichen
Instrumentes hinausläuft, da das eine Meßgerät allein nicht für den ganzen Meßbereich
genügend genau anzeigt. Man könnte Variatoren also vor einen für sich zunächst zur
Messung niedrigerer Spannungen dienenden Spannungszeiger schalten. Die Wirkung wäre
dann die, daß der das Meßgerät durchfließende Strom begrenzt, also von einem bestimmten
Spannungswerte an, beispielsweise bis zur zu messenden höchsten Spannung, der Betriebsspannung,
die Skala des Meßgerätes unterdrückt wird. Ein Spannungszeiger, dem ein Varlator
vorgeschaltet ist, erreicht bereits für einen weit unterhalb der Betriebsspannung
liegenden Spannungswert angenähert den vollen Ausschlag, der sich dann für die Spannungswerte
z. B. bis zur vollen Betriebsspannung fast nicht ändert. _ Solange ein solcher Spannungszeiger
also den Endausschlag zeigt, läßt sich schwer oder überhaupt nicht erkennen, welche
Spannung an seinen Klemmen liegt. Beispielsweise ist bei Verwendung des Instrumentes
für Nullmethoden nicht zu sehen, wie weit man in der Regelung der Bestimmungsgrößen
des Stromkreises auf Verschwinden einer Spannung hin entfernt ist, solange die Spannung
einen bestimmten Betrag nicht unterschreitet. Um das zu erkennen, wäre, wie bereits
erwähnt, noch ein besonderes, unempfindlicheres Instrument erforderlich für den
Bereich von der Betriebsspannung herab bis zu der Spannung, für die das verwendete
Meßgerät gerade den vollen Ausschlag erreicht. Beispielsweise wäre die Reihenschaltung
eines Variators und eines zur Messung niedrigerer Spannungen bestimmten Spannungsanzeigers
allein als Nullvoltmeter für das Parallelschalten von Generatoren nicht genügend.