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Verfahren zur Bestimmung der Amplitude und Phase einer Wechselspannung.
Die Bestimmung der Amplitude und Phase einer Wechselspannung durch Kompensation
kann bekanntlich in der Weise ausgeführt «-erden, daß die zu untersuchende Wechselspannung
kompensiert wird durch eine in bezug auf Amplitude und Phase veränderliche Kompensationsspannung,
welche aus zwei hintereinandergeschalteten, um cgo° in der Phase gegeneinander verschobenen
Teilspannungen zusammengesetzt ist. Bei der Messung werden die beiden Teilspannungen
so lange geändert, bis die zusammengesetzte Spannung die zu prüfende Spannung kompensiert.
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-Die veränderlichen Teilspannungen werden bei den bisher bekannt gewordenen
Meßanor dnungen dargestellt durch regelbare Spannungsabfälle an mit Abgreifkontakten
und Stromwendern versehenen Kompensationswiderständen oder durch regelbare elektromotorische
Kräfte, welche in Lufttransformatoren mit veränderlicher gegenseitiger Induktivität
induziert werden.
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Der Aufbau der mit Kompensationswiderständen und Stromwendern ausgestatteten
Meßanordnungen ist kompliziert und kostspielig, ihre Handhabung ziemlich umständlich.
Die mit Lufttransformatoren arbeitenden Meßeinrichtungen haben zwar einen einfachen
Aufbau, doch ist hier die Auswertung der Meßergebnisse mühselig und zeitraubend;
auch können die Messungen durch den Einfluß magnetischer Fremdfelder erheblich gefälscht
werden. Die eigentlichen Meßresultate ergeben sich bei diesen bekannten Anordnungen
nach einigen Zwischenrechnungen aus den Amplituden der beiden Teilspannungen. Eine
unmittelbare Ablesung der Meßergebnisse ist hier nicht möglich.
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Die Erfindung stellt ein Meßverfahren dar, «-elches ermöglicht, Amplitude
und Phase von Wechselströmen und Wechselspannungen unter Vermeidung von Fremdfeldeinflüssen
genau zu messen und die Meßergebnisse ohne Zwischenrechnungen unmittelbar an entsprechend
geeichten Skalen abzulesen. Dies wird erfindungsgemäß erreicht unter Zuhilfenahme
eines neuen, besonders einfachen und billig herstellbaren Wechselstromkompensators,
welcher bei niederen und mittleren Frequenzen anwendbar ist. Er ist infolge seiner
einfachen Handhabung für technische Messungen besonders geeignet.
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Die Grundgedanken der Erfindung sind folgende: Die beiden zur Kompensation
dienenden
Teilspannungen werden als regelbare Spannungsabfälle
an zwei mit Schleifkontakten versehenen und leitend miteinander verbundenen Meßdrähten
abgegriffen, die von zwei um go° in der Phase gegeneinander verschobenen Wechselströmen
durchflossen werden, welche dieselbe Frequenz besitzen wie die zu prüfende Wechselspannung,
und zwar derart, daß das Verhältnis der abgegriffenen Teilspannung zur wirksamen
Drahtlänge bei beiden Meßdrähten dasselbe ist.- Da die abgegriffenen Teilspannungen
den wirksamen Drahtlängen proportional sind, so können an zwei unter den Meßdrähten
angebrachten Skalen die Amplituden der beiden Teilspannungen in elektrischen Spannungseinheiten
abgelesen werden, wenn man die Stromstärken der die Meßdrähte durchfließenden Ströme
so wählt, daß sich ein zur bequemen Ablesung geeigneter Proportionalitätsfaktor
zwischen Meßdrahtlänge und Teilspannung ergibt. Amplitude und Phasenlage der zu
prüfenden Wechselspannung sind somit ebenfalls bestimmt.
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Die beiden Meßdrähte sind leitend miteinander verbunden, so daß jeder
Meßdraht in zwei Teile geteilt ist, an denen positive und negative Spannungsabfälle
abgegriffen werden. Die leitende Verbindung der Meßdrähte geschieht zweckmäßig an
deren Mittelpunkten, und zwar derart, daß die Schleifkontakte, ohne die Verbindungsstellen
zu berühren, über die Meßdrahtmittelpunkte gleiten. Durch diese an sich bekannten
Maßnahmen wird erfindungsgemäß erreicht, daß ohne Zuhilfenahme von Stromwendern
Spannungsvektoren in allen Quadranten kompensiert werden können.
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In vielen Fällen ist es von besonderem Interesse, Amplitude und Phase
der zu untersuchenden Wechselspannungen ohne Zwischenrechnungen unmittelbar an entsprechend
geeichten Skalen ablesen zu können.
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Dies wird in nachstehend beschriebener Weise erreicht: Die beiden
zur Kompensation dienenden Teilspannungen werden als Spannungsabfälle an zwei gleichartigen,
mit Schleifkontakten versehenen Meßdrähten abgegriffen, welche in einem räumlichen
Winkel von go° angeordnet sind und von zwei um go° in der Phase verschobenen Wechselströmen
gleicher Stromstärke durchflossen werden, welche dieselbe Frequenz besitzen wie
die zu prüfende Wechselspannung. Mittels der Schleifkontakte werden an den Meßdrähten
Drahtlängen abgegriffen, welche den bei Kompensation wirksamen Teilspannungen proportional
sind. Dabei sind die beiden Schleifkontakte mit zwei Zeigern versehen, welche sich
über einem i Koordinatennetz kreuzen, aus dem nach erfolgter Kompensation aus der
Lage des Kreuzungspunktes der beiden Zeiger die Meßresultate unmittelbar abgelesen
werden. Eine besonders bequeme Ablesung der Meßergebnisse und eine zeichnerische
Festlegung derselben wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß mit Hilfe eines
um den Nullpunkt des Koordinatennetzes drehbaren, mit Eichteilung versehenen und
über einer Hilfsskala sich bewegenden Hilfszeigers, welcher den Kreuzungspunkt der
beiden Zeiger mit dem Nullpunkt des Koordinatennetzes verbindet, Amplitude und Phase
der zu prüfenden Wechselspannung abgelesen werden.
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Die in den Meßdrähten fließenden, um go° in der Phase verschobenen
Wechselströme können in an sich bekannter Weise einem Doppelgenerator oder einer
Phasenreglervorrichtung entnommen werden. Auch können sie in an sich bekannter Weise
durch Kunstschaltungen (go° - Schaltungen) erzeugt werden. Die Einstellung des Phasenwinkels
von go° zwischen den beiden Strömen kann in an sich bekannter Weise mit Hilfe eines
Elektrodynamometers oder einer Hilfskompensationsvorrichtung vorgenommen werden.
Auch läßt sich damit eine gleichzeitige Einstellung auf gleiche Stromstärke verbinden.
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Die Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der schematischen Abbildungen
erläutert.
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Der Erfindungsgedanke ist in Abb. r schematisch dargestellt. Die beiden
von den Wechselströmen I" 1Z durchflossenen Meßdrähte11,I1,1bI, sind in einem räumlichen
Winkel von go° auf einer ebenen Unterlage U fest angeordnet. Die Mittelpunkte A"
AZ der Meßdrähte sind leitend verbunden und es können mit Hilfe der auf Schlitten
S" SZ verschiebbaren Schleifkontakte Ki, KZ an den Meßdrähten beliebig einstellbare
Spannungsabfälle E" EZ beliebiger Richtung abgegriffen werden, welche stets den
an den Meßdrähten wirksamen Drahtlängen L,,, ZZ proportional sind. Da die beiden
Meßdrähte in bezug auf Material, Querschnitt und spezifischen Widerstand gleichartig
beschaffen sind und da die in den Meßdrähten fließenden Wechselströme gleiche Stromstärke
besitzen, so ist das Verhältnis ; der abgegriffenen Teilspannung zur wirksamen Drahtlänge
bei beiden Meßdrähten dasselbe:
Wie Abb. z schematisch zeigt, sind die beiden Schleifkontakte mit zwei an den zugehörigen
Schlitten fest angebrachten Zeigern Z" Z= (Fadenzeiger) versehen, welche sich über
einem Koordinatennetz D kreuzen. Die Verbindungslinie zwischen dem Kreuzungs-
Punkt
P der beiden Zeiger und dem N ullpunkt 0 des Koordinatennetzes entspricht in bezug
auf Länge und Richtung der Amplitude und Phase der zu prüfenden Wechselspannung,
und zwar ist naturgemäß das Verhältnis zwischen Länge dieser Verbindungslinie OP
= Lx und der zugehörigen Wechselspannung Ex dasselbe wie bei den beiden Meßdrähten:
Ist das Koordinatennetz als Polarkoordinatensystem ausgebildet, so wie es Abb. i
als Beispiel darstellt, so kann nach erfolgter Kompensation aus der Lage des Kreuzungspunktes
P Amplitude und Phase der zu prüfenden Wechselspannung E,,; unmittelbar abgelesen
werden. Sind die Radien des Polarnetzes in elektrischen Spannungseinheiten geeicht,
so kann die Amplitude unmittelbar in Spannungseinheiten abgelesen werden, was eine
Zwischenrechnung zur Berücksichtigung des Proportionalitätstaktors zwischen E,x
und L,x überflüssig macht. Die Phasenlage der Wechselspannung E,, zum Polarnetz
wird an einer Winkelskala W abgelesen.
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Um die Meßergebnisse nicht nur ablesen, sondern auch zeichnerisch
festlegen zu können, ist an der Meßeinrichtung ein um den Nullpunkt 0 des Koordinatennetzes
drehbarer, als Lineal ausgebildeter Hilfszeiger Z3 befestigt, welcher von Hand so
eingestellt wird, daß er die Punkte P und 0 verbindet. Es kann zunächst an einer
am Hilfszeiger angebrachten Eichteilung Y' die Amplitude und an der Winkelskala
W die Phase von Ex abgelesen werden. Darauf wird unter Benutzung des Lineals die
Einstellung der Verbindungslinie 0-P zeichnerisch festgelegt. Die zeichnerische
Darstellung wird zweckmäßig auf auswechselbaren Papierunterlagen o. dgl. vorgenommen.
Abb.2 zeigt als Beispiel die Schaltungsweise der neuen Meßeinrichtung. Ml ist über
einen Wechselstrom-Strommesser H, beispielsweise ein Hitzdrahtinstrument, über einen
Regulierwiderstand R1 und über die Primärspule eines zweckmäßig astatisch ausgebildeten
Lufttransformators t unter Zwischenschaltung eines Isoliertransformators T, mit
einer Phasenreglervorrichtung B verbunden, welche in dem in der Abbildung dargestellten
Beispiel als Brückenschaltung ausgebildet ist. M2 ist über einen induktions-und
kapazitätsfreien Widerstand r und einen Regulierwiderstand R2 unter Zwischenschaltung
des Isoliertransformators T2 ebenfalls an die Phasenreglervorrichtung angeschlossen.
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Die an die Stromquelle G angeschlossene Brückenschaltung B, bestehend
aus drei Widerständen F, F2, F3 und einem Konden Bator C, ermöglicht, den Phasenwinkel
dei Ströme I, I2 auf den Wert von goo einzustel len, während mit Hilfe der Regulierwider
stände die Ströme auf gleiche Stromstärk< einreguliert «-erden können:
Il - I» Z (h, I2) = 90°-Als Kennzeichen für die richtige Einstel.
lung dient in dem in Abb. 2 dargestellten Bei. spiel eine einfache Hilfskompensation,
welch( so ausgeführt wird, daß mittels des Null. instr umentes N2 die Spannungen
ei, e2 kom. pensiert werden. Nach bekannten Gesetzer gilt nach erfolgter
Kompensation: el = h # # # fr # (el.Il) = 900 und 0 e2 - 12
. r, Z- (e2, 12) = o
wo co die Kreisfrequenz und il die gegenseitige
Induktivität des Lufttransformators bedeutet. Werden die Werte r, c) und
71 so gewählt, daß r = co # ri ist, so gilt nach erfolgter Kompensation:
ei = e2, Z (ei, e2) - o o bzw. 18o o und somit Il = I2. ä. (Ill I2) = 900-Die
beschriebene Einstellung kann praktisch äußerst genau ausgeführt werden.
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Abb. 3 zeigt als weiteres Beispiel eine neue, besonders einfache und
vorteilhafte Schaltungsweise der beiden Meßdrähte Ml, M2; 1111, dem zweckmäßig ein
induktions- und kapazitätsfreier Widerstand RN parallel geschaltet wird, ist erfindungsgemäß
über diePrimärspule Sp,, eines Lufttransformators Tr, über einen Regulierwiderstand
R,. und über einen Wechselstrom-Strommesser H unter Zwischenschaltung des Isoliertransformators
Tr2 mit der Stromquelle G verbunden, während M2 mit einem Regulierwiderstand Hz
in Reihe geschaltet und an die Sekundärspule Spe des Lufttransformators angeschlossen
ist. Bei geeigneter Dimensionierung der Anordnung kann erreicht werden, daß der
Phasenwinkel zwischen I,. und I2 mit genügender Annäherung goo beträgt und
daß I,. und I2 gleiche Stromstärke besitzen.
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Die in Abb. 3 dargestellte Schaltung ergibt den Vorteil, daß der Phasenwinkel
zwischen I,. und I2 in weiten Grenzen von der Frequenz unabhängig ist, was bei den
bekannten Kunstschaltungen (9o°-Schaltungen) nicht der Fall ist. Die Einstellung
des Phasenwinkels (h, 12)
@.9o° geschieht hier selbsttätig, eine besondere
Abgleichung mittels Elektrodynamometers oder Hilfskompensation ist nicht erforderlich.
Der Einfluß magnetischer Fremdfelder
ist bei dieser Anordnung naturgemäß
stark vermindert.
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Die neue, in Abb. 3 dargestellte Schaltungsweise kann bei der praktischen
Durchführung @ an Kompensationsmessungen auch in vielen anderen Fällen mit Vorteil
angewendet werden, so z. B. wenn statt der beiden Meßdrähte zwei mit Abgreifkontakten
versehene Kompensationswiderstände in Verbindung mit Schaltvorrichtungen benutzt
werden, welche die Strornrichtung in den beiden Kompensationswiderständen beliebig
einzustellen ermöglichen.
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Die eigentlichen -Messungen werden in der Weise ausgeführt, daß die
hintereinandergeschalteten, an den Schleifkontakten K" K abgegriffenen Teilspannungen
El, EZ mittels des N ullinstrurnentes 11 %, gegen die zu prüfende Wechselspannung
Ex kompensiert werden (Abb. 2 und 3). Was die Hilfsschaltungen betrifft, welche
an den Meßobjekten vorgenommen werden, so gilt hier dasselbe wie bei den bekannten
Kompensationsmethoden. Das neue Meßverfahren zeichnet sich durch große Einfachheit
und Genauigkeit aus und gestattet bei Vermeidung von Fremdfeldeinflüssen eine unmittelbare
Ablesung und zeichnerische Darstellung der Meßergebnisse. Während das -'erfahren
besonders für vergleichende Messungen in mehreren verschiedenen Stromkreisen, die
magnetisch oder galvanisch gekoppelt sind, geeignet ist, kann die Methode auch zur
Messung von Induktionskonstanten und Scheinwiderständen sowie zu Kapazitätsbestimmungen
und ähnlichen Messungen benutzt werden. Das zu prüfende Meßobjekt wird dann mit
einem bekannten induktions-und kapazitätsfreien Widerstand in Reihe geschaltet,
und es werden mit der beschriebenen Ueßeinrichtung Strom und Spannung bestimmt und
gleichzeitig der Phasenwinkel zwischen diesen Größen ermittelt.
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Das neue Meßverfahren ist sowohl bei technischen Periodenzahlen als
auch bei Frequenzen, wie sie z. B. in der Fernsprechtechnik verwendet werden, anwendbar.
Auch bei Hoch.-frequenz ist seine Anwendbarkeit möglich, wenn ein Nullinstrument
geeigneter Art verwendet wird und wenn man dafür sorgt, daß kapazitive und induktive
Beeinflussungen zwischen Teilen der Meßanordnung ausgeschlossen sind.