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Hochempfindliche elektrische Meßanordnung für Wechselstrom, der in
einem Unterbrecher gleichgerichtet und einem Gleichstrommeßgerät zugeführt wird
Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Meßgerät für Wechselstrom. Hierunter
sind nicht nur die anzeigenden und schreibenden Meß,geräte im engeren Sinne zu verstehen,
sondern auch solche Geräte, die nur einen schwachen Wechselstrom nachweisen sollen,
beispielsweise solche, die an Stelle von Telephonen, Vibrationsgalvanometern o.
dgl. im Ausgleichszweig einer Brücken- oder Kompensationsschaltung verwendet werden.
Das Meßgerät kann: dabei in jeder Art von Griißen geeicht sein, so daß der gemessene
Wechselstroin als Maß für eine beliebige andere Größe dienen kann; z. B. für Umdrehungen
einer Welle. Das Gerät kann auch als Relais dienen.
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Es ist bekannt, daß es Meßgeräte für Wechselstrom. init gleicher elektrischer
Empfindlichkeit und mechanischerUnempfindlichkeit wie die der Meßgeräte für Gleichstrom
bisher nicht.gibt. Das hängt im wesentlichen damit zusammen, daß die Wechselstrommeßgeräte
auf das Quadrat der Stromstärke ansprechen und datier in ihnen für sehr kleine Stromstärken
außerordentlich kleine Drehmomente wirken. Man suchte nun eine ähnliche Empfindlichkeit
wie bei Gleichstrommessungen auch bei Wechselstrom.messungen dadurch zu erreichen,
('aß man den Wechselstrom zunächst gleichrichtete und den gleichgerichteten Strom
mit einem der üblichen Gleichstrommeßgeräte maß. Man verwandte beispielsweise von
der strohliefernden Maschine unmittelbar oder von einem Synchronmotor angetriebene
Umschalter, teils in Form von Schleiftrommeln mit Schleifbürsten als Kontaktmacher
oder in Forme von federnden Druckkontakten, die mittels tunlaufenderDaumenscheiben
betätigt wurden. Diese Einrichtungen sind teils zu verwickelt, teils hedingen sie
unbequeme Isolationen oder sie verhalten sich ini Betriebe ungünstig.
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Neben den Stromwendern mit umlaufenden Teilen sind auch schwingende
Unterbrecher, insbesondere die zum Aufladen von Sammelbatterien üblichen Pendelgleichrichter
bekannt. Diese haben ebenso wie bekannte Unterbrecher mit hoher Eigenfrequenz den
--Nachteil, (:aß ihre Kontaktgabe nicht genau genug ist, um das Meßgerät für regelmäßige
Arbeiten brauchbar ztt machen, denn die Meßwerte lassen sich nicht genau reproduzieren.
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Gemäß der Erfindung ist ein außerordentlich genaues und regelmäßiges
Arbeiten schwingender Unterbrecher, die unabhängig von den wechselnden Arbeitsbedingungen
in ien wichtigen Punkten der Wechselspannung umschalten sollen, dadurch gewährleistet,
daß ein beweglicherUnterbreclierkontakt an einem plattenförmigen Körper angeordnet
ist, der
an mindestens zwei gegenüberliegenden Kanten eingespannt
ist und,' durch Wechselstrom aus derselben Stromquelle wie der Meßstrom in, erzwungene
Schwingungen versetzt wird.
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Der die Kontakte steuernde Schwinger wird infolge seiner großen Steifigkeit
nicht durch Erschütterungen beeinflußt, seine Bewegung erhält bei Wechsel: der Frequenz
keine wechselnde Phasenverschiebung gegen die erregende Spannung, er arbeitet also
praktisch unabhängig von der Frequenz. Ganz besonders vorteilhaft ist die Verwendung
einer allseitig eingespannten Membran als schwingender Träger für den beweglichen
Kontakt. Dabei wird der Mittelteil der Membran in an sich bekannter Weise durch
einen gleichzeitig als Anker dienenden starren Körper versteift, so daß infolge
der Ringform dies elastischen Teiles eine vollkommen parallele Führung des den beweglichen
Kontakt tragenden Ankers erzielt wird. Das gibt eine ganz besonders saubere Kontaktbildung.
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Besonders zweckmäßig ist dabei die ebenfalls, und zwar für Telephone
bekannte Verwendung einer sehr dünnen: Membran, zumal in Verbindung mit .einem Magnetsystem
von geringerem magnetischen Widerstand.
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Derartige Gleichrichter zeichnen. sich durch eine geringeEnergieaufnahme
aus, die wesentlich geringer ist als bei den bekannten Vorrichtungen, z. B. den
Pendelgleichrichtern. Diese geringe Energieaufnahme ermöglicht auch eine mit geringen
Mitteln durchführbare Einstellung der Schwingungsphase des Gleichrichters. Weiter
erhalten Gleichrichter mit #lünnen ringförmigen Membranen so kleine Abmessungen,
daß sie kaum größer sind. als die Vor- oder Nebenwiderstände, die man in Verbindung
mit Gleichstromgeräten zur Herstellung anderer Meßbereiche verwendet.
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In der Zeichnung ist ein AusfÜhrungsbeispiel der Erfindung schematisch
in senkrechtem Schnitt stark vergrößert dargestellt. Eine Kapsel i enthält einen
Dauermagneten 2, beispielsweise in Gestalt eines geschlossenen Ringes oder in Gestalt
von zwei halbkreisförmigen Einzelmagneten, die mit gleichnamigen Polen einander
berühren und sich zu einem Ring ergänzen. Der eine Polschuh trägt einen Mittelstift
3, auf dem eine an die zu untersuchende Wechselstromquelle 14 angeschlossene Wechselstromwicklung
4 at?geschlossen ist. Der andere Polschuh 3' umgibt den Stift 3 konzentrisch in
Ringform. Am freien Ende nähern sich die Pole stark. Die Membran 5 besteht aus einer
sehr dünnen Metallhaut und trägt in der Mitte einen über seine ganze Fläche daran
befestigten Eisenanker 6. Sie ist an einem Ring 7 entweder von. vornherein mit starker
radialer Spannung befestigt oder es wird' in nicht dargestellter Weise ein besondrer
Spannring, der an der Kapsel i befestigt sein kann, durch mehr oder weniger tiefes
Eir schnauben des Tragringes 7 in die Membran hineingedrückt. Die Membran bildet
den einen Abschlußdeckel einer flachen, geschlossenen Kapsel 8, der andere
Deckel 8' besteht .entweder ganz oder in seinem mittleren Teil aus Isolierstoff
und trägt in der Mitte eine durch Feingewinde einstellbare Kontaktschraube g. Ihr
gegenüber ist auf der Mitte des Eisenankers 6 ein beweglicher Kontakt io angeordnet.
Die Kontakte 9, io sind. der eine über ein Gleichstrommeßgerät2o, an die Wechselstromquelle
14 angeschlossen. Die Membranlmpsel8 ist in eine Ausdrehung der Kapsel i eingelegt
und mittels eines Gewinderinges i i befestigt. Sie kann in besonderen Fällen, wenn
Unterbrechen und Einschalten nicht bei Stromlosigkeit des Meßkreises erfolgen, sollen
und Zerfressungen des Kontaktkörpers zu befürchten sind, entgast oder mit neutralen
Gasen gefüllt sein. Man kann auch die anderen bekannten Alittel zur Unterdrückung
der Funken verwenden-., beispielsweise parallel geschaltete Kapazitäten.
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Der Kontakt 9 wird. mittels dies Feingewindes oder durch einen ,die
Ankeranziehung schwächenden magnetischen Nebenschluß in der Regel so eingestellt.
daß er den Gegenkontakt io gerade noch berührt, wenn kein Strom durch die Wechselstromwicklung
.I fließt. Es findet dann bereits bei der geringsten Ablenkung der Membran 5 in
Richtung auf die Polschuhe 3, 3' :eine Unterbrechung statt. Das Ein- und Ausschalten
erfolgt, sofern die Membranbewegung der erregenden Spannung mit gleicher Phase folgt,
genau in den Punkten des Durchgangs der Spannungskurve durch Null.
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Die genannte Forderung kann leicht auf verschiedene Weise erreicht
werden, beispielsweise durch große induktionsfreie Vorwiderstände 12,13 vor derWechselstromwicklung4,
m5glichst in gleichem Betrage zu beiden Seiten der Wicklung.
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Man kann aber auch die Wecbselstromwicklung 4 an Kunstschaltung zur
Phasenverschiebung oder einen Phasenregler anschließen, die beide wegen der geringen
Leistungen, die für die Erregung benötigt werden, mit den allergeringsten: Abmessungen
ausgeführt werden können. Ein Regler kann infolgedessen tnit der Kapsel i mechanisch
verbunden werden. Der feststehende Teil trägt beispielsweise die Primärwicklung,
der bewegliche, mit einem Skalenknopf verstellbare Anker, die Sekundärwicklung.
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Die Einstellung auf Phasengleichheit zwischen der Bewegung des Schwingers
und denn zu untersuchenden und zu messenden Wechselstrom
kann so
erfolgen, daß das Gleichstromgerät 2o auf größten Ausschlag gebracht wird, oder
noch besser so, daß man auf Verschwinden des Zeigerausschlages einstellt und' den
Phasenregler um 9o elektrische Grade verdreht. Das zweite Verfahren ist genauer,
da der Durchgang der Kurve durch Null sich. sicherer feststellen läßt als ihr Scheitelwert.
Es kann auch in der Form verwendet werden, daß man einen Kondensator in den Stromkreis
des Unterbrechers schaltet und dadurch eine Phasenverschiebung um- 9o ° erzeugt.
Für die eigentliche Messung muß -,tann der Kondensator wieder ausgeschaltet werden.
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Will man beide Halbwellen des Wechselstromes für die Messung ausnutzen,
so kann man vier Mernbranunterbrecher in der bekannten Graetzschen Schaltung zusammenbauen.
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Die Unterbrecherkontakte 9, io können sowohl in Reihe mit dem, Gleichstromgerät
20 geschaltet sein oder parallel zu ihm, wobei allerdings der Widerstand des Gerätes
groß sein muß im Verhältnis zum, Übergangswiderstand der Kontakte.
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Das neue Gerät ist, wie die Versuche gezeigt haben, besonders für
sehr genaue quantitative Messungen von Wechselströmen oder mit. solchen zusammenhängenden
Größen verwendbar, da durch den neuen Unterbrecher die Genauigkeit des verwendeten
Gleichstromgerätes wirklich ausgenutzt wird. Selbst starke Erschütterungen können
dem T\-1eml)ranunterbrecher nichts anhaben. Die Einstellung des angeschlossenen
Meßgerätes bleibt dabei unverändert. Auch. wer#len die Angaben von der Änderung
der Arbeitsverhältnisse im Unterbrecherkreis nicht beeInflußt. Sie sind unabhängig
von Frequenziinrl Belastungsänderungen. Die oszillographische Untersuchung hat weiter
gezeigt, daß das Ein- und Ausschalten m,it größter Genauigkeit beim Durchgang des
Stromes durch Null erfolgt, und daß leine Verzerrung irgendwelcher Art in der Stromkurve
auftritt. Bemerkenswert ist auch die besonders gedrängte Form des neuen Gerätes.
Alles in allem, liegt ein Gerät für Wechselstrom vor mit einer elektrischen Empfindlichkeit
bei mechanisch wenig empfindlichem, Bau, die man bisher auch nicht annähernd erreicht
hat, obgleich bei dem großen. Bedarf die größten Anstrengungen zur Steigerung der
Empfindlichkeit gemacht worden sind.