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Elektrodynamisches Meßgerät für Wechselströme Die Erfindung betrifft
ein elektrodynamisches Meßgerät für Wechselströme, bei dem die Gleichgewichtslage
des beweglichen Elementes nur von dem Verhältnis der Ströme in verschiedenen Spulen
abhängt, während die Eigenfrequenz von den absoluten Werten der Amplitude dieser
Ströme abhängt.
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Die Erfindung besteht darin, daß das Meßgerät aus einer Anzahl von
Induktorsystemen besteht, deren mit Wechselstrom gespeiste Spulen über unabhängigen,
fast geschlossenen magnetischen Kreisen angeordnet sind, und daß das Meßgerät aus
einer um die Hälfte kleineren Zahl von induzierten Systemen besteht, die mechanisch
miteinander verbunden sind und jedes aus einer in den Luftspalten der entsprechenden
magnetischen Kreise angeordneten beweglichen kurzgeschlossenen Wicklung zusammengesetzt
ist.
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Die weitere Erfindung besteht darin, daß das bewegliche System auf
einem einzigen Zapfen so angeordnet ist, daß es im Raum hin und her schwingen kann,
und daß es starr mit einer geraden Anzahl von kurzgeschlossenen Wicklungen verbunden
ist, die einer gleichen Zahl von Paaren von Magnetkreisen entsprechen, wobei jede
Hälfte dieser Paarzahl durch zwei unabhängige Ströme gespeist wird und jeder. dieser
beiden Ströme, der einen Kreis speist, zu jedem besonderen Paar gehört.
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Gemäß der weiteren Erfindung ist dem durch die Spulen fließenden Erregungswechselstrom
ein Gleichstrom überlagert, der zweckmäßig regelbar ist.
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Bei der einfachsten Ausführungsform kann der bewegliche Zeiger nur
eine Drehung um eine Achse ausführen; notwendig sind nur zwei Erregungsspulen, während
eine einzige Kurzschlußwindung zur Erzeugung des Drehmomentes genügt; der Ausschlag
ist dann proportional dem Quotienten der Differenz der magnetischen Felder, die
von den beiden Erregungsspulen herrühren, und der Summe dieser Felder. Mit andern
Worten, wenn man diese Felder mit H1 und H2 bezeichnet und mit a. den Ausschlag
und mit a, einen Proportionalitätskoeffizienten, so ist
Der Ausschlag u folgt dem Sinne von (H,- H.-) und hängt nur von den Verhältnissen
derjenigen
Striime ab, die die Felder Hl und H2 -erzeugen; zumindest in den Grenzen, wo keine
Sättigung besteht, ist
Bei einer komplizierteren Ausführungsform hat der bewegliche Zeiger einmal eine
Drehbewegung um eine erste Achse und gleichzeitig um eine zweite, dazu senkrecht
stehende Achse (nach Art einer Kardananordnung) ; in diesem Falle sind mindestens
zwei Paar Erregungsspulen und mindestens zwei Kurzschlußspulen erforderlich; wenn
man nunmehr mit H3 und H4 die Felder bezeichnet, die von einer zweiten Spulengruppe
herrühren, so ist die Gleichgewichtslage des Zeigers (der innerhalb eines festen
Winkels eine beliebige Stellung einnehmen kann) vollständig definiert durch eine
Funktion (p:
In dem allgemeinen und kompliziertesten Falle endlich kann der Zeiger außer den
obenerwähnten Bewegungen noch eine Drehung um sich selbst machen; in diesem Falle
sind mindestens drei Paar Erregungsspulen und mindestens drei Kurzschlußspulen erforderlich.
Die Gleichgewichtslage des Zeigers und seine Orientierung um seine eigene Achse
sind dann vollständig bestimmt durch eine Funktion ip:
wo H5 und H, die beiden Felder sind, die von dem dritten Spulenpaar herrühren.
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In allen diesen Fällen sind die verschiedenen Felder angenähert in
Phase (oder in Gegenphase, je nach dem Wicklungssinn), derart, daß die Zusammensetzung
der beiden Felder keine Erzeugung von Drehfeldern zur Folge hat.
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Die Erfindung ist auf der Zeichnung in sechs Figuren dargestellt.
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Fig. i zeigt schematisch die wesentlichsten Teile der Erfindung.
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Fig. 2 zeigt, ebenfalls schematisch, ein Gerät gemäß der Erfindung.
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Fig. 3 und 4 zeigen eine Schaltung, bei der das Gerät als Frequenzmesser
benutzt wird. Fig. 5 zeigt eine Schaltung, bei der das Gerät zur direkten Messung
von Widerständen, Selbstinduktionen oder Kapazitäten benutzt wird.
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Fig. 6 zeigt die Ausführung eines Galvanometers.
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In Fig. i sind i und 2 zwei zweckmäßig gleiche und aus Blech hergestellte
Magnetkreise, 3 und 4 die beiden Feldspulen. Die Pfeile zeigen die Sinne des Fluxes
in einem gegebenen Augenblick an. 5 ist die den beweglichen Teil bildende Kurzschlußspule,
die derart gelagert ist, daß sie eine Bewegung von links nach rechts oder von rechts
nach links ausführen kann. Wenn die magnetischen Kreise identisch sind und einen
konstanten und gleichförmigen Luftspalt haben, wird die Gleichgewichtslage erreicht,
wenn der in der beweglichen Windung induzierte Strom Null ist, d. h. wenn der Gesamtflux
durch die Spule Null ist oder auch wenn
In den obigen Formeln ist H, die Feldstärke im Luftspalt des ersten Magnetkreises,
H2 die Feldstärke im Luftspalt des zweiten Magnetkreises, -x der Abstand der Kante
der beweglichen Spule von der Achse des Feldes im Luftspalt, 1a die halbe Breite
des Feldes.
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Diese Gleichgewichtslage ist übrigens konstant.
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Man erkennt, daß die magnetischen Kreise i und 2 getrennt sind.
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Im übrigen kann man die noch möglichen Verluste dadurch ausgleichen,
daß man die Magnetkreise zwischen Wangen anordnet-und bei 7 Verbindungsnieten vorsteht.
Diese Nieten 7 mit den Wangen 6 bilden dann eine Kurzschlußwindung, die sich dem
direkten Übergang des Fluxes von i nach 2 entgegensetzt.
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Bei der Ausführung gemäß Fig. 2 vollzieht die bewegliche Windung eine
Drehung um eine Achse 8, und ist der Zeiger 9 an der Kurzschlußwindung 5 befestigt.
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In Fig.3, die eine Frequenzmesserschaltung darstellt, sind 3 und 4
die beiden Spulen, io eine Kapazität. Eine Rechnung ergibt, daß es zweckmäßig ist,
die Spule 3 mit wenig Windungen auszuführen (Amperemeterspule) und die Spule 4 mit
vielen Windungen (Voltmeterspule an den Klemmen der Kapazität). Die Kapazität io
ist außerdem so bemessen, daß der Kreis 4-io eine Frequenz hat, die etwas unterhalb
der niedrigsten zu messenden Frequenz liegt. Unter diesen Bedingungen erhält man
eine gute Ablesungsempfindlichkeit auf jeder Skala, wobei nur die Skalenteile nach
den hohen Frequenzen zu enger zu werden brauchen.
Fig. 4. zeigt
eine Schaltung, die besonders für den Fall bestimmt ist, wo man einen kleinen Frequenzbereich
erhalten will. 3 und 4 sind hier die beiden Spulen, die zweckmäßig gleich sind,
io und ii zwei Kapazitäten. Der Kreis 3-11 wird auf eine Frequenz eingestellt, die
etwas unterhalb der niedrigsten zu messenden Frequenz liegt, und der Kreis 4-io
auf eine Frequenz etwas oberhalb der höchsten zu messenden Frequenz. Je mehr man
sich den Eigenfrequenzen der beiden Kreise nähert, um so kleiner wird der bedeckte
Bereich.
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Fig. 5 zeigt eine Schaltung, die es ermöglicht, zwei Impedanzen derselben
Art zu vergleichen (Kapazitäten, Selbstinduktionen, Widerstände oder Impedanzen,
die angenähert denselben Wert des Phasenwinkels haben). 3 und 4. sind die beiden
Spulen des Gerätes, die aus feinem Draht bestehen, während von i i und io die eine
eine -.\"ormalimpedanz und die andere die zu messende Impedanz darstellt.
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Fig.6 zeigt schematisch die Ausführung eines Galvanometers mit doppelter
Bewegung. Der Zapfen 12, der in einer Pfanne 13 liegt, trägt vier Arme 14, 15, 16
und 17, an deren Enden je eine feste Windung 5 sitzt. An zwei gegenüberliegenden
Armen, zum Beispiel 15 und 17, befindet sich die Lagerung des die Zeichen tragenden
Bandes g. An den beiden andern Armen ist eine Gabel 18 befestigt, die einen Dämpfer
ig trägt, bestehend etwa aus einem in eine Flüssigkeit eintauchenden Körper oder
aus einer anderen bekannten Luft-, magnetischen, elektromagnetischen, mechanischen
oder ähnlichen Dämpfungseinrichtung.
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Zweckmäßig verwendet man eine rein elektrische und außerdem kontinuierlich
regelbare Dämpfung des Zeigersystems. Zu diesem Zwecke überlagert man dem durch
die Spulen fließenden Wechselstrom einen zweckmäßig regelbaren Gleichstrom. Dadurch
induziert man während der Bewegung der beweglichen Windung Foucault-Ströme, wodurch
man jede gewünschte Dämpfung und insbesondere die kritische Dämpfung erzielen kann,
indem man die Stärke des Hilfsgleichstromes entsprechend regelt.
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Jede horizontale Seite- der Windungen 5 ist von Polen von Elektromagneten
3 und 4 umgeben, die auf die diametral gegenüberliegenden Windungen zusätzliche
Wirkungen hervorrufen, derart, daß durch das Spiel der Anziehungen und Abstoßungen
derWindungen durch die vier Arme 1q. bis 17 die Achse des beweglichen Systems aus
ihrer senkrechten Lage ausweicht und dabei eine Kegelfläche beschreibt, die ihren
Scheitel im festen Punkt des Zapfens hat. Wenn man die Lagerung des die Zeichen
tragenden Bandes g durch ein fünftes diametrales und vertikales System ersetzt,
analog dem System von jedem Arm, so erhält man den oben angegebenen Fall mit den
drei Bewegungsmöglichkeiten.
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Naturgemäß kann der feste Winkel auch eine horizontale Achse haben
und der Zapfen durch eine andere ausgeglichene Aufhängungsvorrichtung ersetzt werden.
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Wenn bei a11 den soeben beschriebenen Geräten die C'rleichgewichtdage
nicht die absolute Größe der Ströme, sondern nur der Stromverhältnisse in den verschiedenen
Spulen auftreten läßt, ist das Drehmoment, wenn sonst alles gleichbleibt, dem Feldquadrat
proportional. Man kann also die Eigenfrequenz des Galvanometers innerhalb weiter
Grenzen verändern, indem man auf den absoluten Wert der Ströme einwirkt. So kann
das Galvanometer gemäß Fig. 6 eine Eigenfrequenz von über ioo Perioden pro Sekunde
erreichen. Eine Rechnung zeigt in gleicher Weise, daß es mit Rücksicht auf schnelles
Funktionieren zweckmäßig ist, den Querschnitt der beweglichen Windung so zu wählen,
daß bei der in Frage kommenden Frequenz ihr Widerstand ungefähr gleich ihrer Reaktanz
ist. Es ist also zweckmäßig, unter sonst gleichen Bedingungen genügend hohe Frequenzen
zu wählen, um ein Gerät mit schneller Bewegung zu erhalten, beispielsweise in der
Größenordnung von einigen Tausend pro Sekunde.