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Vorrichtung zur elektrischen Fernübertragung von Meßwerten o. dgl.
durch Induktionswirkung unter Verwendung einer von der Meßgröße beeinflußten beweglichen
Stromspule Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur elektrischen Übertragung
der Angaben eines Meß- oder Anzeigeinstrumentes beliebiger Art, beispielsweise eines
elektrischen Meßinstrumentes, eines -Manometers, Thermometers, Flüssigkeitsstandanzeigers
o. dgl. Die Vorrichtung baut sich auf dem Grundsatz des sogenannten Induktionsdynamometers
auf, d. h. einer mit Wechselstrom gespeisten elektromagnetischen Vorrichtung, innerhalb
welcher eine bewegliche Spule der Induktionswirkung eines magnetischen Wechselfeldes
ausgesetzt wird, so daß ein elektrischer Strom in der Spule entsteht, der eine solche
Richtung hat, daß er durch elektrodynamische Kraft danach strebt, die Spule in die
Lage zu führen, in welcher die vom Felde ausgeübteInduktionswirkung ihren Minimumwert
hat. Dem primären Instrumentausschlag, der Meßgeräte, deren Übertragung die Vorrichtung
bezweckt, muß demg em.i iß zuerst die Form eines mechanischen Momentes oder einer
mechanischen Kraft gegeben werden, was auf beliebige Weise erfolgen kann.
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Gemäß der Erfindung wird die Anordnung so getroffen, daß dieser von
der Meßgröße herrührenden mechanischen Verstellkraft durch die elektrodynamische
Kraft des bei Ausschlag aus der Ruhelage in der Spule induzierten Stromes das Gleichgewicht
gehalten wird. Die Ablesung erfolgt hierbei über Fernleitungen an einem elektrodynamischen
Instrument der Wattmesserbauart, dessen eine Wicklung mit der festen Magnetisierungswicklung
und dessen andere Wicklung mit der beweglichen Stromspule in Reihe geschaltet ist.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung der in den Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele.
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In Abb. i bezeichnet i einen Kern aus magnetischem Material, 2 eine
auf diesem angebrachte Magnetisierungswicklung, die von einer Wechselstromquelle
3 gespeist wird. Die Wicklung 2 wird im folgenden als die primäre Wicklung bezeichnet.
Ferner bezeichnet 7 eine sekundäre Wicklung, die im Luftspalt des Kernes i beweglich
angebracht und im Punkte ,4 drehbar gelagert ist. ß ist ein schematisch eingetragenes
ausgleichendes Gegengewicht.
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Das von dem Meßwert, dessen Größe zu übertragen ist, herrührende mechanische
Moment oder die mechanische Kraft wird schematisch mit dem Momentpfeile 5 oder dem
Kraftpfeile 6 bezeichnet. Im folgenden wird
das Moment, womit die
primäre Verstellkraft 5, 6 das _ bewegliche System 7, q, 8 betätigt, einfach das
primäre Moment genannt.
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Die Wirkungsweise des bisher beschriebenen Teiles der Vorrichtung
ist wie folgt: In einer gewissen mittleren Stellung der beweglichen Spule 7 wird
in dieser von den Kraftlinien des durch die Spule 2 erzeugten Wechselflusses kein
Strom induziert. Sobald aber die Spule 7 aus dieser Stellung entfernt wird, wird
sie so von den Kraftlinien durchströmt, daß durch Induktionswirkung ein Wechselstrom
in dieser Spule hervorgerufen wird, wenn der Stromkreis der Spule 7 geschlossen
ist. Dieser Wechselstrom läßt sich in zwei Komponenten teilen, von welchen die eine
der Konduktanz (Wirkleitwert) des Stromkreises proportional und mit der induzierten
elektromotorischen Kraft gleichphasig ist, während die andere der Suszeptanz (Blindleitwert)
des Stromkreises proportional ist und 9o° nach der induzierten elektromotorischen
Kraft in Phase liegt. Die ersterwähnte Komponente, die um 9o° in bezug auf den Luftspaltfluß
des Kernes i phasenverschoben ist, erzeugt natürlich keine elektrodynamische Kraft,
während die andere Komponente, die mit dem Luftspaltfluß in Phase ist, eine derartige
Kraft herbeiführt. Es läßt sich theoretisch leicht nachweisen,-daß diese Kraft immer
so eingerichtet ist, daß die Spule 7 in die Lage strebt, wo sie vom Flusse Null
durchsetzt wird. Die Bedingung dafür ist nur, daß die Suszeptanz (Blindleitwert)
des sekundären Stromkreises nur induktiver (nicht kapazitiver) Natur ist, eine Bedingung,
die im folgenden als erfüllt vorausgesetzt wird.
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Je weiter die Spule 7 aus ihrer Nullstellung gebracht wird, um so
kräftiger wird natürlich die Kraft, die danach strebt, sie zurückzuführen. Wenn
nun die einzige äußere Kraft oder das einzige äußere Moment, welche bzw. welches
das bewegliche System betätigt, aus dem oben festgestellten primären Momente besteht,
so liegt auf der Hand, daß dieses primäre Moment durch die elektrodynamische Kraft
der Spule 7 selbsttätig im Gleichgewicht gehalten wird, indem die Spule immer eben
um so viel aus ihrer Nullstellung gebracht wird, wie für die Induzierung des zum
Kraftausgleich erforderlichen Stromes nötig ist. Die Spule 7 wirkt also im Verhältnis
zum primären Moment wie eine elastische Feder.
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Die weitere Aufgabe besteht darin, die Fernablesung zu ordnen. Es
ist klar, daß die elektrodynamische Kraft der Spule 7 dem effektiven Produkt des
Luftspaltflusses und des Stromes der Spule 7 immer proportional ist, wobei man unter
effektivem Produkt den Zeitmittelwert des Produktes der Momentwerte des Flusses
und des Stromes versteht. Wenn nun der Kern i für niedrige magnetische Dichtigkeiten
abgemessen ist, so wird die erwähnte Kraft dem effektiven Produkt der Ströme in
den betreffenden Spulen 2 und 7 proportional. Gemäß, der Erfindung hesteht nun das
Ableseinstrument i o aus einem elektrodynamischen Instrumente der Wattmeterart,
dessen beide Spulen i i und 12 über eine Übertragungsleitung 94 mit den Spulen 2
und 7 in Reihe geschaltet sind. Das Instrument io reagiert ja immer auf das effektive
Produkt der beiden Ströme und also im vorliegenden Falle mittelbar auf das primäre
Moment. Diese Angabe gilt natürlich unabhängig von Schwankungen der Spannung der
Stromquelle 3, der Periodenzahl und der Kurvenform und unabhängig von< Schwankungen
des Widerstandes der Übertragungsleitung usw. Derartige Schwankungen führen nur
entsprechende Änderungen der jedem Werte des primären Momentes entsprechenden Schrägstellung
der Spule 7 herbei.
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Zu bemerken ist, daß die Schwierigkeit in gewöhnlichen Wattmetern,
die darin liegt, daß der eine Kreis genau induktionsfrei gemacht werden muß, um
durch seinen Strom eine Spannung unmittelbar anzugeben, hier nicht vorliegt. Man
wünscht ja, das effektive Produkt von zwei Strömen zu messen. Der gewöhnlich vorkommende
Reihenwiderstand im Spannungskreis des Wattmeters kommt also hier nicht vor.
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Weil der sekundäre Stromkreis bis zu einem gewissen Maße induktiv
sein muß, ist eine in diesem Stromkreis systematisch eingeschaltete Induktanz erforderlich.
Diese läßt sich durch den Kern i selbst leicht erhalten, welcher sich mit der in
Fig. i gezeichneten Form durch die Spule 7 erstreckt. Durch Abpassen von kleinen
Luftspalten 13 in diesem Kern läßt sich die für die günstigste Arbeit gegeignete
Induktanz leicht herstellen.
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In dem Falle, daß das primäre Moment seine Richtung wechseln kann,
wechselt auch die elektrodynamische Kraft die Richtung und damit auch der Ausschlag
des Ableseinstrumentes io. Dieses wird in solchem Falle zweckmäßig mit doppelseitiger
Skala und Nullpunkt in der Mitte geführt.
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Das oben beschriebene System läßt sich auch zum Ablesen der Summe
oder -des Unterschiedes von zwei oder mehreren Meßgrößen verwenden. Dies ist in
der Abb. 2 dargestellt, wo die Summe oder der Unterschied der Ausschläge von zwei
Meßgrößen auf einem gemeinsamen Ableseinstrument io abgelesen wird. Hierbei werden
die Primärwicklungen 2', 2" der einzelnen Instrumente untereinander in Reihe geschaltet,
während
die Sekundärkreise parallel geschaltet werden. Je nachdem
wie sich die Schaltungsrichtung eines gewissen derartigen Sekundärkreises zu den
übrigen Sekundärkreisen verhält, kommt der Ausschlag des zugehörigen Primärinstrumentes
mit Plus- oder Minuszeichen zum Ausschlag im Ableseinstrument io.
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Ein typisches Beispiel zur Anwendung des übertragungssystems nach
der Erfindung wird in Abb. 3 dargestellt, die einen Flüssigkeitsstandanzeiger, beispielsweise
einen Pegel in einer Wasserkraftanlage oder einem Wasserleitungswerk, veranschaulicht.
Hier ist 14 ein in die Flüssigkeit 15 teilweise eintauchender Körper, der zweckmäßig
zylindrisch und hohl ist sowie hermetisch verschlossen wird.
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Der Körper 14 hängt unmittelbar oder über einer zweckmäßigen Übersetzung
am beweglichen System des Instrumentes. Die Vorrichtung wird durch Einstellen eines
Zusatzgewichtes 8 für einen gewissen Flüssigkeitsstand abgeglichen. Bei wechselndem
Flüssigkeitsstand werden die Verschiebungsschwankungen selbsttätig von der elektrodynamischen
Kraft im Luftspalt aufgenommen und durch das Instrument io abgelesen, das demgemäß
direkt entsprechend dem Flüssigkeitsstand geeicht werden kann. Wenn das mechanische
Gleichgewicht so eingestellt wird, daß die erforderliche elektrodynamische Kraft
bei etwa mittlerem Flüssigkeitsstand Null ist, läßt sich der ganze positive und
negative Ausschlagsbereich verwerten und damit eine Skala von beinahe i8o° erhalten.
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Die Erfindung umfaßt selbstverständlich alle Vorrichtungen, welche
eine Anwendung von dem in der Beschreibung und in den Patentansprüchen dargestellten
allgemeinen Grundsätzen sind. Es kann beispielsweise die Ablesung auf mehreren Stellen
durch Anordnen einer 'Mehrzahl Ableseinstrumente gleichzeitig erfolgen, welche zweckmäßig
untereinander in Reihe geschaltet werden.