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Verfahren zur objektiven Messung des Blindwiderstandes von elektrischen
Stromkreisen, insbesondere zur Bestimmung eines Fehlerortes in Fernleitungen mittels
Wechselstrom Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur objektiven Messung
des Blindwiderstandes von elektrischen Stromkreisen, welches insbesondere zur Bestimmung
eines Fehlerortes in Fernleitungen mittels Wechselstrom dient. Zunächst wird erfindungsgemäß
die Blindkomponente des Wechselstromwiderstandes bestimmt, indem dieser Blindwiderstand
durch einen zusätzlichen veränderlichen Blindwiderstand derart ergänzt wird, daß
die Phasenverschiebung zwischen der Spannung und dem Strom, den eine Wechselstromquelle
konstanter Frequenz über die Leitung und den Ergänzungswiderstand schickt, verschwindet.
Der Augenblick, in dem die Phasenverschiebung verschwindet, läßt sich beispielsweise
mit einem Blindwattmeter sehr genau bestimmen. Aus der Größe des zusätzlich eingeschalteten
Blindwiderstandes folgt die Größe des zu messenden Blindwiderstandes. Ist der zu
messende Blindwiderstand kapazitiv, so muß natürlich der einzuschaltende bekannte
Blindwiderstand induktiv sein, und umgekehrt. Der regelbare Blindwiderstand kann
derart geeicht werden, daß die Größe des zu messenden Blindwiderstandes unmittelbar
abgelesen werden kann. Ist der Blindwiderstand bestimmt, so wird weiter gemäß der
Erfindung der Ohmsche Widerstand dadurch festgestellt, daß das Verhältnis zwischen
dem Blindwiderstand und im Stromkreise vorhandenen Ohmschen Widerständen so eingeregelt
wird, daß eine bestimmte, von Null verschiedene Phasenverschiebung entsteht. Die
Durchführung dieses Teiles der Erfindung rnuß von einem anderen Blindwiderstand
ausgehen als dem bei der ersten Messung eingestellten; um die bestimmte Phasenverschiebung
zu erhalten, kann dann entweder der restliche Blindwiderstand oder ein zu diesem
Zwecke eingeschalteter Ohmscher Widerstand eingeregelt werden. Bei geeigneter Anordnung
läßt sich auch hier an dem Einstellorgan eine Skala derart anbringen, daß der zu
messende Wirkwiderstand unmitelbar "abgelesen werden kann.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung eignet sich insbesondere, um die
Entfernung des Fehlerortes in elektrischen Leitungen zu bestimmen. Es ist den bekannten
Widerstandsmeßverfahren für Wechselstromwiderstände durch seine Einfachheit überlegen,
so daß auch ein in solchen Messungen Ungeübter das Verfahren schnell und mühelos
handhaben kannr Gegenüber bekannten Verfahren,
bei welchen die mit
dem Leitungsfehler eintretende Änderung der Eigenfrequenz einer Leitung zur Bestimmung
des Fehlerortes benutzt wird, zeichnet sich die Anordnung gemäß der Erfindung durch
größere Zuverlässigkeit und erheblich größere Meßgenauigkeit aus.
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Um das Verfahren auch für solche Fälle anwendbar zu machen, wo beispielsweise
parallel zu einer auszumessenden Leitung andere Leitungen liegen, durch deren Betrieb
während der Messung Ströme auf der -auszumessenden Leitung induziert werden, ist
die Erfindung noch dahingehend ausgebaut worden, daß besondere Schaltungen für das
die richtige Einstellung der veränderlichen Widerstände anzeigende Gerät verwendet
werden, mit deren Hilfe die fremden Ströme für die Messung unschädlich gemacht werden.
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Für solche Fälle, wo keine störenden Nebeneinflüsse zu beseitigen
sind, wird das Verfahren gemäß der Erfindung erläutert durch die Ausführungsbeispiele
der Abb. i bis q..
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In Abb. i bedeuten i und 2 Fernleitungen, zwischen denen am Punkt
3 ein Kurzschluß entstanden ist. Eine Wechselstromquelle q. von bekannter Frequenz
speist den Stromkreis, der aus einer veränderlichen bekannten Selbstinduktion 5,
einem mittels eines Schalters iokurzschließbarenKondensator6bekannter Größe und
aus einem ebenfalls bekannten Regelwiderstand 7 besteht. Zur Anzeige des Phasenwinkels
zwischen Strom und Spannung im Meßkreis dient in den dargestellten Beispielen ein
Blindleistungsmesser B. Gemäß der Erfindung wird nunmehr der Kurzschlußschleife,
welche die Fernleitungen bilden, ein bekannter Blindwiderstand, z. B. die bekannte
Kapazität 6, zugeschaltet. Die veränderliche Selbstinduktion 5 wird darauf so eingeregelt,
daß die Spannung, welche am Kondensator 6 liegt, kompensiert wird durch die Spannung,
welche an der Gesamtinduktivität liegt, die aus der Induktivität der Kurzschlußschleife
und dem eingestellten Betrag der regelbaren Selbstinduktion 5 sich zusammensetzt.
Hat man die Selbstinduktion 5 so eingestellt, daß durch den Blindleistungsmesser
8 nur Wirkströme fließen, so wird das Instrument keinen Ausschlag zeigen, und man
weiß dann, daß der Blindwiderstand der Kurzschlußschleife durch die Größe der eingeschalteten
Selbstinduktion 5 auf einen solchen Wert ergänzt worden ist, daß der Blindwiderstand
des Stromkreises insgesamt gleich Null ist. Weil aber der Blindwiderstand einer
Leitung von ihrer Länge abhängt, stellt die Größe der zugeschalteten Selbstinduktion
5 ein Maß für die Entfernung der Kurzschluß. stelle dar. Man kann also an der Selbstinduktionsspule
5 eine Skala anbringen, welche nach der Einregelung unmittelbar die Entfernung des
Fehlerortes abzulesen gestattet.
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Statt mit der Induktivität die Einregelung des Blindwiderstandes vorzunehmen,
läßt sich hierfür auch eine regelbare Kapazität verwenden. Ferner läßt sich auch
die Induktivität ganz entbehren und die Abstimmung mit einem zu dem Kondensator
6 parallel zu schaltenden Regelwiderstand erreichen usw.
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Die absolute Empfindlichkeit der Meßinstrumente ist nun in der Nähe
der Nulleinstellung am größten, so daß man eine recht genaue Abstimmung der regelbaren
Selbstinduktion 5 erhält. Wenn außer dem Blindwiderstand auch noch die Größe des
Wirkwiderstandes der Fernleitung ermittelt werden soll, wird zunächst am Blindleistungsmesser
8 eine Änderung seiner inneren Schaltung vorgenommen, so daß nunmehr das Instrument
bei einer bestimmten Phasenverschiebung, beispielsweise bei einem Phasenwinkel von
2o°, den Wert Null anzeigt. Dann wird aus dem vorher eingestellten Stromkreis die
Kapazität durch Kurzschließen des Kondensators 6 entfernt, und der Widerstand 7
wird so einreguliert, daß wiederum der Zeiger des Instruments 8 in der o-Stellung
steht. Es ist dann der Blindwiderstand des gesamten Meßkreises bekannt und außerdem
noch der Phasenverschiebungswinkel. Man kennt somit auch den Wirkwiderstand der
Fernleitung, weil die Größe desjenigen Ohmschen Widerstandes bekannt ist, welcher
zugeschaltet werden mußte, um die gewollte Phasenverschiebung zu erreichen. Es wäre
auch möglich gewesen, von einem festen Ohmschen Widerstand ; auszugehen und den
Blindwiderstand an der Kapazität oder der eingestellten Induktivität so lange zu
ändern, bis die einzustellende Phasenverschiebung erreicht wäre.
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Bei einer Unterbrechung in der Fernleitung ist zur Fehlerortsbestimmung
die Kapazität der Leitungsstrecke bis zur Störungsquelle zu messen. Ein Beispiel
für die Anwendung des erfundenen Verfahrens bei Lösung dieser Aufgabe gibt Abb.
2. Es bedeuten 2i und 22 die Fernleitung, 23 die Unterbrechungsstelle, 24 eine Wechselstromquelle,
25 eine regelbare Selbstinduktion, 28 beispielsweise wiederum ein Blindwattmeter.
Die Kapazität der Leitungsstrecke kann man sich vereint denken in einem gedachten
Kondensator 26, der in der Abbildung gestrichelt gezeichnet ist. Zwischen den beiden
Leitern am Anfang der auszumessenden Fernleitungsstrecke liegt eine regelbare bekannte
Selbstinduktion 25, welche auf einen solchen Wert eingestellt wird, daß wiederum
der Zeiger
des Blindwatttneters 28 in der Nullstellung steht. Dann
ist der Strom durch die Selbstinduktion 25 gleich dem Kapazitätsstrom zur Aufladung
der Leitungskapazität 26, aber in der Phase diesem entgegengesetzt. An der Einstellung
der Selbstinduktion 25 kann wiederum die Länge der unversehrten Leitung abgelesen
werden.
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Ein weiteres Beispiel zur Ermittelung der Leitungskapazität gemäß
der Erfindung bei einer Unterbrechung zeigt Abb. 3. Es sind 31 und 32 die
Fernleitungen, von denen die eine, 32, unterbrochen ist. Die Kapazität des Leitungsstückes
32 gegen die Leitung 31 ist wieder vereint zu denken in der Kapazität 36, und ein
bekannter fester Widerstand 37 dient zur künstlichen Vergrößerung des Ableitungsstromes.
Eine regelbare und bekannte Selbstinduktion 35 wird nun so lange verstellt, bis
der Zeiger eines Blindwattmeters 38 sich in der Nullstellung befindet, d. h. bis
Spannung und Strom in dem von einer Wechselstromquelle 34 gespeisten Wechselstromkreis
sich wiederum in Phasengleichheit befinden. In diesem Augenblick sind dann die Spannungen
an der regelbaren Selbstinduktion und an der Leitungskapazität einander gleich und
entgegengesetzt, so daß durch die Einstellung der bekannten Selbstinduktion die
Kapazität der unversehrten Leitungslänge 32 angezeigt wird.
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Besonders vorteilhafte Schaltungen, um das Verschwinden der Phasenverschiebung
erkennbar zu machen, stellen die im folgenden beschriebenen Anordnungen dar, welche
zugleich auch Schutzmaßnahmen gegen mögliche Störungen durch im Stromkreis hervorgerufene
Ströme, die z. B. durch fremde Stromkreise induziert werden können, enthalten.
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Um zum Beispiel durch ein Wattmeter das Verschwinden der Blindkomponente
des Stromes anzeigen zu lassen, benutzt man zwei getrennt oder in einer Maschine
erzeugte, um go° versetzte Spannungen, von denen dann die eine den Strom durch die
Stromspule des Wattmeters und den Stromkreis treibt, während die andere die Spannungsspule
des Wattmeters und den Stromkreis treibt, während die andere die Spannungsspule
des Wattmeters speist. Wenn in der Wattmeterstromspule nun auch Ströme fließen können,
deren erzeugende EMK an einer Stelle des Kreises außerhalb der Meßstromquelle mit
einer fremden Frequenz entsteht, so wird durch diese im Wattmeter trotzdem kein
Drehmoment entwickelt, weil der Strom der Spannungsspule nicht ebenfalls entsprechende
Ströme führt.
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Die zwei um 9o° versetzten Spannungen kann man beispielsweise einer,
Zweiphasenmaschine entnehmen. Bei einer Dreiphasenspannung dagegen erhält man zwei
geeignete Spannungen, wenn man z. B. eine verkettete Spannung und die unbeteiligte
Phasenspannung benutzt oder wenn man die Spannung zwischen dem Sternpunkt und dem
Halbierungspunkt einer verketteten Spannung mit der betreffenden verketteten Spannung
wählt.
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Die in den Abb. i bis 3 dargestellten Schaltungsbeispiele enthalten
alle ein wattmetrisches Meßgerät, um bei der Abstimmung des Stromkreises den Augenblick
zu erkennen, in dem die Phasenverschiebung den gewünschten Wert erhält. Man kann
aber, wie Abb. 4 zeigt, statt dessen auch ein Gleichstrominstrument .toi (Strommesser
oder Spannungsmesser) in Verbindung mit einem synchron arbeitenden Schalter .1o2
verwenden. In dem für die Abb.4 gewählten Beispiel wird an einem Ohmschen Widerstand
403 eine Spannung abgegriffen, welche dem vom Generator 404 über die fehlerhafte
Leitung geschickten Strom proportional ist. Die Spannung des Generators 4o4 treibt
einen Strom durch eine Stromverzweigung .109, die nichts anderes als eine der bekannten
go°-Schaltungen ist. Dabei ist derjenige Teil dieser Kunstschaltung, in dem die
um 9o° verdrehte Stromkomponente fließt, als Erregerspule eines mechanischen Gleichrichters
benutzt. Wenn in dem Generator 404 Strom und Spannung in Phase sind, wird das Gleichstrominstrument
4oi durch den Schalter 4o2 in der Zeit zwischen einem positiven und dem nächsten
negativen Höchstwert des Stromes in jeder Periode an den Widerstand 403 angeschlossen.
Der Mittelwert des durch das Instrument .loi fließenden Stromes ist also gleich
Null. Daran, daß der Zeiger in der Nullstellung verharrt, erkennt man daher ebenfalls
wieder, daß die gewünschte Phasengleichheit im Stromkreis eingetreten ist.
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Es macht keine Schwierigkeit, wie beim Wattmeter so auch bei dieser
Vorrichtung den Zeiger des Meßinstrumentes bei einer beliebigen anderen Phasenverschiebung
sich auf Null einstellen zu lassen. Man hat zu diesem Zweck durch Änderung der Kunstschaltung
4o9 nur dafür zu sorgen, daß sich der Schalter 4o2 mit einer entsprechenden anderen
Verschiebung gegen die Phase der Spannung schließt und öffnet.
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Die Steuerung des periodischen Schalters 402 kann abweichend von der
Darstellung der Abb. .1 auch durch den Strom geschehen. Das Instrument 401 wird
dann über den periodischen Schalter als Spannungsmesser an die Meßstromquelle angelegt.
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In den Abb. 5 bis 8 sind andere Beispiele für Kunstschaltungen gegeben,
mit deren Hilfe es möglich ist, Störungseinflüsse, welche
bei Ausmessung
einer Fernleitung durch benachbarte Leitungen hervorgerufen werden können, zu beseitigen.
Es kommen hierbei vorzugsweise Störungen ganz bestimmter Frequenzen in Frage, welche
durch parallel laufende Energieübertragungsleitungen mit der Wechselfrequenz 5o
oder auch Bahnanlagen mit der Wechselfrequenz i62/3 Perioden pro Sekunde, unter
Umständen auch gleichzeitig hervorgerufen werden können.
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Nach der Erfindung wird beispielsweise für die Messung eine Wechselspannung
der Frequenz Zoo genommen und die Spannung für die Spannungsspule des den Strom
und die Spannung versgleichenden Instrumentes, z. B. des Blind-,vattineters, aus
einer zu der die Meßspannung liefernden Stromquelle parallel liegenden und auf deren
Frequenz abgestimmten Brückenschaltung entnommen. Auf die Leitung übertragene Spannungen
einer abweichenden Frequenz werden dann zwar ebenfalls Ströme ihrer Frequenz in
dem Meßkreis hervorbringen. Die Abstimmung des Meßkreises ist aber immer nur für
eine Frequenz möglich. Wenn im Meßkreis Ströme von der -Frequenz Zoo und von der
Frequenz 5o fließen, wird zwar für die Frequenz Zoo durch Abstimmung Phasengleichheit
zwischen Strom und Spannung erreicht, für die Ströme der Frequenz 50 dagegen
wird eine gewisse restliche Blindleistung noch bestehen bleiben, und der Blindleistungsmesser
wird infolgedessen nicht die Blindleistung Null anzeigen können. Um aber einen Ausschlag
des Blindwattmeters infolge der Spannungen und Ströme dieser fremden Frequenz zu
verhindern, wird erfindungsgemäß parallel zu den Klemmen des die Meßspannung liefernden
Generators eine Brückenschaltung gelegt, welche sowohl Ohmsche als auch auf diese
Störfrequenz abgestimmte frequenzabhängige Widerstände besitzt.
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Ein Beispiel für eine derartige Brückenschaltung ist durch die Abb.
5 wiedergegeben. Die Brücke besteht hier in ihren beiden Stromwegen aus gleich großen
Ohmschen Widerständen, Induktivitäten und Kapazitäten; nur die Reihenfolge ist in
den beiden Stromwegen vertauscht. Es sind die Ohmschen Widerstände 241, 2q.2, 243
und 244 einander gleich. Ebenfalls sind in ihrer Größe die Drosselspulen 245 und
246 sowie die Kapazitäten 247 und 248 einander gleich. Der Widerstand .der Drosselspule
245 mit dem Kondensator 2q.7 oder der Drosselspule 246 mit dem Kondensator 248 verschwinden
für eine bestimmte Frequenz. Ihre Größe wird so gewählt, daß dies gerade für die
Frequenz der Fall ist, welche aus der Messung ferngehalten werden soll. Es kann
dann zwischen den Punkten 26o, 261 keine Spannung dieser Frequenz bestehen. Also
wird in dem Meßsystem 24o, gemäß den früheren Beispielen also in der Spannungsspule
des Blindwattmeters, auch kein Strom der Störfrequenz fließen können.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt noch die Abb. 6.
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An den Klemmen .der Meßstromquelle liegt eine Brückenschaltung, die
in ihren beiden Zweigen gleiche Ohmsche Widerstände und in dem einen Zweig eine
Reihenschaltung aus einer Induktiv ität 647 und einer Kapazität 648 und in dem anderen.
Zweig eine Parallelschaltung einer Induktivität 645 und einer Kapazität 646 enthält.
Die Spannungsspule des Gerätes für die Phasenanzeige besteht aus zwei Wicklungsteilen
61o und 611, welche von den beiden Brückenströmen durchflossen werden. Die Windungen
der Spannungsquelle sind entgegengesetzt gewickelt und in ihrer Zahl so gewählt,
daß Ströme .der auszumerzenden Störfrequenz kein resultierendes Feld ergeben. Für
andere Frequenzen wird entweder das in dem Spulenteil61o oder dem Spulenteil611
entstehende Feld das Übergewicht enthalten, so daß ein resultierendes Feld entsteht,
das befähigt ist, mit dem zugehörigen Strom in der Wattmeterstromspule ein Drehmoment
zu bilden.
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Im weiteren Ausbau desselben Gedankens läßt sich der Schutz so weit
ausbilden, daß nicht nur eine, sondern eine größere Anzahl von bestimmten Frequenzen
für die Messung unschädlich gemacht werden können. Unter der Annahme, .daß zwei
störende Einflüsse voneinander verschiedener Frequenz aus der Meßschaltung fernzuhalten
sind, käme eine Schaltung etwa nach dem Beispiel der Abb. 7 in Frage. Es werden
darin zwei Brückenschaltungen ineinandergeschachtelt. Die erste der Brücken ist
beispielsweise auf die Frequenz 5o abgestimmt und wirkt, wie bereits früher beschrieben,
derartig, daß zwischen den Punkten 76o und 761 nur Spannungen bestehen können, welche
.die Frequenz 5o nicht enthalten. Die von diesen Punkten 76o, 761 abgegriffene Spannung
wird einer zweiten Brücke zugeleitet, die nunmehr die Aussiebung ihrer neuen Frequenz,
beispielsweise der Frequenz i62/3 Perioden, vornimmt. Von den Punkten
770 und 771, zwischen denen also nunmehr nur noch Spannungen bestehen können,
welche keine Komponenten der Frequenz 50 und keine .der Frequenz 162/3 Perioden
enthalten, wird -dann die Spannung zur Speisung der Spannungsspule des Wattmeters
74o abgenommen. Es ist prinzipiell möglich, eine beliebig große Anzahl derartig
hintereinanderliegender Brückenschaltungen vorzunehmen, wobei jede Brücke auf eine
ganz bestimmte Stärfrequenz abgestimmt wird; dabei bleibt
es natürlich
ebenfalls ein gangbarer Weg, als die letzte Brücke eine Einrichtung zu wählen, wie
sie das Ausführungsbeispiel Abb. 6 darstellt.
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Abb.8 -zeigt schließlich noch ein Schaltungsbeispiel, um den Einfluß
auf die Messung für alle Ströme, die nicht von der EMK der Meßstromquelle 8o4 hervorgerufen
werden, zu vernichten. Wie in Abb. i soll die Induktiv ität eines gemischten Widerstandes
8oi durch Zuschalten einer bekannten Kapazität 8o6 und einer regelbaren bekannten
Induktivität 8o5 gemessen werden. Diese Induktivität 805 ist dann auf den
richtigen Wert eingeregelt, wenn der Zeiger eines elektrodynamischen Instrumentes
8o8 auf den Wert Null zeigt. Die Meßstromquelle 8o4 enthält sowohl Ohmschen als
auch induktiven Widerstand. Um den letzteren zu kompensieren, wird ihr eine aus
einemOhmschenWiderstand und einer Kapazität bestehende Widerstandskombination 8o7
beigegeben. Der Widerstand der Stromquelle mit Einschluß der Zusatzschaltung muß
für die Meßfrequenz ohmisch werden und erhält einen ebenfalls aus einer Induktivität
81i, Ohmschen Widerständen 812 und 813 und einer Kapazität 814 bestehenden Nebenschluß,
der ebenfalls für die Meßfrequenz ein Ohmscher Widerstand ist und gleichermaßen
frequenzabhängig ist wie der erweiterte Widerstand der Wechselstromquelle.
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Das elektrodynamische Instrument 8o8 besitzt eine zweiteilige Spule
8o9, deren Teile verschiedenen Wicklungssinn haben. Sie wird in ihrem einen Teil
von dem aus der Meßstromquelle austretenden Strom durchflossen und in ihrem anderen
Teil von dem über den Nebenschluß fließenden Strom. Wird jetzt außerhalb der Meßstromquelle
dem Meßkreis z. B. an dein zu messenden Widerstand 8oi eine fremde Spannung aufgedrückt,
so bewirkt diese einen Störstrom, der zum Teil seinen Weg über die Meßstrornquelle
nimmt und zum anderen Teil über deren Nebenschluß verläuft. Dadurch, daß die Windungszahlen
der zweiteiligen Instrumentenspule den Widerständen der beiden Stromwege entsprechend
gewählt sind, vermögen die fremden Ströme kein resultierendes Feld zu erzeugen.
Statt mit einer zweiteiligen Systemspule ist es auch möglich, mit zwei Stromwandlern
die beiden Teilströme so zu einer resultierenden Wirkung zusammenzufassen, daß die
fremden Ströme unwirksam werden.
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Weil nach vollzogener Einstellung der Induktivität 8o5 im Meßkreis
Strom und Spannung phasengleich sind, so ist eine gegen den Strom um go° vor- oder
nacheilende Durchströmung der anderen Systemspule des elektrodynamischen Instrumentes
erforderlich, damit die Phasengleichheit wiederum durch das Verschwinden der Blindleistung
erkennbar wird.
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Zu diesem Zwecke wird die Instrumentenspule an eine aus zwei Parallelwegen
bestehende Schaltung angeschlossen, die zwei gleiche Widerstände 821 und 822 und
eine Induktivität 823 bzw. eine Kapazität 824 enthalten. Für die Meßfrequenz besitzt
die Parallelschaltung zweckmäßig insgesamt Ohmsehen Widerstandswert, um bei der
Einstellung der Induktivität 8o5 nicht besondere Berücksichtigung nötig zu machen.
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Statt nur für die Meßfrequenz die Widerstände der letztgenannten Kunstschaltung
und der erweiterten Generatorschaltung und ihres Nebenschlusses ohmisch werden zu
lassen, ist auch angängig, sämtliche Widerstände so abzustimmen, daß sie für alle
Frequenzen Ohmsehen Widerstandswert besitzen.
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Durch den Einbau von Vorrichtungen, welche Ströme falscher Frequenz
für die Meßanordnung unwirksam machen sollen, wird die Anlage für die Handhabung
nicht komplizierter. Es stellen diese Kunstschaltungen lediglich eine Maßnahme dar,-
die einmal zur Zusammenstellung einer für den Betrieb geeigneten Meßschaltung vorgenommen
werden muß.