-
Verfahren zur Bildung einer für die Durchführung von Wechselstromkompensationsmessungen
u. dgl. Anwendung findenden Normalwechselspannung Man hat schon vorgeschlagen, Wechselstromgrößen
nach dem Kompensationsverfahren zu bestimmen und in Ermangelung eines dem Gleichstromnormalelement
entsprechenden Wechselstromnormalelementes als Nörmalwechselspannung die an einem
von Wechselstrom durchflossenen Widerstand auftretende Klemmenspannung zu benutzen,
wobei mittels eines dem Widerstand vorgeschalteten Amperemeters der Wechselstrom
auf einen bestimmten Wert eingestellt wird. Mittels dieser Anordnung läßt sich jedoch
bei weitem nicht die Genauigkeit erzielen, die bei Gleichstrommessungen und insbesondere
Gleichstromkompensationsmessungen infolge der überaus genau bekannten und konstanten
Spannung des zur Verfügung stehenden Gleichstromnormalelementes erreicht wird.
-
Es ist ein unter Berücksichtigung dieser Verhältnisse entwickeltes
Meßverfahren vorgeschlagen 'worden, bei dem der zu bestimmende Wechselstrom oder
eine andere Größe, die durch Messung eines Wechselstromes bestimmt werden kann,
durch genaue Messung eines Vergleichsgleichstromes ermittelt wird. Und zwar wird
der zu messende Wechselstrom mit einem Gleichstrom in einem Doppelthermoumformer
verglichen und jeweils durch Einstellung der Größe des Gleichstromes ein bestimmtes
Verhältnis zwischen der Stärke des Gleichstromes und der des Wechselstromes hergestellt
und dann durch genaue- Messung des Gleichstromes, z. B. mittels eines Kompensationsapparates,
die Stärke des Wechselstromes bestimmt. Bei diesem Verfahren findet demnach keine
direkte Messung des Wechselstromes statt. Die Bestimmung des Wechselstromes erfolgt
vielmehr durch genaue Messung des Vergleichsgleichstromes, wodurch es möglich ist,
eine sonst nur bei Gleichstrommessungen erzielte Genauigkeit auch bei der Wechselstrommessung
zu erreichen.
-
Die praktische Ausführung des Verfahrens bietet jedoch insofern einige
Schwierigkeiten, als es erforderlich ist, die beiden verwendeten Thermoumformer
so auszubilden, daß ihre Charakteristiken einander gleich sind. Dieser Nachteil
läßt sich unter Aufrechterhaltung der Empfindlichkeit und Genauigkeit der Meßmethode
beseitigen, wenn das vorgeschlagene Verfahren zur Bildung eines Wechselstromnormalelementes'
benutzt und erweitert wird. Hierzu wird der über einen Wechselstromnormalwiderstand
oder eine andere, hinsichtlich der Klemmenspannung von dem zugeleiteten Strom eindeutig
abhängige Anordnung geleitete Wechselstrom erfindungsgemäß dadurch eingestellt und
konstant gehalten, daß er mit einem Gleichstrom, dessen Stärke genau, z. B. nach
dem Kompensationsverfahren, auf einen bestimmten Wert eingestellt wird, mittels
- eines Doppelthermoumformers verglichen und in ein bestimmtes Verhältnis zu der
Stärke des Gleichstromes gebracht wird, so daß die als Normalwechselspannung verwendete
Klemmenspannung
an dein Wechselstromnormalwiderstand: o.,dgl. eindeutig durch die genau eingestellte
Größe des Vergleichsgleichstromes bestimmt ist. Mittels des so gebildeten, außerordentlich
genauen Wechselstromnormalelements lassen sich Wechselstrommessungen nach dem Kompensationsverfahren,
z. B. unter Ver`vendungeines .Vibrationsgalvanometers, mit sehr hoher Genauigkeit
ausführen. Das neue Verfahren hat unter anderem den Vorteil, daß der -die Heizanordnung
des einen Thermoumformers durchfließende Gleichstrom und der die Heizanordnung des
anderen Thermoumformers durchfließende Wechselstrom stets je auf ein und denselben
Wert eingestellt werden, so.daß nur, für diese Werte bzw. diesen Wert die Thermospannungen
der beiden Thermoumformer einander gleich zu sein brauchen. Das läßt sich aber mit
verhältnismäßig einfachen Mitteln erzielen.
-
Es ist ersichtlich, daß es sich bei der Erfindung um die besondere
Lösung eines Sonderproblems handelt, - nicht aber schlechthin darum, in irgendeiner
Weise einen Wechselstrom mit einem Gleichstrom zu vergleichen, wie es zur Lösung
anderer Aufgaben und in anderer Durchführung an sich bekannt ist. So hat man vorgeschlagen,
zur Messung der Stärke eines Gleichstromes in einem Hochspannungssystem den Gleichstrom
über einen in seinem Widerstandswert von der Belastung abhängigen Widerstand zu
leiten und diesen gleichzeitig über einen Isoliertransformator mit aus einer Wechselstromquelle
konstanter Spannung entnommenem Wechselstrom zu beschicken, so daß die auf der Primärseite
des Isoliertransformators mit Hilfe eines gewöhnlichen Wechselstrommeßgerätes gemessene
Wechselstromstärke ein Maß für den Gleichstrom gibt. Ebenso ist es bekannt, in Meßschaltungen
zur Untersuchung von Tel@ephonen das Meßgerät nacheinander an eine von Widerständen
abgegriffene Vergleichswechselspannung und dann an den eigentlichen Meßkreis zu
legen und die Stromstärke in der gemeinsamen Zuleitung zu beiden Kreisen unter Benutzung
eines Thermokreuzes zu messen.
-
Auch ist die Benutzung von Thermoum-formern an sich bekannt. So ist
vorgeschlagen worden, bei den bekannten Brückenschaltungen, welche Widerstände ungleicher
Wärmeableitung besitzen und daher die Bestimmung des der Brücke zugeleiteten Stromes
aus dem Ausschlag des im Diagonalzweig liegenden Meßgerätes gestatten, die Seitenzweige
der Brücke mit gleichen Widerständen zu versehen und je zwei diametral gegenüberliegenden
Zweigen je einen Heizdraht zuzuordnen, von welchen der eine mit einem _irgendwie
konstant gehaltenen Gleichstrom und der andere mit dem zu bestimmenden Wechselstrom
beschickt wird. Wie ersichtlich, obwaltet hier nur der Gedanke, dem einen Paar-der
Brückenzweige eine bestimmte Temperatur zu verleihen, um dadurch die erst die Messung
ermöglichende Temperaturbasis zu schaffen. Es findet daher im Grunde genommen nicht
einmal ein Vergleich zwischen dem zu messenden Wechselstrom und dem Gleichstrom
statt, die Messung erfolgt vielmehr ebenso wie bei der früheren Ausführungsform
dieser Brücke nach einer Ausschlagsmethode.
-
Demgegenüber handelt es sich bei der Erfindung um, flie $ildung einer
Normalwechselspannung für= Wechselstrornkornpensationsmessuragen, und zwar in der
oben angegebenen Art, bei der - die Normalspannung an den Klemmen eines Normalwiderstandes
erzeugt wird. Unter Wechselstromnormalwiderstand sind auch außer eigentlichen Widerständen
solche Anordnungen- zu' verstehen, deren Klemmenspannung von dein zugeleiteten Wechselstrom
eindeutig abhängig ist.
-
Ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung nach der Erfindung ist in
Fig. z schematisch dargestellt.
-
Der Wechselstromgenerator z liefert eine Spannung, die bis auf mindestens
z Promille konstant ist und deren Frequenz ebenfalls konstant ist. Um dieses Bedingungen
zu erfüllen, kann z. B. für den Generator r eine an sich bekannte Röhrensteuerung
verwendet werden. Der Generator z speist beispielsweise eine Vorrichtung 2, an der
die Klemmenspannung, die Stärke des aufgenommenen Stromes sowie die Größe der aufgenommenen
Leistung genau zu bestimmen sind. - Zu der Vorrichtung :2 ist ein Wechselstromnormalwiderstand
3 in Reihe geschaltet, während parallel - zu der Vorrichtung ein Spannungsteiler
4 liegt. Die Klemmen des Widerstandes 3 und die Potentialkontakte des Spannungsteilers
4 sind mit einem Umschalter 5 verbunden.
-
Der Generator z speist außer der V orrichtung 2 einen Transformator
6, an dessen Sekundärklemmen in Reihe ein Regulierwiderstand 7, ein Wechselstromnormalwiderstand
8 und, über einen Umschalter 9, der Heizdraht zoa eines Thermoumformexs ro angeschlossen
sind. z s ist ein zweiter Thermoumformer, dessen Thermoelementenkette über einen
Umschalter z2 und ein Galvanometer 17 gegen die Thermoelementkette des ersten Thermoumformers
io gegengeschaltet ist. Der Heizdraht r za des Thermoumformers z r wird über einen
Spannungsteiler 13 tind einen Normalwiderstand z¢ von einer Gleichstromquelle
15 gespeist. Der Strom in diesem Gleichstromkreis wird mit Hilfe eines Normalelementes
16 und des über den Umschalter 12 einschalbaren Galvanometers 17 nach dem
Kompensationsverfahren
auf einen bestimmten Wert eingestellt. Hierzu
wird der Umschalter 12 auf die unteren Kontakte geschaltet und der über den Heizdraht
@ja des einen Therinoumformers fließende Gleichstrom so eingestellt, daß der Spannungsabfall
am Normalwiderstand 14 die Spannung des Normalelementes 16 kompensiert. 18 sind
zwei in dem Kompensationskreis angeordnete Taster. i9 ist ein Schutzwiderstand.
-
Nach der genauen Einstellung des den Thermoumformer i i speisenden
Gleichstromes wird der Umschalter 12 auf die oberen Kontakte geschaltet und daraufhin
der über den Hitzdraht des Thermoumformers io fließende Wechselstrom so einreguliert,
daß das Galvanometer 17 die Nullstellung einnimmt. In diesem Falle herrscht an den
Klemmen des Normalwiderstandes 8 eine bestimmte Spannung, deren Größe infolge 'der
außerordentlich genauen Einstellung in dem Gleichstromkompensationskreis sehr genau
festliegt und bekannt ist. Die an dem Normalwiderstand 8 herrschende Klemmenspannung
kann daher als Normalspannung für Wechselstromkompensationsmessungen u. dgl. benutzt
werden, so daß man die bisher beschriebene Einrichtung als Wechselstromnormalelement
bezeich-, nen kann.
-
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird beispielsweise an den
Normalwiderstand 8 ein an sich bekannter Wechselstromkompensator 2o . angeschlossen,
mit dessen Hilfe Spannungen von beliebiger Größe und Phase aus der konstanten und
genau bekannten Spannung an dem Normalwiderstand 8 abgeleitet werden können. Man
ist so in der Lage, unter Zuhilfenahme beispielsweise eines Vibrationsgalvanometers
21 die an den Klemmen der Vorrichtung 2 herrschende und zu messende Spannung nach
dem Kompensationsverfahren mittels des Kompensators 2o und unter Benutzung der am
Widerstand 8 auftretenden Spannung als Normalspannung' zu bestimmen. Ebenso kann
man auch durch Umlegung des Umschalters 5 die an dein der Vorrichtung .2 vorgeschalteten
Widerstand 3 auftretende Klemmenspannung ermitteln und daraus, da die Klemmenspannung
an dem Widerstand 3 der Stromstärke eindeutig proportional ist, die Stärke des der
Vorrichtung? -zugeleiteten Stromes bestimmen. Es ist selbstverständlich auch möglich,
Strom und Spannung in getrennten Kreisen, wie bei der Eichung von Wattmetern, genau
nach Größe und Phasenlage zu messen.
-
Die beiden Thermoumformer io und il sind so eingestellt und bemessen,
daß sie bei der bestimmten Stromstärke, auf die der den Widerstand 8 durchfließende
Strom eingestellt wird, gleiche Thermospannungen entwickeln. Zur Kontrolle der Umformer
dient der Umschalter 9, durch dessen Umschaltung auf die oberen Kontakte beide Umformer
in Reihe in den Gleichstromkreis geschaltet werden, wobei sie beide von demselben
Strom durchflossen werden und man also kontrollieren kann, ob die beiden Therrnospannungen
bei dem betreffenden Strom noch genau gleich sind. Der Transformator 6 dient als
Isoliertransformator.
-
Die Volteile der neuen Schaltung sind u. a. folgende: Bei der früheren.
Schaltung wird der zu messende und in seiner Stärke veränderliche Wechselstrom über
den einen Thermoumformer geführt. Entsprechend den Änderungen des Wechselstromes
muß auch der den zweiten Thermoumformer speisende Gleichstrom verändert @werden,
und zwar .so, daß jeweils die von beiden Thermoumforn lern entwickelten Spannungen
einander gleich. sind. Soll bei dieser Meßmethode-ein genaues .Ergebnis.erzielt
werden, so müssen die Charakteristiken beider Thermoumformer einander gleich sein.
Diese Forderung läßt sich praktisch nur mit Schwierigkeiten erfüllen. Bei der neuen
Schaltung werden hingegen der den einen Thermoumformer speisende Gleichstrom und
ebenso der den anderen Thermoumformer speisende Wechselstrom stets auf ein und dieselbe
Stromstärke eingestellt. .Infolgedessen brauchen die Charakteristiken der Thermoumformer
nicht einander vollkommen zu entsprechen. Es genügt vielmehr, wenn die Thermoumformer
nur bei einer einzigen bestimmten Stromstärke gleiche Thermospannungen entwickeln;
sie können daher viel genauer einreguliert werden. Zweckmäßig schaltet man parallel
zu den Thermoelementen des einen der beiden Umformer einen Spannungsteiler und nimmt
von diesem die Gegenspannung für den anderen Thermoumformer ab, so daß man jederzeit'die
gegeneinandergeschalteten, von den Thermoelementketten abgenommenen Spannungen auf
Gleichheit einstellen kann. Ein weiterer Vorteil der neuen Schaltung liegt darin,
daß man durch entsprechende Wahl der Konstanten stets in dem Bereich der höchsten
Empfindlichkeit` der Umformer arbeiten kann, während bei der früheren Anordnung
die Erizpfindlichkeit infolge der sich ändernden Stromstärke verschieden ist, und
zwar ändert sich die Empfindlichkeit mit dem Quadrat der durch die Hitzdrähte der
Umformer fließenden Stromstärke.
-
Das Umschalten, das bei der bisherigen Anordnung zur Ausgleichung
von Ungleichheiten der beiden Umformer notwendig war, fällt bei der Schaltung nach
der Erfindung fort, wodurch eine Zeitersparnis erzielt und
weiterhin
die Meßgenauigkeit erhöht ist, da Störungen infolge Änderungen des Kontaktübergangswiderstandes,
wie sie sonst beim t'mschalten leicht gegen sind, nicht auftreten können. Hierbei
ist zu beachten, daß im Gleichstromkreis nur eine kleine Spannung herrscht, so daß
Widerstandsänderungen von o,oi Ohm beim Umschalten schon störend wirken.
-
Des weiteren ist bei der neuen Anordnung auch die erforderliche Anzahl
von Normalwiderständen usw. geringer als bei der früheren Ausführung. Endlich ist
nur eine einmalige Einregulierung des Gleichstromes erforderlich, was ebenfalls
gegenüber der bisherigen Anordnung eine Zeitersparnis ergibt.
-
Bei der praktischen Ausführung des Erfindungsgegenstandes werden zweckmäßig
die Widerstände 7, 8, 13, 1:4 und i9, die Umschalter g und 12, die Taster 18, die
Umformer io und ii und das Gleichstromnormalelement 16 in ein gemeinsames Gehäuse
eingebaut, das mit Klemmen zum Anschluß der übrigen Geräte versehen wird. Der in
dem Schaltschema nach Fig. i dargestellte Wechselstromkompensator 2o kann selbstverständlich
durch einen Kompensator anderer Schaltung bzw. einen geeigneten Phasendreher ersetzt
werden. Die Konstanz der mittels des Gleichstromkompensationskreises genau eingestellten
Spannung am Normalwiderstand 8 kann gegebenenfalls durch Einfügung von Eisenwiderständen
in den über den Widerstand 8 geführten Wechselstromkreis noch erhöht werden.
-
Bei der neuen Schaltung braucht die Kurvenform der von dem Widerstand
8 abgegriffenen Normalwechselspannung nicht sinusförmig zu sein. Es genügt vielmehr,
wenn sie der Kurvenform der zu messenden Spannung genau entspricht. In diesem Falle
mißt man immer den Effekti#vzvert der Meßspannung. Bei der richtigen Einstellung
des Kompensators 2o kommt das Vibrationsgalv anometer, das an sich bekanntlich auch
für Oberwellen empfindlich ist, doch auf Null, renn die beiden Kurvenformen der
Meßspannung und der Normalspannung einander gleich sind, da, wenn die Grundwelle
kompensiert ist, dies auch mit den Oberwellen der Fall ist.
-
Es ist demnach bei der neuen Anordnung zunächst eine genaue Messung
nur möglich, wenn zwischen der Kurvenform der Normalspannung und der Meßspannung
ein lineares Verhältnis besteht. Ist dies nicht der Fall, so kann trotzdem eine
genaue Messung durchgeführt werden. Es muß aber dann die Normalwechselspannung genau
sinusförmig verlaufen. In diesem Falle wird mittels der Normalspannung die Grundwelle
der zu messenden Spannung kompensiert, so daß nur die Oberwellen übrigbleiben, die
man zweckmäßig nach. einer Ausschlaginethode mißt. Am besten verwendet man hierzu
ein Voltmeter, das keinen Stromverbrauch hat, z. B. ein Röhrenvoltmeter. Bei Verwendung
von Schwingungskreisen, die man auf alle höheren Harmonischen abstimmen kann, ist
gegebenenfalls eine Messung der einzelnen Oberwellen möglich.
-
Für den Fall, daß sich das Vibrationsgalvanometer 21 infolge von Oberwellen
nicht auf Null bringen läßt, kann man die Oberwellen auch durch eine Siebschaltung
der in Fig. 2 veranschaulichten Art aussieben. Bei dieser Schaltung nach Fig.2 liegt
in Reihe mit dem Vibrationsgalvanometer eine Selbstinduktion 22 und ein Kondensator
23 und parallel hierzu und dem Vibrationsgalvanoineter ein Kondensator 2q.. Da bei
dieser Schaltung nach der Abgleichung das V ibrationsgalvanometer stromlos ist,
so kann man in dieser Siebschaltung eine Selbstinduktion mit Eisen verwenden, ohne
daß die Empfindlichkeit sich wesentlich ändern würde, da der Wechselstromkompensator
2o aus großen Widerständen aufgebaut ist.
-
Um eine Normalwechselspannung von reiner Sinusform zu erzielen, kann
man die Spannung von der verketteten Spannung eines Dreiphasengenerators ableiten,
in der die dreifachen Harmonischen praktisch nicht mehr auftreten. Ferner wäre Vorsorge
zu treffen, um bei dem Generator von vornherein Oberwellen zu vermeiden. Außerdem
könnte man in den über den Widerstand 8 der Schaltung nach Fig, i geleiteten Wechselstromkreis
eine Siebschaltung einfügen.
-
Eine andere Möglichkeit zur Erzielung einer sinusförmigen Spannung
ist folgende: Man führt dem Gitter einer Triode eine rein 'sinusförmige Spannung
zu und erhält infolgedessen im Anodenkreis, wenn man im geraden Teil der Röhrencharakteristik
arbeitet, einen rein sinusförmigen Strom, der einem Gleichstrom überlagert ist.
Die Gleichstromkomponente kann man durch Transformatoren- beseitigen, wobei gleichzeitig
die Wechs@elstromkomponente sich vergrößern läßt. Man kann auch durch Gegenschalten
einer Batterie die Spannung a'n den Klemmen eines Widerstandes von ihrer Gleichstromkomponente
befreien.
-
Sorgt man dafür, daß die Gitterspannung stets negativ ist, so braucht
'der Generator, der die Spannung für das Gitter liefert, keinen Strom abzugeben,
was ein sehr großer Vorteil ist. Als Generator ist dann eine kleine Spule ohne Eisen
verwendbar, die sich in einem starken homogenen Feld dreht (wie ein Erdinduktor)
und durch einen Motor angetrieben
wird, der synchron mit der zu
messenden Spannung läuft. Statt dessen kann man auch ein Potentiometer verwenden,
das mit Gleichstrom gespeist wird und bei dem der Regulierschieber mittels eines
synchron mit der zu messenden Spannung umlaufenden Motors derart hin und her bewegt
wird, daß seine Geschwindigkeitsänderung sinusförmig verläuft.
-
Das Arbeiten mit einem besonderen Generator zur Speisung der das Wechselstromnormalelement
bildenden Einrichtung hat, ob es nun ein gewöhnlicher Wechselstromgenerator oder
ein Röhrengenerator ist, den Vorteil, daß man die Phase der Spannung mit Hilfe eines
drehbaren Ständers genau einstellen kann, so daß man dann statt des Wechselstromkompensators
2o in Fig. i einen gewöhnlichen Gleichstromkompensator verwenden kann, der jedoch
mit nach W a g n e r und Wertheimer gewickelten Widerständen zu versehen ist.