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Elektrische Meßeinnchtung zur Anzeige von aus einem Stromkreis, in
dem, wie z. B. in überlagerungsfernsteueranlagen, mehrere Ströme verschiedener Frequenz
fließen, ausgesiebten Strömen oder Spannungen bestimmter Frequenz Es bereitet ziemliche
Schwierigkeiten, in Stromkreisen mit veränderlicher oder mit verschiedenen Frequenzen,
wie in Fernsteueranlagen, bei denen den Leitern eines Starkstromnetzes Steuerströme
netzfremder, insbesondere tonfrequenter Frequenz überlagert «erden, den Strom oder
die Spannung einer bestimmten Frequenz, also beispielsweise die Steuerspannung,
zu messen.
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Bisher hat man dafür das sogenannte Amhlitudometer benutzt, das im
wesentlichen aus einem Zungenfrequenzrelais besteht, auf dessen Zunge ein kleiner
Spiegel angebracht ist.
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ach erfolgter empirischer Eichung wird die Amplitude der schwingenden
Zunge als Maß für die überlagerungsspannung verwendet. Dem Amplitudorneter haften
aber eine Reihe von Nachteilen an. Mit Rücksicht auf die gute Ablesungsmöglichkeit
muß die Amplitude durch einen Lichtzeiger übersetzt werden. Es ist also eine Lichtquelle
mit einer optischen Einrichtung erforderlich, die sehr viel Platz beansprucht und
das Instrument unhandlich macht. Außerdem können die Messungen nur in einem verdunkelten
Raum vorgenommen werden. Zum mindesten muß das Meßgerät in ein lichtdichtes Gehäuse
eingeschlossen werden, um mit ihm auch bei Tageslicht oder bei hellem künstlichem
Licht Messungen vornehmen zu können. Wegen der erforderlichen Länge des Lichtzeigers
fällt aber dieses Gehäuse ziemlich groß aus.
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Um die angeführten Nachteile zu vermeiden, hat man- auch schon vorgeschlagen,
zur Messung von Spannungen und Strömen der angeführten Art Schaltungen mit direkt
zeigenden Instrumenten zu verwenden, bei denen mit Schwingungskreisen oder auch
nur mit Blindwiderständen die zu messende Spannung ausgesiebt wird.
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Eine derartige Schaltung zeigt die Fig. z der Zeichnung.
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Hier ist die Kapazität C mit der Induktivität L1 auf die Überlagerungsfrequenz
und mit der Induktivität L2 auf die Netzfrequenz abgestimmt. Das direkt zeigende
Meßinstrument ist mit h bezeichnet. Für 5oo Hertz betrachtet ist der Kreisstrom
des Schwingungskreises L,C proportional dem Durchgangsstrom T bzw. proportional
der an den Klemmen A, l3 des Schwingungskreises herrschenden Spannung.
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Der 5operiodische Netzstrom fließt zum größten Teil über die Selbstinduktion
L1. Der geringe, von dem Spannungsabfall an L1 herrührende Anteil des Netzstromes,
der durch den Kondensator C fließen würde, wird durch die parallel zu C liegende
Selbstinduktion L, (Sperrkreis für 5o Hertz) kompensiert. An Netzstrom kann dann
über das Amperemeter 1l
nur noch der Wirkstrom des Sperrkreises
CL2 fließen. Die Größe dieses Stromes kann jedoch bei geeigneter Dimensionierung
vernachlässigbar klein gegenüber dem tonfrequenten Kreisstrom gehalten werden.
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Diese sowie ähnliche Schaltungen mit Schwingungskreisen oder auch
nur mit Blindwiderständen haben aber den großen Nachteil, daß sie nur bei rein sinusförmigen
Netz- und Überlagerungsströmen brauchbar sind. Haben beide Ströme noch Oberwellen;
so tritt eine außerordentliche Komplikation ein. Die Angabe des Instrumentes ist
für den beabsichtigten Zweck unbrauchbar oder zum mindesten sehr unsicher. - Oberwellen
sind aber praktisch immer vorhanden, zum Teil sogar in sehr hohem Grade.
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Soll z. B. in einer Fernsteueranlage der im Aufdrückkreis bei Parallelüberlagerung
fließende Tonfrequenzstrom bestimmt werden, so müßte man etwa die in Fig.2 dargestellte
Prinzipschaltung benutzen. In dieser Figur ist der Tonfrequenzgenerator G über den
Aufdrückkreis D und eine Meßeinrichtung M nach der in Fig. i dargestellten Schaltung
an das überlagerte Netz N angeschlossen. Der Aufdrückkreis D ist auf Tonfrequenz
abgestimmt. Er stellt also für Netzfrequenz fast eine reine Kapazität dar. Diese
Kapazität saugt aber bekanntlich aus dem Netz Oberwellenströme von erheblicher Größe
ab, so daß der durch den Meßkreis M fließende Netzstrom nicht mehr sinusförmig ist.
Es ist also sicher anzunehmen, daß die Meßeinrichtung vollkommen versagt.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Meßeinrichtung
mit einem direkt anzeigenden Meßinstrument zu schaffen, die von den angeführten
Mängeln frei ist und bei der sämtliche Teile zu einem handlichen Apparat vereinigt
sind.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind solche Meßgeräte nicht geeignet, bei
denen als Meßorgan eine Membrane oder ein Stabmagnet benutzt wird, der so aufgehängt
ist, daß er eine oszillierende Bewegung ausführen kann. Wollte man ein derartiges
Meßgerät zum Aussieben eines Stromes oder einer Spannung bestimmter Frequenz aus
einem Stromkreis benutzen, in dem mehrere Ströme verschiedener Frequenz fließen,
so wäre dies praktisch unmöglich, ereil ja der schwingend oder oszillierend bewegte
Teil des Instrumentes nicht auf eine einzige Frequenz, sondern auf das Frequenzgemisch
anspricht.
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Erfindungsgemäß induziert zur Lösung der gestellten Aufgabe ein auf
die Frequenz des auszusiebenden Stromes oder der auszusiebenden Spannung abgestimmtes
mechanisches Schwingungsorgan, beispielsweise eine polarisierte Stahlzunge, die
.durch einen von dem auszusiebenden Strom durchflossenen Elektromagneten zu Resonanzschwingungen
angeregt wird, in einer mit einem Meßinstrument verbundenen Hilfswicklung eine der
gesuchten Größe entsprechende Spannung.
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Bei der praktischen Ausführung wird beispielsweise ein Resonanzrelais
benutzt, das eine Hilfswicklung hat, in der die schwingende Zunge des Relais eine
von der Amplitude der Schwingung abhängige EMK induziert. An die Hilfswicklung ist
gegebenenfalls über eine Gleichrichteranordnung oder über einen gleichrichtenden
Verstärker, insbesondere Röhrenverstärker, ein empirisch zu eichendes Meßinstrument
angeschlossen. Zungenfrequenzreläis, bei denen in einer Hilfswicklung betriebsmäßig
eine EMK induziert wird, sind zwar an sich bekannt, diese Relais hat man aber bisher
nur in Verbindung mit geeigneten Empfangsapparaten, z. B. einem Ferrarismotor, zur
Auslösung elektrischer Schaltvorgänge benutzt.
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Nicht verwechselt werden darf auch die Meßeinrichtung nach der Erfindung
mit sogenannten Resonanzwählern, die nicht zu Meßzwecken, sondern zum Auswählen
eines bestimmten Stromkreises an der Empfangsstelle bestimmt sind.
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Bei den bekannten Resonanzwählern öffnen oder schließen die Wählerzungen
unmittelbar einen Kontakt. Beim Gegenstand der Erfindung dagegen induziert die schwingende
Stahlzunge in einer mit einem Meßinstrument verbundenen Hilfswicklung eine der-gesuchten
Größe entsprechende Spannung.
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Ausführungsbeispiele der elektrischen Meßeinrichtung nach der Erfindung
sind in den Fig. 3 bis 7 dargestellt.
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Fig.3 zeigt eine Meßeinrichtung, wie sie beispielsweise zum Messen
der Überlagerungsspw:rnung in Fernsteweranlagen nach dem Überlagerungsprinzip Verwendung
findet.
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In den Fig. 4 bis 7 sind verschiedene Ausführungsformen der Kopplungsvorrichtung
zwischen Meßkreis und Stromkreis dargestellt.
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In Fig. 3 bildet das freie schwingende Ende der Stahlzunge i den Nordpol
und der Elektromagnet 2 den Südpol des Dauermagneten 3. In dem Maul des Elektromagneten
sind an Stellen gleichen magnetischen Potentials die Ansätze 4 angebracht, die die
Wicklung 41: tragen. 2i ist die Erregerwicklung des Elektromagneten, der in üblicher
Weise noch ein Kondensator?,?, vorgeschaltet ist, der die in der Regel sehr stark
überwiegende Netzkomponente auf ein für die Wicklung 2i unschädliches Maß herabdrückt
und gleichzeitig zusammen mit der Selbstinduktion der Wicklung 21 Resonanz für die
Steuerfrequenz herstellt. Wird durch die Erregerwicklung 2i
ein
Wechselstrom geschickt, so wird die Zunge i zu Schwingungen angeregt, sobald der
die Wicklung 21 durchfließende Erregerstrom die richtige Frequenz hat. Durch das
schwingende, den Nordpol des Dauermagneten bildende Ende ii der Stahlzunge i wird
in der Wicklung 41 eine Wechsel-EMK induziert, deren Größe von der Amplitude der
Zunge i abhängt und deren Frequenz mit der Schwingungszahl der Zunge übereinstimmt.
Diese Wechsel-EMK wird durch den Gleichrichter 42 in pulsierenden Gleichstrom verwandelt
und mit dem Instrument 43, das empirisch zu eichen ist, gemessen.
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In Fig. 4 ist die induzierte Wicklung 5 in der neutralen Zone des
Elektromagneten 6 angeordnet. Der sie tragende zugespitze Ansatz 7 liegt in der
Längsrichtung der Zunge i. Durch diese Art der Anordnung wird erreicht, daß eine
gegenseitige Beeinflussung der zu induzierenden Wicklung 5 und der Magnetwicklung
8 nicht mehr möglich ist und daß durch die Spitzenwirkung eine besonders kräftige
EMK in der Wicklung 5 erzeugt wird.
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In den Fig. 5 bis 7 sind weitere Ausführungsbeispiele der Kopplungsvorrichtung
dargestellt, bei denen durch besondere Anordnung der Wicklungskerne eine gegenseitige
transformatorische Kopplung der Wicklungen vermieden werden soll.
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In Fig. 5 sitzen die Wicklung des Elektromagneten und die zu induzierende
Wicklung auf getrennten Kernen. In der neutralen Zone des Dauermagneten g ist eine
Doppelzunge io mit ihrem Einspannklotz ioo befestigt. Die Doppelzunge nimmt dadurch
die eine Polarität und die beiden Enden gi und 92 des Dauermagneten die andere Polarität
an. Die Zunge ragt mit ihren abgestimmten Zinken ioi und i o2 in die Luftspalte
iio und i 2o der Eisenkerne i i und i2. Der Kern i i trägt die Wicklung i i i und
der Kern 12 die Wicklung 121. Für die Wirkung ist es vollkommen gleichgültig, welche
der beiden Wicklungen als Magnetwicklung und welche als induzierte Wicklung verwendet
wird.
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Statt dessen kann man auch, wie in Fig. 6 gezeigt, die Kerne an einem
Ende des Dauertnagneten anbringen. An dem verbreiterten Südpol 13o des G-förrnigen
Dauermagneten 13 sitzen die die Wicklungen iä.i und 151 tragenden Eisenkerne 14,
15, in deren Luftspalte riie Zinken 161 und 162 der gespaltenen Stahlzunge 16 ragen.
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In Fig. 7 ist ein L-förmiger Dauermagnet 17 verwendet. An dem Ende
des einen Schenkels ist die Stahlzunge IS befestigt, die mit ihrem freien Ende in
die Luftspalte der quer zu ihr gestellten Wicklungskerne ig und 2o ragt. Die Kerne
sind beide an dem Ende des zweiten Schenkels des L-förmigen Magneten 17 befestigt.
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An Stelle der vorher beschriebenen Einrichtungen mit polarisierten
Stahlzungen können auch Einrichtungen mit nichtpolarisierten Stahlzungen in der
gleichen Weise verwendet werden. Es muß nur dafür gesorgt sein, daß ein Teil des
mit der Magnetwicklung verketteten Wechselflusses die Stahlzunge durchsetzt. In
der induzierten Wicklung entsteht dann eine Wechsel-EMK doppelter Frequenz.
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Der :Hauptvorteil des Erfindungsgegenstandes liegt darin begründet,
daß die Aussiebung der Frequenzen durch einen mechanischen Resonanzvorgang geschieht,
dessen Dämpfung ganz erheblich kleiner und dessen Resonanzschärfe sehr viel größer
ist, als sich mit einem elektrischen Schwingungskreis bei günstigster Dimensionierung
erreichen läßt.
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Auch als Vibrationsgalvanometer ist die Einrichtung geeignet, da sie
sehr unempfindlich gegen Überlastung ist und infolge ihres mechanisch festen Aufbaus
wenig äußeren Einflüssen, z. B. Stößen, Erschütterungen o. dgl., ausgesetzt ist.