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Gleichrichteranordnung für Wechselstrommessungen, Steuerzwecke o.
dgl. mit Gleichrichtern in einer Brücke Bei den Wechselstrommessungen, insbesondere
der Schwachstromtechnik, bedient man sich vielfach des Telephons als Anzeigevorrichtung,
mag es sich um Vergleichs- oder um Nullmethoden handeln. Bekanntlich hat der Gebrauch
desTelephoris mancherlei Nachteile, die im wesentlichen auf subjektiven Einflüssen
beruhen. Man .hat daher schon vielfach das Telephon durch Zeigerinstrumente ersetzt,
gegebenenfalls in Verbindung mit Verstärkern und Gleichrichtern verschiedener Art.
Allen diesen Methoden haftet der Nachteil an, daß sie nur den Betrag des Meßstromes
anzeigen. Man kann also beispielsweise bei einer Brückenmessung nicht ohne weiteres
erkennen, in welchem Sinne das Brückengleichgewicht gestört wird. Ganz besonders
schwierig wird dies, wenn es sich um Messung komplexer Scheinwiderstände mit annähernd
gleich großen Komponenten handelt.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Gleichrichteranordnung
für Wechselstrommessungen, Steuerzwecke o. dgl. mit Gleichrichtern in einer Brücke,
@die alle erwähnten Nachteile vermeidet.
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Erfindungsgemäß besteht die Gleichrichteranordnung aus einer Brücke,
deren Stromkreise im Arbeitsgebiet eine im wesentlichen geradlinige Kennlinie besitzen,
wobei die Brücke von einer Meßspannung und einer synchronen, gegenüber der Meßspannung
großen Hilfsspannung derart .gespeist wird, daß sowohl die Summe als, auch die Differenz
beider Spannungen gleichgerichtet werden, so däß dieDifferenz der gleichgerichteten
Ströme ein Maß für die Größe und Richtung der Meßspannung ergibt.
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Fig. i zeigt als Beispiel die Kombination einer Gleichrichteranordnung
nach der Erfindung mit einer Wechselstrommeßbrücke und soll im folgernden zur Erläuterung
der Wirkungsweise dienen.
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Der eine Zweig der Gleichrichterbrücke wird gebildet durch den Gleichrichter
D1 und den Widerstand Ra" der zweite durch den Gleichrichter D2 und den Widerstand
R, Sind Ra, und Rat unveränderlich, so kann durch den Widerstand r der Abgleich
der Brückenanordnung in sich herbeigeführt werden. In, geeigneter Weise, in der
Fig. i beispielsweise durch einen Übertrager U, wird in beiden Gleichrichterzwei,gen
je eine gleich große; aber mit Bezug auf die Durchlaßrichtung der Gleichrichter
gegenphasige Hilfsspannung Eh induziert. Die z. B. infolge Ver-
Stimmung
der Meßbrücke vorhandene, etwa durch einen--.Übertrager zugeführte Meßspannung sei.
Eb. Im Zweig l der Gleichrichterbrücke wirkt somit die Spannung El = Eh .-f-
Eb; und im Zweig II wirkt die Spannung E2 = Eh - Eb.
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Zunächst wird angenommen, daß die Wechselstrommeßbrücke mit den Widerständen
R, R, R und Rc durch Vergrößerung von R" verstimmt sei, und daß infolgedessen im
Diagonalzweig eine Spannung EI; entstehe, die in Phase mit Eh sein
möge. Wie Fig. 2 an Hand einer idealisierten Gleichrichterkennlinie zeigt, bewirkt,das
Auftreten von Eb eine Vergrößerung der Gleichstromkomponente im Zweig Dl Rai und
eine Verkleinerung im Zweig D2 &2. Ein . im Diagonalzweig der Brückenanordnung
etwa: eingeschaltetes Gleichstrominstrument G zeigt dann einen positiven Ausschlag.
Wird umgekehrt die Brücke durch Verkleinerung von R" verstimmt, so kehrt Eb seine
Phase um, und -die Gleichstromkomponente im Zweig II nimmt zu, während die im Zweig
I sinkt. Das Galvanometer G zeigt dann einen, negativen Ausschlag.
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Bei Wechselstrommessungen wind die Meßspannung im allgemeinen aus
zwei um go° phasenverschobenen: Komponenten bestehen, entsprechend dem reellen und
imaginären Teil des zu messenden Scheinwiderstandes. Fig. 3 erläutert den Einfluß,
den die Phasenverschiebung zwischen Hilfsspannung Eh und Meßspannung Eb mit
sich bringt. Hier ist beispielsweise eine Phasenverschiebung zwischen EI, und Eb
von go° angenommen. Man erkennt, daß in beiden Zweigen I und II die Gleichstromkomponenten
durch Änderung der Meßspannung Eb in gleicher Wbise-beeinflußt Nverden, so daß der
Galvanömeterausschlag unverändert bleibt.
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Durch geeignete Phasendrehung der Hilfsspannung mittels F der Fig.
z hat man es in der Hand, wahlweise ,die reelle oder die imaginäre Komponente des
zu messenden Scheinwiderstandes unabhängig voneinander zu bestimmen. Hierzu genügt
es bisweilen auch, zweifeste gegeneinander um go° verschobene Phasenlagen vorzusehen.
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Fig. q. zeigt das Vektordiagramm der Gleichrichterbrücke. Die Phasenverschiebung
zwischen -der. Meßspannung eb und der hilfsspannung e,h sei 99. Im Zwelg I .der
Gleichrichterbrüdi#e wirkt die Spannung ei. = eh -I- eb im d im Zweig II Ge = eh
- eb-Für den Ausschlag ä des GleichstromInstrumentes ergibt sich dann a-! ei /-/e,/-/eh+'eb@-@eh-eb'#
Wie ausdemDiagramm leichtersichtlichist, kann bei großer Hilfsspannung i-h gegenüber
kleiner Meßspannung ib für die Beträge der Vektoren gesetzt werden Ei --- Ei, -j-
Eb # cos cp, E.= = Eh - Eb # cos 99.
Es ergibt sich dann a.-- (El-E2)
- 2Eb. cos9p.
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Wird nun der Phasenwinkel (p zwischenHilfsspannung Eh und der
Meßspannung Eb Null, so ist der Ausschlag des Anzeigeinstrumentes proportional der
Größe und dem Vorzeichen der Meßspannung Eb, wird cp = go°, so erhält man
keinen Ausschlag des Galvanometers.
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Voraussetzung für die Richtigkeit obiger Ausführungen, d. h. proportionaler
Ausschlag des Galvanometers in Abhängigkeit von der Meßspannung bei entsprechender
Phasenverschiebung zwischen Hilfs- und Meßspannung, ist eine im wesentlichen. geradlinige
Kennlinie im Arbeitsbereich der beiden Stromkreise der Gleichrichterbrücke.
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In welcher Weise ,die Hilfsspannung den Arbeitspunkt bzw. den Bereich
:der Gleichrichteranor dnung bestimmt, läßt die in Fig. 5 dargestellte Gleichstromwechselspannungskennlinie
erkennen. Die Kennlinie stellt den in einem -aus Detektor und Belastungswiderstand.
bestehenden Kreis entstehenden Gleichstrom in Abhängigkeit von dem Effektivwert
der - in dem betreffenden Kreis wirkenden Gesamtspannung ei bzw. QV, dar. Wie aus
dem Diagramm ersichtlich, ist der Ausschlag des Galvanometers G gleich Null, wenn
die Meßspannung Eb gleich Null ist, da sich die durch die beiden Zweige I und Il
der Gleichrichteranordnung entsprechend der Hilfsspannung fließenden Gleichströme
infolge gleicher Größe .und entgegengesetzter Richtung aufheben. Ist jedoch Eb nicht
gleich Null, so erhöht sich die effektive Spannung im Kreis I auf Eh + Eb
# cos 'P, während sie sich im Kreis II auf Eh -Eb # cos P vermindert. Damit
erhöht sich im Kreis I und vermindert sich im Kreis II der Gleichstrom um den Betragdz.
Der Größe 2di ist nach dem früher Gesagten derAusschlag des Instrumentes proportional.
Um nun zu erreichen, daß der Ausschlag des Galvanometers bei bestimmtem Phasenwinkel
99 nur von der Meßspannung Eb abhängig wird, also a = h # Eb # cos cp ist,
d. h. daß a unabhängig von der Größe der Hilfsspannung Eh und k eine - Konstante
wird, ist es notwendig, daß man mit EI, -I- Eb nur den geradlinigen Teil der Kennknie
überstreicht
(vgl. Pig. 5). Der ArbeitspunktP kann also je nach der Größe des gewünschten Meßbereiches
auf der Kennlinie verschoben werden, ohne daß sich dz ändert, -#vobqi aber zu berücksichtigen
ist, daß er sowie die Punkte P' und P" auf dem gerad-Hilfsspannung Eh größer
als die Meßspannung ist. Der Instrumentausschlag ist dann eine lineareFunktion von
Eb, und zwar herab linigen Teil der Kennlinie verbleiben und die bis zum Wert Eb
= o. Eine in genügend großem, Bereich geradlinige Kennlinie des Stromkreises
ist besonders bei der Verwendung von Trockengleichrichtern leicht erziel= bar. Dies
gilt auch dann, wenn die Kennlinie des Detektors selbst nicht genügend genau geradlinig
ist, da dieKreiskennlinie nicht nur von den Eigenschaften des Gleichrichterelementes
an sich, sondern auch von dem Belastungswiderstand des Gleichrichterkreises abhängig
ist.
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Ist die am Gleichrichter und Belastungswiderstand liegende Spannung
E, so erhält man
wenn Il den Strom in der Durchlaßrichtung des Gleichrichters, Ra den Belastungswiderstand
und Rd den Durchlaßwiderstand des Gleichrichters bedeuten.
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Es ist ferner
wenn I, den Strom und: R, den Widerstand in der Sperrichtung des Gleichrichters
bedeuten.
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Der wirksame Gleichstrom ist gegeben durch
Wählt man R,> Rb> Rd, so gilt in erster Annäherung
d. h. der Gleichstrom ist in erster Linie durch den Ohmschen Belastungswiderstand
bestimmt.
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Es sei noch die praktisch erreichbare Unabhängigkeit des Galvanometerausschlages
von der Größe der Hilfsspannung an einem Beispiel gezeigt. Es wurde bei konstanter
Meßspannung die Abhängigkeit des Aus-Schlages von der Hilfsspannung aufgenommen
und in Fig. 6 graphisch dargestellt. Auf der Ordinatenachse ist der Galvanometerausschlag
a in Skalenteilen und auf der Abszissenachse die Hilfsspannung Eh in Volt
aufgetragen. Wie an Hand des -Diagramms ersichtlich, kann eine Unabhängigkeit der
Anzeige von der Hilfsspannung Eh weitgehend erreicht werden.
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Für die praktische Verwendung der Gleichrichteranordnung kann es von
besonderem Vorteil sein, statt des Gleichstrominstrumentes ein Relais o. dgl. vorzusehen.
So kann z. B. bei Verbindung der Gleichrichteranordnung mit einer Wechselstrommeßbrücke
das Relais dazu dienen, eine Vorrichtung zum automatischen Abgleich der Meßbrücke
zu steuern. Ein derartiger Abgleich erfolgt in der Regel durch Änderung einer oder
mehrerer in der Brücke vorhandener Meßgrößen. Es ist natürlich auch möglich, den
zu messenden Wechselstromwiderstand durch die Steuerwirkung des Relais so zu verändern,
daß .die Meäbrücke abgeglichen wird. Dies ist besonders .dort von Vorteil, wo'das
Meßobjekt einen bestimmten Wechselstromwiderstand erhalten soll und kann auch durch
mittelbare Beeinflussung des Meßobjektes geschehen. Als Beispiel sei die Aufgabe
erwähnt, in einer Lösung eine bestimmte Säurekonzentration dauernd aufrechtzuerhalten.
Das Relais kann in diesem -Fall dazu benutzt werden, den Säure- oder Wasserzufluß
durch geeignete Ventile zu regeln.
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ZurAusfühi-ung von Brückenmessungen ist es nicht unbedingt erforderlich,
daß die Brücke von Hand oder automatisch ausgeglichen wird. Da die Meßspannung für
kleine Verstimmungen eine lineare Funktion der Verstimmung ist, kann durch den Ausschlag
des Zeigerinstrumentes der Gleichrichteranordnung oder durch die Aufzeichnung eines
Registrierinstrumentes die Verstimmung der Meßbrücke nach Größe und Phase unmittelbar
gemessen werden.