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Wechselstrommeßbrücke, deren Diagonalzweig einen phasenabhängigen
Nullstromindikator enthält Es sind Wechselstrommeßbrücken bekannt, deren Diagonalzw
:eig einen fremd erregten Synchronschalter und ein Gleichstrommeßgerät oder einen
anderen phasenabhängigen N ullstromindikator enthält, dessen Erregung zwischen zwei
verschiedenen, vorzugsweise um etwa 9o° gegeneinander verschobenen Phasenlagen umschaltbar
ist.
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`'Fenn mittels einer solchen Einrichtung ein beliebiger komplexer
Widerstand gemessen werden soll, der sich also aus einer Wirkkomponente und einer
Blinkkomponente zusammensetzt, wobei die Beträge der beiden Komponenten durch die
Einstellung zweier regelbarer Brückenwiderstände bestimmt werden sollen, so tritt
folgender IJbelstand auf: Wenn man mit Hilfe eines phasenabhängi-" n e Xullstromindikators
den Abgleich einer Brückenschaltung, die komplexe Widerstände enthält, herbeiführen
will, kann man zwei umschaltbare Erregerphasen für den Indikator auswählen, die
eine feste Phasenlage und "
. gegenüber z. B. der Brückenspeisespannung
besitzen, wobei q#2 - cpl etwa cgo betragen muß, um eine große Meßempfindlichkeit
zu erhalten. Die Aufgabe ist nun, die beiden notwendigen Abgleichwiderstände R1
und R_ so lange zu ändern, bis das Instrument die Stromlosigkeit der Brückendiagonale
bei Einschaltung beider Erregerphasen cfl und (p2 anzeigt. Um überhaupt einen Abgleich
herbeiführen zu können, wird man zweckmäßig jedem Abgleichwiderstand probeweise
eine Erregerphase zuordnen, um methodisch zu arbeiten und dabei zu ermitteln, ob
die festgelegte Zuordnung zum Ziele führt. Offenbar muß es für jede Brückenanordnung
in jedem Abgleichstadium eine ganz bestimmte Lage der Erregerphasen geben, bei der
der Abgleich am schnellsten durchgeführt werden kann. Der Adealfall wäre dann zu
verzeichnen, wenn man z. B. R1 bei T und R= bei cpz je nur einmal so zu verstellen
braucht, bis das Instrument Null zeigt, wonach der vollkommene Abgleich herbeigeführt
wäre.
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Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daß man für jede Brückenschaltung
eine Zweigspannung oder einen Zweigstrom als Bezugsvektor für die richtige Orientierung
der Erregerphasen angeben und den beiden Abgleichwiderständen die zu benutzenden
Erregerphasen fest so zuordnen kann, daß der Ausschlagssinn den notwendigen Veränderungssinn
der Abgleichwiderstände eindeutig angibt und der Abgleich am schnellsten konvergiert.
Diese Methode vermeidet also das
im allgemeinen umständliche und
zeitraubende Probieren bei der.Durchführung des Abgleiches.
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Man hat in einzelnen Sonderfällen bereits -, vorgeschlagen, bei Wechselstrombrückenschaltungen
den Nullstromindikator auf eine bestimmte Bezugsgröße umschaltbar - anzu= ordnen.
Jedoch hatte man bisher keine eindeutige Regel -angeben können, nach der die Wahl
der Bezugsgröße 'erfolgen muß, um möglichst schnell zu dem vollkommenen Abgleich
zu gelangen. _ Dies ist gemäß der Erfindung- dadurch möglich, daß als Bezugsgröße
ein Brückenzweigstrom oder eine Brükkenspannung derart gewählt wird, daß die Richtung
einer der beiden Erregerphasen senkrecht oder annähernd senkrecht auf der Richtung
steht, in der sich der Endpunkt des Diagonalstromvektors bewegt, wenn der der betreffenden
Erregerphase nicht zugeordnete Abgleichwiderstand verändert wird. Aus dieser Regel
ergibt sich in jedem Fall die Wahleiner geeigneten Bezugsgröße (Brückenspannung
oder Brückenstrom), nach der die Orientierung erfolgen muß.
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Um die Richtung der Erregerphase zu der betreffenden Bezugsgröße nachzuprüfen,
kann man eine beliebige dafür geeignete Meßeinrichtung verwenden. Besonders vorteilhaft
ist es aber, dazu als Kontrollinstrument die gleiche Meßeinrichtung zu benutzen,
die bei der eigentlichen Messung mittels der Brükkenschaltung als Nullstromindikator
dient. Wenn beispielsweise die Richtung einer der beiden Erregerphasen auf der Richtung
einer bestimmten Brückenspannung senkrecht stehen soll, so kann man eine Schaltvorrichtung
verwenden, durch die der Nullstromindikator, vorzugsweise über einen Widerstand,
an die betreffende Brückenspannung angelegt wird. Soll die Orientierung nach einem
Brückenstrom erfolgen, so kann man in den betreffenden Brückenzweig einen Nebenschlußwiderstand
einschalten, an den der Nullstromindikator angelegt werden kann. Zweckmäßig wird
in diesem Falle ein zweiter Schalter parallel zu dem Nebenschlußwiderstand angeordnet,
der so mit dem ersten Schalter gekuppelt wird, daß er geöffnet ist, wenn der Indikator
an den Nebenschlußwiderstand angelegt ist.
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Die Erfindung möge zunächst an dem Beispiel einer Brückenschaltung
erläutert werden, deren Grundschema in Fig. i dargestellt ist. An die einander gegenüberliegenden
Punkte i und 3 der Brückenschaltung ist eine Wechselstromquelle 5 angeschlossen.
Zwischen den Punkten i und 3 liegen ferner einerseits die Ohmschen Widerstände rz
und r2, anderseits ein komplexer Widerstand, dessen Ohmsche Komponente mit r, und
dessen induktive Komponente mit x3 bezeichnet ist, sowie ein induktiver Widerstand
x4 und ein Ohmscher Widerstand r4. An die Diagonal-.,punkte 2 und q. der Brückenschaltung
ist als :'@ynchronschalter ein mechanischer elektromagnetisch angetriebener Gleichrichter
6 und in Reihe damit ein Gleichstrommeßgerät 7 angeschlossen. Die Erregerwicklung
des Gleichrichters 6 ist mit 8 bezeichnet und über eine aus dem Umschalter g für
den Widerstand io bzw. dem Kondensator i i bestehende Einrichtung zur Phasenumschaltung
an eine synchron mit 5 arbeitende Wechselstromquelle 12 angeschlossen. Durch wahlweises
Einschalten des Ohmschen Widerstandes io oder des Kondensators i i kann man in an
sich bekannter Weise die Phasenlage der Erregung des Gleichrichters 6 um annähernd
go° verschieben.
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Die beiden Komponenten r3 und x3 des gesuchten Widerstandes in dem
Brückenzweig i bis q. sollen nun dadurch bestimmt werden, daß man die Brücke mittels
der regelbaren Widerstände r, und r4 abgleicht. Für den Abgleich, also für den Fall,
daß der. Vektor J, des Diagonalstromes =. Null wird, gelten die Beziehungen
d. h. die Einstellung des Widerstandes r1 bildet ein Maß für die Komponente x3,
und die Komponente rg kann dann durch Einstellen des Widerstandes r4 bestimmt werden.
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Zur Erläuterung des neuen Verfahrens möge die Fig.2 dienen, die eine
vektorielle Darstellung des Brückenabgleichs gibt. In einem Achsenkreuz, dessen'
reelle Achse mit 0A und dessen imaginäre Achse mit OB bezeichnet ist, möge
der Vektor Ja des Diagonalstromes bei einer beliebigen Einstellung der Brückenwiderstände
die gezeichnete Lage OG einnehmen. Mit CU ist nun diejenige Richtung bezeichnet,
in der sich der Vektor J, bewegt, wenn man den Widerstand r 4 Verändert, und mit
Ch ist diejenige Richtung bezeichnet, in der sich der Vektor To bewegt, wenn man
den Widerstand r1 verändert.
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Nach der oben angegebenen Regel erhält man nun einen möglichst schnellen
und sicheren Abgleich, wenn man die durch den Phasenumschalter g wählbaren beiden
Richtungen der Erregung des Synchronschalters 6 je einem der beiden Abgleichwiderstände
r1 und r4 fest zuordnet und die eine der beiden Erregerphasen so wählt, daß sie
senkrecht steht auf der Richtung, in der sich der Endpunkt des Vektors J, bewegt,
wenn der der betreffenden Erregerphase nicht zugeordnete Abgleichwiderstand verändert
wird.
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In dem gewählten Beispiel möge die mit OP
bezeichnete
Richtung der Erregung des Gleichrichters 6, entsprechend der Einschaltung des Widerstandes
io, dem Abgleichwiderstand r4 und die mit 0Q bezeichnete Richtung der Erregung,
entsprechend der Einschaltung des Kondensators i i. dem Abgleichwiderstand r, zugeordnet
sein. Ferner soll die Richtung 0Q so gewählt werden, daß sie senkrecht auf der Richtung
CU steht, in der sich der Vektor Jo bewegt, wenn man den der Erregerrichtung CQ
nicht zugeordneten Widerstand r4 verändert. Dementsprechend ist in Fig. 2 die Richtung
0Q senkrecht zu CU eingezeichnet. Bei dieser Einstellung der Erregerphasen geht
der Abgleich nun folgendermaßen vor sich Zunächst verändert man bei der Phasenlage
0Q der Erregung den Abgleichwiderstand r, so lange, bis der Ausschlag des Instruments
7 verschwindet. Dies ist dann der Fall, wenn der Endpunkt des Vektors Jo von dem
Punkt C in der Richtung Cl' nach dem Punkt C gelangt ist. Dabei ergibt sich
C
als Schnittpunkt der Geraden 0Q' mit CV, wobei O Q' senkrecht
auf 0Q steht. In diesem Falle ist nämlich der Stromvektor Ja um 9o° gegen die Erregerrichtung
0Q verschoben, so daß der Mittelwert des das Gleichstrommeßgerät 7 durchfließenden
Stromes = Null wird. :Lunmehr wird der Schalter 9 auf die Phasenlage OP umgelegt
und die Brücke mit Hilfe des Widerstandes r4 abgeglichen. Dabei wandert der Endpunkt
des Vektors J, auf der Linie CO, wobei CO parallel CU ist, und erreicht
den Wert Null, wenn er im Punkt O angelangt ist. Damit ist der Abgleich vollzogen.
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Wenn man annehmen kann, daß der Widerstand r, im Diagonalzweig verhältnismäßig
groß ist, so kann die der Fig. 2 entsprechende Orientierung der Phasenlagen der
Erregung dadurch erreicht werden, daß man die Erregerphase 0Q senkrecht zu der Richtung
des die Widerstände r4 und x4 durchfließenden Zweigstromes J4 wählt. Es ist daher
in diesem Falle zweckmäßig, in den die Widerstände r4 und x4 enthaltenden Brückenzweig
noch einen Nebenschlußwiderstand r" einzuschalten (vgl. Fig. 3), an den zwecks Prüfung
der Phasenlage das Instrument 7 in Reihe mit dem Gleichrichterkontakt 6 angelegt
werden kann.
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Ein Ausführungsbeispiel der Schaltung einer derartigen Meßbrücke ist
in Fig. 3 dargestellt, wobei die Lage und Bezeichnung der Brückenwiderstände mit
Fig. i übereinstimmt. Zum Umlegen des Indikators zwecks Prüfung der Phasenlage dient
der Schalter 14, der in der gezeichneten Lage des Schalthebels die obere Klemme
des Instruments 7 mit der Verbindungsleitung zwischen den Widerständen r" und x4
verbindet. Mechanisch mit dem Schalter 14 gekuppelt ist ein Schalter 15. Werden
die Schalterhebel 14, r5 umgelegt, so ist der Diagonalstrom von 2 über 14, 7 und
6 nach 4 geschlossen und der- Nebenschlußwiderstand r" über den Schalter 15
kurzgeschlossen.
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Als Synchronschalter ist in Fig.3 ein Zungengleichrichter angedeutet,
dessen Kontaktzunge 6 elektromagnetisch durch die Erregerwicklung 8 beeinflußt wird.
Diese erhält eine Wechselspannung aus einem Dreiphasennetz 5 über einen Phasenschieber
16 beliebiger bekannter Bauart. In dem Erregerkreis liegt ferner ein Schalter 9,
mit dessen Hilfe man wahlweise einen Ohmschen Widerstand io oder einen Kondensator
i i in den Erregerstromkreis einschalten kann. Die beschriebene Einrichtung kann
in folgender Weise zur Bestimmung der beiden Komponenten r; und x3 des gesuchten
Widerstandes benutzt werden Zunächst stellt man die Schalter 9 und 14, 15 so ein,
wie es die Zeichnung zeigt, und dreht den Phasenschieber 16 so lange, bis das Instrument
7 auf Null zeigt. Bei der gezeichneten Stellung des Schalters 14 ist die dem Synchronschalterkontakt
zugeleitete Spannung in Phase mit dem Brückenstrom J4. Wenn nun das Instrument 7
keinen Ausschlag zeigt, so ist dies ein Zeichen dafür, daß die Erregerphase senkrecht
zu J4 steht. Man hat also auf diese Weise die Erregerphase 0Q entsprechend Fig.
2 orientiert. Nunmehr wird der Schalter 14, 15 umgelegt und dadurch die zur Brückenmessung
nach Fig. i erforderliche Schaltung hergestellt. Bei dieser Stellung des Schalters
14, 15 kann man zunächst, vorausgesetzt, daß der Umschalter 9, wie gezeichnet, auf
dem Widerstand io steht, durch Verändern des Regelwiderstandes r, den Ausschlag
des Instruments 7 auf den Wert .Null bringen. Dadurch verschiebt man gewissermaßen
den Vektor J, des Diagonalstromes entsprechend Fig. ä von 0C nach O C. Wenn
man nunmehr den Schalter 9 auf den Kondensator i i umlegt, so wird das Instrument
7 wieder einen Ausschlag zeigen, den man durch Verändern des Regelwiderstandes r4
zum Verschwinden bringen kann. Dabei schrumpft gewissermaßen der Vektor J, auf Null
zusammen, indem der Punkt C' mit O zusammenfällt. Man erhält dann die Komponenten
r3 und x3 des gesuchten Widerstandes mit Hilfe der Beziehungen
Im allgemeinen wird es allerdings nur angenähert möglich sein, die Phasenlage durch
das angegebene Verfahren von vornherein so genau zu bestimmen bzw. einzustellen,
daß der vollkommene Abgleich bereits bei einmaliger
Einstellung.
der Widerstände r1 und r4 erreicht wird.
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Es empfiehlt sich deshalb in jedem Falle, zur Kontrolle das Verfahren
mehrmäls in der gleichen Weise zu wiederholen und die Einstellung gegebenenfalls
zu berichtigen. Dabei ist zu berücksichtigen, daß es bei Brückenmessungen im allgemeinen
üblich und zweckmäßig ist, den - Abgleich zunächst bei verringerter Empfindlichkeit
des Indikators vorzunehmen und die volle Empfindlichkeit erst dann einzustellen,
wenn der Abgleich bereits annähernd erreicht ist. Es ist daher nicht als Nachteil
des beschriebenen Verfahrens anzusehen, daß der vollkommene Abgleich im allgemeinen
nicht sofort nach einmaliger Einstellung der Widerstände möglich ist, da ohnedies
in der Regel mehrere Einstellungen mit stufenweise erhöhter Empfindlichkeit des
Indikators erforderlich sind.
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In jedem Falle aber ermöglicht das Verfahren eine wesentlich beschleunigte
Annäherung an den endgültigen Abgleich, vor allem aber ist es auf diese Weise möglich,
für den Verlauf derartiger Messungen eine einfache Vorschrift zu geben, die ohne
besondere überlegungen zwangsläufig zum Ziele führt, so. daß die Messung ohne Schwierigkeit
auch von wissenschaftlich nicht geschulten Kräften ausgeübt werden kann.
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In dem gewählten Beispiele war angenommen worden, daß, wie sich aus
den besonderen Verhältnissen ergibt, ein günstiger Abgleich durch Orientierung der
Phasenlage nach einem Brückenstrom I4 erreicht werden kann. In anderen Fällen wird
man finden, daß es zweckmäßig ist, die Phasenlage nach einer Brückenspannung zu
orientieren. Ein Beispiel für einen solchen Fall zeigt Fig. q., wobei der Übersichtlichkeit
halber die Erregerschaltung für den Synchronschalter 6 nicht besonders dargestellt
ist. Im übrigen entsprechen die Bezeichnungen denen der Fig. r. In dem dargestellten
Beispiel ist r1 ein fester und r3 ein regelbarer Ohmscher Widerstand. Durch r2 und
y2 sind die Ohmsche und die kapazitive Komponente des gesuchten Widerstandes angedeutet,
wobei r2 und y2 parallel geschaltet sind. Dementsprechend liegt im vierten Brückenzweige
ebenfalls ein Kondensator und ein regelbarer Ohmscher Widerstand in Parallelschaltung.
Die entsprechenden Widerstände sind mit y4 und r4 bezeichnet. Für diesen Fall läßt
sich beispielsweise nachweisen, daß man auf dem schnellsten Wege zu einem vollkommenen
Abgleich kommt, wenn man für die Phasenlage der Erregung des Synchronschalters als
Bezugsvektor die Spannung zwischen den Punkten z und 3 wählt unter der Voraussetzung,
daß der Widerstand im Diagonalzweig sehr klein ist. Um die Phasenlage nachprüfen
zu können, wird man in diesem Falle einen Schalter z.1 so anordnen, daß er in der
gezeichneten Stellung den Synchronschalter 6 und das Instrument 7 über einen hohen
Ohmschen Widerstand r" an die. Klemmen 2 und 3 anschließt. Nach dem Umlegen des
Schalters 1q. ist die normale Brückenschaltung wiederhergestellt.