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Einrichtung zur Strommessung im Kurzwellengebiet Bei Strommessungen
im Kurzwellengebiet macht sich die Erscheinung der Stromverdrängung in den von den
Hochfrequenzströmen durchflossenen Leitern störend bemerkbar. Zum Messen derartiger
Ströme werden in der Regel Thermoumformer benutzt. Da die Stromverdrängung in sehr
erheblichem Maße von der Höhe der Frequenz abhängig ist, so wird die Messung in
diesem Fall stark frequenz- und kurvenformlabhängig, und zwar um -so mehr, je größer
die zu messende Stromstärke ist.
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Außerdem ergibt sich ein verhältnismäßig hoher Energieverlust und
infolgedessen eine ungünstig hohe Erwärmung der Anschlußteile des Heizdrahtes, deren
störender Einfluß auf die Messung nur noch schwierig zu kompensieren ist. Infolgedessen
ist die Höhe des Nennstromes des Umformers bei Messungen im Kurzwellengebiet stark
begrenzt.
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Auch wenn man an Stelle eines Thermoumformers eine Diode verwendet,
ergeben sich ähnliche Verhältnisse, die ja in diesem Falle der Spannungsabfall in
einem von dem zu messenden Strom durchflossenen Widerstand gemessen wird.
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Nach dem Vorstehenden ist der durch Stromverdrängung bedingte Meßfehler
sowohl frequenz- als auch stromabhängig. Man ist also, will man bei vorgegebener
Frequenz-oder Wellenlänge eine bestimmte Anzeigegenauigkeit innehalten, hinsichtlich
der zulässigen Nennstromstärke begrenzt. Als Faustregel hat sich dabei ergeben,
daß bei einer Anzeigegenauigkeit von 5 O/o die Wellenlänge des zu messenden Stromes
den vierfachen Nennstrom nicht unterschreiten darf.
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Für Ultrakurzwellen liegt der zulässige Nennstrom somit sehr niedrig.
Bei einer Wellenlänge von 2 m kann man infolgedessen
höchstens einen
Strom von 0,5 A mittels eines Thermoumformers messen, wenn man einen Nleßfehler
von 5 0/o zulassen will. Für genauere Messungen muß man sich auf entt sprechend
geringere Ströme besehränkedn also z. B. bei I O/o Meßfehler auf 0,I A. " Man ist
deshalb genötigt, Stromwandler;. zu benutzen, wenn größere Stromstärken gemessen
werden sollen. Handelt es sich z.B. um die Messung eines Hochfrequenzstromes von
10 A bei einer Wellenlänge von 2 m, so müßte ein Stromwandler mit einem Übersetzungsverhältnis
von 1 : 100 vorgesehen werden, um eine Nennstromstärke von 0,I A für den Heizdraht
des Thermoumformers zu erhalten. Dabei ergeben sich aber folgende Ubelstände: je
höher das Übersetzungsverhältnis des Stromwandlers ist. desto größer wird die Ävindungszahl
seiner Sekundärwicklung.
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Nun steigt bekanntlich der induktive Widerstand einer Transformatorwicklung
mit dem Quadrat der Windungszahl. Infolgedessen steigt auch die Sekundärspannung
des Stromwandlers, und um so mehr, je höher die Frequenz ist. Um so höher muß aber
auch der magnetische Fluß im Eisen gewählt werden, was wieder eine Erhöhung der
Eisenverluste zur Folge hat. Hinzu tritt noch der Umstand. daß sich bei einer zu
hohen Sekundärspannung oder einem zu hohen Cbersetzungsverhältnis erhebliche und
deshalb schädliche kapazitive Verschiebungsströme innerhalb der Sekundärwicklung
ausbilden können.
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Mit Rücksicht auf die Stromverdrängung muß der Primärleiter des Stroiuwandlers
als dünnwandiges Rohr von verhältnismäßig großem Durchmesser hergestellt werden.
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Wenn man nun den Stromwandler als Einleiterringwandler ausführt, so
erhält der Eisenring ebenfalls einen verhältnismäßig großen Durchmesser und einen
entsprechenden Ouerschnitt, so daß sich bei z. B. loo Sekundärwicklungen, entsprechend
einem Ubersetzungsverhältnis 1 : 100, eine erheblich gestreckte Länge der Sekundärwicklung
ergibt. In diesem Fall kann der quasi stationäre Zustand längs der Sekundärwicklung
aufgehoben werden. Es kommt nämlich bei der Strommessung darauf an, daß an den beiden
Wicklungspunkten, zwischen denen gemessen wird, der nämliche Sdnvingungszustand
herrscht. Dies ist nicht mehr gewährleistet, wenn die Länge der Sekundänviclilung
so groß ist, daß sich längs ihr merkliche Teile einer Hochfrequenzwelle ausbilden
können. Die Messung wird daher undefiniert.
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Es ist nun bereits zur Messung von Hochfrequenzströmen ein Stromwandler
vorgeschlagen worden, bei dem der Primärleiter parallel zu einer Kante eines sekundären
kerufreien Leiterquadrats verläuft. Seine Frequenzunabhängigkeit ist nur dann ge-,
1vRhrt, wenn der Ohmsche Widerstand der Sekundärseite vernachlässigbar klein gegen
deren Blindwiderstand ist. Dieser Strom wandler krankt nicht nur an dem überstand
eines sehr geringen Kopplungsfaktors, sondern auch am Auftreten erheblicher kapazitiver
Verschiebungsströme.
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Das vorstehend geschilderte Problem wird erfindungsgemäß durch die
Verwendung mehrerer Einleiterwandler in Kaskadenschaltung gelöst.
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Es können auf diese Weise nicht nur die Frequenzunabhängigkeit besser
gewahrt, sondern auch der Kopplungsfaktor erheblich erhöht sowie Verluste und kapazitive
Verschiebungsströme beträchtlich abgesenkt werden. Gleichzeitig ist der Tatsache
Rechnung getragen, daß der Skineffekt den maximal zulässigen Nennstrom des im Ausgang
der Sekundärwicklung liegenden Thermoumformers in Abhängigkeit von der Frequenz
begrenzt.
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Stromwandler in Kaskadenschaltung sind an sich zwar bekannt. Sie
wurden bisher aber nur bei Hochspannungsanlagen zur Kraft- und Lichtversorgung benutzt,
wenn die Bewältigung des gesamten Potentialgefälles in einem einzigen Gerät unwirtschaftlich
oder unmöglich wird. Dadurch wird die schwierige Aufgabe der Isolierung gewissermaßen
in mehrere einfache Teilaufgaben zerlegt. Diese Gesichtspunkte sind aber bei Strommessungen
auf dem Kurzv.-ellengebict nicht von Bedeutung, und es war daher nicht ohne weiteres
zu sehen, daß auf iticsem Sondergebiet die Verwendung einer Kaskadenschaltung von
Stromwandlern einen auf einer neuen Erkenntnis beruhenden technischen Fortschritt
bedeutet.
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Wenn das gesamte Übersetzungsverhältnis mit Ü und die übersetzungsverhältnisse
der einzelnen in Kaskade geschalteten Stromwandler mit ttt, Ü . . . bezeichnet werden,
so ist Ü ttl, tS2- . .. Dabei würde es zunächst naheliegend erscheinen, Ü1 = Ü2
= ... zu wählen. Es hat sich aber gezeigt, daß eine ungleiche Aufteilung des gesamten
Übersetzungsverhältnisses in der Weise vorzuziehen ist, daß die Übersetzungsverhältnisse
der einzelnen Stromwandler nach der Seite des Meßgerätes hin größere Werte aufweisen.
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Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß die Abmessungen der Wandler
sich im wesentlichen nach der Größe der jeweiligen primären Stromstärke richten.
Die Schwierigkeiten werden deshalb um so geringer, je weiter der Wandler nach der
Seite des Meßgerätes
liegt, so daß man hier das Übersetzungsverhältnis
höher wählen kann. Im übrigen empfiehlt es sich, die Wandler so zu bemessen, daß
die Länge der ausgestreckt gedachten Sekundärwicklung in jedem Fall kleiner als
die halbe Wellenlänge ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch
dargestellt.
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Dabei ist angenommen, daß es sich um die Messung eines Stromes von
10 A bei einer Wellenlänge von'z m handelt und die Stromstärke in dem Heizdraht
des zur Anzeige benutzten Thermoumformers 0,1 A betragen soll. Das sich somit ergebende
Gesamtübersetzungsverhältnis von 1 : 100 ist nun in zwei Stufen so aufgeteilt, daß
der zum Speisen des Heizdrahtes dienende Stromwandler ein Übersetzungsverhähnis
von 1 : 20 und der vorhergehende Stromwandler ein solches von 1 : 5 aufweist.
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Der zu messende Strom von 10 A fließt in einem rohrförmigen Leiter
I von entsprechend großem Durchmesser, der von einem Ringkern 2 aus magnetisierbarem
Werkstoff umgehen ist. Dieser trägt eine Sekundärwicklung von fünf Windungen eines
Leiters 3, dessen Querschnitt der Sekundärstromstärke von 2 A angepaßt ist. Der
-Leiter 3 bildet gleichzeitig den Primärleiter eines zweiten Ringkernwandlers, dessen
zwanzig Windungen umfassende Sekundärwicklung 4 zum Speisen eines Heizleiters 5
dient. Mit dem Heizleiter ist in der üblichen Weise ein Thermoelement 5 verbunden,
an das ein Gleichstrommeßgerät besonders angeschlossen ist.
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Infolge der gewählten Aufteilung des Ühersetzungsverhältnisses ist
es möglich, den Hochfrequenzstrom mittels des Thermoumformermeßgerätes 5, 6 genau
zu messen und die durch die Stromverdrängung bedingten Übelstände soweit als möglich
zu vermeiden. Insbesondere kann man die Stromwandler so bemessen, daß die Länge
der gestreckt gedachten Sekun,därwicklung bei beiden Stromwandlern wesentlich kleiner
als im ist, so daß sich keine stehenden Wellen ausbilden können. Gegebenenfalls
können iuch mehr als zwei Stromwandler in Kaskadenschaltung verwendet werden.