-
Anordnung zur Messung elektrischer Ströme oder Spannungen in einer
sich selbsttätig abgleichenden Kompensationsschaltung Wenn ein elektrischer Strom
oder eine elektrische Spannung nach einem Kompensationsverfahren gemessen und die
Meßgröße mit Tintenschrift fortlaufend aufgezeichnet werden soll, so muß man in
der Regel besondere als Verstärker wirkende Hilfseinrichtungen benutzen, da die
Energie des zur Verfügung stehenden Ausgleichs stromes im allremeinen zum Betrieb
eines Tintenschreibers nicht ausreicht. Zu diesem Zweck benutzt man in der Regel
einen absatzweise wirkenden mechanischen Verstärker in Gestalt einer sog. Fallbügelanordnung,
wobei die Ausschläge eines von der Meßgröße gesteuerten Galvanometermeßwerkes periodisch
von dem Fallbügel abgetastet werden.
-
Bei einer bekannten Anordnung dieser Art ist ein Differentialgetriebe
vorgesehen, das die Differenz der Geschwindigkeiten zweier motorisch angetriebener
Wellen bildet, wobei das Differentialglied des Differentialgetriebes das Regelglied
der Kompensationsschaltung einstellt. Mittels des in gewissen Zeitabständen periodisch
betätigten Fallbügels wird nun von dem Zeiger des Nullgalvanometers je nach seiner
Abweichung von der Abgleichlage die eine oder die andere der beiden Wellen stillgesetzt,
so daß das Differentialglied sich
in der einen oder anderen Richtung
bewegt, und zwar so lange, bis der Kompensationszustand wieder erreicht ist.
-
Diese bekannte Anordnung hat den Nachteil, daß die Einstellung und
damit auch die Aufzeichnung in der durch den Antrieb des Fallbügels gegebenen zeitlichen
Folge absatzweise vor sich geht, so daß schnellere Änderungen der Meßgröße nicht
erfaßt werden.
-
Eine fortlaufende Aufzeichnung erhält man dagegen, wenn man als Null
instrument in der Kompensationsschaltung einen phasenabhängigen Umkehrmotor benutzt,
der je nach der Abweichung von dem Abgleich in dem einen oder anderen Sinne in der
einen oder anderen Richtung umläuft, das Schreibwerk des Tintenschreibers bewegt
und zugleich das Regelglied der Kompensationsschaltung wieder in die Abgleichstellung
bringt.
-
Diese bekannten Anordnungen arbeiten vorzugsweise mit Induktionszählermeßwerken
als Nullmotoren und sind daher nicht ohne weiteres zum Messen von Gleichströmen
oder -spannungen geeignet. Dies wird in einer Anordnung zur Messung elektrischer
Ströme oder Spannungen in einer sich selbsttätig abgleichenden Kompensationsschaltung,
bei welcher das Regelglied durch ein Differentialgetriebe verstellt wird, insbesondere
zur kontinuierlichen Aufzeichnung der Meßgröße mittels eines Schreibgerätes, gemäß
der Erfindung dadurch vermieden, daß die Geschwindigkeit mindestens einer der beiden
in dauerndem Umlauf befindlichen Wellen des Differentialgetriebes durch den Auslgleiclllsstrom
dler Sompensationsschaltung gesteuert wird.
-
Die Anordnung gemäß der Erfindung hat außerdem noch den Vorteil,
daß der verstärkte Ausgleiclisstrom nicht zum Antrieb des. Regelgliedes der Kompensationsschaltung
dient, sondern nur zum Beeinflussen der aus einer Hilfsstromquelle gespeisten, die
Wellen antreibenden Motoren. Infolgedessen genügt ein Verstärker mit wesentlich
geringerem Verstärkungsgrad, so daß z.B. zum Messen einer Thermospannung od. dgl.
ein Bolometerverstärker der üblichen Bauart ohne weitere Verstärkung ausreicht.
-
Als Verstärkungsmittel können im übrigen Verstärker beliebiger Art
benutzt werden, wie sie insbesondere für Meßeinrichtungen bekannt sind, z. B. auch
Photozellenverstärker. Man kann unter Umständen aber auch Anordnungen verwenden,
bei denen der Ausgleiclhsstrom ein richitungsrempfindlliches Relais steuert, das
beim Abweichen von dem Ahgleich einen verstärkten Strom einschaltet.
-
Die Beeinflussung der Geschwindigkeit der betreffenden Wellen - kann
in verschiedener Weise erfolgen. Wenn die Wellen durch Elektromotoren angetrieben
werden, so kann man z. B. die Felderregung mindestens einer der beiden Elektromotoren
durch den Ausgleicahssltrom beei,n,flussen, wobei dieser vorzugsweise ein richtungsempfindliches
Relais erregt, das eine zusätzliche Feldwicklung des betreffenden Elektromotors
speist.
-
Im allgemeinen wird man es jedoch vorziehen, einen Verstärker, insbesondere
einen Bolometerverstärker, zu benutzen und die Geschwindigkeit mindestens einer
der beiden Wellen durch eine von dem verstärkten Ausgleichsstrom gesteuerte Bremse
zu verändern.
-
Als solche könnte z. B. eine elektromagnetisch gesteuerte mechanische
Bremse benutzt werden. Besonders vorteilhaft ist aber die Verwendung von Wirbelstrombremsen.
Bei einer Wirbelstrombremse ist nämlich die Wirkung proportional dem Quadrat der
magnetischen Feldstärke B des die Wirbelströme erzeugenden Magneten. Wird nun die
z. B. durch eine von einem konstanten Strom gespeiste Erregerwicklung erzeugte Vormagnetisierung
mit Bo bezeichnet, die durch eine von dem verstärkten Aulslglleichss,trom in einer
Zusatzwicklung erzeugte Feldstärke B1 je nach der Stromrichtung verstärkt oder geschwächt
wird, so ist die Wirkung der Wirbelstrombremse proportional (Bo + B1)2 oder proportional
Bo2 + 2 Bo B1 + B12. Beim Verschwinden der zusätzlichen Feldstärke Bl wird nun der
Unterschied (Bo 1 B1)2 - B02 = bs2 + 2 Bo B1 wirksam. Daraus ergibt sich, daß die
für die Verstellung des Regelgliedes in Betracht kommende Wirkung bei gleichem Wert
von Bt mit wachsender Vormagnetisierung Bo zunimmt und die Abhängigkeit von der
Stärke des Abgleicllfisstromes sich um so mehr einer linearen Beziehung nähert,
je größer die Vormagnetisierung ist. Man kann daher die Wirkung der Anordnung durch
Steigerung der Vormagnetisierung wesentlich erhöhen und günstiger gestalten.
-
Die Verwendung von Wirbelstrombremsen bietet außerdem den Vorteil,
daß man auch eine Wechselstromgröße unmittelbar, also ohne vorherige Gleichrichtung,
zur Kompensation verwenden kann. Man muß dann allerdings zur Vormagnetisierung einen
synchronen Wechselstrom entsprechender Phasenlage benuten. Man kann dlan,n denAu.sgl
eich s strom über einen einfachen Wechselstromverstärker an die Zusatzwicklung der
Wirbelstrombremse anschließen.
-
Benutzt man zum Antrieb der beiden Wellen je einen Elektromotor,
so werden diese vorzugsweise aus dem gleichen Leitungsnetz gespeist. Dann haben
Schwankungen der Netzspannung keinen Einfluß auf die Messung, da sich die Umlaufgeschwindigkeiten
der beiden Motoren in gleichem Sinne ändern. Aber audl Unterschiede der Umlaufgeschwindigkeiten,
die
z. B. durch Änderungen der Lagerreibung od. dgl. bedingt sind, werden innerhalb
gewisser Grenzen durch eine entsprechende Feldregelung des Motors selbsttätig ausgeglichen.
-
Wenn die beiden Elektromotoren in Parallelschaltung an das Netz angeschlossen
sind, so übt die Regelung der Drehzahl des einen Motors keinen Einfluß auf die Drehzahl
des anderen aus. Bei einer Reihenschaltung dagegen verteilt sich die Leistung auf
die beiden Motoren entsprechend der Drehzahl. Dadurch erhöht sich die Differenz
der Geschwindigkeiten selbsttätig, so daß die Wirkung verstärkt wird.
-
Wenn man einen Bolometerverstärker benutzt oder einen anderen mit
thermischer Trägheit behafteten Verstärker, so können infolge der thermischen Trägheit
störende Pendelungen auftreten. Dies kann man jedoch durch eine bei derartigen Verstärkern
an sich bekannte differenzierende elastische Rückwirkung beseitigen. Im übrigen
kann es erwünscht sein, noch weitere Mittel zur elastischen Rückführung zu benutzen,
insbesondere wenn die Anordnung größere Schwungmassen enthält. Zu diesem Zweck kann
von dem Differentialglied des Differentialgetriebes über eine Schlupfkupplung das
unter dem Einfluß einer Federkraft in einer Mittelstellung gehaltene Regelmittel
eines im Kompensationskreis liegenden - Widerstandes gesteuert werden. Dabei kann
die Schlupfkupplung ebenfalls auf dem Prinzip der Wirbel stromerzeugung beruhen.
Noch wirksamer ist eine Anordnung, bei der das zur elastischen Rückführung dienende
Regelmittel eines im Kompensationskreis liegenden Widerstandes durch in eine zähe
Flüssigkeit eintauchende Mitnehmer mit dem Differentialglied gekuppelt ist.
-
In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
schematisch dargestellt.
-
Bei der in Fig. I gezeichneten Anordnung ist angenpmmen, daß ein
Gleichstromnetz I zur Verfügung steht, an das zwei Gleichstrommotoren 2, 3 angeschlossen
sind. Die Feldwicklungen der beiden Motoren sind mit 4 und 5 bezeichnet. Die Motoren
2 und 3 treiben über Räder 6, 7 die Sonnenräder 8, 9 eines Differentialgetriebes
an, dessen Differentialglied 10 iiber ein Schneckengetriebe 11 mit dem Kontaktarm
12 eines Regelwiderstandes I3 gekuppelt ist.
-
Der Regelwiderstand I3 ist an eine Gleichstromquelle 14 angeschlossen,
die einerseits 'mit einer Klemme 15 für den Anschluß einer zu messenden Spannung
Ux verbunden ist.
-
Die andere Klemme I6 steht über die Erregerwicklung I7 eines polarisierten
Relais I8 mit dem Kontaktarm.I2 in Verbindung. Der Anker des Relais I8 spielt zwischen
zwei festen Kontakten I9, 2p, die über einen an die Netzleitungen I angeschlossenen
Widerstand 21 miteinander verbunden sind. An einen Abzweigpunkt des Widerstandes
21 ist eine zusätzliche Erregerwicklung22 für das Feld des Motors 2 angeschlossen,
die andererseits mit dem Ankerhebel I8 des Relais verbunden ist.
-
Steht der Ankerhebel Ig in der Mittellage, so daß die zusätzliche
Erregerwicklung 22 stromlos ist, so mögen die Motorwellen und damit auch die beiden
Sonnenräder 8 und 9 gleich schnell umlaufen. Somit befindet sich das Differentialglied
10 in Ruhe. Wenn nun aber die zu messende Spannung Ux durch die an dem Regelwiderstand
I3 abgegriffene KompensationsspannungUk nicht abgeglichen ist, so fließt ein AbglSeicihbs,strom
Ja in der einen oder anderen Richtung in dem Kompensationskreis und somit auch in
der Relaiswicklung I7, so daß der Anker 18 einen der Kontakte I9, 20 berührt und
somit einen verstärkten Strom Jv einschalbtet, der, je nachdem der Kontakt 19 oder
20 berührt wird, in der einen oder anderen Richtung die zusätzliche Erregerwicklung
22 durchfließt. Dadurch wird das Magnetfeld des Motors 2 in seiner Stärke verändert
und die Umlaufgeschwindigkeit der betreffenden Motorwelle verringert bzw. vergrößert.
Infolgedessen bewegt sich das Differentialglied io des Differentialgetriebes entsprechend
der Differenz der Geschwindigkeiten der Motorwellen 2, 3 und verstellt den Kontaktarm
I2 im Sinne einer selbsttätigen Kompensation. Die jeweilige Stellung des Kontaktarmes
I2 bildet also ein Maß für die zu messende Größe Ux, und man kann z. B. das Schreibwerk
eines Tintenschreibers mit dem Kontaktarm 12 kuppeln, um eine fortlaufende Aufzeichnung
der Meßgröße zu erhalten.
-
In Fig. 2 sind ebenfalls zwei Wellen 23, 24 vorgesehen, die z. B.
durch aus einem Wechselstromnetz 25 gespeiste Induktionsmotoren 26, 27 angetrieben
werden. Die Wellen 23, 24 sind über Stirnräder 6, 7 mit den Sonnenrädern 8, 9 eines
Differentialgetriebes gekuppelt, dessen Differentialglied I0 über ein Schneckengetriebe
II den Kontaktarm I2 eines von einer Gleichstromquelle 14 gespeisten Regelwiderstandes
I3 antreibt. Der Kompensationskreis ist über die Drehspule 28 eines Galvanometers,
einen zur elastischen Rückführung dienenden Regelwiderstand 29, dessen Kontaktarm
30, ein zur Temperaturmessung dienendes Thermoelement 31 den Kontaktarm 12 und den
von diesem abgegriffenen Teil des Widerstandes I3 geschlossen.
-
Jede der beiden Wellen 23, 24 trägt nun
eine Metall
scheibe 32 bzw. 33, wobei diese sich zwischen den Polen von Elektromagneten 34 bzw.
35 bewegen. Jeder dieser Magneten ist mit einer aus dem Gleichstromnetz gespeisten
Erregerwicklung 36 bzw. 37 versehen sowie mit je einer Zusatzwicklung 38 bzw. 39.
-
Die beiden Zusatzwicklungen 38, 39 werden ebenfalls aus dem Gleichstromnetz
I gespeist, jedoch unter Vorschaltung von in an sich bekannter Weise durch Luftströme
gekühlten Bolometerwiderständen 40 bzw. 4I, die durch das Galvanometermeßwerk gesteuert
werden.
-
Zu diesem Zweck ist in der üblichen Weise mit der Drehspule 28 eine
Fahne +2 gekuppelt.
-
Steht diese in der Mittelstellung, so sind die Widerstände 40 und
41 gleich groß und somit auch die Ströme Jvr in den Wicklungen 38 und 39. Bei einer
Abweichung von der Kompensation in dem einen oder anderen Sinne entsteht aber eine
Ablenkung der Drehspule 28 in der einen oder anderen Richtung, und die Fahne 42
declst die Bolometerwiderstände 40 bzw. 41 mehr oder weniger ab. Dadurch ändern
sich deren Widerstandsbeträge, und es entsteht ein Unterschied zwischen den StrömenJvl
und J,,2 wobei die Wicklungsrichtung so gewählt ist, daß die Bremsung z. B. der
Welle 23 zunimmt und die Bremsung der Welle 24 abnimmt. Dies hat eine Differenz
der Umlaufgeschwindigkeiten zur Folge, so daß das Differentialglied 10 sich entsprechend
bewegt und den Kontaktarm 12 im Sinne einer selbsttätigen Kompensation verstellt.
-
Zur elastischen Rückführung trägt die Welle des Differentialgliedes
10 auf der anderen Seite eine Metallscheibe 43. Gleichachsig dazu ist eine Welle
44 gelagert, die über ein Schneckengetriebe 45 mit dem Kontaktarm 30 verbunden ist.
Die Welle 44 trägt Magneten 46, die die Scheibe +3 umfassen, so daß durch die bei
der Drehung der Welle des Differentialgliedes 10 in der Scheibe 43 entstehenden
Wirbelströme ein Drehmoment auf die Welle ausgeübt wird. Der Kontaktarm 30 steht
unter dem Einfluß einer Federanordnung +7, 48, die bestrebt ist, ihn in einer Mittelstellung
zu halten.
-
Wenn nun bei einer Störung des Abgleichs das Differentialglied 10
sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit dreht, so wirkt auf den Kontakt 30 ein
Drehmoment, das der Größe der Geschwindigkeiten proportional ist.
-
Dabei ist die Bewegungsrichtung des Kontaktarmes 30 so gewählt, daß
die entsprechende Verstellung des Regelwiderstandes 29 der Verstellung des Regelwiderstandes
13 durch den Kontaktarm 12 entgegenwirkt. Sobald das Differentialglied zur Ruhe
kommt, geht der Kontaktarm 30 infolge der Federkraft wieder in die Mittellage zurück.
Bei entsprechender Bemessung der Gegenkraft der Federanordnung 47, 48 kann nun ein
Uberpendeln, was unter Umständen infolge der großen Trägheit der Getriebeteile zu
befürchten ist, verhindert werden.
-
Bei der in Fig. 3 dargestellten Anordnung sind zwei durch in Reihe
geschaltete Induktionsmotoren 26, 27 angetriebene Wellen 23, 24 vorgesehen, die
mit den Sonnenrädern 8, 9 eines Differentialgetriebes gekuppelt sind, und die Wellen
23, 24 werden durch in den Scheiben 32 bzw. 33 Wirbelströme erzeugende Magnete 34,
35 gebremst, deren Zusatzwicklungen 38, 39 ebenso wie in dem Ausführungsbeispiel
nach Fig.2 über eine Bolometeranordnung 40, 4I von einem Gleichstromnetz I gespeist
werden. Zur Vormagnetisierung dienen die Erregerwicklungen 36 und 37.
-
Im Gegensatz zu der Anordnung nach Fig. 2 trägt aber hier das Differentialglied
I0 des Differentialgetriebes einen als kreisförmig gebogene Drahtwe'ndel ausgebildeten
Regelwiderstand 49, der ebenso wie der Regelwiderstand I3 in der Anordnung nach
Fig. 2 aus einer Gleichstromquelle 14 gespeist wird.
-
Der als Schleiffeder ausgebildete Abgriffkontakt 50 ist nun auf einem
Bügel 51 befestigt, der in Lagern 52, 53 ruht, so daß sich der Kontakt 50 vorzugsweise
gleichachsig zu der Drahtwendel 49 drehen kann. Die beiderseitig durchgeführte Welle
des Differentialgliedes I0 trägt zwei Metallscheiben 5ß, 55, die von zwei an dem
Bügel 5I befestigten Magneten 56, 57 umfaßt werden. Die besonderen Bremsscheiben
5, 55 sind entbehrlich, wenn man die Magneten 56, 57 unmittelbar auf die Bremsscheiben
32, 33 einwirken läßt. Durch eine nicht gezeichnete Federanordnung, ähnlich der
in Fig. 2 mit 47, 48 bezeichneten, wird der Bügel 51 in einer Mittellage gehalten.
-
Nimmt man zunächst an, daß der Bügel 5I feststeht, so wirkt die Anordnung
in der gleichen Weise, wie es bei der Ausführung nach Fig. 2 beschrieben ist. Der
Unterschied besteht nur darin, daß der Abgriffkontakt 50 feststeht und der Drehwiderstand
49 sich bewegt. Die Anordinung nach Fig. 3 hat aber bezüglich der elastischen Rückführung
den Vorteil, daß ein besonderer zusätzlicher Regelwiderstand nicht erforderlich
ist. Die Anordnung wirkt vielmehr in der Weise, daß der Abgriffkontakt 50 des Regelwiderstandes
49 sich unter dem Einfluß der Drehmomente bewegt, die durch die in den. Scheibe
54, 55 erregten Wirbelströme erzeugt werden, so daß der Betrag des Widerstandes
49 entsprechend verändert wird. Da auch in diesem Fall die Bewegung des Kontaktes
50 von der Geschwindigkeit des Differentialgliedes 10 abhängig ist und nach erfolgtem
Abgleich der Kontaktarm sich wieder in die Ruhelage einstellt,
können
in der gleichen Weise wie bei der Anordnung nach Fig. 2 störende Pendelungen vermieden
werden.
-
Die in Fig. 4 dargestellte Anordnung hat den Vorteil, daß nur ein
einziger Motor 57' erforderlich ist, der z. B. auch als Synchronmotor ausgebildet
und an ein nicht gezeichnetes Wechselstromnetz angeschlossen werden kann. Statt
dessen kann aber auch ein beliebiges anderes Triebwerk benutzt werden. Der Motor
57' treibt über Stirnräder 58, 59 das aus Kegefrädern 6o, 6I bestehenade Differenz
tialglied eines Differentialgetriebes an, dessen Sonnenräder 62, 63 auf je einer
Welle 64 bzw. 65 befestigt sind, wobei die Welle 64 als Hohlwelle die Welle 65 umschließt.
-
Jede der beiden Wellen 64, 65 trägt eine Metallscheibe 66 bzw. 67,
wobei diese sich zwischen den Polen zweier Elektromagneten 68 bzw. 69 bewegen. Die
Felder der Magneten werden durch Erregerspulen 70 bzw. 7I erzeugt, die aus einem
Gleichstromnetz I gespeist werden. Außerdem ist der Eisenkern des Elektromagneten
68 noch mit einer zusätzlichen Wicklung 72 versehen, die über die Primärwicklung73
eines Transformators 74 an den Ausgang einer Bolometerbrücke 75 angeschlossen ist.
Die Bolometerbrücke wird aus einer an die Klemmen 76, 77 anzuschließenden Gleichstromquelle
gespeist.
-
Um die Differenz der Geschwindigkeite9 der Wellen 64 und 65 zu bilden,
ist ein zweites Differentialgetriebe vorgesehen, das dem in den vorhergehenden Beispielen
dargestellten Differentialgetriebe 8, 9, 10 entspricht.
-
Aus diesem Grunde sind auch hier die entsprechenden Teile mit den
gleichen Ziffern bezeichnet, wobei das Differentialglied in diesem Fall als Stirnrädergetriebe
dargestellt ist. Das Differentialglied 10 ist ebenso wie bei der Anordnung nach
Fig. 2 über ein Schnekkerigetriebe 11 mit dem Kontaktarm 12 eines Regelwiderstandes
I3 gekuppelt, der aus einer Gleichstromquelle 14 gespeist wird. Der Kompensationskreis
enthält außer dem von dem Kontaktarm I2 abgegriffenen Teil des Regelwiderstandes
13 die Drehspule 28 eines die Bolometerbrücke 75 in der üblichen Weise mittels einer
Fahne 42 steuernden Galvanometers, die Sekundärwicklung78 des Transformators 74
und ein Thermoelement 3I, dessen Spannung Ux mittels der an dem Widerstand 1-3 abgegriffenen
Spannung Uk abgeglichen wird.
-
Wenn in dem Kompensationskreis kein Strom fließt, so sind die von
den Wicklungen 70 und 71 erzeugten Felder an den Magneten 68, 69 gleich groß, und
diese üben daher auf die Scheiben 66, 67 gleich große Bremsmomente aus. Infolgedessen
sind die Geschwindigkeiten der beiden Wellen 64 und 65 gleich. Sobald aber die Kompensation
gestört ist, fließt in der Zusatzwicklung 72 ein durch die Bolometeranordnung verstärkter
Ausgieichsstrom, der je nach dem Abweichungsr sinn in der einen oder anderen Richtung
fließt und somit die Bremswirkung verstärkt oder schwächt. Die Folge davon ist eine
Differenz der Geschwindigkeiten der Wellen 64 und 65 und eine entsprechende Bewegung
des DifferenMial(gliedes I0, So daß der Kontaktarm 12 im Sinne einer selbsttätigen
Kompensation verstellt wird.
-
Der Transformator74 dient zur differenzierenden Rückführung, um Pendelungen
infolge der thermischen Trägheit der Bolometeranordnung zu vermeiden. Dabei wird
in der Sekundärwicklung 78 ein Strom erzeugt, der den Anderungen des verstärkten
Stromes Jv entspricht und unmittelbar dem Meßwerk 28 des Galvanometers zugeführt
wird. Bei entsprechender Bemessung des Transformators können dann die störenden
Pendelungen vermieden werden.
-
PATENTÄNSPRÜCHE: I. Anordnung zur Messung elektrischer Ströme oder
Spannungen in einer sich selbsttätig abgleichenden Kompensationsschaltung, bei welcher
das Regelglied durch ein Differentialgetriebe verstellt wird, insbesondere zur kontinuierlichen
Aufzeichnung der Meßgröße mittels eines Schreibgerätes, dadurch gekennzeichnet,
daß die Geschwindigkeit mindestens einer der beiden in dauerndem Umlauf befindlichen
Wellen des Differentialgetriebes durch den Ausgleichs strom der Kompensationsschaltung
gesteuert wird.