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Einridhtung zur Messung von elektrischen Widerständen, Spannungen
oder Strömen in einer Kompensationsschaltung mit Hilfe einer Fotozelle, deren Belichtung
von dem Nullgalvanometer geregelt wird Patentiert im Deutschen Reich vom 31. Oktober
1939 an Patenterteilung bekanntgemacht am 26. Oktober 1944 Die Erfindung betrifft
eine Meßanordnung in Art eines Kompensators zur Messung von Widerständen, Spannungen
oder Strömen.
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Ein eine Blende steuerndes Nullgalvanometer bewirkt in Abhängigkeit
von der Meßgröße eine Abdeckung der eine Fotozelle beeinflussenden Lichtquelle.
Die Fotozelle steuert über einen Verstärker einen Umkehrmotor, welcher den Abgriff
eines Kompensationswiderstandes verstellt, bis die der zu messenden Größe entsprechende
Stellung erreicht ist.
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Bei einer bekannten Anordnung werden zwei Lichtstrahlen, eine Differentialfotozelle
und zwei Stromtore verwendet. In der Nullstellung liefern beide Stromtore Strom,
der sich in bezug auf das Drehmoment im Anker heraushebt. Es ist jedoch schwierig,
Stromtore verhältnismäßig großer Leistung direkt durch Fotozellen kontinuierlich
auszusteuern.
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Auch bedingt die Benutzung nur jeder zweiten Halbwelle dabei ungünstige
Ausnutzung von Netz und Motor. Es sind auch strahlungselektrische Nachsteuerungsanordnungen
bekannt, bei denen eine Fotozelle durch mittels
einer umlaufenden
Blendenscheibe modulierte Lichtstrahlung beaufschlagt wird.
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Die Erfindung setzt sich zum Ziele, eine wesentlich vereinfachte
Anordnung zu schaffen, bei der nur ein Lichtstrahl und eine Fotozelle verwandt wird
und bei der durch eine Blende auch nur die Amplitude des an der Fotozelle überlagerten
Wechselstromes beeinflußt wird. Erfindungsgemäß wird die Anordnung so getroffen,
daß in der an Gleichspannung liegenden Fotozelle durch Wechsellicht oder durch eine
zusätzliche Wechselstromquelle ein Wechselstrom mit gegenüber einer Bezugsspannung
konstanter Phasenlage überlagert wird, dessen Amplitude durch die vom Nullgalvanometer
gesteuerte Blende geändert wird, und daß die Umkehr der Motordrehrichtung durch
Differenzbildung gegen eine Hilfsspannung hervorgerufen wird.
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Durch eine vom Nullgalvanometer gesteuerte Blende wird also die Amplitude
eines in der Fotozelle auftretenden Wechselstromes mit zwei Halbwellen bei gleichbleibender
Phasenlage geändert und durch Differenzbildung gegen eine Hilfsspannung die Umkehr
des Induktionsmotorstromes und damit der Motordrehrichtung hervorgerufen. Durch
die Ausbildung der Meßanordnung gelangt man zu sehr kurzen Einstellzeiten des Instrumentes
ohne störende Überschwingungen. Ein weiterer Vorzug besteht in der Möglichkeit,
Registriergeräte mit besonders starkem Schreibstreifen oder auch Großanzeigegeräte
zu verwenden.
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Mit der Anordnung nach Fig. I soll der Widerstand und damit die Temperatur
des Thermometers T gemessen werden. Es liegt mit den Abgleichwiderständen 2, 3,
4 und dem Spannungsteiler 5 in einer von Hilfsspannung 7 gespeisten Brücke, in deren
Nullzweig das Galvanometer 8 mit der Blendeg liegt. Die Blende 9 steuert das von
der Lampe II, die an Gleichspannung 12 und Wechselspannung I3 liegt, auf die Fotozelle
Io fallende Licht. Die Fotozelle liegt in Reihe mit dem Widerstand 14 an der Gleichspannutig
15.
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Nur der von dem Wedisellidit herrührende Wechselstrom wirkt über den
Kondensator I6 und den Verstärker I7 auf das Stromeisen 21 des Induktionsmotors.
Zum Erreichen der entgegengesetzten Drehrichtung wird über den Transformator 20
eine entgegengesetzt gerichtete Spannung auf das Stromeisen 2I gegeben. Das Spannungseisen
I9 und der Verstärker I7 werden vom Wechselstromnetz IS gespeist. Die Bewegung der
Scheibe 22 stellt über die Übersetzung 23 die Bürste 6 des Spannungsteilers 5 ein.
Als Lichtquelle kommt in Frage eine Glimmlampe, Neonlampe, Quecksilberdampflampe
und eine AIetallfadenlampe, die einen hohen Anteil von Wechsellicht von 50 Perioden
aussendet. Das Wechsellicllt erzeugt in der Fotozelle IO einen dem Ausschlag des
Galvanometers entsprechenden Wechselstrom. Entspricht die Stellung des Abgriffes
6 nicht dem Widerstand des Thermometers T, so schlägt das Nullgalvanometer in einem
oder anderem Sinne aus. Der in der Fotozelle und aus dem Verstärker fließende Strom
wird größer oder kleiner, so daß in dem Strompfad 21 ein Strom fließt, der die Scheibe
in der Richtung dreht, daß die Diagonalspannung kleiner wird, und so lange, bis
die Diagonalspannung Null ist. Da es sich um ein Nullverfahreit handelt, beeinflussen
Änderungen am Galvanometer, Lampe, Fotozelle und Verstärker die Messung praktisch
nicht.
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Bei der in Fig. I dargestellten Anordnung wird die letzte Röhre des
Verstärkers nur in einer Richtung ausgesteuert. Bei der Anordnung nach Fig. 2 wird
die letzte Röhre in beiden Richtungen ausgesteuert, so daß sie entsprechend kleiner
sein kann. Es soll ein Strom i gemessen werden, ohne daß ein Spannungsabfall auftritt.
Zu diesem Zwecke wird parallel zu den Eingangsklemmenl, die den Strom i führen,
das Nullgalvanometer 8 und der Spannungsteiler 5 gelegt. Von dem Abgriff 6 und einem
Ende des Spannungsteilers geht es zur Hilfsstromquelle 7, die einen konstanten Strom
1 abgibt. In stromlosem Zustand des Galvanometers wird der Spannungsabfall an dem
Spannungsteiler 5 von der Stromquelle 7 gedeckt, so daß die Messung des Stromes
i verlustlos erfolgt. Der Strom 1 kann über den Spannungsabfall am Widerstand 24
überwacht werden, der über das Nullgerät N einem Normalelement En entgegengeschaltet
ist. Als Nullgerät kann durch Umschaltung auch das Galvanometer 8 verwandt werden.
Das Galvanometer trägt einen Spiegelg'; die Lampe 11 liegt an einer Gleich-oder
Wechselspannung 12. Die Röhre 27 verstärkt die Wechselspannung I5' verschieden,
je nach dem Arbeitspunkt der Röhre, der sich mit dem auf die Fotozelle fallenden
Licht ändert. Von der Wechselkomponente der ersten Röhre, die über den Kondensator
I6 auf das Gitter der zweiten Röhre übertragen wird, wird mit dem Transformator
20 ein konstanter Betrag abgezogen. Der Rest wird von der Röhre 26 verstärkt dem
Strompfad 21 zugeführt; um die Röhre 26 vott der Lieferung von Blindstrom zu entlasten,
kann der Kondensator 25 parallel geschaltet werden. änderungen des Verstärkers beeinflussen
die Messung praktisch nicht, müssen jedoch ausgeregelt werden durch eine geringe
Verstellung des Angriffes 6 und des Galvanometers 8. Dies ist bei der Anordnung
nach Fig. 3 nicht der Fall. In diesem Fall liegt die Fotozelle IO mit Widerstand
14 und dem
Potentiometer 34 in einer von Gleichspannung 15 und Wechselspannung
I5' gespeisten Brücke. Durch Belichtung ändert sich der Widerstand der Fotozelle
und damit die Diagonalwechselspannung, die über den Kondensator I6 den Verstärker
I7 steuert. Stellt man für den Strom o am Galvanometer 8 den Abgriff 35 des Spannungsteilers
34 so ein, daß der Verstärker keinen Strom abgibt, so erhält man bei Auslenkung
des Galvanometers im Strompfad 2I einen nach Größe und Richtung der Galvanometerbewegung
proportionalen Strom. Die Dämpfung der Scheibe 22 kann man durch Verstellung des
Permanentmagneten 32 beeinflussen und damit erreichen, daß sich der Abgriff 6 aperiodisch
oder mit geringer Überschwingung einstellt. Mit der Anordnung nach Fig. 3 soll eine
Wärmemenge gemessen werden. Die Spannungsdifferenz zweier Thermoelemente 28 und
29 entspricht der Temperaturdifferenz. Diese Spannung wird einem von einem Mengenmesser
gesteuerten Spannungsteiler zugeführt, dessen Teilspannung der Wärmemenge entspricht
und als Spannung des Abgriffes 6 abgebildet wird.
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Der Spannungsteiler 5 wird über einen Widerstand 33 von einer Hilfsspannungsquelle
7 gespeist. In bekannter Weise kann die Höhe der Hilfsspannung mit einem Normalelement
überwacht werden. Bei einer Temperaturmessung mit einem Thermoelement kann durch
Anordnen eines temperaturempfindlichen Widerstandes eine Kaltlötstellenkompensation
vorgesehen werden. Sowohl die Fotozelle IO als auch die Lichtquelle II haben einen
spannungsabhängigen Widerstand, so daß bei Spannungsänderungen eine Nachregelung
erfolgen muß. Man kann jedoch die Spannungen so wählen, daß die erforderliche Bewegung
ein Minimum wird.
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Bei einem sehr empfindlichen Nullgalvanometer und kleiner Einstellzeit
der Anordnung erfolgt die Bewegung der Galvanometerspule erst, wenn der Strom im
Galvanometerkreis Null ist und dann verhältnismäßig langsam.
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Läuft der Motor in diesem Moment noch mit der vollen Geschwindigkeit,
so tritt ein Pendeln auf. In der Anordnung nach Fig. 4 wird mit dem Abgriff 6 des
Spannungsteilers 5 eine sich in dem Feld eines Magneten 37 drehende Spule 38 verbunden.
Die bei Bewegung dieser Spule induzierte Spannung wird über den Widerstand 39 in
den Kreis des Nullgalvanometers 8 eingeführt, so daß bei voller Geschwindigkeit
des Motors die Galvanometerspule stromlos wird, bevor der Nullabgleich erreicht
ist. Es erfolgt die Annäherung an den wahren Abgleich mit verringerter Geschwindigkeit,
und ein Überregeln kann vermieden werden. Da im abgegl ichenen Zustand eine Spannung
in der Spule 38 nicht induziert wird, leidet die Genauigkeit der Meßanordnung dabei
nicht. Man kann also die Dämpfung einstellen mit dem Widerstand 39 und dem Magneteh
32, mit dem man die maximale Scheibendrehzahl beeinflussen kann. Als Gleichspannung
für den Fotozellenkreis wird dieRöhrenspannung verwendet. Vom Minuspol geht es über
den Widerstand 34 zur Kathode, über den Widerstand 35 zum Gitter und zu einer Mittelanzapfung
eines Transformators 13', der die Fotozelle IO und den Vergleichswiderstand 14 mit
Wechselstrom speist. Von dem Vereinigungspunkt von Fotozelle und Widerstand geht
es über einen Kondensator I6 zum Gitter und dem Widerstand 36 zum Pluspol der Röhrengleichspannung.
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Als Umkehrmotor wird zweckmäßig ein wattmetrisches Zählersystem mit
einer Aluminiumscheibe als Anker verwandt, da dann keine Stromzuführungen zum bewegten
System nötig sind und die Anlaufgrenze sehr günstig ist. An Stelle der sich in einem
Magnetfeld drehenden Spule 38 kann zur Rückführung auch verwandt werden der im Stromeisen
fließende Strom, wenn dieser über einephasenabhängige Anordnung gleichgerichtet
wird.
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Eine andere Möglichkeit ergibt sich bei der Verwendung eines Kondensators,
wenn man an ihn eine sich mit dem Abgriff veränderliche Gleichspannung legt und
den Ladestrom iiber das Galvanometer gibt.
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Als weitere Anwendungsbeispiele kommen in Frage die Messung des Verhältnisses
zweier Widerstände, die in benachbarten Brückenzweigen liegen, etwa eines Flüssigkeitswiderstandes
und eines Widerstandes zur Temperaturkompensation, wobei der zwischen den Elektroden
fließende Wechselstrom mit Gleichrichtern in Gleichstrom umgeformt wird. Ferner
kann man pu-Werte mit Hilfe der Leerlaufspannung einer Elektrodenkette messen.