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Anordnung zur Kompensation des Temperaturfehlers, insbesondere des
Anwärmfehlers von elektrischen Meßinstrumenten
Für die Beseitigung des Temperaturfehlers
von elektrischen meßgeräten. bei denen der innere Widerstand in die Messung eingeht,
also insbesondere von Spannungsmessern, sind bereits Schaltungen bekanntgeworden,
die einen oder mehrere temperaturabhängiege Widerstände enthalten. Diese Widerstände
müssen dann dieselbe Temperatur haben wie die temperatural>hängigen Teile (Spulen,
Federn usw.). Für Instrumente mit geringem Eigenverbrauch, z. 13. Drehspulinstrumente,
ist diese Forderung ausreichend dadurch zu erfüllen, daM die Kompensationswiderstände
mit im Instrumentengehäuse untergebracht werden. Bei Geräten mit hohem Eigenverbrauch,
wie z. B. Dreheisen-, Drehmagnetgeräten, Dynamometer usw., treten aber besondere
Komplikationen auf, weil die Spulen infolge der hdhen Belastung eine merkbare Eigenerwärmung
aufweisen und deshalb eine andere Temperatur als i'hre Umgebung haben.
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Man hat sich bisher so geholfen, daß man den Kompensationsweidersti
den durch entsprechnede Bemessung ihrer Wärmeaustauschflächen einen den Spulen entsprechenden
Temperaturgang gab. Ein solches Verfahren ist aber sehr umständlich, weil es schwierig
ist, geeignete, in weiten Bereichen in ihren Werten gleichbleicbende widerstandsmaterialien
zu schaffen, und außerdem sit es sehr umständlich, die Kompensation1swildersbände
hinsicht-
lich ihres Temperaturganges richtig zu bemessen.
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Die angegebene Lösung ist deshalb nur gelegentlich bei hohcvwertigen
(Präzisionsgeräten angewandt worden. Im allgemeinen hat man sich mit einem temperaturabhängigen
Vorwiderstand zum Ausgleich des allgemeinen Temperaturfehlers begnügt und den restlichen
Anwärmfehler in Kauf genommen.
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Die angegebenen Schwierigkeiten werden durch die vorliegende Erfindung
beseitigt. Es ergibt sich nämlich eine viel einfachere und bessere Kompensation
des Anwärmfehlers sowie des Temperaturfehlers infolge Schwankungen der Außentemperatur,
wenn, wie dies die Erfindung vorschreibt, die Erregerspule für das Meßsystem in
mehrere getrennte Wicklungen aufgeteilt wird und die Stromverteilung in ihnen in
Abhängigkeit von der Temperatur so gesteuert wird, daß fhre magnetische Gesamtwirkung
konstant bleibt.
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Ein Vorteil dieser Maßnahme liegt darin, daß das Abgleichen der Schaltung
sehr einfach ist, weil die magnetische Wirkung der Spulenteile durch Änderung der
Wicklungsdaten sehr leicht und weitgehend beeinflußt werden kann. Weiter bringt
die erfindungsgemäße anordnung noch erhebliche Vereinfachungen dadurch, daß die
Spulenwicklungen in fast allen Fällen als temperaturabhängige Widerstäde durchaus
genügen, um in Verbindung mit festen Widerständen einen ausgleich herbeizuführen.
Diese Vorteile wirken sich auch bei solchen Anwendungen aus, bei denen die Spulen
keine erhebliche Eigenerwärmung aufweisen. Müssen aber bei hohem Eigenverbrauch
die Spulenteile den gleichen Temperaturgang haben, so ist diese Bedingung dadurch,
daß sie auf einen Spulenkörper übereinandergewickelt werden, besonders leicht zu
erfüllen.
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Die Größe der Spulenteile nach Widerstand und Windungszahl und etwaiger
fester, d. h. temperaturunabhängiger Vorschaltwiderstände läßt, sich entweder empirisch
durch Messung oder aber durch Berechnung bestimmen. Es sei der Gang der Rechnung
an der in Abb. 1 gezeigten Schaltung mit einer einfach unterteilten Spule bei einem
Spannungsmesser wiedergegeben. U ist die zu messende Spannung. Die beiden Spulenteile
mit den Widerständen S1 uns S2 liegen in einer Stromverteilungsschaltung, die über
den gemeinsamen Vorwiderstand Rv an der spannung U liegt. Jede spule hat einen festen
Vorwiderstand R1 und R2 und werden von den Strömen i1 bzw. i2 durchflossen.
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Die magnetische Wirksamkeit der Spulenteile ist durch die Summe der
Amperewindungszahlen gegeben. Genau genommen ist nicht nur das Produkt aus Strom
und Windungszahl für 1die magnetische Wirksamkeit der Spulenteile maßgebend, sondern
auch fhre Lage, die Art der Wicklung usw. Diese geringen Korrekturen sollen in der
folgenden Rechnung bereits in den Werten n1 und n2 für die Windungszahlen der Spulenteile
enthalten sein, so daß die magnetische Wirksamkeit durch n1 # i1 + n2 # i2 gegeben
ist. Die Änderung dieser Spulenwirkung mit der Temperatur T soll bei konstanter
Spannung gleich Null sein, also d (n1 # i1 + n2 # i2) = 0. (1) d T Hierbei soll
von der Raumtemperatur ausgegangen werden, für die T = o gesetzt wird. Der Gesamtwiderstand
R des Verzweigungsgliedes errechnet sich zu (R1 + S1) (R2 + S2) R = (2) R1 + S1
+ R2 + S2 und man kann damit die Strome in den Spulenteilen wie folgt berechnen:
U # R (@ # @)(@ # @) U. R i2 = (Rv + R) (R2 + S2) Als Ausgangsgleichung ergibt sich
dann in Verbindung mit Gleichung (1) :
Die Widerstände der temperaturabhängigen Spulenteile sind für die Betriebstemperatur
T nun durch fuhren Grundwiderstand bei T = o und den Temperaturkoeffizienten 1 gegeben.
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S = s0 (1+aT) (6) Diese Werte werden in die Gleichung (5) eingesetzt.
Der Temperaturkoeffizient α hebt sich im Rechnungsgang heraus. Er ist in dem
in Frage kommenden Erwärmungsbereich konstant. Die auf lösung der Gleichung (5)
ergibt dann n1 S1 (R2 + S2)2 + n2 S2(R1 + S1)2 Rv (n1 - n2) [S2(R1 + S1) - S1(R2
+ S2)] Aus dieser Gleichung können die verschiedenen Größen für die einzelnen Aleß1bereiche
festgelegt werden.
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Für die praktische Durchführung wird man im allgemeinen Vereinfachungen
vornehmen. Es sollen folgende Wertegenommen werden : R., O,SI =R1 Dann ergibt sich
und unter der Annahme, daß >11 = 2 n2 ist, R,, = 8 Rs.
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Die Kompensation geschieht also derart, daß der Strom in der weniger
wirksamen Spule S2 infolge der Erwärmung absinkt und in der infolge hoher
Windungszahl
mehr wirksamen spule S1 so weit ansteigt, daß die magnetische Gesamtwirkung konstant
bleibt. Diese Änderung der Stromverteilung wird dabei dadurch verursacht, daß die
beiden Strompfade S2 und R1, S1 infolge des festen Widerstandes R1 verschiedene
Temperaturkoeffizienten haben.
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Für einen Spannungsmesser für U = IooV ergeben sich beispielsweise
folgende Zahlenwerte für die Ausgangstemperatur (Raumtemperatur) R1 = 100 Ohm s2
= 200 Ohm n1 = 1500 Windungen i1 = 55,56 mA S1 = 100 Ohm n2 = 750 Windungen i2 =
55,56 mA Rv = 800 Ohm Die magnetische Gesamtwirkung der beiden Spulen setzt sich,
wie bei der Behandlung der , Gleichung 1 erläutert, aus den Amperewindungszahlen
der beiden Spulen zusammen, da beide Spulenteile übereinandergewickelt sind und
daher in gleicher Weise nach außen wirken. Es ergibt sich also für die magnetische
Wirksamkeit der Spulen folgende Beträge in Amperewindungen: Spule S, I500 Windungen
#55,56 mA = 83,33 AW Spule S2 750 windungen # 55,56 mA = 41,66 Aw insgesamt 125,00
AW Ändert sich bei dieser Bemessung die Temperatur der beiden Spulen um einen solchen
Wert, daß ihr Widerstand um 10% steigt, so erhält man in der Verzweigung R1S1 eine
Winderstandszunahme von 10 Ohm, da nur S1 temperaturabhängig ist, und in der Verzweigung
S2, da dieser Zweig ganz aus der Spule S2 besteht, 20 Ghm. Infolge des Ansteigens
des Gesamtwiderstandes sinkt der Gesamtstrom von 111,11 mA auf 110,2 mA. Dieser
Strom verteilt sich jetzt wegen der verschiedenen Widerstandsänderungell der beiden
Zweige so auf diese, daß der Strom in der Spule S1 ansteigt, und zwar auf 56,4 mA,
und in der Spulen, abnimmt auf 53,8 mA. Die magnetische Wirksamkeit ergibt sich
jetzt für So zu I500 Windungen .56,4 mA = 84,7 AW S2 zu 750 Windungen # 55,8 mA
= 40,3 AW insgesamt 125,0 AW Die magnetische Wirksamkeit der Gesamtanordnung ist
also konstant geblieben.
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Der Einfluß der Lage und Abmessungen usw. der Spulenteile auf ihre
Wirksamkeit muß gegebenenfalls durch Messung festgelegt werden, da die rechnerische
Erfassung dieser Größen schwierig ist.
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Eine weitere Vereinfachung kann dadurch geschaffen werden, daß sowohl
R2 = o und auch Rv = o gesetzt werden kann. Die Kompensationsbedingung ist dann
n1 # S1S2 + n2(R1 + S1)2 = 0.
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Um diese Bedingung zu erfüllen, muß n2 das entgegengesetzte Vorzeichen
von n1 haben, d. h. die beiden Spulen müssen gegensinnig gewickelt werden. Es findet
in beiden Spulen bei Erwärmung eine Stromsenkung statt und da sie gegensinnig wirkt,
heNt die eine die Änderung der anderen auf.
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Für U= IooV engeben sich z. B. folgende Zahlenwerte : S1 = 100 Ohm
S, = iooooOhm i1 = 100 mA R1 = 900 Ohm n2 = -2000 Wdg. i2 = 10 mA n1 = 2000 Wmdungen
Die magnetische Wirksamkeit dieser Anordnung ist gegeben für die Spule S, durch
2000 Windungen # # 100 mA = 200 AW Spule S2 durch 2000 Windungen 10 mA = # 20 AW
insgesamt I80 AW Ändert sich bei dieser Anordnung die Temperatur so, daß die Spulenwiderstände
um I0°/o ansteigen, so beträgt die Änderung des Gesamtwiderstandes der Verzweigung
S1 R1 10 Ghm bei I000 Ohm Gesamtwiderstand, also 1 0/o. Der Strom in S1 nimmt entsprechend,
also um I mA, ab, und die magnetische Wirksamkeit von S1 ändert sich demnach um
folgenden Betrag: 2000 Wdg. (-1 mA) = - 2 AW.
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In der anderen Verzweigung, die nur aus der Spule S2 besteht, steigt
der Widerstand um 10% vom Gesamtwiderstand und der Strom sinkt dementsprechend auch
um I00/o, was wiederum I mA ausmacht. Die Änderung der magnetischen, Wirksamkeit
der Spule S2 beträgt also 2000 Wdg. ( 1 mA) = + 2 AW.
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Die Änderungen der magnetischen Wirksamkeit von S1 und S2 heben sich
infolge Temperaturänderungen also auf.
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Für hohe Spannungen wird die Verwirklichung dieser Schaltung dadurch
etwas schwierig, daß für die Spule S2 sehr dünner Draht genommen werden muß, weil
sie bei festliegender Windeungszahl sehr hohen Widerstand haben muß. In diesem Fall
kann dadurch Abhilfe geschaffen werden, daß die Spule S2 zum Teil durch einen temperaturabhängigen
Widerstand mit dem gleichen Temperaturgang wie die Meßspule ersetzt wird. Es wurde
bereits eingangs bei der Beschreibung einer bekannten Anordnung auf die Schwierigkeiten
hingewiesen, die solche Widerstände bringen. Jedoch können diese bei der vorliegenden
Schaltung weitgehend dadurch vermieden werden, daß durch Veränderung der Spulenteile
St und S2 etwaige Verschiedenheiten des Vorwiderstandes äußerst leicht ausgeglichen
werden können.
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Würde man einem Spannungsmesser nach der Erfindung zur Erweiterung
des Meßbereiches einen
festen Vorwiderstand vorschalten. so würde
hierdurch die Temperaturkompensation gestört. Es gibt zwei Wege, um dies zu vermeiden.
Einmal können die verschiedenen Vorwiderstände an Anzapfungen der festen Widerstände
R1 oder R2, die den Spulen vorgeschaltet sind, angeschlossen werden. Durch geeignete
Wahl der Anzapfungen kann für jeden Bereich eine volle Kompensation erreicht werden.
Eine derartige Schaltung ist in Abb. 2 dargestellt. V1, V2 und V3 sin die Vorwiderstände
für die verschiedenen Meßbereiche U1.
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U2, U3.
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Eine andere Möglichkeit zeigt Abb. 3. Hier werden nicht feste Vonviderstände
vorgeschaltet, sondern solche, die zum Teil aus temperaturabhängigen Gliedern G1,
G2, z. B. Kupferspulen, mit demselben Temperaturgang wie die Meßwerkspulen bestehen.
Diese können daiin in üblicher Weise dem Instrument vorgeschaltet werden. Im Hinblick
auf die Erschwerung, welche die Herstellung geeigneter temperaturalihängiger Widerstände
bringt, ist dieser Weg al>er umständlicher als der zuerst beschriebene.
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Bei den bisher gegebenen Beispielen sind die Fehler, die durch die
Änderung der Federkonstante mit der Temperatur verursacht werden, nicht lierücksichtigt
worden. Solange die Spulen keine Eigenerwärmung aufweisen, ist es leicht, den Federfehler
in bekannter Weise dadurch zu beseitigen, daß man die Schaltung entsprechend unter-
oder überkompensiert. Jedoch treten bei den Geräten mit Eigenerwärmung der Spulen
Schwierigkeiten dadurch auf, daß die Feder zwar nicht die gleiche Temperatur wie
die Spule erreicht, jedoch durch Strahlung usw. immerhin eine gewisse Temperaturerhöhung
gegen die Umgebug erfährt. In Anbetracht der dadurch gegebenen Unsicherheit ist
es bisher nicht erreicht worden, den Federfehler durch die üblichen Vroshaltungen
ausreichend zu beseitigen. Es hat sich aber nun bei näheren Untersuchungen ergeben,
daß es möglich ist, der Feder durch entsprechende Anordnung praktisch den gleichen
Temperaturgang wie der erwärmten Spule zu geben. I)ie Wärmeabgabe bzw. -zufuhr ist
nur so zu variieren, daß die Feder zur gleichen Zeit wie die Spule ihre Endtemperatur
erreicht. Mit dieser Maßnahme ist es nun möglich, auch den Temperaturefehler der
Feder zu kompensieren, indem man der ursprünglichen Schaltung eine solche Unter-
oder Überkompensation gibt, daß der Federfehler beseitigt wird. Die gleichen Nlaßiiahmen
könnten in liezug auf andere in ihrer Wirkung temperaturabhängigen Gloieder. z.
B. Dreheisen usw., des Instrumentes orgriffen werden.