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Schaltungsanordnung zur fehlerfreien Messung von Strom, Spannung
und Leistung mit drei quadratisch wirkenden Meßwerken, insbesondere Thermoumformern
Es
sind bereits Meßanordnungen mit quadratisch wirkenden Meßwerken, wie Thermoumformern,
bekanntgeworden, welche gleichzeitig die fehlerfreie Messung von Strom, Spannung
und Leistung gestatten. Itishesondere sind solche Schaltlungen bereits bekannt,
bei denen drei Meßwerke in ein Netzwerk von Wideständen eingeschaltet sind, bei
dem die Bemessung der Widerstände so abgestimmt ist, daß eine fehlerfreie Messung
von Strom und Spannung sowie Leistung erreicht wird. Hierbei wird so vorgegangen,
daß eines der Meßgeräte zur Strommessung, ein zweites zur Spannungsmessung und alle
drei zusammen zur Leistungsmessung dienen. Um die Lage der einzelnen Meßwerke und
die Große der Widerstände festzulgen, betrachtet man zunächst die Verhältnisse bei
Leerlauf, also ohne Verbraucher. Der Zweig, in dem dann kein Strom fließt, ist für
bie Strommessung geeignet.
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In gleicher Weise findet man den Zweig, in dem der Strom der Spannung
am Verbraucher ent spricht, als denjenigen, der bei einer Kurzschlußverbindung an
Stelle des Verbrauchers stromlos wird. Die Leistungsmessung erfdlgt dann in einem
Zweig, der so bemessen und ausgewählt list, daß die Anzeige der Leistung unabhängig
von den Fehllern wird, die von dem Strom und. der Spannung abhängen. Bei den bekannten
Anordnungen ist nun der Zweig für das dritte Meßwerk, welches nur bei der Leistungsmessung
benötigt wird, so geschaltet, daß es sowohl bei Kurzschluß als auch bei Leerlauf
in gleicher Richtung vom Strom durchflossen wird. Das ist aber insbesondere bei
der Verwendung von Thermoumformern ungünstig, wie in folgendem gezeigt sei.
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Bei den technischen Ausführungsformen der Thermoumformer wird man
diese immer möglichst hoch belasten, um eine möglichst hohe EMK für das angeschlossene
Drehspulinstrument zu erreichen. Die Grenze der Belastung für die Anwendung im vorliegenden
Fall ist durch die Stromstärke gegel>en, bis zu welcher der Thermoumformer eine
quadratische Charakteristik aufweist. In der Praxis wird man außerdem möglichst
immer drei gleiche Thermoumformer verwenden. Die Dimensionierung dieser Umformer
wird sich nach dem am stärksten belasteten richten müssen, Betrachtet man nun den
Fall, daß bei der fehlerfreien Messung von Strom, Spannung und Leistung der dritte
Thermoumformer, der nur bei der Leistungsmessung in Erscheinung Itritt, in einem
Zweig liegt, in dem bei Kurzschluß und Leerlauf die Stromrichtung gleichbleibt,
so ergeben sich folgende Verhältnisse: Da siuh die durch den Strom- und den Spannungsabfall
am Venbraucher am dritten Thermoumformer entstehenden Ströme addieren. wird in diesem
praktisch immer ein größerer Strom. fließen als in den Thermoumformern fiir die
reine Stromnnci Spannungsmessung. J>ie Unterschiede sind recht beträchtlich,
wie folgende Überlegung zeigt: Ist der Strom im ersten Thermoumformer für die Strommessung
il und im zweiten fiir die Spannnngsmessungi2, so ergibt sich der Strom im dritten
Thermoumformer i3 als die vektorielle Summe von i1 und i2. Im Falle der höchsten
Auslastung der gesamten Meßanordnung wird i1max = i2max i1.2max sein, da man die
beiden Thermoumformer für Strom und Spannung möglichst gleichmäßig ausnutzen wird.
Den größten Wert von i4 erhält man l>ei cos y7 = I als i3max = i1max + i2max
= 2 i Bei cos # = o ergibt sich ein kleinerer Wert für i3 i3 = #i12max + i22max
= #2#i1,2max = 1,41 i1,2max. i3max als in jedem Fall größter Strom in einem thermoumformer
dart nur bis zum höchst zulässigen Strom i2 der Thermoumformer ansteigen. i3max
= i2. Hieraus ergibt sich: iz i1,2max = 2 und als maximale für die Messungen zur
Verfügung stehenden Tehermospannungen, wenn Q die Konstante der drei Thermoumformer
sit: Strom:
Spannung:
Leistung: eLmaz = e3max - e1max - e2max iz2 iz2 = Qiz2-Q-Q 4 4 iz2 = Q 2 Die größte
zur Verfügung stehende Thermospannung, diejenige für die Leistung, beträgt also
nur die Hälfte der Spannung, welche bei voller Auslastung eines Thermoumformers
zu erreichen ist. Die größte Thermospannung an den Thermoumformern für d'ie Strom-
und SpannSungsmessung beträgt Inur ein Viertel der höchst zulässigen Spannung. Die
Ausnutzung der Thermoumformer ist also sehr schlecht.
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Um diese Nachteile zu vermeiden, wird nach der vorliegenden Erfindung
so vorgegangen, daß das dritte Meßwerk nicht in einen Zweig gelegt wird, in dem
sich die durch den Spannungsabfall und Strom am Verbraucher entstehenden Teilströme
addieren, sondern subtrahieren, mit anderen Worten, es wird für das dritte Meßwerk
ein Zweig gewählt, in dem sich bei Kurzschluß und Leerlauf die Stromrichtung umkehrt.
Es ist jetzt i3 gleich der vektoriellen Differenz von i und i2. Das bedeutet für
den Fall des cos 9, = 1, daß i3 = o wird: i3 = i1max - i2m da wieder i1max = i2max.
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Den höchsten Wert nimmt i3 bei cos ç = o an.
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Es gilt dann:
Demnach ist man wieder der größte in einem Thermoumformer auftretende Strom. Die
größte in den Thermoumformern bei der Strom- und Spannungsmessung erzeugte Spannung
ist weiter entsprechend den früheren Überlegunen iz2 e1max=e2max=Q 2 Die größte
Thermospannung bei der Leistungsmessung entsteht bei cos 7 = I. Es ist dann: e3
= o und eLamx = el H + + e2max =Qiz2.
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Es ergibt sich also bei der erfindungsgemäßen Anordnung, daß die
Thermospannung für die Leistungsmessung doppelt so groß ist wie in dem zuerst besprochenen
Fall, bei dem sich die Ströme für die Strom- und Spannungsmessung addieren.
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Sie entspricht nun der höchsten, bei voller Auslastung erreichbaren
Spannung eines Thermoumformers. Die Thermospannung für die Strom-und Spannungsmessung
ist demenitsprechend eben, falls auf das doppelte des früheren Wertes gestiegen.
Es ergibt sich also durch die Erfindung eine besonders günstige Ausnutzung der Thermoumformer.
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Die Forderung, daß sich in dem Zweig für das dritte Meßwerk bei Leerlauf
und Kurzschluß die Stromrichtung umkehren soll, kann in verschiedener Art erfüllt
werden.
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Es sei zunächst der Fall betrachtet, daß die Spannung unmittelbar
mit einem Meßwerk gemessen wird, das dem Verbraucher parallel geschaltet ist. Ein,
solcher Fall ist in Albb. 1 dargestellt. Diese Schaltung ist bereits bekannt. Der
Verbraucher ist an den Klemmen 4 und 5 an-
geschlossen. lh. parallel
liegt der Thermoumformer a für die Spannungsmessung. Nach den bisher vorgeschlagenen
Lösungen wurde ein Netzwerk aus ken beiden Thermoumformern 1 und 3 und den Widerständen
6 und 7 gebildet, das so l>emessen wurde, daß bei. Leerlauf der Thermoumformer
1 stromlos wird. Er kann demnach zur Strommessung dienen. die Leistung wird dann
durch Zusammenwirken der Thermoumformer 1, 2 und 3 gemessen. Es ist leicht zu erkennen,
daß sowohl bei Leerlauf als auch bei Jurzschluß im Thermoumformer 3 der Strom in
gleicher Richtung fließt. Dadurch entstehen die bereits geschliderten Nachteile.
Diese wrden gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine Schaltung nach Abb. 2 vermieden.
In dieser ist ein weiterer Zweig 8 eingefügt, welcher den Zweig, in dem bisher der
Thermoumformer 1 lag. in zwei Teile aufteilt.
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Im oberen Teil liegt der Thermoumformer I, wäh rend in dem unteren
Teil der Thermoumformer 3 gelegt wird. Der bisherige Platz des Thermoumformers 3
wird von einem entsprechenden Widerstand 9 eingenommen. Wenn man berücksichtigt,
daß l>ei Leerlauf ini Thermoumformer I Bkein Strom fließen darf, ist leicht zu
erkannen, daß sich fün Leerlauf und Kurzschluß die Stromrichtung im Thermoumformer3
umkehrt.
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In Abb. 3 ist eine Schaltung mit unmittelbarer Strommessung dargestellt.
Sie unterscheidet sich von derjenigen nach Abb. 1 dadurch, daß sie in Serie zum
Verbraucher den Thermoumformer 1 für die Strommessung enthält und daß an die Stelle
des Thermoumformers I in Abb. I jetzt der Thermoumformers 2 tritt. Demgemäß entspricht
auch die Umwandlung dieser Schaltung nach den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung,
wie sie in Abb. 4 dargestellt ist, genau der in Abb. I und 2 dargestellten Umwandlung.
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Außer den dargestellten Schaltungen gibt es auch noch andere, welche
die Voraussetzungen der vorliegendn Erfindung erfüllen. Sie lassen sich leicht durch
systematische Untersuchungen der gegebenen Möglichkeiten finden.
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Bei den vorstehend geschflderten Ausführungsbeispielen waren solche
Schaltungen behandelt, bei denen entweder die Strom- oder die Spannungs-Messung
unmittelbar durch Serien- oder Parallelschaltung eines Thermoumformers zum Verbraucher
erfolgte. Es sind aber auch schon Schaltungen vorgeschlagen worden, die zwei Brücken
enthalten, in denen die beiden Thermoumformer für die Strom- und Spannungsmessung
liegen. Diese Brücken sind dann so geschaltet, daß bei Surzschluß das für die Spannungsmessung
vorgesehene Meßwerk stromlos wird und bei Leerlauf das. für die Strommessung vorgesehene
Meßwerk. Das dritte Meßwerk liegt in einem weiteren, beiden Brücken gemeinsamen
Zweig. Die einzelnen Zweige der Brücken sind außerdem so bemessen, daß die Anzeige
der Leistung durch das Zusammenwirken aller drei Meßwerke unabhängig von den Fehlern
wird, die von dem Strom und der Spannung abhängen Auch diese Schaltungen sind ebenfalls
für die Anwendung Ider vorliegenden Erfindung geeignet. Sie haben sogar den Vorzug,
daß verschiedene von ihnen von vornherein bereits Zweige aufweisen, lin denen sich
die Richtung dies Stromes bei Leerlauf und Kurzschluß umkehrt, ohne daß diese Tatsache
jedoch bisher im Sinne der vorliegenden Erfindung ausgenutzt wurde. Die Anwendung
der Erfindung bei solchen Schaltungen ist in Abb. 5 dargestellt. Die Stromzufuhr
erfolgt in den zwei Eckpunkten 10 und 11 einer Brücke.
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Die dem Eckpunkt 1 @ benachbarten Zweige 6. und 7 werden gebildet
aus ziwei festen Widerständen, die dem anderen Eckpunkt 10 l>enachbarten aus
einem unterteilen Widerstand 8 und 9 und aus dem Verbraucher, der bei 4 und 5 angeschlossen
sei. Die beiden weiteren Eckpunkte I2 und I3 sind über zwei Thermoumformer 3 und
1 verbunden, zwischen denen ein Zweig mit einem weiteren Thermoumformer 2 zum Verbindungspunkt
des unterteilten Brückenzweiges 8, 9 geht. Dieser letztere Thermoumformer 2 dient
der Spannungsmessung, von den beiden anderen der dem Verbraucher abgewandte, 1,
der Strommessung, alle drei zusammen der Leistungsmessung.
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Es ist leicht zu erkennen, daß die angegebene Schaltung noch eine
weitere Brücke enthält und daß beide Brücken so abgeglichen werden können, daß einmal
für Leerlauf und einmal für Kurzschluß die entsprechenden Thermoumformer stromlos
werden. Außerdem, ist aus der Schaltung zu entnehmen, daß sich bei Leerlauf und
Kurzschluß die Stromrichtung im Thermoumformer 3 umkehrt.
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Die Schaltung bietet also auch die für die vorliegende Erfindung geltend
gemachten Vorteile.
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Außer der dargestellten Schaltung lassen sich leicht durch andere
Kombinationen der beiden Brücken noch weitere finden.
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Die Erfindung ist in ihrer Anwendung nicht unbedingt auf Thermoumformer
beschränkt. Die gleichen Vorteile werden auch bei der Verwendung von anderen Meßwerken
mit quadratischen Kennlinien erzielt. Jedoch sind die Vorteile bei Thermoumformern
besonders hervorstechend.