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Verfahren zur Messung von elektrischen Energiemengen in Wechsel- oder
Drehstromanlagen
Es ist bekannt, daß zur Messung von elektrischen Energiemengen in
NVechsel- oder Drehstromanlagen heute Zähler verwandt werden, die sowohl den Strom
wie auch die Spannung zur Messung verwenden. Insbesondere sind Induktionszähler
in Gebrauch, die Motorzähler darstellen, bei denen die Wirkungen von Strom und Spannung
auf eine rotierende Zählerscheibe übertragen werden. Diese Zählertypen und ihr Zählverfahren
sind jedoch mit erheblichen Mängeln behaftet. Vor allen Dingeii sagen ihre Anzeigen
nichts über den Leistungsfaktor (cos #) aus, so daß diese Zählverfahren nur den
Wirkstrom zu messen gestatten, nicht aber den Blindstrom. Dann unterliegt ein jedes
mechanisch bewegte System auf die Dauer vorübergehenden oder bleibenden Störungen,
die je nach den Umständen größere oder kleinere Beträge annehmen können, auf jeden
Fall aber während des Betriebes nicht erfaßbar sind. Häufige Kontrollen, Nachpriifungen
auf Prüfständen usw. können zwar helfen, aber nicht vollständig. Außerdem sind diese
Arbeiten mit Kosten verbunden. Endlich sei noch erwähnt, daß die Induktionszähler
bei sehr kleiner Energieentnahme kaum noch ansprechen und daß ihre An-
zeigen
dann mit großen Fehlern behaftet sind. Auch bei kleineren Leistungsfaktoren werden
diese Zähler sehr ungenau.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglicht es, einmal auch die
kleinsten Elektrizitätsmengen genau zur Anzeige zu bringen, dann auch den Leistungsfaktor
zu ermitteln und endlich auch den Spannungsschwankungen in Form von Amperestunden
Rechnung zu tragen und die mittlere Spannung in einem Zeitintervall sehr genau anzugeben.
Das Verfahren läßt sich in bestimmten, besonders bevorzugten Ausführungsformen ohne
jegliche mechanisch bewegten Teile oder Massen ausführen. Das neue Meßverfahren
stellt somit einen erheblichen technischen und wirtschaftlichen Fortschritt dar.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung beruht auf der Verwendung und Kombination
mehrerer Amperestundenzähler, von denen der eine die in einem bestimmten Zeitintervall,
hier kurz Meßdauer genannt, hindurchgegangene Elektrizitätsmenge in Amperestunden
angibt (kurz Mengenzähler), während die anderen der Bestimmung des Leistungsfaktors
(kurz Leistungszähler) und der mittleren Spannung (kurz Spannungszähler) dienen.
Zur Bestimmung des mittleren Wertes des Leistungsfaktors für die Meßdauer werden
ein oder mehrere Amperestundenzähler von der Wechselspannung und dem Strom des zu
messenden Hauptstromkreises derart gesteuert, daß sie nur so lange stromdurchflossen
sind, wie einerseits die Spannung des Hauptstroms eine einzige beliebig wählbare
Halbwelle durchläuft und andererseits der Strom in der gleichen Halbwelle fließt.
Dabei soll unter Wechselspannung stets auch jede Spannung in einem Drehstromsystem
verstanden werden. Im Falle eines Drehstroms erfolgt die Messung zwischen zwei Phasen
oder zwischen einer Phase und dem Nullleiter. Sollte die Belastung der einzelnen
Phasen merklich verschieden sein, so wird der Energieverbrauch auch zwischen den
anderen Phasen oder den anderen Phasen einzeln gegen den Nulleiter hestimmt. Zur
Ermittlung der mittleren Spannung über die Meßdauer wird die Spannung zwischen zwei
Phasen oder zwischen einer Phase und dem Nulleiter über einen konstanten Widerstand,
fallweise einen Gleichrichter und einen Amperestundenzähler, kurzgeschlossen. Auch
kann die an dem konstanten Widerstand anliegende Spannung nach Art einer Potentiometerschaltung
unterteilt und dem im Nebenschluß liegenden Amperestundenzähler zugeführt werden.
Zweckmäßig wird bei dieser Schaltung auch ein eventuell vorhandener Gleichrichter
in den Nebenkreis gelegt. Es lassen sich noch mehrere andere Ausführungsformen der
Bestimmung der mittleren Spannung mit Hilfe eines Amperestundenzählers angeben.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung
werden als Amperestundenzähler Elektrolytzähler verwandt. Da diese Zähler als solche
nur mit Gleichstrom betrieben werden können, wird der zu messende Wechselstrom oder
Drehstrom vor Eintritt in den Elektrolytzähler gleichgerichtet. Zur Gleichrichtung
können beliebige bereits bekannte Gleichrichter verwandt werden (Trockengleichrichter,
Röhrengleichrichter usw.). Da die Elektrolytzähler selbst nur von Strömen sehr kleiner
Stromstärke durchflossen werden, weil sie stets in über geeignete Widerstände abgezweigten
Nebenkreisen liegen, so können als Gleichrichter sehr kleine und billige Apparate
verwandt werden.
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In einer weiteren besonders wertvollen Ausführungsform des Verfahrens
gemäß der Erfindung erfolgt die Gleichrichtung der die Elektrolytzähler durchsetzenden
Ströme in den gleichen Schaltelementen, die auch zur Steuerung der Stromstärken
in den Zählern dienen. Wird beispielsweise am Leistungszähler das Einsetzen des
Stromflusses gleicher Phase oder das Ausschalten desselben durch Elektronenröhren
bewirkt, so findet die Gleichrichtung ebenfalls in diesen Röhren statt.
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Ein gesonderter Gleichrichter kann hier fortfallen.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung benutzt im allgemeinen zur Messung
der Energie nur eine Halbwelle des Wechselstroms oder eine Teilwelle des Drehstroms,
solange keine nennenswerten Verzerrungen zu erwarten sind. Im Normalfalle läßt sich
daraus die Gesamtenergie leicht ermitteln.
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Durch dieses Vorgehen wird eine gewisse Verbilligung und Vereinfachung
des Meßverfahrens erreicht. Besonders bei Verbrauchern mit gleichmäßiger auf alle
Phasen verteilter Verbrauchsart, wie bei Lichtleitungen, Haushaltungen usw., bei
denen zusätzliche Verzerrungen kaum zu erwarten sind, ist diese Ausführungsform
des Meßverfahrens von Wert, weil gerade bei diesen in sehr großer Anzahl vorliegenden
Verbrauchern ein einfaches Meßverfahren notwendig ist.
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In weiterer Fortbildung des Verfahrens gemäß der Erfindung werden
als Elektrolytzähler solche elektrochemischen Systeme benutzt, die ohne nennenswerte
untere Spannungsgrenze arbeiten. Diese Systeme reagieren praktisch trägheitslos,
d. h. praktisch momentan auf Einschaltungen, Ausschaltungen oder Richtungsänderungen
des Stroms, sofern die Stromdichte nicht zu hoch gewählt wird.
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Außerdem sind diese Systeme meist als Ganzes reversibel. Die außerordentlich
hohe Empfindlichkeit dieser Art von Elektrolytzählern ist besonders von Bedeutung
für das vorliegende Verfahren, insbesondere beim Leistungszähler, wo Ab- und Einschaltungen'im
Rhythmus des Wechsel- oder Drehstroms erfolgen müssen.
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Zur Ermittlung des mittleren Leistungsfaktors im Verlaufe der Meßdauer
wird der Stromfluß einer Halbwelle oder einer Teilwelle durch eine Röhre gesteuert.
Dabei wird die Wechselspannung des Hauptkreises an die Anode geschaltet und an das
Gitter der gleichen Röhre eine an einem vom Hauptstrom oder dessen Abzweigungen
durchflossenen Widerstande abgegriffene Spannung mit Hilfe von Schaltelementen und
Schaltungen gelegt.
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Diese Röhre kann beliebiger Konstruktion sein, muß aber mindestens
ein Steuergitter enthalten.
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Durch diese Anordnung wird der Anodenstrom
derart
gesteuert, laß er nur so lange fließt, wie der Hauptstrom in gleicher Halbwelle
mit der Hauptspannung liegt und nur solange die Hauptspannung und damit die Anodenspannung
nicht Null ist. Bei dieser Steuerung liegt der Leistungszähler in einem zu dem Anodenkreis
im Xel>enschluß liegenden Stromkreis oder iii einer ähnlichen Schaltung.
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Bei einer anderen Ausführungsform des \'erfahrens gemäß der Erfindung
wird der durch den Leistungszähler fließende Strom ausgeschaltet, xvellll die Spannung
des Hauptstroms eine Hall,-welle beendet. Das wird hier durch eine Zweipolröhre
bewirkt. an deren Polen die Wechselspannung liegt.
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In weiterer Fortbildung des Verfahrens gemäß der Erfindung werden
die einzelnen Funktionen der bisher beschriebenen Anordnungen und Verfahren in einer
Mehrgitterröhre zusammengefaßt. Diese Röhre bewirkt dann sowohl das Ausschalten
des Stromflusses im Leistungszähler beim Nullwerden der Wechselspannung wie die
Begrenzung des Stromflusses auf die Dauer der mit der Hauptspannung gleichlaufenden
Halbwelle des Stroms.
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Die Schaltungen an der Mehrgitterröhre werden durch sogenannte Kunstschaltungen
oder auch durch Spannungskompensationsschaltungen vorgenommen. die Ermittlung des
Leistungsfaktors mit Hilfe von Amperestundenzählern, insbesondere Elektrolytzählern.
läßt sich gemäß der Erfindung auch noch auf andere als hier beschriebene Arten verwirklichen.
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Durch die bislang beschriebenen Verfahren zur Begrenzung des Stromflusses
im Leistungszähler läßt sich der mittlere Leistungsfaktor (cos #) sell)st nur im
Zusammenhange mit den Angaben eines Mengenzählers, der die in der Meßdauer insgesamt
hindurchgegangenen Amperestunden angibt, ermitteln. In einer bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens gemäß der Erfindung wird der durch den Hauptstrom und die Hauptspannung
in beschriebeller Weise begrenzte Cjleichstrom einer Halbwelle auf einen normalen,
die insgesamt hindurchgehende Elektrizitätsmenge messenden Mengenzähler. der von
der entgegengesetzten Halbwelle gespeist wird, geschaltet. Dabei durchfließen die
beiden Ströme den Zähler in entgegengesetzter Richtung. I)iese Schaltung ist besonders
dann angebracht, wenn reversibel arl)eitende Elektrolytzähler ohne untere Spannungsbegrenzung
bei nicht zu hohen Stromdichten verwandt werden. Sie ermöglicht es, den mittleren
Leistungsfaktor über die Meßdauer ans einer Ablesung an einem einzigen Elektrolytzähler
zu bestimmen.
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Die Überlagerung der beiden Ströme kann durch beliebige bekannte
Schaltungen vorgenommen werden, beispielsweise durch eine Art von Grätzschaltuiig
und aiidere mehr. wobei die Polarität zu berücksichtigen ist. I)urch dieses Verfahren
wird erreicht, daß die durch die insgesamt hindurchgegangene Elektrizitätsmenge
hervorgerufenen chemischen Veränderungen im reversibel und praktisch trägheitslos
arbeitenden Elektrolytzähler durch die in entgegengesetzter Richtung durch den Zähler
fließende begrenzte Elektrizitätsmenge teilweise rückgängig gemacht werden. Die
Differenz der beiden Elektrizitätsmengen, die Restelektrizitätsmenge, ist ein direktes
Maß für den mittleren Leistungsfaktor über die Meßdauer.
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Der zur Bestimmung der mittleren Spannung dienende Amperestundenzähler,
der Spannungszähler, braucht in den meisten Fällen nicht an jeder Meßstelle aufgestellt
zu werden. Vielmehr wird es meist genügen, diesen Zähler nur an einzelnen bevorzugten
Verteilungspunkten aufzustellen.