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Einrichtung zur Messung der Frequenz eines Wediselstroms
Es sind im
wesentlichen aus einem mechanischen Meßgleichrichter bestehende Meßeinrichtungen
bekannt. Der Meßkontakt des Gleichrichters wird von einem Synchronmotor periodisch
betätigt, und die Kontaktzeit, das ist die Zeit während der der Kontakt bei jeder
Umdrehung geschlossen ist, läßt sich in weiten Grenzen nach Wahl einstellen. Die
Kontaktzeit wird zweckmäßig in elektrischen Graden gemessen. Ferner läßt sich auch
die Phasenlage der Kontaktzeit innerhalb einer Periode der Netzwechselspannung in
weiten Grenzen ändern, so daß es durch diese beiden Maßnahmen möglich ist, aus einer
Wechselstromkurve beliebige Teilstrecken herauszuschneiden und einem Drehspulinstrument
zuzuführen.
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Diese Einrichtung dient gemäß der Erfindung zur Messung der Frequenz
eines Wechselstroms in der Weise, daß der der Frequenz des magnetisierenden Stroms
proportionale arithmetische Mittelwert der Spannung an einem gesättigten Eisenkern
gemessen wird. Hierbei wird die durch die nicht ideale Form des Anstiegs Ider Magnetisierungskennlinie
des Eisenkerns verursachte Abweichung der sekundären Spannung von der gewünschten
Rechteckblockform durch eine gegengeschaltete gleich große Luftinduktivität kompensiert.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch
dargestellt, und zwar zeigt Fig. I eine einfache Schaltung, die im wesentlichen
zur Erläuterung des Meßprinzips dient; Fig. 2 zeigt eine verbesserte Schaltung und
Fig. 3 die zur Erläuterung der Wirkungsweise dienende Kurvendarstellung.
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Bei dem Ausführungsbeispiel Fig. I ist auf einem Eisenkern E mit
ausgeprägtem Sättigungsknie eine nicht bezeichnete Primärwicklung sowie eine
Sekundärwicklung
S1 angebracht. Die Primärwicklung liegt an der Spannung U der zu messenden Frequenz
j in Rei'he mit einer nicht bezeichneten Primärwicklung einer Luftinduktivität L,
die zweckmäßig auf einem Eisenkern mit Luftspalt untergebracht ist. Die Sekundärwicklung
der Luftinduktivität ist mit der Sekundärwicklung S1 umgekehrt in Reihe geschaltet,
und in diesem Stromkreis liegen ferner der Meßkontakt K sowie das Drehspulinstrument
D. Der Strom i durch die Primärwicklungen wird so gewählt, daß der Eisenkern E bis
über das Sättigungsknie magnetisiert wird. Die Magnetisierungskurve verläuft aber
infolge der Unvollkommenheiten des Materials bis zum Sättigungsknie nicht vertikal
und von diesem ab nicht horizontal, sondern zeigt noch einen je nach der Zusammensetzung
des Eisens mehr oder weniger schwachen Anstieg. Diese Neigung der Kennlinie des
Eisens über dem Sättigungsknie wirkt sich auf die Spannung der Sekundärwicklung
S1 aus und wird durch die Spannung an der Sekundärwicklung der Luftinduktivität
L kompensiert. dadurch wird die frequenzproportionale Anzeige des Drehspulinstruments
D strom- und spannungsabhängig. Es bleibt nur eine geringe Abhängigkeit von der
Temperatur. Das Kontaktgerät wird in diesem Fall auf eine Kontaktzeit von I800 und
bezüglich des Zeitpunktes der Kontaktschließung so eingestellt, daß sich das Maximum
des Ausschlags ergibt. Das Drehspulinstrument mißt dann den arithmetischen Mittelwert
einer Halbwelle der Spannung an der Sekundärwicklung S1 des Eisenkerns E, vermindert
um die Spannung an der Sekundärwicklung der Luftinduktivität L. Dieser Spannungswert
ist der Frequenz des magnetisierenden Stroms proportional.
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Ein Verfahren der Frequenzmessung mit noch höherer Genauigkeit kann
gegebenenfalls auf der Resonanzerscheinung aufgebaut werden. Eine verfeinerte Schaltung
zeigt die Fig. 2. Die Spannung U der zu messenden Frequenz f speist wiederum die
in Reihe geschalteten Primärwicklungen einer eisenhaltigen Drossel auf dem Kern
E und einer Luftinduktivität L. Die Sekundärwicklungen S1 und 59 sind wiederum entgegensetzt
in Reihe geschaltet.
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Der Eisenkern E besteht beispielsweise aus einer Eisen-Nickel-Legierung
und besitzt ein scharfes Sättigungsknie. Im Sekundärstromkreis liegt der Meßkontakt
K in Reihe mit zwei Widerständen R und r. Parallel zu dem Widerstand R ist das Drehspulinstrument
D geschaltet. An der zu messenden Eingangsspannung liegt ferner ein Kondensator
C, der die Aufgabe hat, den Blindstrombedarf der Meßanordnung zu verringern. Der
Vektormesser mißt die Spannung an dem Teilwiderstand R des Spannungsteilers r +
R. Die Luftinduktivität L ist so bemessen, daß der Hauptteil der Netzspannung an
dieser liegt. Der Eisenkern in der Luftinduktivität hzw. der Luftspalt des Eisenkerns
sind so gewählt, daß keine wesentliche Sättigung eintritt. Durch die angegebene
Bemessung der Luftinduktivität wird der Strom i durch die Primärwicklungen so begrenzt,
daß der Sättigungskern E schon bei der kleinsten vorkommenden Spannung U bis über
das Sättigungsknie magnetisiert wird. Der Antrieb des Meßkontakts erfolgt durch
einen Strom ieWS der von der Netzspannung 67 gespeist wird.
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In Fig. 3 ist das Diagramm dieser Schaltung gezeichnet. Von der als
sinusförmig angenommenen Wechselspannung U übernimmt sekundärseitig der gesättigte
Eisenkern E die Spannung u1, die Luftinduktivität L die Spannung u2. Der Vektormesser
bildet das Integral der Spannung /ft zwischen den Zeitpunkten t1 und t2. Würde die
Magnetisierungskennlinie nach senkrechtem Anstieg horizontal abbiegen, so würden
die Stromblöcke unvermittelt aus der Nullinie heraustreten. Infolge des nicht idealen
Anstiegs der Magnetisierungskennl inie treten aber die schraffierten Strombläcke
nicht unvermittelt aus der Nullinie, sondern von den Nulldurchgängen steigt die
Spannung bis zum Einsetzen des Stromblocks je nach den Eigenschaften des Eisens
mehr oder weniger stark an. Die Spannung U2 ist nach Größe und Vorzeichen so gewählt,
daß sie diesen Anstieg vor bzw. hinter dem Stromblock auf Null kompensiert. Dadurch
wird die Anzeige des Frequenzmessers unabhängig von der Größe der Spannung U, und
zwar läßt sich diese Unabhängigkeit um so leichter über einen größeren Bereich genügend
genau erzielen, je schärfer das Sättigungsknie des Eisenkerns E ist. Stellt man
sich vor, daß die Magnetisierungsschleife die Form eines Rechtecks hat, so ist beim
Durchlaufen der waagerechten Teile der Eisenkern gesättigt, und der Strom i hat
während dieser Zeit einen nahezu konstanten Wert, der wenig über oder unterhalb
der Nullinie liegt. Beim Durchlaufen der senkrechten Teile der Magnetisierungsschleife
dagegen ist der Eisenkern ungesättigt, und die entsprechenden Teile der Stromkurve
i werden aus Abschnitten von Sinuslinien gebildet. Der Abstand der horizontalen
Kurventeile von der Nulllinie richtet sich nach der Breite der Magnetisierungsschleife.
Die Messung ist von Oberwellen unabhängig, weil von der Spannungskurve nur ein geringer
Teil im Bereich des Scheitelpunktes herausgeschnitten wird, und die an dieser Stelle
etwa noch vorhandene Welligkeit ist ohne Bedeutung für die Messung. Die Kontaktschließzeit
bei dieser Messung beträgt 1800 und um die richtige Arbeitsstellung des Kontaktgeräts
zu gewinnen, wird als Zeitpunkt der Kontaktschließung zunächst t3 gewählt. Das Kriterium
für diesen Zeitpunkt ist der Ausschlag Null des Drehspulinstruments. Hiervon ausgehend
wird sodann der Zeitpunkt der Kontaktschließung um + go0 geändert.
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Bekanntlich nimmt die Sättigungsinduktion von ferromagnetischen Materialien
mit wachsender Temperatur etwas ab. Dies bedeutet, daß der Frequenzmesser mit wachsender
Temperatur etwas zu geringe Werte anzeigt. Dieser Fehler wird bei der Anordnung
nach Fig. 2 durch den Spannungsteiler r + R beseitigt. R ist dabei ein Widerstand
aus temperaturabhängigem Material, z. B. Kupfer oder Eisen, r ein Widerstand aus
temperaturunabhängigem Material. Der Widerstand R wird so angeordnet, z. B. um den
Eisenkern E gewickelt, daß er die gleiche Temperatur hat wie das Eisen. Durch
passende
bemessung des Widerstandes r läßt sich erreichen, daß die Abnahme des Mittelwerts
der Spannung l mit wachsender Temperatur durch die Zunahme der Teilspannung im Widerstand
R kompensiert wird. Auf diese Weise erhält man einen Frequenzmesser, der von der
Höhe der Spannung U, von Oberwellen dieser Spannung und von der Temperatur weitgehend
unabllingig ist.
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Der Eigenverbrauch des Geräts läßt sich durch Kompensation des Blindstroms
mittels der Kapazität C durch Resonanzabstimmung verringern.
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Benutzt man als Drehspulinstrument hinter dem Vektormesser ein Instrument
mit einer Genauigkeit von 0,2 0/0 bei Vollausschlag, so hat man einen Frequellzmesser,
der in dem Bereich von etwa 15 biS looHz die Frequenz mit einer Genauigkeit von
0,2 O/o zu messen gestattet. Eine Steigerung der Genauigkeit ist dadurch möglich,
daß man die Spannung am Widerstand R beispielsweise durch einen von einem Normalelement
gespeisten Präzisionss)annungsteiler kompensiert. woliei die vollständige Kompensation
wiederum durch den Vektormesser ermittelt wird.
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PATENTANSPROCHE: 1. Einrichtung zur Messung der Frequenz eines Wechselstroms
mittels eines mechanischen Synchrongleichrichters nebst Drehspulinstrument (Vektormessers),
dadurch gekennzeichnet. daß der der Frequenz des magnetisierenden Stroms proportionale
arithmetische Mittelwert der Spannung an einem gesättigten Eisenkern gemessen wird
(Fig. I).