-
Hartmann & Braun Aktiengesellschaft, Frankfürt/M.
-
Ein bekannter thermischer Leistungsmesser, der sehr empfindlich gestaltet
werden kann, enthält in einer Schaltungsanordnung, die zwischen Quelle und Verbraucher
liegt, drei thermische Meßwerke, insbesondere Heizdrähte oder Heizwicklungen, durch
die Thermoelemente erwärmt werden. Abb. I zeigt diese Anordnung, in der rl, r2,
r8 Schaltungszweige bedeuten, EN = Q1 (J + i)² - Q2J² unter N, U, J Leistung, Spannung
und Strom des Meßobjekts, unter A, B, C Konstanten verstanden, die gebildet sind
aus den Widerständen der Schaltung und den Konstanten Q. Es ist ferner bekannt,
daß man durch passende Bemessung der Konstanten Q1, Q2, Q3 im Verhältnis zueinander
und zu bestimmten in denen die -genannten Heizdrähte enthalten sind.
-
Wird allgemein der Zusaminenhang zwischen thermoelektrischer Kraft
E und Heizstrom ih ausgedrückt durch E = Q i», so ist bei dieser bekannten Anordnung
der Ausschlag im angeschlossenen Gleichstromgerät proportional zu Q3i2 = AN + BJ2
+ CU2 (I) Widerständen dieser Schaltung den vom Strom abhängigen Fehler BJ2 und
den von der Spannung abhängigen Fehler C U2 exakt zum Verschwinden bringen kann.
Es ist weiter bekannt, däß man in der Schaltung nach Abb I das Meßwerk 2 unmittelbar
zur Strommessung benutzen kann, und daß ferner
die Spannungsmessung
mit Hilfe des Meßwerks 3 immer dann ohne merklichen Fehler geschieht, wenn der Heizdrahtwiderstand
r2 klein ist gegenüber dem Widerstand U-J.
-
Es sind außerdem Schaltungsanordnungen bekannt, die zwischen - Quelle
und Verbraucher gelegt werden und einen Spannungs- und einen Strommesser beliebigen
Systems enthalten, und die eine fehlerfreie Messung der Spannung und des Stromes
gleichzeitig gestatten. Bei diesen Anordnungen fehlt also die Leistungsmessung.
Sie wird ermöglicht, indem man bei diesen Anordnungen parallel zum Spannungsmesser
die Spannungsspule und in Reihe zum Strommesser die Stromspule eines dynamometrischen
MTattmeters schaltet. Diese Art der Leistungsmessung ist jedoch frequenzabhängig,
sie gibt daher bei höheren Frequenzen und besonders auch bei verzerrten Kurvenformen
von Strom oder Spannung keine einwandfreien Ergebnisse. Ferner sind insbesondere
die Forderung nach einem erträglichen Frequenzfehler und die Forderung nach höherer
Meßgrößenempfindlichkeït miteinander nicht verträglich. Die thermischen Leistungsmesser
sind dagegen durchweg erheblich empfindlicher als die dynamometrischen Leistungsmesser.
-
Bekannt sind schließlich Schaltungsanordnungen, die zwischen Quelle
und Verbraucher gelegt werden, die zwei thermische Meßwerke, durch deren Zusammenwirken
die Leistung gemessen wird, ferner einen Spannungsmesser und einen Strommesser beliebigen
Systems enthalten. Auch diese Schaltungen können so abgeglichen werden, daß die
Messungen des Stromes, der Spannung und der Leistung fehlerfrei sind, jedoch ist
die Abgleichung dieser Schaltungen wenig einfach, insbesondere dann, wenn bestimmte
Meßbereiche und Empfindlichkeiten gegeben sind oder eingehalten werden sollen. Diese
Anordnungen enthalten vier.Meßwerke, also eines mehr als die eingangs erwähnte Anordnung,
zudem ist im allgemeinen die Leistungsmessung mit zwei thermischen Meßwerken der
mit drei solchen unterlegen.
-
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur gleichzeitigen
fehlerfreien Messung von Leistung, Strom und Spannung unter Benutzung dreier in
einem Schaltungsnetzwerk zwischen Quelle und Verbraucher enthaltender quadratisch
wirkender Meßwerke, z. B.
-
Heizdrähte, die Thermoelemente erwärmen, von denen eines zur fehlerfreien
Strommessung, ein anderes zur fehlerfreien Spannungsmessung und alle drei zusammen
zur fehlerfreien Leistungsmessung dienen sollen, durch passende Bemessung der Widerstände
des Netzwerks und der Konstanten der drei thermischen Meßwerke zugleich für die
Messung alle: drei Größen exakt fehlerfrei zu gestalten.
-
Zuvor sei der Erfindungsgedanke an den Ausführungsbeispielen der
Abb. 2 erläutert. In ihr ist jeweils das zwischen Quelle und Verbraucher liegende
Schaltungsnetzwerk gezeichnet, und es ist angenommen, daß die Leistungsquelle oder
der Leistungsverbraucher, deren Leistung N, Klemmenspannung U und Strom J gemessen
werden sollen, jeweils rechts liegt. Die länglichen Rechtecke bedeuten Zweige des
Netzwerks, die ein quadratisch wirkendes Meßwerk, z. B. einen Thermoumformer, enthalten,
die Mäander bedeuten Zweige des Meßwerk, die kein solches Meßwerk enthalten. Sind
% 2, i3 die Ströme der drei 65 Meßwerke mit den Konstanten Q1, Q2, Q3, so ist stets
angenommen, daß für die Leistungsmessung zur Wirkung kommt EN = Ql Q2 52Q3 53 (2)
70 und daß für die Strommessung EJ = Q2 i2 und für die Spannungsmessung Eo = Q2
i3 benutzt wird.
-
Die Schaltungen nach dem Erfindungsgedanken zerfallen in zwei Gruppen
I und II. In Gruppe I ist in dem unmittelbar vor das Meßobjekt geschalteten 75 Zweig
r2 ein Meßwerk enthalten, die Strommessung ist daher ohne weiteres fehlerfrei, in-
Gruppe II ist in dem unmittelbar parallel zum Meßobjekt geschalteten Zweig r8 ein
Meßwerk enthalten, die Spannungsmessung ist daher ohne weiteres richtig. Gemäß der
80 Erfindung (Schaltungsgruppe I) ist in dem aus mindestens zwei Widerständen p,
q und den drei Meßwerken r1, r2, r3 gebildeten Netzwerk das eine Meßwerk r2 in Reihe
mit dem Meßobjekt geschaltet, während die Widerstandsverhältnisse des Netzwerks
85 so bemessen sind, daß einerseits der durch ein zweites Meßwerk r3 fließende Strom
allein proportional zur Klemmenspannung des Meßobjekts gemacht wird und daß anderseits
durch entsprechende Bemessung der Widerstände des Netzwerks und der Konstanten go
der Meßwerke die Anzeige der Leistung unabhängig von den Fehlern gemacht wird, die
von dem Strom und der Spannung abhängen.
-
Eine Abänderung der Erfindung (Schaltungsgruppe II) besteht darin,
daß ein Meßwerk, den 95 Klemmen des Meßobjekts parallel geschaltet ist (nötigenfalls
über einen Vorwiderstand) und daß in dieser Schaltung die Widerstandsverhältnisse
des Netzwerks so bemessen sind, daß einerseits der Strom durch ein zweites Meßwerk
r2 allein proportional zu too dem Strom gemacht wird, der durch das Meßobjekt fließt,
und daß anderseits durch entsprechende Bemessung der Widerstände des Netzwerks und
der Konstanten der Meßwerke die Anzeige der Leistung unabhängig von den Fehlern
gemacht wird, die von 105 dem Strom und der Spannung herrühren.~ Damit bei den Anordnungen
der Gruppe 1 mit dem im Zweig r3 enthaltenen Meßwerk die Spannung durch Eu fehlerfrei
gemessen wird, muß von den übrigen Widerständen der Anordnung die Beziehung 110
r2 q = I (3) ps eingehalten werden. Damit bei den Anordnungen der 115 Gruppe II
der Strom durch EJ fehlerfrei gemessen wird, muß von deri übrigen Widerständen der
Anordnung die Beziehung r3 q 120 ps eingehalten werden. Die Herstellung der jeweiligen
Beziehung (3) oder (4), die von den Konstanten Q der Meßwerke unabhängig ist, geschieht
leicht auf experi- 125 mentellem Weg. Bei dem Zusammenwirken der drei
Meßwerke,
wie es in Gleichung (2) ausgedrückt ist) zum Zweck der Leistungsmessung wird die
resultierende Wirkung im allgemeinen nicht allein von sondern auch von U und J abhängen:
EV=AN+BJ2+CU2. (5) Die Erfindung beruht nun auf dem Gedanken, daß es bei beiden
Gruppen von Schaltungen möglich ist, den zu J2 proportionalen und den zu U2 proportionalen
Fehler der Leistungsmessung durch passende Bemessung der Widerstände des Netzwerks
und der Konstanten Q der drei Meßwerke aufzuheben, und zwar unabhängig sowohl von
der Einhaltung der oben angegebenen Bedingung Gleichung (3) oder (4), also unabhängig
von der Spannungs- und der Strommessung, als auch unabhängig voneinander. Damit
die Leistung stromfehlerfrei gemessen wird (B = o), muß in jeder der angeführten
Schaltungen zwischen dem Verhältnis der Konstanten Q2 :Q1 und den Widerständen des
Netzwerks eine bestimmte Beziehung bestehen, und damit sie spannungsfehlerfrei gemessen
wird (C = o) muß jeweils zwischen dem Verhältnis Q3 : Q1 und den Widerständen des
Netzwerks eine andere Beziehung bestehen. Die beiden Bedingungen für Q : Q1 und
für Q3:Q1 können jeweils unabhängig voneinander hergestellt werden und stören die
Abgleichung nach Gleichung (3) oder (4) nicht. Sie lauten beispielsweise besonders
einfach Q : Q1 = I und Q,:Q, = I für die Schaltung Ia, ferner Q2: Ql = r2: rl2 und
Q3 : Q1 = r3 : rl2 für die Schaltung II b; ähnlich, wenn auch zum Teil weniger einfach,
lassen sie sich für alle anderen Schaltungen errechnen. Die beiden Bedingungen werden
ohne Rechnung experimentell leicht und genau verwirklicht, und zwar die Bedingung
für Q2: Q1 durch eine entsprechende Abgleichung auf verschwindenden Ausschlag des
angeschlossenen Anzeigers im Kurzschlußversuch, die Bedingung für Q3 : Q1 durch
eine entsprechende Abgleichung auf verschwindenden Ausschlag des angeschlossenen
Anzeigers im Leerlaufversuch. Die Abgleichung der Empfindlichkeiten gegeneinander
geschieht dabei durch bekannte Hilfsmittel.
-
Es können somit Leistung, Strom und Spannung zugleich fehlerfrei
gemessen werden, und die Fehlerfreiheit kann erreicht werden durch einander nicht
störende Abgleichungen. Handelt es sich um Wechselstrommessungen, so bestehen für
die Anwendung von Strom- und Spannungswandlern mannigfache Möglichkeften. Abb. 3
zeigt als Beispiel die Anwendung eines Stromwandlers bei der Schaltung 1 a der Abb.
z. An den Klemmen A1 und A2 wird das Meßobjekt angeschlossen. T ist der Stromwandler
mit den beispielsweise fünf Anzapfungen tl, t2, t3, t4, t5 für verschiedene Strommeßbereiche,
die durch den Schalter S1 betätigt werden. al, a2, a3 seien die Heizdrähte oder
Heizwicklungen der drei thermischen Meßwerke. Die Widerstände q und s entsprechen
den gleichen Widerständen in Abb. 2, Schaltung 1 a. Ihre Anzapfungen q1 ... q4 und
sl ... s4 für verschiedene Spannungsmeßbereiche bei gleichzeitiger Einhaltung der
Bedingung (3) werden gleichzeitig mit Hilfe des Schalters S geschaltet. (Die Widerstände
b6, b4, b3 b2, b1 dienen zusammen mit den Widerständen d4, d3, d2, dl dazu, die
Strombereich- und die Spannungsbereichumschaltungen unabhängig voneinander zu machen.
Der Schalter S3 ist mit S1 mechanisch gekuppelt.) Selbstverständlich können auch
in bekannter Weise die Strommeßbereiche durch veränderliche Nebenwiderstände, die
Spannungsmeßbereiche durch veränderliche Vorwiderstände hergestellt werden.
-
Als Meßwerke kommen alle Vorrichtungen in Betracht, die eine quadratische
Wirkung des Stromes oder der Klemmenspannung auslösen, also nicht nur Heizdrähte
oder Heizwicklungen, sondern auch Thermoelemente enthaltende Brückenschaltungen
mit unmittelbarem Stromdurchgang, Heizdrähte in Bolometerbrücken, Gleichrichter
mit quadratischer Kennlinie oder Kombinationen, und zwar sowohl solche, die wie
Strommesser geschaltet werden, als auch solche, die wegen ihres hohen inneren Widerstandes
wie Spannungsmesser geschaltet werden, wie z. B.
-
Röhrengleichrichter. In diesem letzten Fall werden die Schaltungen
durch Widerstände verwirklicht und an sinngemäßen Stellen werden die den Gleichrichtern
zuzuführenden Spannungen abgegriffen; dabei vervielfachen sich die Möglichkeiten
für die Ausgestaltung und die Abgleichung der Schaltungen insofern, als jeweils
an verschieden großen Teilen der Widerstände abgegriffen werden kann.
-
In bezug auf das Anzeigegerät stellt jedes Meßwerk eine Gleichspannungsquelle
mit einer eingeprägten Kraft E und einen bestimmten inneren Widerstand R vor. Es
bedeutet daher keine Schwierigkeit, Spannung, Strom und Leistung nacheinander mit
demselben Meßgerät zu messen, das zu diesem Zweck lediglich durch Umschalten einmal
ausschließlich an die sekundäre Seite des Meßwerks 3, dann an 2 und schließlich
an die Kombination 3-2-I gelegt wird, wobei durch zusätzliche Widerstände jeweils
für die richtige Ausnutzung der Skala gesorgt sein kann; diese Umschaltung kann
auch periodisch vorgenommen werden, wie dies durch die Meßstellenumschalter bei
den bekannten Mehrfarbenschreibern geschieht. Es können auch drei Meßgeräte für
Spannung, Strom und Leistung vorhanden sein, von denen durch sich gegenseitig ausschaltende
Schalter immer nur eines eingeschaltet wird.
-
Will man Strom, Spannung und Leistung gleichzeitig mit drei Meßgeräten
messen, so kann man in jedem Fall die drei Meßwerke voneinander elektrisch isoliert
lassen und mit den Meßwerken 2 und 3 Strom und Spannung ungestört voneinander messen
und das erforderliche Zusammenwirken der drei Meßwerke zur Leistungsmessung durch
drei voneinander getrennte Wicklungen des der Leistungsmessung dienenden Anzeigegerätes
herbeiführen. Würde man anderseits die drei Meßwerke auf ihren sekundären Seiten
miteinander verbinden, wie es Abb. 4 zeigt, in der E1, E2, E3 die eingeprägten Kräfte
der Meßwerke I, 2, 3 und Rl, R2, R3 ihre innere Widerstände, ferner 1i, 12, I3 die
drei Meßgeräte zur Messung der Leistung, des Stromes und der Spannung bedeuten,
so würde zwar mit I1 die Leistung richtig gemessen werden.
-
Die Ausschläge der Meßgeräte I2 und 13 würden aber nicht ausschließlich
von den eingeprägten Kräften E2
und E3 bestimmt sein, da zu jeden
von diesen noch der Spannungsabfall. an dem inneren Widerstand R und R8 hinzutritt,
die beide noch von E1 mitbestimmt werden, Strom und Spannung werden daher in dieser
Anordnung mit I2 und I3 nur dann richtig gemessen, wenn diese beiden Meßgeräte einen-
hohen Widerstand haben gegenüber R2 und R3; exakt fehlerfrei wird die Messung auf
diese Weise nur, wenn stromlos gemessen wird, z. B. mit selbsttätigen Kompensatoren
in Spannungskompensationsschaltung, oder mit elektrostatischen Geräten. Will man
diese Komplikation vermeiden und mit niedrigohmigen -Geräten messen, was bei niedrigohmigen
Spannungsquellen, z. B.
-
Thermoelementen, viel günstiger ist, so müssen für die Strom- und
für die Spannungsmesser die fälschenden Spannungsabfälle an den inneren Widerständen
R2 und R3 ausgeglichen werden. Dies kann z. B. dadurch geschehen, daß man die-beiden
Geräte, mit denen der Strom und die Spannung gemessen werden, mit Kompensationswicklungen
versieht, so daß die Ausschläge nur noch von E2 und E3 abhängen. Abb. 5 zeigt ein
Ausführungsbeispiel. Die Zeichen stimmen mit denen der Abb. 4 überein, jedoch bedeutet
j2 die Kompensationswicklung, die zu der Hauptwicklung des Meßgerätes I2 hinzugewickelt
ist, und j3 die Kompensationswicklung, die zu der Hauptwicklung des Meßgerätes I3
hinzugewickelt ist.
-
Diese Kompensationswicklungen können im Verhältnis zu den Hauptwicklungen
und mit Rücksicht auf die Daten jedes der beiden Kreise so bemessen werden, daß
die Ausschläge ausschließlich von E2 und E3 abhängen. An Stelle dieser Geräte mit
jeweils zwei Wicklungen kann man auch gewöhnliche Meßgeräte mit nur einer Wicklung
benutzen, muß sie jedoch in solche Schaltungsanordnungen legen, daß der sie durchfließende
Strom ausschließlich abhängig ist von E2 und ES. Dies wird durch Brückenschaltungen
ermöglicht, wie Abb. 6 zeigt. Hier liegen die Meßgeräte I2 und I3 in den Diagonalen
von Brückenschaltungen; diese können so abgeglichen werden, daß die Ströme in den
beiden Diagonalen unabhängig sind von dem Strom, der durch I1 hindurchfließt; dann
sind sie ausschließlich von E2 und E3 abhängig.