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Einrichtung zur Strom-1 Spannungs- und Leistungsmessung bei Wechselstrom
mit Gleichstrominstrumenten
Strom- und Spannungsmessungen werden bei Wechselstrom
häufig mit Gleichstrominstrumenten ausgeführt, die an Organe angeschlossen sind,
die dem Quadrat der ihnen zugeführten Wechselströme entsprechende Gleichspannungen
liefern. Solche Organe sind z. B. Thermoumformer, aber auch Röhrengleichrichter
und Sperrschichtgleichrichter können unter Umständen für diesen Zweck benutzt werden.
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Solche Einrichtungen werden insbesondere auch mit Vorteil bei Hochfrequenzmessungen
benutzt. Wenn die Aufgabe vorliegt, eine oder mehrere Oberwellen bei einem Wechselstrom
oder einer Wechselspannung zu messen, so können die gleichen Meßeinrichtungen benutzt
werden, wobei man Siebmittel, z. B. Filter oder Resonanzkreise benutzt, um nur die
gewünschten Oberwellen wirksam werden zu lassen.
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Auch zur Leistungsmessung kann man Organe dieser Art, z. B. Thermoumformer
oder Röhrengleichrichter benutzen. So ist eine Schaltung angegeben worden, bei der
in einer Verbraucherzuleitung zwei Thermoelemente in Reihe liegen. Von ihrem gegenseitigen
Verbindungspunkt ist über einen dritten Thermoumformer und einen Vorschaltwiderstand
ein Spannungszweig zur Verbraucherrückleitung abgezweigt. Die Leistungsmessung erfolgt
mit Hilfe eines Strommessers, der an die gegensinnig in Reihe geschalteten drei
Thermoelemente anzuschließen ist.
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Unter Verwendung eines doppelpoligen Umschalters mit drei Kontakten
kann diese Vorrichtung zur aufeinanderfolgenden Messung von Leistung, Strom und
Spannung umschaltbar gemacht werden. Die bekannte Einrichtung erfordert die Innehaltung
einer
bestimmten Bedingung für die drei Thermoelemente, was nur
mit Hilfe eines mühseligen gegenseitigen Abgleichs der drei Thermoelemente und auch
dann meistens nur ungenau zu erzielen ist.
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Ein anderes Verfahren zur Leistungsmessung mittels Thermoumformern
oder Röhrengleichrichtern beruht grundsätzlich auf der Erkenntnis, daß die Differenz
c (U + i)2 - C ' (-i -4ci ist, wobei u der Augenblickswert der zu messenden Wechselspannungen
und i der Augenblickswert des zu messenden Wechselstroms ist. Infolgedessen erhält
man die Leistung eines Wechselstroms durch Differenzbildung zwischen den Quadraten
der Summe und der Differenz der Augenblickswerte von zwei dem zu messenden Strom
bzw. der zu messenden Spannung entsprechenden Meßgrößen. Es sind z. B. Hitzdrahtinstrumente
gebaut worden, die nach diesem Verfahren arbeiten, und auch Thermoumformer wurden
für diesen Zweck bereits vorgeschlagen. So ist eine Meßanordnung bekanntgeworden,
bei der der zu messende Wechselstrom einen Ohmschen Widerstand durchfließt, an dessen
Enden über Vorwiderstände die Heizdrähte von zwei Thermokreuzen hintereinander angeschlossen
sind. Der Verbindungspunkt der beiden Heizdrähte steht über einen hochohmigen Widerstand
mit dem anderen Spannungspol in Verbindung. Die Thermodrähte sind in gegensinniger
Reihenschaltung einerseits durch eine Drosselspule und andererseits durch ein Gleichstrominstrument
miteinander verbunden. Ferner sind Einrichtungen vorgeschlagen worden, bei denen
Strom- und Spannungswandler benutzt werden, sowie zwei Thermoumformer, die derart
an diese angeschlossen sind, daß sie Gleichspannungen liefern, deren von einem an
die Reihenschaltung der Thermoelemente angeschlossenen Gleichstrominstrument gemessene
Differenz der zu messenden Leistung entspricht. Dieses Meßverfahren setzt natürlich
voraus, daß die beiden vom Strom bzw. von der Spannung abhängigen Meßkreise voneinander
isoliert sind, was durch an sich bekannte Mittel, z. B. durch Verwendung von Meßtransformatoren,
erreicht werden kann. Bekannte bzw. bereits vorgeschlagene Leistungsmesser ähnlicher
Art bilden auch jene Brückenschaltungen, bei denen der einen Diagonale ein dem zu
messenden Strom proportionaler Wechselstrom und der anderen Diagonale eine der zu
messenden Spannung proportionale Wechselspannung zugeführt wird sowie zwei Brückenzweige
Thermoumformer oder Gleichrichter enthalten, die ausgangsseitig in Differentialschaltung
mit einem Gleichstrommeßinstrument verbunden sind.
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Wenn nun nach dem zuletzt angeführten Prinzip sowohl Strom- und Spannungsmessungen
als auch Leistungsmessungen ausgeführt werden sollen, so war bisher dazu neben den
Strom- und Spannungsmeßeinrichtungen eine vollständige Leistungsmeßeinrichtung mit
getrennten Thermoumformern und einem besonderen an diese angeschlossenen Gleichstrominstrument
oder mindestens ein sehr verwickelter Schaltungsaufbau mit vielen Kontaktstellen,
d. h.
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Fehlerquellen, erforderlich. Sofern Einrichtungen zum Umschalten der
Strom- und Spannungsmeßbereiche benötigt werden, war es erforderlich, auch für die
Leistungsmessung getrennte Einrichtungen dieser Art vorzusehen. Wegen dieses umständlichen
Aufbaus hat man daher meistens auf eine Leistung messung verzichtet, besonders wenn
es sich um Oberwellenmessungen handelt, bei denen für die Leistungsmessung außerdem
noch besondere, von den für die Strom- und Spannungsmessung erforderlichen getrennte
Filter oder Resonanzkreise erforderlich waren.
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Die Erfindung zeigt einen neuen Weg, wie man unter Benutzung von
Gleichstrominstrumenten, die an Organe angeschlossen sind, die annähernd dem Quadrat
der ihnen zugeführten WechseIströme entsprechend Gleichspannungen liefern, und einer
Brückenschaltung, deren einer Diagonale ein dem messenden Strom proportionaler Wechselstrom
und deren - anderer Diagonale eine der zu messenden Spannung proportionale Wechselspannung
zugeführt wird, die wahlweise Strom-, Spannungs- und Leistungsmessung bei Wechselstrom
mit sehr viel geringerem Aufwand und ohne besondere Schaltmittel durchführen kann.
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Erfindungsgemäß ist in zwei benachbarten Zweigen der abgeglichenen
Brücke je ein solches Organ 1, 3 bzw. 2, 4 mit daran angeschlossenen Gleichstrominstrumenten
5 bzw. 6 angeordnet, so daß beim Anschließen eines zu messenden Wechselstroms oder
einer zu messenden Wechselspannung an die betreffende Diagonale beide Instrumente
die zu messende Stromstärke bzw. die zu messende Spannung anzeigen, während sich
die zu messende Leistung als Differenz der Skalenteile an den Gleichstrominstrumenten
ergibt.
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Eine solche Brückenschaltung erfordert nur den gegenseitigen Abgleich
von zwei Thermoelementen.
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Darüber hinaus ist die gegenüber der eingangs erwähnten Vorrichtung
zur nacheinanderfolgenden Messung von Leistung, Strom und Spannung dadurch ausgezeichnet,
daß der hier ermittelte Wert unmittelbar die Leistung, d. h. ohne Eingehen eines
zusätzlichen Faktors, anzeigt und daß bei gleicher Belastung der Thermoelemente
ein doppelt so hoher Ausschlag erzielt wird. Dies ist aus der ebenfalls eingangs
angeführten Gleichung zu ersehen, auf der rechtsseitig der Ausdruck 4 « i erscheint,
während bei der bekannten Vorrichtung die Anzeige einem 2 entspricht. Es kommt der
betriebsmäßig wichtige Umstand hinzu, daß die benutzten Anzeigeinstrumente mittels
einer Strom- oder Spannungsmessung leicht auf ihre richtige Anzeige überprüft werden
können.
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Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Brückenschaltung ist
in-Fig. I dargestellt. Sie besteht aus den in Reihe geschalteten Heizdrähten I und
2 zweier Thermoumformer, an deren Thermodrähte 3 bzw. 4 je ein Gleichstrominstrument
5 bzw. 6 angeschlossen ist, und zwei ebenfalls in Reihe geschalteten Widerständen
7 und 8. An den Verbindungsleitungen zwischen I und 7 bzw. 2 und 8 wird der zu messende
oder ein ihm proportionaler Strom i zugeführt, während an die Verbindungspunkte
zwischen I und 2 bzw. 7 und 8 die zu messende
oder eine ihr proportionale
Spannung lt angeschlossen wird. Dabei haben sämtliche vier Brückenzweige I, 2, 7,
8 den gleichen Widerstand. Gegebenenfalls können zur genauen Justierung in den Zweigen
der Heizdrähte noch besondere Abgleichwiderstände angeordnet sein.
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Der Strom i teilt sich dabei in zwei gleiche Teile, so daß die Heizdrähte
I und 2 von einem Strom i/2 durchflossen werden. Ferner liegt an den Heizdrähten
je eine Spannung B/2. Dabei erzeugt die Spannung in den Heizdrähten Wechselströme
in der durch die gestrichelt angedeuteten Pfeile gegebenen Richtung.
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Man erkennt daraus, daß die in den Thermoelementen3 bzw. 4 erzeugten
Gleichspannungen dem Betrag (l£/2 + i/2)2 bzw. (q2 - i/2)- entsprechen. Da nun (off/2
+ ili)- - t12 - i/2)- = lt ist, so erhält man die zu messende Leistung als Differenz
der Ausschläge an den beiden Gleichstrominstrumenten 5 und 6, wenn diese mit entsprechend
geeichten Teilungen versehen sind. Dabei hat die Ablesung an zwei getrennten Instrumenten
noch den Vorzug, daß die betreffenden, von den Wechselströmen durchflossenen Organe
nicht genau auf ihrem quadratischen Kennlinienteil zu arbeiten brauchen, sondern
auch auf dem anderen unmittelbar anschließenden Kennlinienteil betrieben werden
können, da man die betreffenden Instrumente in jedem Fall entsprechend eichen kann.
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Die Einrichtung gemäß Fig. 1 ist ohne weiteres auch zur Strom- und
Spannungsmessung benutzbar.
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Da nämlich bei der abgeglichenen Brückenschaltung der eingeleitete
Strom i keinen Spannungsabfall an der Spannungsdiagonale und ebenso die Spannung
lt keinen Strom in der Stromdiagonale erzeugt, so beeinflussen sich die Spannungs-
und Stromkreise gegenseitig nicht. Wenn man nun zwecks Strommessung die Spannung
lt abschaltet, so werden die beiden Thermoumformer nur noch von dem Strom i/2 durchflossen,
und die angeschlossenen Gleichstrominstrumente 5 und 6 können daher bei entsprechender
Eichung zur Strommessung benutzt werden, wobei sie beide den gleichen Ausschlag
zeigen. Ebenso können die Instrumente als Spannungsmesser benutzt werden, wenn man
die Spannung anlegt, jedoch den Strom i abschaltet.
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Bei der einfachen, in Fig. 1 dargestellten Anordnung ist es, wie
erwähnt, nötig, die Ablesungen an den beiden Instrumenten 5 und 6 voneinander abzuziehen,
um die Leistung zu ermitteln. Wenn dies als unbequem empfunden wird, so kann man
die Brückenschaltung in der Weise abändern, daß sämtliche vier Brückenzweige Thermoumformer
enthalten, von denen die Thermoelemente zweier benachbarter Thermoumformer in an
sich bekannter Weise zur Leistungsmessung in gegensinniger Reihenschaltung an ein
Gleichstrominstrument angeschlossen sind.
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Dabei muß allerdings die Bedingung, daß die betreffenden Organe dem
Quadrat der ihnen zugeführten Wechselströmen entsprechende Gleichspannungen liefern,
möglichst genau erfüllt sein.
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Ein Ausführungsbeispiel dieser Art ist in Fig. 2 schematisch dargestellt.
An Stelle der Widerstände 7,8 in Fig. I sind hier ebenfalls die Heizdrähte 9 bzw.
10 zweier Thermoumformer angeordnet, deren Thermoelemente II, 12 gegensinnig in
Reihenschaltung an ein weiteres Gleichstrominstrument I3 angeschlossen sind. Dabei
muß mindestens eines der Thermoelemente 11 12 von dem zugehörigen Heizdraht isoliert
sein. In der Zeichnung ist angedeutet, daß die Thermoelemente zu diesem Zweck durch
Glasperlen von den Heizdrähten getrennt sind. Auch hier müssen sämtliche Brückenzweige
gleiche Widerstände haben.
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Da die Strom- und Spannungsverteilung in der Brückenschaltung die
gleiche ist wie bei dem Beispiel nach Fig. I, fließen auch in den Heizdrähten 9
und 10 gleich große Ströme wie in den Heizdrähten I und 2.
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Infolgedessen wirkt auf das Instrument 13 die Differenz (g/2 + 2)
- «q2 - i/2)2 = lt und an dem Instrument I3 kann bei entsprechender Eichung die
Leistung unmittelbar abgelesen werden.
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Dabei kann man die Messung an den Instrumenten 5 und 6 kontrollieren.
Eine solche Kontrolle ist häufig erwünscht, um festzustellen, ob die Heizdrähte
9 und IO nicht etwa überlastet werden. Wenn nämlich die Beträge lot/2 + i/2 und
2 - i/2 sich nur wenig voneinander unterscheiden, so könnte man ohne eine solche
Kontrolle durch die Instrumente 5 und 6 versucht sein, um einen größeren Ausschlag
am Instrument 13 zu erhalten, die Meßbereiche entsprechend zu ändern und damit die
Heizdrähte 9 und IO zu überlasten. Im übrigen kann man auch hier in der bereits
beschriebenen Weise die Instrumente 5 und 6 wahlweise auch zur Strom- und Spannungsmessung
benutzen.
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In den beiden Figuren ist der Strom i an die Verbindungsleitung zwischen
den Brückenzweigen I und 7 bzw. 2 und 8 und die Spannung lt an die Verbindungspunkte
zwischen I und 2 bzw. 7 und 8 angeschlossen.
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Die Strom- und Spannungsanschlüsse können aber auch miteinander vertauscht
werden.
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Die Meßeinrichtung nach der Erfindung kann auch zur wahlweisen Strom-,
Spannungs- und Leistungsmessung bei Oberwellen benutzt werden. Notwendig dazu ist
nur die Heranziehung an sich bekannter Siebmittel derart, daß der der Brückenschaltung
in der einen Diagonale zugeführte Strom und ebenso die der Brückenschaltung in der
anderen Diagonale zugeführte Spannung nur die zu messenden Oberwellen enthält.