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Meßgerät für elektrische Wechselströme mit veränderbarem Meßbereich
Bei
der Anwendung von Hochfrequenzenergie für industrielle Zwecke, beispielsweise zur
Erhitzung von nichtleitenden Körpern im elektrischen Wechselfeld, ist aus Gründen
der Betriebsüblerwachung vielfach die Messung starker hiochfrequenter Wechselströme
erwünscht. Die in der Nachrichtentechnik für die Messung von Hodifrequenzströmen
angewandten Geräten lassen sich dabei meist nicht benutzen, weil die zu messenden
Stromstärken sehr gooß sind und die Abzweigung von Teilströmen leicht zu erheblichen
Meßfehlern führt. Die Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe, einen für derartige
Fälle geeigneten Strommesser zu schafen, dessen Meßbereich außerdem den jeweiligen
Verhältnissen leicht angepaßt werden kann.
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Die Erfindung geht dabei von der an sich bekannten Tatsache aus, daß
sich ein Kurzschlußrähmchen im magnetischen Wechselfeld so einzustellen versucht,
daß seine Ebene in der Ebene der z. B. kreisförmigen magnetischen Feldlinien liegt.
Die dabei auftretenden Kräfte sind für sehr hohe Frequenzen praktisch frequenzunabhängig.
Die Eichung des Gerätes kann mit niederen Frequenzen geschehen. Gemäß der Erfindung
besteht die Meßeinrichtung aus zwei parallelen vom Meßstrom darchflossenen Leitern,
in deren magnetischem Feld ein Kurzschlußring angeordnet ist. Der Abstand der beiden
Leiter wird dabei zwecks Veränderung des Meßbereiches verstellbar gemacht. Dabei
empfiehlt es sich, die Verstellung so vorzunehmen, daß die Symmetrieebene der beiden
Leiter räumlich in Ruhe bleibt. Das auf den Kurzschlußring
(Meßwerk)
- ausgeübte Drehmoment wird in bekannter Weise gemessen, beispielsweise dadurch,
daß man lauf optischem Wege die Verdrehung des an einem Faden, z. B. Quarzfaden,
aufgehängten Meßwerkes mißt. Man kann aber auch in der bei Torsionsdynamometern
bekannten Art das Meßwerk bei jeder Messung in die Ausgangslage zurückdrehen und
kann dann aus der hierzu notwendigen Verdrehung des zur Aufhängung dienenden Fadens
auf das Drehmoment schließen. Der letztere Weg ergibt eine wesentliche Erweiterung
des Meßbereiches, welcher sonst auf einlen Winkel von etwa 90° beschränkt ist.
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Bei der Betriebsüberwachung von Röhrengeneartoren oder industriellen
Hochfrequenzanlagen handelt es sich meist um die Messung von Strömen in Leitern,
die gegenüber Erde ein hohes Potential aufweisen. Deshalb wirken auf das Meßwerk
aucli elektrostatische Kräfte ein. Diese Kräfte kann man auf verschiedene Weise
unschädlich machen. Der eine Weg besteht darin, daß man die Drehachse des Meßsystems
so legt, daß sie in einer ,den beiden Leiterachsen gemeinsamen Ebene liegt und senkrecht
zu diesen Leitern steht. Auf diese Weise läßt sich erreichen, daß die auf das Meßrähmchen
einwirkenden elektrostatischen Kräfte kein Drehmoment erzeugen können.
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Ein Ausführungsbeispiel Ider Erfindung dieser Art ist in Fig. I dargestellt.
Mit 1 !uNid 2 sind die den zu messenden Strom führenden Leiter, von weichen der
eine als Hin-, der andere als Rückleitung dient. der gegenseitige Abstand der Leiter
ist gemäß'der Erfindung durch eine der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellte
Anordnung veränderlich gemacht.
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Die Verschiebung findet dabei gleichzeitig bei beiden Leitern in Richtung
der Pfeile 8 statt, so daß die Symmetrieebene räumlich in Ruhe bleibt.
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3 ist das Meßrähmchen, das an dem Quarzfaden 4 aufgehängt ist. Damit
dieser Faden, der die Drehachse des Räöhmchens 3 darstellt, in der den Achsen der
Leiter 1 und 2 gemeinsamen Ebene liegt, sind diese Leiter mit Öffnungen 6 und 7
versehen, durch welche der Quarzfaden hindurchgeführt ist. Zur Befestigung dieses
Fadens können an sich bekannte Mittel dienen. Die Nullage des Rähmchens wird zweckmäßig
so eingestellt, daß seine Ebene etwa 450 gegenüber der Ebene der Leiter I und 2
geneigt ist. Diese Nullstellung vereinigt Iden Vorteil einer großen Anfangsempfindlichkeit
bei guter Ablesegenauigkeit bei großen Stromstärken. 5 ist ein am Quarzfaden befestigter
Spiegel, mit dessen Hilfe die Verdrehung des Meßwerkes beobachtet werden kann. Durch
Verändern des Abstandes zwischen den Leitern 1 und 2 läßt sich das das Meßrähmchen
durchsetzende magnetische Feld bei gegebener Stromstärke verändern. Auf diese Weise
läßt sich der Meßbereich beliebig einstellen. Das Gerät kann für verschieden solche
Einstellungen geeicht werden, Das Meßrähmcheni 3 wird zweckmäßig aus einem Material
geringen Widerstandes, beispielsweise aus Silber loder Kupfer, hergestellt. Um die
Erwärmung -dieses Leiters durch Wirbelströme zu vermeiden, empfiehlt es sich, den
Kurzschlußring (Rähmchen) - aus mehreren Teilleitern zusammenzusetzen. Man kann
beispielsweise das Rähmchen aus einem Stück Hochfrequenzlitze anfertigen, deren
Enden miteinander verschweißt sind. Der Querschnitt des das Rähmchen bildenden Leiters
wird zweckmäßig so gewählt, daß sein Verlustwiderstand gegenüber seinem induktiven
Widerstand zu vernachlässigen ist.
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Da die Stromrichte über die Oberflächen der Leiter I und 2 ungleichmäßig
verteilt ist, empfiehlt es sich, den Durchmesser dieser Leiter klein (z. B. 1/100)
im Vergleich zu ihrem Abstand zu wählen. Auch ist es zweckmäßig, die Abmessungen
des Meßwerkes klein im Vergleich zum Leiterabstand zu wählen, damit durch das meßwerk
die Überschlagsstrecke zwischen diesen Leitern nicht nennenswert verkleinert wird.
Dieser Gesichtspunkt ist besonders dann zu beachten, wenn die Leiter hohe Spannung
gegeneinander führen, wie dies der Fall ist, wenn die Strommessung unmittelbar vor
den Elektroden einer zur Biehandlung von irgendwelchen Stoffen im elektrischen Hochfrequenzfeld
dienenden Einrichtung benutzt werden soll.
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Die Überschlagsgefahr wird auch durch den zwischen den Leitern liegenden
Quarzfaden etwas erhöht. Man kann diese Gefahr beseitigen, wenn man gemäß Fig. 2
die Drehachse des Meßwerkes parallel zu Iden Leitern legt. In diesem Fall muß man
aber dafür sorgen, daß die elektrostatischen Kräfte kein Drehmoment ausüben und
nicht zu Fehlmessungen Anlaß geben. Man kann zu diesem Zweck die elektrischen Felder
abschirmen oder das Meßwerk derart symmetrisch ausbilden, daß das elektrische Feld
kein Drehmoment. erzeugt. Ein Ausführungsbeispiel dieser Art ist in der Fig. 3 dargestellt.
Die mit den übrigen Figuren übereinstimmenden Teile tragen die gleichen Bezugszeichen.
Das Meßrähmchen 3 ist hier mit einem weiteren Metallbügel oder Rähmchen 9 verbunden,
das an einer oder mehreren Stellen 10 unterbrochen ist. Auf diese Weise wird erreicht,
daß das magnetische Feld keinen Strom in diesem Rähmchen hervorrufen kann. Hinsichtlich
des elektrischen Feldes ist ,die in Fig. 3 dargestellte Anordnung weitgehend symmetrisch
aufgebaut, so daß die darauf einwirkenden elektrostatischen Kräfte klein bleiben.
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Man kann Idie Symmetrie noch weiter treiben, wenn man mehrere nach
Art- des Rähmchens g ausgebildete Rähmchen verwendet, die gegeneinander und gegen
das Meßrähmchen 3 den gleichen Winkel einschließen. Im Grenzfall kommt man dabiei
Idazu, daß das Rähmchen 3 in einem zylindrischen H!ohlkörper liegt, der durch einen
Spalt unterbrochen ist. Einle solche Anordnung zeigt Fig. 4.. Dieser Hohlkörper
kann am Meßwerk befestigt sein und sich mit diesem drehen. Man kann ihn aber auch
pom Meßwerk trennen und im Raum festhalten. Er wirkt dann als Abschirmkörper. Sein
Leitvermögen muß in diesem Fall so gewählt sein, daß einig nennenswerte Abschirmung
des Magnetfeldes nicht eintritt. Fig. 5 zeigt eine Abänderung des Schirm körpers
für ,den Fall, daß das M'eßrähmchen kreisförmig gestaltet ist. Hier besitzen die
beispielsweise
aus Aluminium oder einem anderen Metall gerin!gen
spezifischen Gewichts bestehenden Schirmkörper kugelkalottenförmige Gestalt. Besonders
wenn die das Rähmchen umschließenden Hohlkörper an ihm befestigt sind, empfiehlt
es sich, diese Körper aus einem Metall geringen spezifischen Gewichts herzustellen.
Auch soll die Plermeabilität etwa igleich I sein.
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Wenn es sich darum handelt, sehr starke Ströme zu messen, empfiehlt
es sich, die Leiter I und plattenförmig auszubilden. Das zwischen ihnen entstehende
elektrische Feld kann man gleichzeitig zur Sapnnungsmessung in bekannter Weise heranziehen,
indem man die auf eine bewegliche Fahne ausgeübte Kraft mißt. Diese Fahne liegt
zweckmäßig etwa in der Ebene einer der beiden Platten.
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Um ein genügend homogenes eLektrisches Feld zu erhalten, ist es nötig,
dafür zu sorgen, daß die Plattenbreite groß im Vergleich zu ihrem Abstand ist.