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Kompensationsschaltung1 insbesondere für die Zwecke der Fernmessung
Zur
Messung kleiner Ströme ist es bekannt, Kompensationsschaltungen zu verwenden, mit
deren Hilfe in einem besonderen Hilfsstromkreis unter Benutzung eines Kompensationsgerätes
ein Strom eingestellt wird, der der zu messenden Größe proportional ist. Für die
Zwecke der Ferumessung kann dieser Ko,mpensationsstrom über die Fernleitung gesandt
werden. Als Kompensationsgerät können verschiedenartig gebaute Einrichtungen verwendet
werden, mit deren Hilfe die zu messende Größe (Strom oder Spannung) mit dem im Hilfsstromkreis
fließenden Strom oder einem bestimmten Bruchteil dieses Stromes verglichen wird.
Dieser Vergleich kann auch auf elektrischem Wege durchgeführt werden, indem man
beide Ströme durch ein und dieselbe Spule eines Meß- oder Steuergerätes in entgegengesetzter
Richtung fließen läßt. Bei den bekannten Schaltungen macht die Beeinflussung des
Kompensationsstromes in Abhängigkeit von dem durch das Kompensationsgerät durchgeführten
Vergleich zwischen der zu messenden Größe und dem Kompensationsstrom oder einem
bestimmtenBruchteil dieses Stromes Schwierigkeiten, weil jede mechanische Rückwirkung
der Verstelleinrichtung für den Kompensationsstrom auf das Kompensationsgerät zu
prozentualen Meßfehlern oder Skalenverschiebung führt. Es ist auch vorgeschlagen
worden, in Kompen,sationsschaltungen Ent-
ladungsgefäße (Verstärkerröhren)
zu verwenden.
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Die bekannten Anordnungen arbeiten aber entweder mit dauernden Änderungen
des Kompensationsstromes, derart, daß nur der Mittelwert der Meßgröße entspricht,
oder die Verstörkerröhren werden nur angewandt, um durch die Bereitstellung einer
größeren Energie die erwähnten Schwierigkeiten zu vermindern.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Kompensationsschaltung, bei der
ein praktisch richtkraftloses. Kompensationsgerät von dem Meßstrom in dem einen
Sinne, vom Kompensationsstrom im anderen Sinne beeinflußt wird, mit dem Merkmal,
d.aß der Kompensationsgleichstrom dem Anodenkreis eines selbsterregten Röhrengenerators
entnommen wird, dessen Rückkopplungsgrad durch das Kompensationsgerät stetig veränderbar
ist.
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Es ist zwar schon eine Anordnung mit Fotozellen bekanntgeworden,
bei welcher die Belichtung der Fotozelle durch eine bewegliche Fahne gesteuert wird.
Mit einer solchen Anordnung aber lassen sich nur ganz geringe Leistungen erzielen,
die zur Steuerung von Schalttafelmeßgeräten oder zur gleichzeitigen Steuerung eines
oder mehrerer regelnder Instrumente nicht ausreichen. Durch die Erfindung wird es
möglich, Geräte, die praktisch keine Richtkraft besitzen, als Kompensationsinstrumente
zu verwenden, wodurch man eine außerordentlich hohe Empfindlichkeit erzielt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
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Mit 1 ist das Kompensationsgerät bezeichnet, dem ein der zu messenden
Größe entsprechender Strom durch die Zuleitungen 2 und 3 zugeführt wird. 4 ist die
Spule des beweglichen Systems, beispielsweise die Spule eines Drehspulmeßgerätes.
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Die Stromzuführungen zu diesen Spulen werden möglichst richtkraftlos
ausgeführt. Man kann entweder sehr schwache Federn verwenden, oder man kann Richtkräfte
durch Quecksilberkontakte od. dgl. gänzlich beseitigen. Mit der Spule 4 ist eine
aus Metall beispielsweise Aluminiumblech, bestehende Fahne 5 fest verbunden, die
zur Steuerung des Kompensationsstromes dient. Für die Erfindung ist die Ausbildung
des Kompensationsgerätes belanglos; man könnte b,eispielsweise auch Geräte verwenden,
die nach Art einer Klevin-Waage gebaut sind. Zur Steuerung des Kompensationsstromes
dient das Entladungsrohr 6. Man verwendet zweckmäßig ein Hochvakuumglühkathodenrohr.
Jedoch lassen sich auch das oder dampfgefüllte Rohre verwenden. Im Anodenkreis des
Rohres 6 liegt ,der aus der Induktivität 7 und der Kapazität 8 bestehende Schwingungskreis,
der mit dem Kompensationswiderstand 9, dem Anzeigegerät 10 und der Anodenstromquelle
11 (Batterie oder Netzanschlußgerät) in Reihe geschaltet ist. An Stelle des Anzeigegerätes
10 kann auch ein Registriergerät oder Regelgerät in den anodenkreis geschaltet werden.
Im Gitterkreis der Röhre 6 liegen die Rückkopplungsspule 12 und der Kondensator
13. Das Gitter der Röhre 6 ist ferner durch den hohen Widerstand 14 mit der Kathode
verbunden. Die Kopplung zwischen den Spulen 7 und 12 wird so gewählt, daß kräftige
Schwingutgen einsetzen, so daß sich der Kondensator I3 s.tark negativ auflädt und
der Anodenruhestrom einen geringen Wert annimmt. Die Fahne 5 ist beweglich zwischen
den Spulen 7 und 12 angeordnet, so daß der Rückkopplungsgrad von der jeweiligen
Lage der Fahne abhängt. Der jeweilige Arbeitspunkt und damit der Anodenruhestrom
der Röhre auf ihrer Charakteristik s.ind durch die Aufladung des Gitters bestimmt.
Diese Aufladung ist ihrerseits abhängig von der Amplitude der selbst. erregte. Schwingung.
Die Amplitude dieser Schwingung ist aber, vom Rückkopplungsgrad und vom jeweiligen
Arbeitspunkt abhängig. Man erhält dadurch eine zwar nicht lineare, aber doch außer
einem gewissen Bereich stetige Abhängigkeit des Anodenruhestromes vom Rückkopplungsgrad
und damit von der augenblicklichen Lage der Fahne 5.
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Ein Teil des Anodenruhestromes wird durch die Spule 4 des Kompensationsgerätes
I geleitet. Zu diesem Zweck sind die Leitungen 2 und 3 an die Enden des Kompensationswiderstandes
9 angeschlossen. Man kann auch eine besondere Spule verwenden, um den Kompensationsstrom
auf das Kompensati,onsgerät einwirken zu lassen. Dies ist beispielsweise erforderlich,
wenn mehrere Kompensationsgeräte mit einer gemeinsamen Anodenstromquelle betrieben
werden sollen und die Meßstromkreise galvanisch miteinander verbunden sind.
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Durch das Widerstandsverhältnis zwischen dem Kompensationswiderstand
9 und der von diesem Widerstandgezweigten stromdurchflossenen Spule wird der Teil
des Gesamtkompensationsstromes bestimmt, der auf das Kompensationsgerät rückwirkt.
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Man kann deshalb durch Verändern des Widelrstandes g oder des Widerstandes
15 das Veihältms zwischen dem ursprünglichen Meßstrom und dem durch das. Gerät 10
fließenden Stromes (Verstärkungsgrad) einstellen. Der Kondensator I6 hält die entstehenden
Schwingungen vom Widerstand g und dem Meßgerät 10 fern. Um den über die Röhre 6
fließenden Mindeststrom unschädlich zu machen, wird mit Hilfe des Widerstandes 17
und der Stromquelle 18, die ein Teil der Anodenstromquelle sein kann, über die Leitung
19 ein dem Anodenstrnm entgegengerichteter Strom über das Gerät 10 geleitet. Dieser
Strom kann gleich oder größer als der Anodenmindeststrom sein. Seine Konstanz spielt
keine Rolle, da er bei der Kompensation mit berücksichtigt wird.
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Die Anordnung wirkt in folgender Weise: Es sei angenommen, daß die
Fahne 5 außerhalb des W.irkungsbereichs der Spulen 7 und I2 liegt. Der Röhrengenerator
wird daher stark schwingen, so daß sich Idas Gitter der Röhre 6 stark negativ auflädt
und daher der Anodenstrom einen geringen Wert annimmt. Durch die Spule 4 des Kompensationsgerätes
fließt ein Strom, der dem durch das Gerät fließenden Strom entspricht. Der Anschluß
wird so gewählt, daß dieser Strom die Spule 4 so bewegt, daß sich die Fahne 5 zwischen
die Spulen 7 und 12 schiebt. Dadurch wird die Intensität der einsetzenden Schwingungen
verringert, und der
Anodenstrom steigt. Er wird allmählich so stark
werden, wie der durch d.en Widerstand I7 fließende Strom, so daß über den Kompensationswiderstand
g und das Gerät 10 kein Strom mehr fließt. Dann wirken auch keine Kräfte mehr auf
Fahne 5 ein, und sie behält d,ie eingenommene Lage bei. Aus dem Vorstehenden ergibt
sich, daß sich selbsttätig das Gerät 10 auf den Wert Null einstellt, wenn die Meßgröße
ebenfalls Null ist. Wird nun ein zu messender Strom über die Spule 4 geleitet, dann
sucht dieser Strom die Fahne 5 zwischen die Spulen 7 und 12 zu schieben, so daß
die Schwingungen schwächer werden und der Anodenstrom steigt.
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Dadurch steigt auch der über den Widerstand 9 fließende Strom, so
daß der von diesem Widerstand abgezweigte Strom, der über die Spule 4 fließt, dem
Meßstrom entgegenwirkt. Die Bewegung der Fahne 5 hört auf, sobald der zu messende
Strom und der ihm entgegengesetzte Teil des Kompensationsstromes gleich groß geworden
sind.
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Die beschriebene Schaltung gestattet die Verwendung von Anzeigegeräten
I0, deren Nullpunkt in der Mitte liegt, da sich bei der Stromrichtungsumkehr in
der Spule 4 auch die Richtung der Bewegung der Fahne 5 und die dadurch hervorgerufene
Änderung des Anodenstromes umkehren.
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Es empfiehlt sich, die elektrischen Abmessungen der zur Anwendung
kommenden Schwingungskreise so zu wählen, daß die entstehenden Schwingungen im unhörbaren
Frequenzbereich liegen. Man wird zweckmäßig mit Frequenzen in der Größenordnung
von 106 Hertz arbeiten.
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Bei der Verwendung so hoher Frequenzen lassen sich die Abmessungen
der Spulen in der Größenordnung von 0,5 I I cm halten. Man kann deshalb auch sehr
kleine Fahnen zur Beeinflüssung des Rückkopplungsgrades verwenden. Damit durch Stöße
die Fahne 5 nicht auf die andere Seite der Spulen 7 und I2 geschoben werden kann,
empfiehlt es sich, Anschläge vorzusehen, welche eine solche Bewegung der Fahne verhindern.
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Da der Rückkopplungsgrad auch durch Verschieben der Spulen 7 und
I2 gegeneinander oder durch Verändern einer Kapazität beeinflußt werden kann, welche
Energie vom Anodenkreis nach dem Gitterkreis führt, so kann man die im Ausführungsbeispiel
dargestellte Veränderung des Rückkopplungsgrades auch durch eine solche Veränderung
des Rückkopplungsgrades ersetzen.
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Es ist für die beschriebene Anordnung wesentlich, daß die Fahne 5
bei Gleichheit des Meßstromes und Kompensations&tromes. eine beliebige Lage
ein nehmen kann. Man wird deshalb, wie eingangs erwähnt, Richtkräfte nach Möglichkeit
vermeiden.
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Lassen sich solche Richtkräfte in besonderen Fällen nicht ausschalten,
dann muß man gewisse Ungenauigkeiten in Kauf nehmen, die sich aus. dem nicht ganz
linearen und von den jeweiligen Betriebsverhältnissen abhängigen Zusammenhang zwischen
der Lage der Fahne 5 und dem Anodenstrom ergeben.
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Der Gegenstand der Erfindung wird besonders vorteilhaft für die Zwecke
der Fernmessung angewandt. Man kann beispielsweise das Meßgerät 10 an einem entfernten
Ort aufstellen. Die dabei auftretenden Veränderungen des Leitungswiderstandes werden
wie bei jedem Kompenisationsverfahren unschädlich gemacht.
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Die Anwendung des Gegenstandes der Erfindung ist ferner als Empfangsgerät
für Fernmessungen. z. B. für das Impulsfrequenzfernmeßverfahren, besonder vorteilhaft.
Bei diesem Verfahren werden im Rhythmus der eintretenden Fernmeßimpulse (Energiespeicher)
z. B. Kondensatoren über ein Meßgerät entladen, geladen oder umgeladen. Die bei
,diesem Verfahren für das Meßgerät zur Verfügung stehende Energie ist wegen der
Kontaktabnutzung nicht über einen bestimmten Wert erhöhbar. Wenn man die Lade- oder
Entladeströme des Kondensators über das Kompensationsgerät der vorliegenden Erfindung
leitet, dann ha.t man es in der Hand, eine fast beliebige Verstärkung vorzunehmen.
Man kommt deshalb mit besonders kleinen Kondensatoren aus und kann di.e Kontakte
schonen. Man kann ferner die Zeitkonstanten des Lade- und Entladestromkreises der
Meßkondensatoren klein halten und aus diesem Grunde die Impulshäufigkeit steigern.
Da das Kompenisation,sgerät an Stelle eines beliebigen Meßgerätes treten kann, so
kann man auch ohne weiteres Summen und Einzel werte anzeigen. In diesem Fall ist
lediglich eine galvanische Trennung des Meßstromkreises vom Kompensationsstromkreis
vorzunehmen, falls, wie eingangs erwähnt, eine gemeinsame Anodenstromquelle verwendet
wi.rd. Man kann also alle bekannten Schaltungen für die Summierung mit gleichzeitiger
Anzeige der positiven. und negativen Einzel- oder Teilsummenwerte benutzen.
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Bei der ilm Ausführungsbeispiel beschriebenen Anordnung findet die
Kompensation in einer DreShspule statt. Wie bereits erwähnt, kann man. auch zwei
getrennte Spulen verwenden, die miteinander starr gekuppelt sind und von welchen
die eine vom Meßstrom. die andere vom Kompensationsstrom durchflossen wird. Wenn
es sich um die Anzeige von Wechselstromgrößen handelt, so kann man die Kompensation
in der Weise durchführen, daß man ein von einem Wechsel strommeßgerät erzeugtes
Drehmoment durch ein vom Kompensationsstrom erzeugtes Drehmoment aufhebt. Man kann
beispielsweise den Anker eines Ferraris-Triebsystems mit der Kompensationsspule
auf eine gemeinsame Achse setzen, durch welche die den KompFensation.sstrom steuernde
Fahne bewegt wird. Derartige Anordnungen kommen besonders für die Fernübertragung
von Wechselstromgrößen mittels eines Gleichstromes in Betracht.