-
Einrichtung zum Messen kleiner Gleidnstromgrößen Bei Einrichtungen
zum Messen kleiner Gleichstromgrößen werden mit Vorteil Kerndrosselspulenanordnungen
verwendet, deren induktiver Widerstand durch den Eingangsstrom mittels Beeinflussung
der Permeabilität der Spulenkerne geändert wird.
-
Durch diese Anordnungen wird einer Eingangsgröße eine verstärkte Ausgangsgröße
zugeordnet, z. B. derart, daß die Ausgangsgröße der Eingangsgröße proportional ist.
Der Proportionalitätsfaktor hängt von verschiedenen Einflußgrößen ab. Er ist im
allgemeinen Fall eine Funktion der Materialkonstanten, z. B. der Konstanten des
Kernmaterials, wie Anfangs- und Maximalpermeabilität, der Konstanten der bei solchen
Anordnungen in der Regel erforderlichen Gleichrichter, die sich unter dem Einfluß
von Zeit (Alterung) und Temperatur in sehr weiten Grenzen ändern, wobei diese Änderungen
zum Teil reversibel, zum Teil irreversibel sind, der Konstanten der Widerstandswerte
der Wicdclungen unter dem Einfluß der Temperatur usw. Er ist weiterhin eine Funktion
der Betriebsdaten der Anordnung, wie Netzspannung, Netzfrequenz, Kurvenform usw.
Schließlich ist er auch mit der Eingangsgröße selbst veränderlich.
-
Die Erfindung betrifft die Ausbildung einer Meßeinriohtung, bei der
der Eingangsgröße eine streng definierte Ausgangsgröße zugeordnet ist, wobei diese
Zuordnung unabhängig ist von den vorerwähnten Einflußgrößen. Gemäß der Erfindung
ist dies dadurch erreicht, daß der vom Eingangs strom abhängige Strom eines oder
mehrerer Strompfade der Anordnung zur Beeinflussung der Permeabilität des Spulenkernes,
z. B. mit Hilfe einer Wicklung, verwendet wird, derart, daß der Drosselstrom in
entgegengesetzter Weise geändert wird wie durch den Eingangsstrom.
-
Das Wesen der Erfindung ist im folgenden an Hand der in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
-
Fig. I zeigt eine Meßeinrichtung, die die beiden Verstärkereinheiten
I, II aufweist. Die einzelne Einiheit, z. B. die Einheit I, enthält einen dreischenkeligen
Kern I aus hochpermeablem Stoff, auf dessen äußeren Schenkeln die Arbeitswicklungen
2, 3 angeordnet sind, die über einen Transformator 4 aus einem ViTechselstromnetz
5 gespeist sind. in Reihe mit den Arbeitswicklungen liegen die Einweggleichrichter
6, 7, die z. B. Trockengleichrichter sein können. Der Strom der Arbeitswicklungen
durcihfließt ein Gleichstrommeßgerät 8, z. B. ein Differentialgalvanometer mit den
zwei Systemen 9, 109.
-
Den Mittelschenkel des Kernes umgibt eine Wicklung IO, die von dem
zu messenden Eingangsgleiohstrom, der der Anordnung über die Klemmen II, 12 zugeführt
wird, durchflossen ist. In den Arbeitswicklungen fließt ein periodisch veränderlicher,
einen Gleichstrom enthaltender Strom. Dieser Strom kann in einen Wechselstromanteil
und einen Gleichstromanteil zerlegt gedacht werden.
-
Beide Anteile erzeugen in dem Kern magnetische Arheitsitüsse, und
zwar magnetische Wechselflüsse und Üleichflüsse. Die Arbeitsgleicghflüsse sind durch
die Pfeile 2', 3' versinnbildlicht.
-
Den Arbeitsgleichflüssen überlagert isich der Steuergleichfluß IO',
der von dem zu messenden'Eingangsstrom in der Wicklung 10 erzeugt wird. Für die
in der Zeichnung angenommene Richtung des Eingangsstromes, die, charakterisiert
durch den Steuergleichfluß IO', als positiv gelten soll, wirkt der Steuerfluß den
Arbeitsgleichflüssen entgegen und vergrößert die Permeabilität des Kernes, wodurch
die Al:1beitsströme in den Arbeitswicklungen vermindert werden, während er bei entgegengesetzter
Richtung des Eingangsstromes die Arbeitsgleichflüsse unterstützt und damit die Permeabilität
des Kernes vermindert, wodurch die Arbeitsströme in den Arbeitswicklungen vergrößert
werden. Der Strom in der Wicklung 9, versinnbildlicht durch Pfeil 9', der sich aus
der Summe der Arbeitsströrne zusammensetzt, besteht damit wiederum aus einem Wechselstromanteil
und einem Gleichstromanteil.
-
Der Wechselstromantell ist entweder von vornherein für das Gerät ohne
Bedeutung, oder er kann in bekannter sWeise beliebig klein gehalten werden, so daß
nur der Gleichstrom wirksam wird. Das bedeutet, daß, ausgehend von einem Nullwert
für den Eingangsstrom Null, die Charakteristik des die Wicklung 9 durchfließenden
Ausgangsgleichstromes der Einheit I für positive Eingangsströme praktisch unterhalb
des Nullwertes bleibt, während er für negative Eingangsströme mit diesem ansteigt
und für große Werte des Eingangsstromes einem Sättigungswert zustrebt.
-
Die Einheit II ist ganz entsprechend der Einheit I ausgelegt und
aufgebaut. Sie enthält den Kern 101 mit den beiden Arbeitswioklungen 102, 103 und
den Gleichrichtern 106, 107. DerAusgangsstrom durchfließt die vorerwähnteWicklung
IO9 des Meßgerätes 8. Auf den Mittelschenkel des Kernes liegt die Eingangswicklung
IIO im Ausführungsbeispiel in Reihe mit der Wicklung IO. Die Ströme in den Arbeitswicklungen
erzeugen in dem Kern wiederum magnetische Wechselflüsse und magnetische Gleichflüsse.
Die Arbeitsgleichflüsse sind durch die Pfeile 102', I03' versinnbildlicht, während
der von dem Eingangs strom erzeugte Gleichfluß durch den Pfeil IIO' angedeutet ist.
Die magnetischen Verhältnisse sind so gewählt, daß für positive Eingangsströme der
Steuergleichfluß die Arbeitsgleichd9üsse unterstützt. Das bedeutet, daß bei positiver
Richtung des Eingangs stromes der ir, dem Meßgerät zur Wirkung kommende Ausgangsgleichstrom,
versinnbildlicht durch Pfeil 109', mit dem Eingangsstrom ansteigt und mit zunehmender
Aussteuerung einem Sättigungswert zustrebt, während er für negative Eingangsströme
praktisch unterhalb des Nullwertes bleibt. Trägt man den Ausgangsgleichstrom spiegelbildlich
zur Abszissenachse (Eingangsgleichstrom) auf, so ist die Charakteristik der EinheitSII
zentralsymmetrisch zu derjenigen der EinheitI.
-
In dem Meßgerät 8 kommt die Differenz der Gleichstromanteile der
Ausgangsströme, angedeutet durch verschiedene Größe der Pfeile 9', 109' für die
angenommene Richtung des Eingangsstromes, der beiden Einheiten zur Wirkung. Die
Charakteristik dieses Differenz stromes weist einen durch den Nullpunkt gehenden
mehr oder weniger geradlinigen Teil auf, der nach beiden Richtungen in einen Sätti
-gungsbereieh übergeht.
-
Wie eingangs erwähnt, ist diese Charakteristik eine Funktion der
Materialkonstanten des Kernes, der Gleichrichter, der Wicklungen usw., die sich
unter dem Einfluß von Temperatur, Zeit usw. und eine Funktion der Betriebsdaten,
wie Netzspannung, Netzfrequenz, Kurvenform des Speisestromes, und, wie erwähnt,
eine Funktion des Eingangsstromes.
-
Um zu erreichen, daß dem Eingangswert, z. B. dem Eingangsstrom, der
Ausgangsdifferenzstrom im Gerät 8 streng proportional zugeordnet ist, werden die
beiden Ausgangsströme dazu verwendet, in den Kernen der beiden Einheiten zusätzliche
magnetische Flüsse zu erzeugen. Zu diesem Zweck durchfließt der Ausgangsstrom der
Einheit I eine Wicklung 113, die dem Mittelschenkel des Kernes der Einheit II in
derselben Weise zugeordnet ist wie die Eingangswicklung IIO, und eine mit ihr in
Reihe liegende IW,iclmlung I3, die dem Kern der Einheit I in derselben Weise zugeordnet
ist wie die Eingangswicklung 10. In analoger Weise durchfließt der Ausgangsstrom
der Einheit hI die Wicklungen I4, 114, die den Kernen in entsprechen!der Weise zugeordnet
sind. Die Ströme in diesen Rückführungswicklungen können, wie bereits erwähnt, zerlegt
werden in einen Gleichstromanteil und einen Wechselstromanteil. Die Gleichstromanteile
sind durch die Pfeile 113', I3 bzw. I4, 114' versinnbildlicht. Die magnetischen
Verhältnisse sind so gewählt, daß die Rückführungsflüsse jeweils einer Einheit einander
entgegenwirken und daß die Differenz dieser Flüsse in jeder Einheit dem durch den
Eingangsstrom erzeugten Fluß entgegenwirkt.
-
Die Wicklungen sind in beiden Einheiten gleich ausgelegt und so bemessen,
idaß in der Nullage, d. h. für den Eingangsstrom Null, die Differenz der Rückführungsflüsse
in jeder Einheit Null ist.
-
DieWechselstromanteile der Rückführungsströme erzeugen in den Kernen
magnetische Wechselflüsse, die im allgemeinen je nach der Phase gegenüber den von
den Arbeitsströmen erzeugten Wechselflüssen deren '%wirkung auf die Anordnung unterstützen
oder schwächen. ,Sucht der Rückführungswecbselfluß eine Verminderung des resultierenden
Wechselflusses hervorzurufen, so tritt eine Verminderung des Widerstandes der Arbeitswicklungen
ein; sucht er dagegen den resultierenden Wechselfluß zu vergrößern, so tritt eine
Erhöhung des Widerstandes der Arbeitswicklungen ein. Der Wechseistromanteil der
in den Arbeitswicklungen fließenden Ströme kann bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
entweder konstant bleiben oder mit dem illingangsstrom größer oder kleiner werden.
Bleibt er konstant, so braucht sein Einfluß auf die Rückführungsverhältnisse nicht
berücksichtigt zu werden. Andert er sich mit dem Eingangsstrom, so kann sein Einfluß
z. B. durch tlberbrüclien der Rückführungswicklungen mittels Kondensatoren entweder
beliebig klein gehalten werden, oder er kann für die Rückführung Verwendung finden.
-
Die VVirkungsweise der Rückführungsflüsse auf die gesamte Anordnung
ergibt sich aus folgender Betrachtung: Bei einer Anordnung ohne Rückführung sei
beispielsweise der Ausgangsstrom y dem Eingangsstrom x proportional, wobei der Proportionalitätsfaktor
V, der den Verstärkungsfaktor darstellt, nicht konstant ist, sondern von den bereits
erwähnten Einflußgrößen und von dem Eingangswert x abhängt. Bei der Anordnung mit
Rückführung ist der Ausgangsstrom proportional der Differenz aus Eingangsstrom und
dem Produkt Ausgangsstrom multipliziert mit einem Faktor, der als Rückführungsgrad
bezeichnet sei und unabhängig von den Ein fluß größen gehalten werden kann. Der
sich hieraus ergebende effektive Verstärkungsfaktor hängt demnach außer von V noch
von dem erwähnten Rückführungsgrad ab. Mit zunehmender Rückführung wird der Einfluß
des Verstärkunlgsfaktors V auf den effektiven Verstärkungsfaktor immer geringer
und bei hinreichend großer Rückführung verschwindend klein, so daß der effektive
Verstärkungsfaktor im Grenzfall lediglich von dem Rückführungsgrad abhängt. Das
bedeutet, daß die Ießeinrichtung unempfindlich gegen Schwantkungen der Netzfrequenz,
Netzspannung, der Änderung der ,Materialkonstanten usw. und unabhängig von der Eingangsgröße
geworden ist. Jedem Eingangs wert ist innerhalb von Fehlergrenzen, die beliebig
gewählt werden können, ein Ausgangswert streng proportional zugeordnet.
-
Der Rückführungsgrad kann in verschiedener Weise einstellbar gemacht
werden, z. B. durch Wahl der Windungszahlen der Rüclcfübrungswicklungen oder durch
Parallelschalten von Regelwiderständen zu den Wicklungen. Je stärker die Rückführung
angezogen wird, um so unempfindlicher wird die Anordnung gegenüber Schwankungen
der Einflußgrößen undi um so geradliniger verläuft die Charakteristik bei einer
ursprünglichen Abhängigkeit des Verstärkungsfaktors V von dem Eingangswert x, desto
kleiner wird dagegen der effektive Verstärkungsfaktor. Man wird daher den Rückführungsgrad
passend so wählen, daß der effektive Verstärkungsfaktor innerhalb der vorgeschriebenen
Meßgenauigkeit bleibt. Der effektive Verstärkungsfaktor hängt, wie erwähnt, außer
von V von dem Rückführungsgrad ab. Der Rückführungsgrad ist bestimmt durch den Anteil
ny des Ausgangsdifferenzstromes, der zur Erzeugung der Rückführungsflüsse Verwendung
findet, und v-on dem Verhältnis der Windungsahl der Rückführungswicklungen zu der
der Eingangswicklungen. Dieses Verhältnis ist unabhängig von den genannten Einflußgrößen.
Der Faktor n ist im allgemeinen bestimmt durch elektrische Widerstandswerte, im
Ausführungsbeispiel durch die Widerstandswerte der Wicklungen des Meßgerätes und
der Rückführungswicklungen. Diese Werte sind im allgemeinen ebenfalls abhängig von
irgendwelchen Zustandsgrößen, z. B. von der Temperatur.
-
Diese Abhängigkeit läßt sich in beliannter Weise beseitigen. So ist
es z. B. möglich, durch Wahl gleichen Widerstandsmaterials, wenn sämtliche Widerstände
dieselbe Temperatur haben, oder verscbiedenen Materials mit entsprechendem Temperaturgang,
wenn die Temperatur bei Meßgerät und Anordnung verschieden ist, eine Unabhängigkeit
der Größe n von der Temperatur zu erreichen.
-
Die Verhältnisse können auch so gewählt sein, daß n von den Zustandsgrößen,
z. B. von der Temperatur, in solcher Weise abhängig gemacht wird, daß dadurch der
restliche Einfluß von V auf den effektiven Verstärkungsfaktor ganz oder teilweise
kompensiert wird.
-
Zur Erzeugung der Rückführun,gsflüsse kann der von dem Eingangs strom
beeinflußte Strom irgendeines oder mehrerer Strompfade der Anordnung benutzt werden.
Während beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 die Ausgangsströme der beiden Einheiten
I, II Verwendung finden, wird beim Beispiel der Fig. 2 der Strom eines Strompfades,
der zwei Verstärkereinheiten gemeinsam ist, zur Er-Erzeugung der Rückführungsflüsse
benutzt. Im Ausführungsbeispiel sind zwei Systeme I, II vorgesehen, deren jedes
fur sich einen Verstärker darstellt. Jedes System ist als Brückenschaltung ausgebildet,
deren Brückeazweige durch vier unter sich gleiche Arbeitswicklungen mit zugehörigen
Einweggleichricbtern gebildet sind. Beim System I sind dies die auf den Außenschenkeln
des Kernes 21 angeordneten Arbeitswicklungen 22, 23, 24, 25 mit den zugehörigen
Einweggleichrichtern 26,27, 28, 29, beim System II die auf den Außenschenkeln des
Kernes I2I in entsprechender Weise angeordneten Arbeitswicklungen ei22, I23, I24,
I25 mit den zugehörigen Gleichrichtern I26, 127, 128, I29.
-
In den Diagonaizweigen der beiden Systeme liegt ein gemeinsamer Verbraucher
30.
-
Der zu mess-ende ;leichstrom wird über die Klemmen 3I, 32 den Eingangswicklungen
33 bzw.
-
I33 zugeführt, die bei diesem Ausführungsbeispiel in Reihe liegen
und jeweils den Mittelschenkel des Kernes umschließen. Zur Speisung der Brückenschaltung
dient wiederum das Wechselstromnetz 5.
-
Die beiden Systeme arbeiten wechselweise während der beiden Halbperioden
des Wechselstromes.
-
Gegenüberliegende Brückenzweige sind jeweils auf dem gleichen Schenkel
der dreischenkeligen Kerne angeordnet. Bei gleich angenommenem Wicklungssinn sämtlicher
Wicklungen und der dargestellten Durchlaßrichtung der Einweggleichrichter sind die
vom Arbeitsstrom erzeugten Gleichflußanteile durch die Pfeile 22', 23', 24', 25
bzw. I22', erz3', 124', I25 versinnbildlicht. In der Nullstellung, d. h. beim Eingangs
strom Null, sind sämtliche Brücikenzweige gleich groß, die beiden Brückenschaltungen
daher im Gleichgewicht und der Verbraucher 30 stromlos. Fließt in den Eingangswicklungen
ein Strom, so erzeugt er in den Kernen bei der angenommenen positiven Richtung die
durch die Pfeile 33t, 133' angedeuteten Steuergleichflüsse.
-
Diese Steuergleichflüsse überlagern sich den Arbeitsgleichflüssen
und vergrößern in der bereits beschriebenen Weise Idie Widerstände der Wicklungen
22,25 bzw. 122', I25, während sie die .Widerstände der Wicklungen 23, 24 bzw. 123,
I24 vermindern, was durch die verschiedene Größe der die Arbeitsgleichflüsse versinnbildenden
Pfeile angedeutet ist. Der Verbraucher 30 wird daher von einem Gleichstrom 30' durchflossen.
Kehrt der Eingangsstrom seine Richtung um, werden die IBrückenwiderstände der Brückenschaltungen
in entgegengesetztem Sinne geändert, wodurch der Brückenstrom seine Richtung umkehrt.
-
Parallel zu dem Verbraucher liegt ein Rückführungskreis, bestehend
aus den in Reihe liegenden Rückführungswicklungen 34, I34 und dem Regelwiderstand
35, durch den der Rückführungsgrad einstellbar ist. Der Strom in Iden Rückführungswicklungen
erzeugt in den Kernen die zusätzlichen Rückführungsflüsse 34', 134'. Die Verhältnisse
sind wiederum so gewählt, daß die Rückführungsflüsse den Steuergleichflüssen entgegenwirken.
-
Bei den Betrachtungen über die Wirkungsweise der Rückführung wurde
der Fall angenommen, daß der Ausgangsstrom Idem Eingangsstrom streng proportional
gemacht wird. Ist der Verbraucher ein stromunabhängiger Widerstand, besteht auch
Proportionalität zwischen der an den Eingangsklemmen und der am Verbraucher liegenden
Spannung. Für die Schaltung nach Fig. 2 gilt die Beziehung zwischen den elektromotorischen
Kräften auch (dann, wenn der Verbraucher ein stromaShängiger Widerstand ist oder
in ihm elektromotorische Kräfte auftreten. Das kann z. B. für Regel- und Steuerzwecke
wichtig sein, für die die Einrichtung mit gleichem Vorteil verwendbar ist. Ist z.
B. an Stelle des Meßgerätes ein Motor vorgesehen, so wird mit Hilfe der Rückführung
der Grundcharakter der Regelung dieses Motors für Steuerzwecke vorteilhaft beeinflußt.
Ohne Rückführung ist die Anordnung z. B. nach Fig. 2 in einer Ersatzschaltung als
geregelter Widerstand anzusehen, d. h. es wird der dem Motor zugeführte Strom geregelt,
während bei der rückgeführten Anordnung die dem Motor liegende Spannung in Abhängigkeit
vom Eingangsstrom geändert wird. Liegen die Rückführungswicklungen in Reihe mit
dem Verbraucher, ist die Beziehung, daß der Verbraucherstrom dem Eingangsstrom streng
proportional ist, auch gültig, wenn der Verbraucher ein stromabhängiger Widerstand
ist.
-
Zur Erzeugung der Rückführungsflüsse können bereits vorhandene Wicklungen,
z. B. die Eingangswicklungen 33, I33 in Fig. 2, Verwendung finden, indem der Punkts
mit der Eingangsklemme 3I und der Punkt b mit der Eingangsklemme 32 verbunden wird
und der Widerstand 35 entsprechend groß gewählt wird.
-
In den Ausführungsbeispielen sind die Arbeitswicklungen von einem
einen Gleichstromanteil enthaltenden periodisch veränderlichen Strom Idurchflossen.
Der Erfindungsgedanke ist auch auf Schaltungen anwendbar, bei welchen die Arbeitswicklungenvon
reinem Wechselstrom durchflossen sind, der entweder direkt in einem Wechselstromgerät
zur Anzeige kommt oder über Vollweggleichrichteranordnungen, z. B. mit Hilfe von
Graetzschaltungen, zur Betätigung eines im Ausgang liegenden Gleichstrommeßgerätes
dient. Auch in diesem Fall kann der vom Eingangsstrom beeinflußte Gleichstrom oder
Wechselstrom eines oder mehrerer Strompfade der Anordnung zur Erzeugung der zusätzlichen
Rückführungsflüsse Verwendung finden.
-
Es, versteht sich im Rahmen des Erfindungsgedankens, daß mit den
Anordnungen auch die Größen periodisch veränderlicher Ströme gemessen werden können,
z. B. von Wechsefströmen gleicher oder kleinerer Frequenz als diejenige der Arbeitsströme.