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Verstärkender Umformer für elektrische Meß- und Kontrollgeräte Die
Erfindung betrifft Meß- und Kontrollgeräte, im besonderen ein elektrisches Gerät
von hoher Empfindlichkeit, das, einen verstärkenden Umformer enthält, der Gleichstrom
in, Wechselstrom umformt, und Induktionsgalvanometer genannt werden soll.
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Das Induktionsgalvanometer -isst ein empfindliches Gleichstromgerät,
das zusätzlich zu dem gewöhnlichen permanenten; Magneten, und der Drehspule eine
Wechselstromfeldmagnetspule zur Einführung einer Wechselkomponente in das, magnetische
Kraftfeld enthält. Wenn; die Drehspule :sich in der normalen, Nullstellung befindet,
dann ist .die durch das Wechselfeld hervorgerufene, Inid;uktion gleich Null, und.
in der Drehspule wird kein Wechselstrom erzeugt. Wenn die Spule .durch Gleichstromaus
.der Nullstellung abgelenkt wird, dann wird; in .der Drehspule eine Wechselstromkomponente
erzeugt, deren Größe,der Größe des Ablenkungswinkels proportional ist und deren
Phase sich entsprechend der Ablenkungsrichtung verschiebt. Die induzierte Wechselspannung
wird. auf einen Belastungskreis übertragen, in dem ein mit dem Gleichstrommeßkreis
gekoppelter Transformator eingebaut .ist; die erzielte Leistungsverstärkung ist
sehr hoch, wenn die Ausgangswechselspannung auf den Belastungskreis angepaßt. ist.
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Ziele,der Erfindung sind, Induktionsgalvanometer von oben geschilderter
Konstruktion und Meß-und /oder Kontrollgeräte zu liefern, die derartige Induktionsgalvanometer
enthalten. Ein Ziel dieser Erfindung ist, ein Meß- und/oder Kontrollgerät vom Relaistyp
zu schaffen, das ein. Induktionsgalvanometer zur Erzeugung vonAusgangswechselspannungen
von
wesentlich höherem- Betrag als dem der Gleichspannung, .die :die Ablenkung,der Drehspule
bewirkt, enthält. Ein weiteres Ziel ist, ein Kontrollgerät zu liefern, daß ein -Induktionsgalvanometer,
einen mit dem Induktionsgalvanometer zwecks. Bildung eines geschlossenen. Rückkopplungssystems
verbundenen, Verstärker und ein Relais enthält, das von .dem Verstärker betrieben
wird, wenn die Drehspule aus der Nullstellung bis zu der Stellung abgelenkt wird,
in ider ,der Verstärker in Schwingung gerät.
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Diese und andere Ziele und Vorteile erhellen aus der nachstehenden
Beschreibung im- Zusammenhang mit den Zeichnungen, in denen Fig. i und :2 schematische
Ansichten des die Erfindung darstellenden Induktionsgalvanometers und Fig. 3 und
q. eine schematische Ansicht bzw. ein Schaltbild eines rückgekoppelten Relaissystems
sind.
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In Fig. i und 2 der Zeichnungen sind zwei spezifisch verschiedene
Formen von Induktionsgalvanometern schematisch dargestellt, die den permanenten
Magneten M und das bewegte System eines Gleichstrommeßgerätes enthalten, wobei das
bewegte System aus der üblichen Spule C und einem Zeiger P besteht, der sich entlang
einer .Skala S beiderseits eines Normalen Nullzentrums bewegt (s. Fig. i). Das Wechselfelderregersystem
kann aus einer Wicklung F auf dem permanenten Magneten M, wie in Fig. i gezeigt,
oder aus zwei Erregerwicklungen F' und F' auf einem Magnetkern M' bestehen, was
in Aufbau und Anordnung einem magnetischen Nebenschluß zur Luftstrecke des Feldaufbaus
des permanenten Magneten ähnelt (s. Fig. 2): Der magnetische Nebenschluß M' kann
auf die Gerätebasis montiert oder, wie gezeigt, von dem Magneten M. durch Klammern
B gehalten werden. Die in der Drehspule C bei deren Ablenkung aus der Nullzentrumstellung
induzierte Wechselspannung wind durch einen Transformator T in einen Signal- oder
Kontrollkreis übertragen. Dabei ist die Primärwicklung des Transformators T mit
der Spule C und der nicht gezeichneten variablen Spannungs- oder Stromquelle des
Gleichstromkreises in Reihe geschaltet.
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Die Überlagerung einer Wechselkomponente auf das Feld des permanenten
Magneten sowie die im Gleichstromeingangskreis sich .ergebende Induktion einer Wechselspannung
üben keinen nachteiligen Einfluß auf die eigentliche Messung, d. h. die Ablenkung
der Spule C, aus, die auf Grund von Größenveränderungen kleiner Gleichströme oder
Gleichspannungen infolge der Schwankung einer Meßgröße, wie z. B. Temperatur, Druck,
Feuchtigkeit u.,dgl., erfolgt. Gewisse Beschränkungen in der Ausführung sollten
berücksichtigt - werden; z. B. sollte -die Größe des erregten Wechselfeldes auf
einen Wert beschränkt bleiben, der,die permanente Kraftflußkomponente .des Feldes
nicht übermäßig beeinflußt. Bei dem zulässigen Kraftfluß der Wechselkomponente wird
jedoch ein hoher Leistungsverstärkungsgraad erzielt. Die in der Drehspule C erzeugte
Wechselstromenergie verändert sich mit der Frequenz der Erregerquelle der Wechselkomponente,
abzüglich gewisser Verluste, und es ist .deshalb wünschenswert, eine verhältnismäßig
hohe Erregerfrequenz, z. B. eine Frequenz in der Größenordnung von io kHz, zu verwenden,
um die Feldwicklungen F oder F', F' zu erregen. Vorzugsweise wird ein eingebauter
Kondensator K über die Zuführdrähte L der Erregerwicklungen F' und F' parallel geschaltet
(s. Fig. 2), um die Wicklungen für die Frequenz der Wechselstromerregerquelle in
Resonanz zu bringen.
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Wenn die,Spule C sich in normaler Nullstellung befindet, darf kein
Wechselstrom induziert werden. Diese für die Ausführung gestellte Bedingung kann
trotz der strukturellen und magnetischen Asymmetrien, wie sie bei der gewerblichen
Herstellung entstehen, durch geeignete Verlegung der Zuführdrähte L, L der
Erregerwicklungen leicht erfüllt werden. Eine außerordentliche Verstärkung wird
. bei der Umwandlung von kleinen Gleichstromwerten in Wechselstromwerte erzielt.
Zum Beispiel lieferte ein Induktionsgalvanometer, das durch die Kombination eines
Wechselstromerregersystems mit einem handelsüblichen, empfindlichen Suspensionsgalvanometer
hergestellt wurde, eine Ausgangswechselspannung von 30 Millivolt gegenüber
einer aufgenommenen Gleichspannung von o,o6 Millivolt, was eine 5oofache Spannungsverstärkung
bedeutet.
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Das Induktionsgalvanometer kann zur Erzielung verschiedenartiger Wirkungen
in den verschiedenen Formen von empfindlichen Meß- und/oder Kontrollkreisen benutzt
werden, und als Beispiel einer typischen Anwendungsform ist ein Rückkopplungsrelaiskreis
einfacher Bauart in Fig. 3 und q. dargestellt.
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Wie schematisch in Fig. 3 gezeigt, sind das Induktionsgalvanometer
I und der Verstärker A so angeordnet, daß sie durch Verbinden des
Drehspulenkreises mit der vom Verstärker vermittels des Transformators T aufgenommenen
,Spannung und das Verbinden der Erregerfeldwicklung F mit der Ausgangsspannung des
Verstärkers ein geschlossenes Rückkopplungssystem bilden. Wenn die Drehspule C aus
der Nullage bis zu einer Stellung abgelenkt wird, in der die gleichphasige Energierückkopplung
größer ist als der reziproke Wert des Verstärkungsgrades, dann gerät das System
in Schwingung; dieser Schwingungszustand wird zur Schaltung des Relais R verwendet.
Ein einfaches Ein- und Ausschaltrelais, das von dem Verstärker über den Demodulator
D gespeist wird, mag für einige Zwecke genügen, aber im allgemeinen ist eine Richtungsempfindlichkeit
der Drehspule für ihre Verwendung als polarisiertes Relais in Kontrollgeräten für
:die Industrie erforderlich.
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Diese Bedingung ist leicht zu erfüllen, indem man die Erregerfeldwicklung
abstimmt und es vermeidet, daß zwischen dem Transformator T und dem Verstärker A
eine Phasenverschiebung der Eingangsspannung eintritt, wobei die Verstärkereingangsspannung
zu irgendeiner in Resonanz befindlichen angelegten Feldspannung um 9ö° phasenverschoben-ist
und wobei das Vor- oder Nacheilen
eine Funktion der Richtung der
Drehspulenablenkung ist. Da die Rückkopplungsverstärkung in der Grundfrequenz auf
diese Weise um 9ö° phasenverschoben ist, schwingt das System eher in der Frequenz,
bei welcher die phasenrichtige Rückkopplungskomponente ein Maximum hat, als in der
Resonanzfrequenz des Feldkreises. Bei Ablenkung der Drehspule in der einen Richtung
wird die Schwingungsfrequenz höher sein als die Frequenz des in Resonanz befindlichen
Feldes, und bei Ablenkung in der anderen Richtung wird sie niedriger als diese sein.
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Unter der Annahme einer genau um 9ö° phasenverschobenen Rückkopplung
bei der Resonanzfrequenz des Feldes wird die phasenrichtige Rückkopplungskomponente
bei der Frequenz ein Maximum haben, bei welcher die Blindwiderstände dem Widerstand
im Feldstromkreis gleich sind. Der Tangens des Phasenwinkels ist dann gleich i,
und der in der Feldspule fließende Strom erleidet zu der Verstärkerendspannung eine
Phasenverschiebung von 45'°, wobei auftretendes Vor- oder Nacheilen von der Richtung
der Drehspulenablenkung abhängt. Diese Phasenumkehrung wird in einem wie in Fig.4
gezeigten Rückkopplungsrelaiskreis zum Betrieb eines polarisierten Relais vermittels
einer phasengesteuerten Kupferoxydulgleichrichterbrücke verwendet.
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Der Verstärker des Relais in Fig. 4 umfaßt zwei gekoppelte Verstärkerstufen,
wobei die Röhre der ersten Stufe eine Triode i von hohem ,u-Wert und die Röhre der
zweiten Stufe eine Pentode 2 ist. Der Meßkreis umfaßt die Drehspule C des Induktionsgalvanometers
I und die Primärwicklung des Transformators 7'. Die Sekundärwicklung des Transformators
ist der Eingangskreis der Röhre i, wobei zu der Wicklung der Kondensator 3 parallel
geschaltet ist. Die An,o,dbnstromqwe:lle 4 ,ist mit -der Anode der Röhre i durch
einen Außenwiderstand. 5, mit dem Schirmgitter der Röhre 2 durch den Schirmgitterwiderstand
6. und mit,der Anode der Röhre 2 durch die Feldwicklung F des Induktionsgalvanometers
verbunden. Die üblichen Stromkreiswiderstände und tIerbrü.ckungskonden@satoiren
für Kaskadenverstärkerstufen sind in der Zeichnung dargestellt, aber nicht mit Bezugsziffern:
versehen..
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Der den Feldkreis durchfließende Strom wird in eine Kupferoxydulgleichrichterbrücl,-e
7 geleitet, indem ein. Satz von einander gegenüberliegenden Anschlüssen der Brücke
mit dem Fel.diresonanzlcondensatorK in Serienschaltung verbunden und die :abgegebene
Verstärkerleistung als zweite Brückenkomponente zugeführt wind., indem man .den
anderen Satz Brückenklemmen mit dem Schirmgitter der Röhre 2 der zweiten Stufe über
die Kondensatoren 8 und: 9, die auch als Überbrüekungskan densatoren für den Schirmgitte:rkreis
dienen" verbindet. Die Wicklung des Relais R, das ein palarisiertes oder empfindliches
Gerät darstellt, wird über den zweiten Brürkenklemmensutz angeschlossen.
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Die Ablenkung der Drehspule- C des Induktionsgalvanometers I durch
;den. Meßkreisstrom verändert gemäß ,der Richtung der Spulenahlenkung dien Stromfluß
in der Spule des polarisierten: Relais R, und der Kaskadenverstärker gerät in: Schwingung
und liefert einen. Erregungsstrom für das Relais R, wenn. die Spule C des Induktionsgalvanloimeters
um einen: vorgegebenen Winkel aufs ihrer Null- oder Neutralstellung abgelenkt wird.