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Schaltung für magnetelektrische Meßlehre
Die Erfindung betrifft eine
magnetelektrische Meßlehre mit einem Taststift, welcher, mit dem zwischen zwei Elektromagneten
gelagerten Anker verbunden, in Abhängikeit von der zu messenden Größe eine Beeinflussung
des Eisenschlusses der Elektromagneten bewirkt. Die Schaltung nach der Erfindung
beietet den Vorzug weitgehender Abhängigkeit gegen Schwankungen der Netzspannung,
außerdem läßt sich mit hoher Meßempfindlichkeit unabhängig von dieser eine genaue
Nulleinstellung erzielen. Die beilden Spulen jedes der r Elektromagneten sind so
geschaltet, daß sie einander gegenüberliegende Arme einer Meßrücke bilden, so daß.
die Änderungen der Luftspalte gegenläufige Anderungen des magnetischen Widerstandes
im Magnetkreis und der Widerstandswerte der entsprechenden Spulen in der Brücke
und somit eine Verstärkung der durch das Tastorgan und den beweglichen Anker erzeugten
Unsymmetrie der Brücke hervorrufen. Die Schaltung ist insbesondere so getroffen,
daß in allen Spulen der Brücke Spannungen des gleichen Vorziechens induziert werden.
Das Wesen der Erfindung sei im einzelnen an Hand der Figuren näher erläutert.
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In Fig. l ist ein Beispiel einer Schaltungsanordnung einer Meßlehre
dargestellt. Die regulierbare Spannungsquelle wird gebildet durch einen Reguliertransformator
37, welcher durch eine Wechselstromquelle 38 gespeist wird und vorzugsweise eine
Kapazität 39, welche in Reihe Mit einer
Wicklung 40 liegt, aufweist.
Die Wicklung 40 hat einen Kern, der oberhalb des Sättigungspunktes arbeitet. Wenn
also eine Spannungsschwenkung der Spannungsquelle 38 eintritt und infolgedessen
der durch die Wicklung 40 unf die Kapzaität 39 fließende Strom schwankt, bleibt
der Fluß in dem Eisenkern und die in dem Teill 41 1 der Wicklung induzierte Sekundarspannungpraikti'schkonstant.
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Die geregelte und im wesentlichen konstante Spannung m'der Sekundärwicklung
41 wird den Spulen : 28, : 29, 31 und 32 durch einen empfindlichen Regelwiderstand'42'zugeführt.
Die vier paarweise angeordneten Spulen sind in Art einer Wheatstonesohen Brücke
in Serie geschaltet. Der diagonale Brückenarm wird gebildet durch ein Wechselstrominstrument
43, beispielsweise bestehend aus einem Gleich, trominstrument 44 und vier Gleichrichtern,
z. B. Kupferoxydgleichrichtern 45, 46 47 und 48 in der bekannten Graetzschaltung.
In allen Spulen der Brücke werden Spannungen tdes gleiohen Vorzeichens induziert.
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Die Vorzeichen in einem bestimmten Moment sind dargestellt durch
die Zeichen-+ und-. Die Spulen 28 und 29 des ELektromagneten liegen bei der Schaltungsanordnung
nach Fig. i wie auch nachFig.2 in einander gegenüberliegenden Armen der Brücke,
ebenso die Spulen 31 und 32 des zweiten Elektromagneten. Im ersten Falle liegen
die Spulen 29 und 3tI jedoch im unteren Arm der Brücke, während die im zweiten Falle
die rechte Hälfte der Brücke bilden. Beide Anordnungen der Spulen in der Brückenschaltung
ergaben befriedigende Resultate. Die WIndungen der Spule sind in solchem SInne gewickelt,
daß zwei Flußwege gebildet werden und die Feldlinien in. der Mitte des Trägers und
einander parallel im Anker verlaufen.
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Um die Einstellung der Meßanordnung des Instrumentes 44 bei der Stellung
des Tastorgans in der vorgeschriebenen Ausgangsstellung auf Null zu erleichtern,
wird ein Potentiometer 49 vorgesehen, welches in einem Arm der Brücke. zwischen
den Spulen 31 und 32 liegt. In der Anordnung nach F) ig. i bildet der Schleifkontakt
50. des potentiometers 49 die eine Verbindung zu dem Meßinstrument 43.
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Der Stromlinienverlauf der Spulen 28, 29, 31 und 32 ist folgender
: Der Rückschluß der beiden Magnetkrise geht von dem Anker aus durch die Spule 29
bzw. 28, 31 und 32 und durch die ferromagnetischen Halterungssteile zurück zum Anker.
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In einem dieser Kreise liegt der Luftspalt oberhalb und im anderen
der Luftspalt unjterhalb desw Ankers. Sie bilden den größten Teil des magnetfischen
Widerstandes. Wenn also das Tastorgan sich in einer Stellung befindet, In der die
beiden Luftspalte gleich sind, geht ein gleicher Magnetfluß durch beide Luftspalte,
da die Spulen 29 und 31 symmetrisch im elektrischen Kreis angeordnet sind und normalerweise
gleiche Ströme führen, Wenn jedoch die Luftspalte ungleich werden, werden die magnetischen
Widerstände in hohem Maße ungleich, da sie in erster Linie proportional zur Länge
der Lüftspalte sind. Wenn außerdem das ferromagnetische Material in idem unter dem
Sättigungspunkt gelegenen Teil der Magnetsierungskurve arbeitst, wird mit der Störung
des Gleichgewichtes im Magnetkreis die magnetische Leitfähigkeit und da, mit der
magnetische Widerstand aus dem Gleichgewicht gebracht. Da. nun der Wechselstromwidersta-nd
der Spulen proportional ihrem magnetischen Widerstand ist, ruft eine Bewegung des
Tastorgans eine sehr starke Unsymmetrie ind er Spannungsverteilung der Wheatstoneschen
Brücke hervor.
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Das Instrument 44 kann unmittelbar im Längenmaß, entsprechend der
BGewegung des Tastorgans, ausgehend von seiner Normalstell. ung geeicht wenden.
Mit. anderen Worten, da. s Meßinstrument kann unmittelbar die Maße des Prüflings
unter dem Tastorgan angeben In der Anordnung nach Fig. i kann die Empfildlichkeit
der einrichtung einestellt werden durch Veränderung des Widerstandes 42, so daß
eine gegefbene Abweichung von einer normalen Größe einen größeren oder geringeren
Ausschlag des Instrumentes 44 zur FOlge hat. DIe Nulleinstellung wird enzielt !
durch Anordnung eines Standardstuckes auf der Platte unter dem Tastorgan und Einstellung
des Schleifkontaktes 50 in der einen oder anderen Richtung Trockengleichrichter
arbeiten am vollkommensten als Gleichrichter, wenn sie einen gewissen Strom ihren.
Man erhält daher eine genauere Skaleneinstellung des Instrumentes 44 bei seiner
ANwendung als Nul-liNstrument, wenn man den Nullpunkt bei Durchgang eines gewissen
Stromes einstellt, d. h. der einzelne Widerstand 40. muß so eingeregelt werden,
daB die Wheatstonesche Brücke bei der Nullanzeige des Instrumentes 44 entsprechend
dem Standardprüflmg etwas unsymmetrisch ist. Demzufolge muß bei Änderung der EmpfindLichkeit
durch den Widerstand 42 der durch das Instrument gehende Strom verändert und die
Nulleinstellung nach Änderung der Empfindlichkeit durch den Widerstand 42 der durch
das Instrument gehende neu justiert werden.
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Um nun die Empfindlichkeitseinstellung und die Nullpunkteinstellung
unabhängig voneinander zu machen, kann die Ausführung nach Flg. 2 zur Anwendung
gelangen. In dieser ist kein Spannungsregula. tor und kein zur Erzielung konstanter
Spannung dienender Tnansforma. tor zur Erzeugung und Erhaltung der Konstanz der
Nulleinstellung erforderlich. Zur Anwendung gelangt ein ; gewöhnlicher Transformator
51 mit zwei Sekundärwicklungen 52 und 53. Die wiederum in einer Brückenschaltung
loiegenden Spulen 28, 29, 31 und 32 des Meßgerätes sind mit der Sekundärwicklung
52 verbünden. Der andere Arm der Wheatstoneschen Brückeenthältwiebei:derAnordnungnja-ch
Fig. i einen. Vollweggleichrichter 45, 46, 47, 48. Dieser speist das Meßinstrument.
Überdies unterscheidet sich die Anordnung nach Fig. 2 von der nach Fig. 1 dadurch,daß
einMeßinstrument 54 zur Anwendung kommt, bei welchem die Nullstellung in der Mitte
der Skala liegt. Dieses Instrument erhält
Strom nicht nur durch
die Gleichrichteranordnung, sondern außerdem übe einen zweiten. Gleichrichter 55,
welcher durch'die andere Sekundärwicklung des Transformators 51 gespeist wird. Der
Gleichrichter 55 besteht ebenso wie der erste Gleichrichter aus vier Kupferoxydgleichrichtere'lementen
56, 57, 58 und 59. Die Gleichrichter sind so miteinander verbundne, daß sie in bezug
auf das Meßinstrument umgekehrte Vorzeichen haben. so daß kein Strom im Meßinstrument
54 fließt und der Zeiger auf Null steht, wenn die Stromabgabe der Gleichrichter
gleich sind.
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Zur Einstellung der Empfindlichkeit ist der Widerstand 60 vorgesehen,
welcher auf der Primärseite des Transformators 51 liegt. Zur Einstellung des Instrumentes
54 auf Null ist ein Widerstand 61 in Reihe mit der Sekundärwicklung des Transformators
Si geschaltet. Sollte die Stromwiderstandscharakteristik der beiden Gleichrichter
nicht gleich sein, gelangt der Ausgleichswiiderstand 62 mit einem Schleifkontakt
63 zur Anwendung, welcher mit dem Instrument 54 verbunden ist. Wenn. die Gleichrichter
gegeneinander abgeglichen sind und das Instrument 54 normalerweise in seiner Nullstellung
den Strom Null führt, werden offensichtlich Schwankungen'derSpannung38die Nulleinstellung
nicht beeinflussen. Die Ströme der Gleichrichter werden in gleicher Stärke, aber
entgegengesetzter Richtung unabhängig von der Primärspannung durch das Instrument
54 fließen. Zur Justierung der Einrichtung wird der Widerstand 61 auf Nullanzeige
des Instrumentes 54 geregelt, worauf dei Primärspannung des Transformators 51 mittels
s des Widerstandes 60 geregelt wird, bis das Instrument 54 seine Nullanzeige beibehält.
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Sollte das Instrument 54 von der Nulleinstellung abweichen, so ist
dies ein Zeichen dafür, daß die Charakteristik der Gleichrichter nicht ganz ausgeglichen
ist. In diesem Fall wird der Schleifkontakt 63 des Potentiometers 62 in der einen
oder anderen Richtung verschoben, bis das Instrument 54 seine Mulleinstellung unabhängig
von der Spannung des Transformators beibehält. Ist das Potentiometer 62 und der
Widerstand 61 eingestellt, wird die Empnndlichkeitseinstel. lung unter Anordnung
eines Prüflings bekannter Abmessungen zwischen der Meßplatte und dem Tastorgan vorgenommen,indemderWiderstand60bi.szur
Anzeige des richtigen Wertes durch das Instrument 54 eingeregelt wird. Die höchste
Empfindlichkeit ist verbunden mit dem geringstmöglichen Widerstand in Reihe mit
der Stromquelle 38.
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Aus der oben gegebenen Erläuterung der Wirkungsiweise einer Anordnung
nach Fig. 2 ergibt sich, daß Schwankungen der Spannungsqu. elle 38 einen entsprechenden
Einfluß auf die Empfindlichkeit der Messung ausüben.
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Um auch die Empfindlichkeit unabhängig von derartigen Spannungsschwankungen
zu machen, kann man sich einer Schaltungsanordnung bedienen, wie sie in Fig. 3 dargestellt
ist. Diese Anordnung neigt an sich zu einer Beeinflussung der Nullpunkteinstellung
bei Änderung der Empnndlichkeit. Wenn dies auch von untergeordneter Bedeutung ist,
da die Nullpunktienstellung leicht nach jeder vorgenommenen Anderung der Empfindlichkeit
nachgeregelt werden kann, ist eine Unabhängigkeit der Empfindlichkeit von der Nulleinstellung
doch außerodrentlich vorteilhaft.
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In der Schaltung nach Fig. 3 ; ist ein Regeltransformator mit zwei
Sekundärwicklungen 52 und 53 versehen, gleich der Anordnung nach Fig. 2. Der zur
Einstellung der EMpfindlichkeit dienende Widerstand 42 nach der Schaltung in Fig.
i gelangt wiederum zur Anwendung. Derselbe ist verbunden in Reihe mit dem Eingangszweig
der Wheatstoneschen Brücke, welche durch die Spulen 28, 29, 3n und 32 gebildet wird.
Ebenso ist, der zur Nullpunkteinstellung dienende ! Widerstand 61 der Schaltung
nach Fig. 2 vorgesehen, in Verbindung mit einem Meßinstrument 54, dessen Nullpunkt
in der Mitte der Skala liegt und welches mit zwei gegeneinander geschalteten Gleichrichteranordnungen
für die Gleichrichtung verbunden ist. Die Ausgangszweige dre GLeichrichtueranordnung
sind entsprechend mit der Whea.tstone'schenBrücke und der Sekundärwicklung 53 des
Transformators 37 verbunden. Ein. Potentiometer zur Ausgleichung der Gleichrichtercharakteristiken
entsprechend dem Potentiometer 62 der Schaltung nach Fig. 2 kann gegebenenfalls
auch in der Anordnung nach Fig. 3 zur Anwendung gelangen.
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Blé Anordnung eines spannungsgeregelten Transformators in der Schaltung
nach.Fig. 3 bleiben die Ausg, angsspannun. gen der Sekundärwicklungen 52 und 53
konstant gegenüber Schwankungen der Spannungsquelle 38. Daher wind weder die Empfindlichikeit
noch die Nullpunkteinstellung des Gerätes durch Schwankungen der SpannungsqueNe
beeinnußt. Bei der EinstellungdesGeräteswird eine angenäherte Nullpunkteinstellung
mit Hilfe des Widerstandes 61 erzielt, indem man einen Vergleichsprüfling in. die
Lehre einführt. Die Einstellung (der E, mpfindlichkeit wird ebenfalls durch Einführen
eines Vergleichspr üflings In die Lehre vorgenommen. Der Widerstand 42 wird so eingestellt,
daß der Zeiger am Instrument 54. den gewünschten. Ausschlag zeigt. Darauf wird der
Vergleichsprüfling aus der Lehre entfernt und die endgültige Nulpunteinstellung
mit Hilfe des Widerstandes 61 vorgenommen. Da die Empfindlichkeit des Gerätes unabhängig
von der Nullpunkteinstellung ist, braucht eine Nachstellung des Widerstandes 42
nicht vorgenommen zu werden.
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Die dargestellten Ausführungsformen sind Beispiele, welche im Rahmen,
der Erfindung mannigfache Abwandlungen gestatten.