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Quotientenmeßgerät
Quotientenmeßgeräte, die bekanntlich auf der Wirkung
zwischen einem Magnetfeld und stromdurchflossenen Spulen beruhen und bei denen das
Verhältnis zweier Ströme zur Anzeige gelangt, werden so aufgebaut, daß beide Meßspulen
gemeinsam das gleiche Luftspaltfeld verwenden, das entsprechend dem Meßstromverhältnis
und dem gewünschten Skalenverlauf dimensioniert ist. Die Meßinstrumente dieser Art
weisen nun in der üblichen 90°-Ausführung zenit symmetrischer Spule zur Erreichung
der physikalischen Wirkungsweise eine Kreuzung der beiden Spulen auf, die ihnen
die allgemein verwendete Benennung Kreuzspulgerät einbrachte.
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Diese Kreuzung erschwert nun bei der Herstellung das Wickeln, weil
sich die oberen Windungslagen leicht lockern. Außerdem müssen die Spitzen nachträglich
auf das Rähmchen aufgekittet werden, wenn man nicht Innenspitzenlagerung verwendet.
die jedoch unnötig große Wickellänge verlangt.
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Diese Schwierigkeiten veranlassen immer wieder den Aufbau von Geräten,
bei denen die beiden Meßspulen in getrennten Feldern untergebracht sind.
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Geräte dieser Art verlangen jedoch naturgemäß einen größeren Magneten.
Es ist außerdem bei solchen Geräten darauf zu achten, daß Änderungen im Magnetfluß
sich auf beide Spulen gleich aus-
wirken, was bei den Geräten mit
nur einem Feld naturgemäß ohne weiteres ;der Fall ist.
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Abhilfe schaftt hier die Erfindung, indem erfindungsgemäß von einer
Luftspaltinduktion Gebrauch gemacht wird, derart, daß im Arbeitsbereich der Meßspulen
die Feldverteilungskurven, von der Abszisse gesehen, unter den beiden Magnetfeldpolen
im wesentlichen mit entgegengesetzter Krümmung verlaufen. Dadurch ist die Möglichkeit
gegeben, auch bei Verwendung eines einzigen Magnetfeldes bei üblicher Drehspulanordnung
für 90° Ausschlag von der Kreuzung der Meßspulen abzusehen.
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In besonders einfacher WeisTe wird man dabei die beiden Meßspulen
parallel zueinander und gegebenenfalls auf einem Rähmchen anordnen.
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Daß bei erfindungsgemäßer Ausbildung der Luftspaltinduktion von der
Kreuzung der Spulen abgesehen werden kann, läßt sich an Hand der in Abb. I wiedergegebenen
Feldverteilungskurve erklären. In ihr bedeuten B die Induktion, a den Winkelbereich,
I den einen, II den anderen Arbeitsbereich der Spulen. Durch die Punkte S1, S2,
S1' und S2' sind die Lagen der einzelnen MZeßspudenseiten angedeutet. Es herrscht
jeweils dort Gleichgewicht, wo das Stromverhältnis umgekehrt gleich dem Induktionsverhältnis
ist, also wenn die Ströme durch I gekennzeichnet werden, dort wo I/I2 = B2/B, ist.
In der in Abb. I angenommenen Lage muß also zwecks Erzielung der Gleichgewichtslage
der Strom in doppelt so groß sein wie der Strom 12. Bei Auslenkung der Spulenseiten
eines Polbereiches aus der ihnen zugeordneten mittleren Lage A in eine neue mittlere
Lage B wird das zur Lage A drehende Moment in dem Leiter 1 größer als das entgegengesetzte
Moment in dem Leiter 2, weil in der Lage B die Induktion -an den Stellen der beiden
Leiter nicht mehr sich umgekehrt wie die Ströme verhalten, sondern etwa gleich sind.
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Es erfolgt also Rückführung in die Lage. Für jeden einzelnen Polbereich
können also die Systeme stabil gestaltet werden. In bekannter Weise (richtige Krümmung
des Feldverlaufes vorausgesetzt) wird dabei für ,die gegebenen Stromverhältnisse
ein entsprechender Skalenverlauf erzielt werden. Schließt man nun die beiden SpulenseitenS1,
S3' bzw. die beiden Spulenseiten 82, S2' zu jeweils einer Spule zusammen, so sieht
man bei Betrachtung der winkelmäßigen Aufeinanderfolge der Spulenseiten, daß die
beiden aus den einzelnen Spulenseiten hervorgegangenen Spulen sich nicht kreuzen.
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Gibt man ferner den Feldern unter den Polbereichen eine solche Krümmung,
daß für gleiches Stromverhältnis 11/12 die jeweilige Einstellung gerade an einer
Stelle erfolgt, die um I80° gegeneinander versetzt ist, so erfolgt auch nach dem
Zusammenschluß der Spulenseiten zu Spulen die Einstellung an der gleichen Stelle.
Haben die beiden Krümmungen unter den einzelnen Polbereichen an den einander entsprechenden
Lagen nicht die gleiche Krümmung, so erfolgt dile resultierende Einstellung bei
einer Lage, die zwischen den Einstellnngsiagen der einzelnen Polhereiche liegt,
die sich ohne Kupplung der beiden Systeme ergeben würden. Für den Einstellungsort
ist dann, wenn sonst keine EinstEellkräfte auf das System wirken, die mittlere Induktion
maßgebend I1 B21 + B211 B2m 12 B,,+B111 B1S Es ist demnach auch bei Verwendung eines
einzelnen Feldes bei der üblichen Drehspulanordnung für 909 Ausschlag nicht notwendig,
gekreuzte Spulen anzuwenden. Die mit den üblichen Kreuzspulgeräten verbundenen Nachteile
können also vermieden werden.
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Gewinnt man in Ausführung des Erfindungsgedankens die im Arbeitsbereich
der Spulen unter den Magnetfeldpolen mit entgegengesetzter Krümmung verlaufende
Feldverteilung durch entsprechende Formgebung des Luftspaltes, so nimmt man damit
wohl die zusätzliche Herstellung zweier verschiedener Polschuhformien in Kauf. Im
allgemeinen enden die Polschuhfrmen durch Kreisbögen angenähert. D;a aber zur Erreichung
der geforderten ungleichen Feldverteilung unter den beiden Polen verlangt wird,
daß die Polschuhkrümmungsradien verschieden sind, kommt man nicht mehr mit einem
Werkzeug aus. Die Verwendung eines weiteren Fräsers zur Bearbeitung stellt aber
keine allzu große Erschwerung dar und ist erheblich leichter zu ertragen als die
mit der Kreuzspulwicklung verbundenen Schwierigkeiten.
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Demgegenüber kann aber auch der verschiedene Induktionsverlauf an
den beiden Bereichen in Weiterbildung des Erfindungsgedankens durch eine geeignete
Magnetisierung der Magnetanordnung erzielt werden. Vorzugsweise kann er bei den
neuerdings stark inden Vordergrund getretenen sogenannten Kernmagnetgeräten, bei
denen die Spule sich um einen zylindrischen Magneten bewegt, der in einem Weicheisenring
konzentrisch angeordnet ist, durch entsprechende Magnetisierung des Zylindermagneten
erreicht werden, so daß bei diesen Geräten nur Vorteile auftreten.
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Bei -dem Kreuzspuldrehmagnetgerät muß nämlich die Drehachse ,des
Magneten durch die Spulen hindurchgeführt werden, wenn man das bewegliche Drehmagnetsystem
nicht vollständig in der Spule lagern will. Die Durchführung der Achse ist nun hier
in der Weise möglich, daß man die an sich feststehenden Spulen bei der Montage in
je zwei Spulenhälften aufteilt und diese nacheinander um die Achse herum einbaut.
Die Verldoppelung der Spulenstückzahl stellt aber eine merkliche Belattung wider
Herstellung dar, so daß man in der Praxis dort, wo es leistungsmäßig zu ertragen
ist, auf eine Spulenhälfte verzichtet. Man bat hier also die Wahl zwischen einem
Gerät mit geringer Verlustleistung, aber vier Spulen, und einem Gerät einfachen
Aufbaues, aber rauch geringerer Wirksamkeit.
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Die erfindungsgemäße Induktionsverteilung ist hier insofern von großem
Vorteil, als bei leistungsmäßig bester Ausnutzung die Meßspulen getrennt
voneinander
im Luftspalt untergebracht werden können, so daß die Drehachse leicht zwischen ihnen
herausgeführt werden kann. Bei gleicher Verlustleistung tritt hier eine wesentliche
Steigerung des Drehmomentes ein. Unter Voraussetzung gleichen Drehmomentes läßt
es also die damit zu erwartende Herabsetzung des Leistungsbedarfes als gegeben erscheinen;
den Drehmagnetgeräten werden damit weitere Anwendungsgebiete geschaffen. Bei den
meßtechnischen Aufgaben, bei denen die Drehmagnetgeräte jedoch heute bereits als
go°-CLeräte Anwendung finden, läßt die zu erwartende Drehmomentensteigerung bei
gleicher Leistung und etwa gleichem konstruktivem Aufwand eventuell die Anwendung
einer Zahuradübersetzung zu, so daß sich damit auf einfachste Weise für diese ein
270°-Gerät ergibt.
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Leitet man bei dem vorgeschlagenen Quotientengerät den Strom so durch
die Meßspulen I und 2, daß sich deren Drehmomente addieren, schaltet man sie also
hintereinander, so ergibt sich über den ganzen Ausschlagsbereich ein Drehlmomentenverlauf,
der nur noch wenig gekrümmt ist, weil dann an der Stelle, wo unter dem einen Pol
gerade das größere Drehmoment erzielt wird, also in der Mitte, unter dem anderen
Pol gerade das geringste Drehmoment auftritt, und umgekehrt. Man hat es also für
die übliche Intensitätsmessung (Strom- und Spannungsmesser) nicht notwendig, ein
anderes Gerät zu bauen, weil der für diese Geräte im allgemeinen erwünschte Drehmomentenverlauf
sich bei dem Quotientengerät zu i H bei Hintereinanderschaltung der beiden Spulen
durch den besonderen Feldverbauf im Luftspalt gerade ergibt. Damit und mit der Vorsehung
einer Rückstellfeder sowie einer vorausgeschickten Intensitätseichung ist ein wirklicher
Schritt zu einem Einheitsgerät für beideMeßzwecke (Intensitätsmessung und Stromverhältnismessung)
getan.
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In besonders einfacher Weise kann als Rückstellfeder ein zusätzlich
erzeugtes, abscthaltbiares Magnetfeld dienen. Die das zusätzliche Rückstellfeld
erzeugende Magnetanordnung kann dabei z. B. mit Hilfe einer Schaltvorrichtung in
ihrer Lage zu den anderen Magnet- und Eisenteilen des Gerätes so verändert werden,
daß sie in der einen Lage ihrerseits kein nennenswertes Feld in dem von Spulen bestrichenen
Luftraum erzeugt, während das in der anderen Lage erzeugte Fel,d gerade das gewünschte
Rückstellmoment für die Spulen ergibt.
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In Abb. 2 ist noch in einfacher schematischer Weise ein Ausfü'hrungsheispiel
des erfindungsgemäßen Quotientenmeßgerätes wiedergegeben. Es bedeuten I den drehbaren
Magnetkern, der den obigen Angaben entsprechend zu magnetisieren ist, und 2, 3 die
feststehenden, einander parallel angeordneten Meßspulen. Die Drehachse 4 ist einfach
zwischen ihnen hindurchgeführt.