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Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Entfernung wedlselstromführender
Leiter von einem Meßort unter Verwendung einer oder mehrerer Induktionsspulen Zur
Messung der Entfernung zwischen einem SVechselstrom führenden Leiter, z. B. einem
im Erdcoden, Mauerwerk oder Flußgrund verlegten Kabel, und einem wählbaren oder
vorgegebenen Meßort sind bereits mehrere Meßverfahren bzw. Meßanordnungen vorgeschlagen
worden.
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Eines dieser Verfahren besteht darin, daß man die durch das Leiterfeld
in Spulen verschiedener Lage erzeugten Spannungen miteinander vergleicht und zur
Messung oder Berechnung der Leiterentfernung benutzt. In Fig. I stellen z. B. L1
und L2 zwei Spulen oder zwei Stellungen einer Spule in den Abständen # und 12 vom
Leiter K dar, wobei durch das Feld des Leiters K die Spannungen U1 und U2induziert
werden.
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Sind die Bedingungen erfüllt, daß die Spulen räumlich klein gegen'die
Entfernung vom Leiter sind und daß sie elektrisch völlig gleich sind und gleichartige
Lage haben, so verhalten sich die in ihnen erzeugten Spannungen bei unverzerrtem
Feld genau umgekehrt proportional den Abständen vom Leiter.
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Wählt man die Differenz der Abstände mit I m, so läßt sich die Entfernung
11 in bekannter Weise aus den Spannungen U1 und U2 ermitteln nach der Gleichung
l1 = U2/U1-U2 [m]. (I) Mit einer Messung von 11 nach diesem Verfahren in seiner
was einfachsten Form ist aber eine Rechenoperation verknüpft, was im allgemeinen
bei Meßverfahren nach Möglichkeit vermieden werden soll.
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Es wurde daher bereits ein Verfahren angegeben, den Quotienten der
Gleichung (I) mit einem in-Entfernungen geeichten Spannungsteiler zu messen, wobei
die Differenz U1 - U2 direkt durch Gegeneinanderschalten der Spulen L1 und L2 gemessen
wird. Dieses Verfahren bringt erhebliche Nachteile mit sich. Die Spulen werden durch
den nicht beliebig hochohmigen Spannungsteiler in Einzel- und Gegeneinanderschaltung
unterschiedlich belastet, und zwar abhängig von der Größe der Differenzspannung,
also der Entfernung.
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Außerdem werden die Spulen, die praktisch immer zur Unterdrückung
von Störspannungen durch Kondensatoren usw. abgestimmt sind, durch die Erdkapazitäten
der Wicklungen und Leitungen beim Gegeneinanderschalten unter Umständen sehr beträchtlich
verstimmt.
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Alle diese Nachteile sowohl nach der ersten als auch nach der zweiten
Methode werden durch die Meßverfahren nach der vorliegenden Erfindung beseitigt.
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Darüber hinaus wird es aber ermöglicht, eine Messung auch dann noch
durchzuführen, wenn sich Leiter und Spulen gegeneinander bewegen, was z. B. bei
der Tiefenmessung von Kabeln in Flüssen mit starkem Schiffsverkehr oder in Gewässern
mit stärkerer Oberflächenbewegung der Fall ist.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Fig. I bis 6 erläutert.
Die in Fig. I dargestellten Spulen befinden sich, falls man einfachste Handhabung
erreichen will, in einem gemeinsamen Rahmen und sind starr befestigt, wobei die
Spulen L1 und L2 parallel zueinander um einen bestimmten Abstand versetzt sind.
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Wählt man diesen Abstand z. B. mit einem Meter, so wird die Meßanordnung
und das Meßverfahren besonders einfach. Es kann natürlich an Stelle der beiden Spulen
L1 und L2 nur eine Spule verwendet werden, die in bekannter Weise nacheinander in
zwei um einen Meter entfernte Stellungen gebracht wird. Die Achse der Spule L3,
die für die einfache Entfernungsmessung nicht erforderlich ist, liegt senkrecht
zu den parallelen Achsen der beiden anderen Spulen. Die Spule L3 dient zur Einrichtung
des Spulenrahmens über dem Kabel.
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Ist die Spule L3 spannungslos, dann zeigt ihre Achse genau auf das
Kabel.
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Erfindungsgemäß werden die in den Spulen L1 und L2 induzierten Spannungen
mit Hilfe eines veränderbaren Spannungsteilers bei konstantem Eingangswiderstand
und bei gleichgemachter Ausgangsspannung des Spannungsteilers in einer Anzeigevorrichtung
verglichen.
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Fig. 2 zeigt das Prinzipschaltbild und Fig. 3 die vollständige Schaltung
des Spannungsteilers.
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Der veränderbare Teil dieses Spannungsteilers besteht im wesentlichen
aus einem sogenannten Kurbelwiderstand in dekadischer Stufung (r in Fig. 2). Sein
mit ihm in Reihe liegender konstanter Widerstand ist mit R bezeichnet.
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Zur Entfernungsmessung wird nun zunächst die kleinere Spannung U2
am GesamtspannungsteilerR+ r absolut oder als Ausschlag eines Zeigerinstrumentes
gemessen. Dann wird die größere Spannung U1 an Stelle von U2, also unter völlig
gleichen Bedingungen, angelegt und der Widerstand r so lange verändert, bis die
an ihm entstehende Teilspannung gleich U2 ist.
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Unter der Voraussetzung, daß der Eingangswiderstand des Spannungsteilers
konstant gehalten wird, gilt dann die Beziehung U1 = U2 # R+γ/γ. (2)
Setzt man den Wert für Ul in Gleichung (I) ein, so ergibt sich ll= R [» ], (3) wenn
12 - 1i 1 m. ist. Wählt man 1211 = a, so wird la = ar/R[m]. (4) Bei Einhaltung der
geforderten Bedingung (Konstanz des Eingangswiderstandes des Spannungsteilers) hat
man damit erreicht, daß durch einen Spannungsvergleich an einem geeigneten Spannungsteiler
die Entfernung 11 direkt proportional r wird.
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Wählt man z. B. R = Iooo Ohm, so ist l1 = γ/1000 [m] bzw#l1
= a#γ/1000 m.
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Beschriftet man die Skala für r z. B. in Ohm, dann kann die Entfernung
sofort auch in Meter abgelesen werden.
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Wie bereits erwähnt, muß hierbei der Eingangswiderstand des Spannungsteilers
konstant gehalten werden. Hierzu wird entsprechend Fig. 3 dem Spannungsteiler R
+ r ein Widerstand R + w parallel geschaltet.
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Verlangt man z. B., daß der Eingangswiderstand konstant den Wert
R besitzt, so ergibt sich für e die Bedingung w = I/g = R2/r Vorteilhafterweise
werden nun die veränderbaren Widerstandsdekaden r (in Fig. 4 z. B. drei, nämlich
rl, r2, r3) mit den entsprechenden Leitwertsdekaden g1, g2, g3 einzeln mechanisch
derart gekuppelt, daß für jede Einstellung von r der entsprechende Wert von g automatisch
mit eingestellt wird, so daß der Eingangswiderstand des Spannungsteilers stets konstant
bleibt und damit die Bedingung für Gleichung (2) erfüllt ist.
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Sollen sehr kleine Spannungsänderungen an r gemessen werden, wobeir,
R, dann kann der entsprechende Leitwert I/wk = gk entfallen.
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Mit den in Fig. 4 dargestellten Spannungsteiler mit drei Dekaden
konnten z. B. Entfernungsmessungen bis zu II m in Stufen von 1 cm erfolgen.
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Falls sich Spulenrahmen und Leiter gegeneinander bewegen, ist gemäß
der weiteren Ausbildung der Erfindung eine Vorrichtung vorgesehen, die eine Anzeige
der Spannungswerte U1 und U2 nur dann gestattet, wenn die senkrecht zu den Spulen
L1 und L2 stehende Spule L3 praktisch spannungslos ist, d. h. wenn ihre Achse bei
einstellbarer Toleranz für Ab-
weichungen genügend genau auf den
Leiter zeigt und damit der Spulenrahmen eine bestimmte Lage zum Leiter hat.
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Dieser Teil der Erfindung soll an Hand der Fig. 5 näher erläutert
werden. Hier ist das Prinzipschaltbild einer gesamten Meßanordnung mit einem dreistufigen
Spannungsteiler konstanten Eingangswiderstandes und einer durch die Spule L3 gesteuerten
Verriegelung der Anzeigeeinrichtung A dargestellt.
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Die Verriegelung erfolgt über den Hilfsverstärker H und die Schaltvorrichtung
V mit ihrem Relaiskontakt v in der Weise, daß bei Spannungslosigkeit von L3 der
Kontakt v geschlossen ist und erst bei Überschreiten eines gewissen Schwellenwertes
der Spannung sich öffnet und damit eine Abschaltung der Anzeigeeinrichtung ermöglicht.
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Der Spule L3 ist der Kondensator C3 und das Ausgleichs- bzw. Regelpotentiometer
P3 parallelgeschaltet.
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Der Kondensator C3 dient zur Unterdrückung von Störspannungen.
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Weitere in Fig. 5 eingezeichnete Schaltelemente sind die Spulen L1
und L2 mit ihren Ausgleichs- bzw. Regelpotentiometern P1 und P2 sowie den Kondensatoren
C und C2, die mechanisch gekuppelten Kontakte S und S2, mit deren Hilfe die Spulen-
und Spannungsanschaltung erfolgt und das gegen den Widerstand R + r sehr hochohmige
Potentiometer P4 zur Wahl des günstigsten Arbeitspunktes für den Meßverstärker M.
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Die Anzeigeeinrichtung A gestattet die Messung der am Ausgang des
Meßverstärkers M liegenden Spannung, die entweder direkt als Wechselspannung oder
nach Gleichtichtung als verhältnisgleiche Gleichspannung angezeigt wird. Die Anzeige
kann durch Glimmlampen, sogenannte magische Augen, Weicheisen- oder auch Drehspulinstrumente
erfolgen und soll lediglich sicherstellen, daß zwei Spannungen genügend genau miteinander
verglichen werden können. Da sich bei großen Werten von 1l die Spannungen an r nur
sehr wenig unterscheiden, wird das Anzeigeinstrument zweckmäßig mit großer Steilheit
ausgerüstet. Ein Drehspulinstrument in Verbindung mit einem Gleichrichter erhält
z. B. eine Gleichvorspannung zur Wnterdrückung des Nullpunktes.
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Falls die Spule L3 über H und V die Anzeige verriegelt, muß dafür
gesorgt werden, daß das eigentliche Anzeigeinstrument eine sehr große Entladezeitkonstante
gegenüber der Ladezeitkonstante für A besitzt.
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Es ist dann sichergestellt, daß bei häufiger Veuiegelung von A durch
L3 bei starken Schwankungen der Spulen gegen den Leiter die Spannungen U1 und U2
ohne lange Wartezeiten sicher miteinander verglichen werden können. Falls sehr kleine
Spannungen angezeigt werden sollen, empfiehlt es sich, das Potentiometer P4 zwischen
zwei Stufen des Verstärkers M zu legen und den Eingang von M direkt an R + r zu
legen, da R + r < P4 und damit das Rauschen am Verstärkereingang wesentlich verringert
werden kann.
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Das im vorstehenden geschilderte Verfahren mißt die Entfernung durch
einen nicht gleichzeitig erfolgenden Spannungsvergleich und ist praktisch unabhängig
von Phaseriverschiebungen oder unterschiedlicher Kurvenform der in den beiden Spulen
induzierten Spannungen. Es vergleicht lediglich Spitzen-, Effektiv- oder Mittelwerte
oder diesen benachbarte Werte der beiden Spannungen als Beträge.
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Will man jedoch bei der Kabelortung mit nur einer Messung auskommen;
so muß man die Spannung U2 der Spule L2 und die am veränderbaren Widerstand r abgegriffene
Teilspannung der Spule L1 direkt nach einer Nullspannungsmethode miteinander vergleichen.
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Hierbei ist aber Voraussetzung, daß die beiden Spannungen gieichphasig
gemacht werden und daß beide Spulen völlig gleich belastet sind.
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Fig. 6 zeigt ein Ptinzipschaltbild dieses Teils der Erfindung unter
Weglassung der selbstverständlich auch hier anwendbaren Steuervorrichtung mit L3,
A und V. Die Bezeichnungen dieser Figur entsprechen, denen der vorhergehenden Figuren.
C, und Cb sind veränderbare Kondensatoren, die einen eventuell erforderlichen Phasenabgleich
ermöglichen. Der dem Kondensator Cb parallel liegende Widerstand' erhält die Größe
R. Man erreicht dadurch, daß die Spule L mit derselben Belastung wie die Spule L2
arbeitet.
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Ü stellt einen sogenannten Symmetrierübertrager dar, dessen Sekundärseite
auf den Meßverstärker M und die Anzeigeeinrichtung A arbeitet. Die Anzeigeeinrichtung
wird in dieser Schaltung nur als Nullindikator benutzt.