-
Verfahren zur Messung des zeitlichen Verlaufes periodisch veränderlicher
Meßgrößen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung des zeitlichen
Verlaufes von durch elektrische Größen darstellbaren, periodisch veränderlsichen
Meßwerten, bei dem die elektrische Größe elektrisch nach Ider Zeit differ.enziert
und die ihrem Differentialquotienten proportionale Größe, durch Vorschalten eines
Meßkontaktes mit einstellbarer Phasenlage der Schaltzeiten vor ein Gleichstrommeßinstrument,
über die Zeit integriert wird.
-
Der zeitliche Verlauf unsymmetrischer Meßgrößen wird bisher durch
Aufzeichnung mit einem Oszillographen oder mit dem Jonbertschen Kurzkontaktverfahren
ermittelt. Im ersten Fall erfordert eine quantitative Auswertung besondere Spezialgeräte.
Werden größere Anforderungen an die Genauigkeit gestellt, so sind diese kaum zu
erfüllen.
-
Der Mangel an größerer Genauigkeit haftet auch den auf die Joubertsche
Scheibe zurückgehenden Kurzkontaktverfahren an. Bei diesem wird der Wert der Meßgröße
in einem kleinen Zeitintervall gemessen und durch eine Reihe derartiger Messungen
ihr Verlauf in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt.
-
Nun ist es bekannt, -den zeitlichen Verlauf einer Meßgröße zu messen,
indem man sie nach elektrischer Differentiation mittels einer Induktivität oder
Kapazität über einen mechanischen, synchron mit der Meßgröße betätigten Kontakt
(Meßkontakt,
Vektormesser) einem Drehspulinstrument zuführt Da der
Meßkontakt in Verbindung mit einem Drehspulinstrument die Meßgröße während seiner
Schließzeit integriert, ist dann infolge der vorhergegangenen Differentiation die
Anzeige des Drehspulinstrumentes der Differenz der Augenblickswerte der Meßgröße
im Ein- und Ausschaltzeitpunkt des Meßkontaktes proportional.
-
Mathematisch erhält man beispielsweise für eine Schaltung nach Fig.
I, bei der der durch den Leiter I fließende Strom I (t) durch die Induktivität 2
mit einem Gegeninduktionskoeffizienten M differenziert wird und zwischen den Klemmen
3 und 3' eine Spannung dl go = M dt (I) hervorruft, an dem Drehspulinstrument 5
eine Spannung r,1 u + R r,, wo (2) Dabei entspricht rg 1L dem Wert des Instrumentenwiderstandes
und R dem Wert des Widerstandes 4.
-
Schließen und öffnen die in Reihe geschalteten Meßkontakte 6 und 7
gleichzeitig, so zeigt das Drehspulinstrument eine Gleichspannung
Macht man die Schließzeit des Meßkontaktes gleich der Zeit einer Halbwelle und beschränkt
man sich auf symmetrische Meßgrößen, so ist IaUsIein-Nach obiger Gleichung mißt
man also mit der Gleichspannung u,l 1 den Augenblickswert IeinIaus der Meßgröße
im Einschalt- bzw. Ausschaltzeitpunkt. Dieses bekannte Verfahren versagt bei der
Messung unsymmetrischer Meßgrößen, bei denen jedoch die Gleichung (3) weiterhin
gilt.
-
Die Bestimmung des zeitlichen Verlaufes von unsymmetrischen Meßgrößen
läßt sich nun aber dadurch ermöglichen, daß erfindungsgemäß eine Parallelschaltung
an sich bekannter Reihenschaltung von zwei Meßkontakten verwendet wird, von denen
einer in der Phasenlage seiner Schaltzeiten zeitlich fest eingestellt und einer
in der Phasenlage geändert wird.
-
In Reihe geschaltete Schaltkontakte, mit deren Hilfe die Schaltzeiten
beliebig geändert werden können, haben bei Kontaktgleichrichtern bereits Anwendung
gefunden, mit denen Ströme in der Größenordnung von einigen tausend Ampere gleichgerichtet
werden. Dabei übernimmt der eine Kontakt ausschließlich die Einschaltung und der
andere die Ausschaltung des Stromes. Entsprechend diesen besonderen Aufgaben werden
sie ausgelegt.
-
Für Meßzwecke sind derartige Schaltkontakte viel zu unhandlich. Um
daher mit den für Meßzwecke zur Verfügung stehenden Meßgleichrichtern zeit lich
unsymmetrisch verlaufenden Größen messen zu können, muß der durch die Erfindung
gezeigte Weg gegangen werden.
-
In Fig. 4 ist eine derartige unsymmetrische Meßgröße als Strom J
(t) über der Zeit t aufgetragen.
-
Läßt man beispielsweise in Fig. I den Meßkontakt 6 mit seinen in
Fig. 2 dargestellten Schaltzeitpunkten II und 12 ungeändert, und ändert man die
Phasenlage des Meßkontaktes 7 mit den Schaltzeitpunkten I3-und I4, so ergibt die
Reihenschaltung der beiden Meßkontakte eine Ges amtschließ zeit zwischen den Zeitpunkten
II und I4, von denen der Zeitpunkt 11 (ein) unverändert bleibt, während der Zeitpunkt
14 (tau) sich mit der Verstellung des Meßkontaktes 7 ändert. In der Gleichung (3)
ist also die Größe I, konstant, während die Größe IaUs sich entsprechend dem zeitlichen
Verlauf der Meßgröße ändert. Man mißt also den zeitlichen Verlauf der Meßgröße,
bezogen auf den Festwert lein, d. h. die in Fig. 4 durch Schraffur 8 angedeuteten
Werte.
-
Zweckmäßigerweise stellt man den Meßkontakt 6 in seiner Phasenlage
so ein, daß der Zeitpunkt II (teil) mit einer Stelle der Meßgröße zusammenfällt,
d;ie keine oder nur geringe zeitliche Änderungsgeschwindigkeit aufweist, damit kleine
ungewollte Schwankungen des Zeitpunktes tetit möglichst keine Fehler in die Messung
bringen. Mit der Reihenschaltung von zwei Einzelkontakten von je I80° Schließzeit
kann man eine Gesamtschlließzeit von o bis I800 erreichen, mit der Parallelschaltung
von zwei Meßkontakten mit je I800 Schließzeit läßt sich, wie in Fig. 3 gezeichnet,
für die Gesamtschließzeit der Bereich von I80 bis 3600 beherrschen. Ein der Fig.
2 für den Fall der Parallelschaltung entsprechendes Diagramm der Phasenlagen der
Schaltzeiten gibt die Fig. 3 wieder, in dem mit II und 12 wiederum die Schaltzeiten
des unverändert bleibenden Meßkontaktes und mit I3 und 14 die des veränderbaren
Meßkontaktes bezeichnet sind. Die Zeiten, zu denen der Stromkreis geschlossen ist,
sind dabei in beiden Figuren schraffiert.
-
Es kann auch erforderlich sein, bei der Ausmessung einer Meßgröße
von der Reihenschaltung zur Parallelschaltung überzugehen. Das Verfahren gemäß der
Erfindung eignet sich auch für Meßgrößen, die ein Gleichstromglied enthalten. Das
Gleichstromglied wird dabei jedoch nicht mitgemessen. Es muß auf andere Weise ermittelt
werden.
-
Beispielsweise läßt sich nach dlem angegebenen Verfahren die Welligkeit
von Gleichströmen oder Gleichspannungen ermitteln. Eine andere Anwendung findet
das Verfahren zur Ausmessung des zeitlichen Verlaufes von Anodenströmen von Gleichrichtern,
von Brenuspannungen von Gasentladungen oder Lichtbögen oder von vielen anderen praktisch
interessierenden Meßgrößen.
-
Für Strommessungen wird man im allgemeinen als differenzierendes
Schaltungselement eine Gegeninduktivität wie in Fig. I verwenden, für Spannungsmessungen
dagegen eine Kapazität, deren Ladestrom bekanntlich proportional der Anderungs-
geschwindigkeit
der Spannung ist, so daß er in einem kleinen ohmschen Widerstand einen der Änderungsgeschwindigkeit
der zu messenden Spannung proportionalen Spannungsabfall erzeugt, der von Meßkontakt
und Drehspulinstrument zwischen den Zeitpunkten t,i,, und taus integriert wird,
also ebenfalls die Differenz der Spannung in den Zeitpunkten tein und taus ergibt.
-
Statt mit einem mechanischen Meßkontakt kann das Verfahren nach der
Erfindung auch mit anderen Schaltelementen, beispielsweise elektronischen Schaltern
oder Transistoren ausgeführt werden.
-
Wesentlich für das Verfahren ist lediglich, daß der Beginn bzw. das
Ende der Durchlaßzeit zeitlich festgehalten wird, während das Ende bzw. der Beginn
der Durchlaßzeit zur Messung des zeitlichen Verlaufs variiert wird. Diese Verstellung
der Phasenlage des Einschalt- bzw. Ausschaltzeitpunktes kann beispielsweise durch
vorgeschaltete Phasendreher bewirkt werden, wobei die Phasenlage dieser Phasendreher
genau ablesbar sein muß, damit keine Verzerrungen in der Messung des zeitlichen
Verlaufes auftreten.
-
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß seine Empfindlichkeit
aus Gleichung (3) exakt berechenbar ist, und zwar ohne daß die Einzelschließzeit
oder die Gesamtschließzeit der Reihenschaltung bzw. der Parallelschaltung bekannt
zu sein braucht. Es eignet sich unter Verwendung einer Gegeninduktivität auch zur
Ausmessung des zeitlchen Verlaufes großer Ströme oder bei Anwendung einer Kapazität
zur Ausmessung des zeitlichen Verlaufes von Hochspannung.
-
Führt man die zeitliche Verstellung eines der beiden Meßkontakte
mit' konstanter Geschwindigkeit beispielsweise automatisch durch und verwendet man
als Anzeigeinstrument ein registrierendes Instrument, beispielsweise den Lichtzeiger
einer Oszillographenschleife, so kann man statt der punktförmigen Ablesung des Drehspulinstrumentes
auch zusammenhängende Kurven aufzeichnen, bei