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Hochfrequenz-Leistungsmesser zur Bestimmung der Blindleistung Industrielle
Hochfrequenzverbraucher haben bereits in den verschiedensten Industriezweigen und
für die verschiedensten Anwendungszwecke Eingang gefunden. In erster Linie interessiert
bei diesen Anwendungsarten die vom Hochfrequenzgenerator erzeugte und vom Verbraucher
aufgenommene Wirkleistung, in vielen Fällen, aber insbesondere in Fertigungsbetrieben
und Laboratorien, ist auch die Kenntnis der im Verbraucherkreis fließenden Blindleistung
von Bedeutung.
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Es sind zwar für diese Zwecke Quad:rantenelektrometer .bekannt, die
in jedem Falle das Vorhandensein mindestens zweier auf entgegengesetztem elektrischem
Potential liegenden Elektroden und einen gegenüber diesen Elektroden aufgeladenen
drehbaren Körper voraussetzen. Zum Teil werden bei. derartigen Geräten als bewegliche
Körper auch schon ein oder mehrere Metallstreifen, vorzugsweise aus Aluminium, drehbar
aufgehangt oder gelagert . und einpolig mit der gegenpoligen Hochfrequenzverbraucherlei:tung
über eine Kurzschlu:ßleitung verbunden. Die bisher bekannten Geräte sind: zwar für
Laboratoriumszwecke brauchbar, nicht dagegen :im praktischen Betrieb zur Messung
der Blindleistung von Industriehochfrequenzgeneratoren. Der Grund dafür liegt einmal
in ihrem stoßempfindlichen und komplizierten Aufbau und zum anderen in der
wesentlich
größeren Beeinflußbarkeit durch benachbarte elektrische Felder, die zu beachtlichen
Fehlmessungen führen kann.
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Im Gegensatz hierzu hat die Erfindung die Schaffung eines im Aufbau
einfachen robusten Blindleistu.ngsmeßgerätes zum Ziel, das auf Grund seiner Beschaffenheit
ohne besonderen Aufwand in jeden Industriehochfrequenzgenerator eingebaut werden
kann, so daß auch nach bereits erfolgter Auslieferung des Generators an den Kunden
für die Monteure und Betriebsüberwacher die Möglichkeit der Blindleistungsmessun.g
besteht.
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Die Erfindung :bezieht sich auf einen Hochfrequenz-Leistungsmesser
zur Bestimmung der Blindleistung, vorzugsweise in einem Hochfrequenzverbraucherkreis:
für industrielle Zwecke, bei dem in einem elektrischen Feld ein oder mehrere Metallstreifen,
vorzugsweise aus Aluminium, drehbar aufgehängt oder gelagert und einpolig mit der
gegenpoligen Hochfrequenzverbraucherleistung über eine Kurzschlußleitung verbunden
sind, und besteht darin, daß das elektrische Feld ein durch eine von der Hochfrequenzleitung
gebildete Schleife erzeugtes Ringfeld ist. Dabei kann mit Vorteil ein Teil der Schwingkreisspu.le
eines industriellen Hochfrequenzverbrauchers als Meßschleife dienen.
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Die Wirkungsweise des Blindleistungsmessers nach der Erfindung ist
folgende: Betrachtet man für die Messung der. Blindleistung einen Augenblickszustand,
so fließt in der Leiterschleife ein Strom in ganz bestimmter Richtung. Dieser Strom
baut um den Leiter ein Magnetfeld, auf, das seinerseits im Inneren der Schleife
ein elektrisches Feld erzeugt. Die elektrische Feldstärke im Inneren der Schleife
ergibt, daß -die Feldstärke im Zentrum der Schleife Null ist und zunächst proportional
dem Radius und dann stärker ansteigt. Die Richtung der elektrischen Feldlinien ist
bei ansteigendem Strom entgegengesetzt der Flußrichtung des Stromes in der Schleife.
Bringt man in ein solches Feld einen auf einem bestimmten elektrischen Potential
liegenden elektrischen Leiter, z. B. eine Nadel, so wird dieser Leiter, wenn er
eine elektrische positive Ladung aufweist, im Sinne des Potentialgefälles des elektrischen
Feldes, also entgegen der Durchflußrichtung des ansteigenden Stromes ausgelenkt.
Weist die Nadel dagegen eine elektrisch negative Ladung auf, so wird sie in, der
Durchflußrichtung des ansteigenden Stromes ausgelenkt.
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Unter Zugrundelegung dieser Überlegungen ist es erklärlich, warum
man an Stelle einer einzigen Schleife auch eine Spule und an Stelle einer einzigen
Nadel ein ganzes Nadelbündel verwenden kann. Jede einzelne Wicklung der Spule trägt
zur Verstärkung des Magnetfeldes und, damit zur Erhöhung der elektrischen Feldstärke
bei, und auf jede einzelne Nadel werden .durch die elektrischen Feldlinien bestimmte
Kräfte ausgeübt, die sich addieren und damit zur Verstärkung des Anzeigemomentes
beitragen. Begrenzt wird die Ausbildung der Schleife als Spule beim Anlegen von
Hochfrequenz durch die mit einer Spule verbundene Induktivität. Die Anzahl der Nadeln
ist durch. den zwischen Nadel und Schleife gebildeten kapazitiven BE@ndwiderstand
begrenzt, der parallel zum Verbraucher liegt.
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Bezüglich der Randspannung eines elektrischen Feldes sei noch auf
folgendes hingewiesen: Die Randspannung stellt das Spannungsgefälle in Volt dar,
das durch einen einmaligen Umlauf der Ladungseinheit in einem Feld auf einem Kreis
um den Mittelpunkt der Schleife gemessen wird. Das Spannungsgefälle hat für jeden
Radius einen bestimmten Wert. Bringt man nun in das elektrische Feld einen parallel
zu den Feldlinien verlaufenden Leiter ein, so ist das Spannungsgefälle auf diesem
Leiter annähernd Null; da das gesamte Spannungsgefälle aber konstant bleibt, muß
die gesamte Spannung in .dem zwischen den beiden Enden des elektrischen Leiters
vorhandenen Luftraum ansteigen, wodurch in diesem Raum eine Erhöhung der Feldstärke
auftritt. Eine in diesem Raum befindliche elektrisch geladene Nadel erfährt dadurch.
ein entsprechend, größeres Drehmoment.
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Die Ausschläge des Hochfrequenz - Blindleistungsmessers gemäß der
Erfindung sind der Blindleistung verhältnisgleich. Diese Eigenschaft des Instrumentes
kann zuweilen als nachteilig empfunden werden, vor allem dann, wenn der Meßbereich
des Blindlei.stungsmessers vergrößert werden soll und innerhalb eines bestimmten
Meßbereiches keine allzu hohen Anforderungen an die Meßgenauigkeit gestellt werden.
In diesem Falle kann der Querschnitt der hoch,frequenzstromdurchflossenen Leiterschleife.
vorteilhaft längs des Umfanges ungleichmäßig gestaltet werden. Die Stromdichte -ist
an den Stellen großen Leiterquerschnittes klein, an den Stellen kleinen Leiterquerschnittes
groß. Dies hat zur Folge, daß das elektrische Feld in der Nähe der breiten Leiterschleife
einen etwas größeren Raum erfüllt als an Stellen kleinen Leiterquerschnittes. Je
größer also der Leiterquerschnitt ist, desto kleiner ist die auf den drehbaren Leiter
zur Wirkung kommende elektrische Feldstärke.
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An Hand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele und Einzelheiten
eines Leistungsmessers gemäß der Erfindung beschrieben.
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Die Fig. i zeigt die Gesamtanordnung eines Blindleistungsmessers nach
der Erfindung, in der zur Veranschaulichung außer den Bauelementen für das Meßgerät
auch ein kapazitiver Verbraucher eingezeichnet ist. Der kapazitive Verbraucher besteht
aus den beiden Elektrodenbelägen i und, a und dem zu behandelnden Gut 3. Die Hochfrequenzzuleitung
4 ist .direkt mit der Elektrode i verbunden. In die Zuleitung 5 zur Elektrode z,
ist die das elektrodenlose Ringfeld bildende kreisförmige Schleife 6 eingeschaltet.
Diese Schleife ist, um Störeinflüsse durch Felder, die sich um den Leiter 5 bilden,
zu vermeiden, gegenüber der Zuleitung 5 um 9o° gedreht. Sollte aus baulichen Gründen
eine derartige Drehung nicht möglich sein, ist dafür Sorge zu tragen, daß die Schleife
6
von der Zuleitung 5 einen solchen Abstand bekommt (etwa durch
Parallelführung der Zu- und Ableitung), daß dieFeld!beeinflussung ausgeschaltet
ist. Eine weitere :Möglichkeit, die Störfeldbeeinflussung zu unterdrücken, liegt
darin, durch eine Abschirmung ein Übergreifen des vom Leiter 5 gebildeten Feldes
zu vermeiden. Innerhalb der Leiterschleife 6 ist die Nadel 8, die vorzugsweise aus
einem Aluminiumstreifen besteht, drehbar aufgehängt oder gelagert. Die Aufhängung
kann etwa an einem Faden oder einen dünnen Draht ähnlich wie be :inem Galvanometer
erfolgen. Die Nadel 8 ist mit einer Kurzschlußleitung 9 mit der Hochfrequenzzuleitüng
q. verbunden.
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Fließt Hochfrequenzblindstrom über den Verbraucher 3, so wird die
Nadel 8 ausgelenkt. Als Rückstel,lkraft kann bei einer Aufhängung der Nadel an einem
Faden oder dünnen Draht die Torsionskraft der Aufhängung dienen, bei anderer Lagerung
der Nadel kann sie von einer Rückstellfeder übernommen. werden. Da die Kurzschlußleitung
mit einem kleinen Widerstand behaftet ist, mu,ß mit einem Fehlwinkel bei der Anzeige
gerechnet werden, der aber weit außerhalb der notwendigen Meßgenauigkeit liegt.
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Der Bli:ndleistungsmesser nach der Erfindung wird vorteilhaft mit
einer Dämpfungsvorrichtung versehen, wie sie bei Drehspul- oder Dreheisen-Meßgeräten
an sich bekannt ist. Es ist aber auch möglich, die Nadel in einem mit einer isolierenden
Flüssigkeit kleiner Dielektrizitätskonstante und kleinen tg 8 gefüllten Gefäß zu
befestigten.
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An Stelle einer einzigen kreisringförmigen Leiterschleife kann auch
eine mehrwindige Ring-oder Zylinderspule gesetzt werden. Ferner ist es möglich,
an Stelle eines einzelnen Streifens zur Erhöhung es Drehmomentes mehrere zu verwenden,
die alle zentrisch innerhalb der Schleife oder Spule gelagert sind.
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Die Fig. 2 zeigt eine zweckmäßige Ausführungsform, bei der die Meßanordnung
in eine der Verbraucherelektroden eingebaut ist und durch die Wandung dieser Elektrode
vollkommen abgeschirmt ist. Während die Verbraucherelektrode i von einer einfachen
Platte gebildet wird, deren Ränder zur Verminderung der Übersch.lagsgefahr nach
hinten umgebogen sind, bildet die Elektrode 2 einen allseitig geschlossenen Hohlraum.
Dieser Hohlraum ist unten zur Durchführung der Hochfrequenzzuleitung mit einer Bohrung
16 versehen. Im Inneren der Elektrode bildet die Zuleitung dann die Meßschleife
b, die horizontal, also gegen die Zuleitung um 9o° gedreht, angeordnet ist. Der
Durchmesser des Drahtkreises 6 muß im Vergleich zur Breitenausdehnung der Elektrode
klein gewählt werden, .damit in der Elektrode keine ins Gewicht fallende Ströme
induziert werden. Der Anschluß an die Elektrode 2 erfolgt zweckmäßig im Mittelpunkt
18 der dem Behandlungsgut zugekehrten Seite der Elektrode. Die Leitung 9 wird durch.
die der Öffnung 16 gegenüberliegende Öffnung 17 der Aufhängung io und: damit der
Nadel 8 zugeführt. Die Anzeige erfolgt zweckmäßig mittels Lichtzeiger. Zu diesem
Zweck wird an der Rückseite der Elektrode 2 ein schmaler Schlitz ausgenommen und;
mit einer durchsichtigen Skala versehen. Der Spiegel für die Anzeige wird, uni Streuungen
der Anzeige durch den ausgenommenen Anzeigeschlitz zu vermeiden, etwas oberhalb
der Nadel 8 am Torsionsfaden io angebracht. Der Anzeigeschlitz kann gegen Streufeld
zusätzlich mit einem dünnmaschigen Netz versehen werden.
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Die Fig.3 zeigt eine Ausbildung der Einrichtung nach der Erfindung,
bei der zur Erhöhung der Empfindlichkeit des Meßgerätes innerhalb der Schleife 6
zusätzlich zwei Kreisscheiben- oder Zylindersegmente i i und 12 koaxial angeordnet
sind. Diese Segmente können z. B. aus Blechstreifen aufgebaut sein, die voneinander
isoliert sind. Ihre Breite soll etwa der Höhe des kreisförmigen gebogenen Leiters
6 entsprechen.
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Die Fig. q. zeigt eine Leiterschleife mit längs ihres Umfanges ungleichmäßiger
Leiterstärke. Diese wird mit Vorteil dann angewandt, wenn auf eine nichtlineare
Anzeigeskala Wert gelegt wird.
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Die Ausbildung nach Fig. 5 unterscheidet sich von der in Fig. i gezeigten
Einrichtung dadurch, daß zur Erhöhung der Nadel-Drahtkreis-Kapazität an den Enden
der Nadel 8 Querstreifen 13 parallel zur Leiterschleife 6 angebracht sind. Diese
Querstreifen 13 werden vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die Nadel 8 gefertigt
und dienen zur Herabsetzung des kapazitiven Widerstandes zwischen. Nadel und Schleife.
Liegt an der »Nadel« eine hohe Spannung, so wird man sie zur Vermeidung von Überschlägen
hantclförmig ausbilden.
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Die Fig.6 zeigt eine Einrichtung ähnlich der in Fig. 5. An Stelle
einer schmalen ist hier eine zylinderförmige einwindige Spule verwendet. Der Streifen
8 besteht aus der rechteckigen Blechfahne 1q., und! die Querstreifen 13 der Fig.
5 sind durch die rechteckig angesetzten Bleche 15 ersetzt.
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Ein besonderer Vorteil des Meßgerätes nach der Erfindung ergibt sich
dadurch, daß durch das Einschalten eines Hochohmwiderstandes in die Kurzschlußleitung
9 der Blindleistungsmesser in einen Wirkleistungsm.esser umgeschaltet werden kann.
Dieser Widerstand kann zusammen mit der Meßeinrichtung in das Schutzgehäuse des
Hochfrequenzgenerators eingebaut werden. Sein Einschalten erfolgt zweckmäßig durch
das Betätigen eines Schalters an der Instrum.entenschaltwand des Generators. Der
Schalter kann den Widerstand entweder unmittelbar oder über ein Relais ein-und ausschalten.
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Zur Ausschl'agsanzeige des Instrumentes kann auf die Leiterschleife
6 eine geeichte Skala aufgesetzt werden. Vorteilhaft wird jedoch das gesamte Meßgerät
in einem Gehäuse, z. B. aus Isolierstoff .mit kleiner Dielektrizitätskonstante,
untergebracht und zur Anzeige - ähnlich wie bei einem Spiegelgatvanometer - mit
einem Lichtzeiger versehen. Wird das Meßgerät in dem Schutzgehäuse eines Hochfreqenzgenerators
untergebracht, so
kann die Anzeige mittels Lichtzeiger an der Instrumentenwand
des Generators erfolgen.