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Meßeinrichtung zur Verlustmessung an Elektroblechen nach Epstein
Die
Erfindung betrifft eine zur Durchführung von Verlustmessungen an Elektroblechen
dienende Meßeinrichtung, die im Epsteinverfahren verwendet wird.
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Man hat bisher Verlustmengen an Elektroblechen nach dem Epsteinschen
Verfahren in der Weise durchgeführt, daß die Windungszahl der Meßspulen des Meßgerätes
festgelegt war. Dies bedingte, daß man zur Anpassung an den Aufnahmeapparat zwischen
diesem und dem Meßgerät einen Vorwiderstand anordnen mußte, der den Strom auf den
Nennstrom des angeschlossenen Meßinstrumentes reduzierte. Dies bedingte wiederum,
daß in dem Vorwiderstand des Leistungsmessers ein gewisser Leistungsverbrauch stattfand,
der zusammen mit der eigentlichen zu messenden Verlustleistung den Ausschlag des
Leistungsmessers bestimmte. Dieser Verlustanteil war verhältnismäßig groß und konnte
den Meßwert der zu ermittelnden Verlustleistung sogar übersteigen.
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Wenn auch die genannte Verlustleistung im Spannungspfad des Leistungsmessers
vom angezeigten Leistungswert des Leistungsmessers abgezogen wurde, um den Eisenverlustwert
zu erhalten, so hat die Verlustleistung wesentlichen Einfluß auf die Meßgenauigkeit.
Bei diesem Verfahren wurde also die Genauigkeit der Messung des Verlustes an den
Blechen durch das Mißverhältnis zwischen Eigenverbrauch des Instrumentes und dem
eigentlichen Meßwert stark beeinträchtigt.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, als Leistungsmesser einen solchen
zu verwenden, dessen Spannungspfad niedrige Nennspannung und Ideinstmöglichen Eigenverbrauch
im Vergleich zu den bei diesen Meßeinrichtungen bisher üblichen Werten (90 V, 2,
70 W) aufweist, und in Anpassung an diesen Leistungsmesser die Windungszahl der
Sekundärwicklung des Epstein-Apparates so zu wählen, daß die Ausgangsspannung des
unter vorgeschriebener Induktion im Eisenblech arbeitenden Epstein-Apparates nur
wenig unter der Nennspannung des Spannungspfades des Leistungsmessers liegt.
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Der Querschnitt der Sekundärwicklung wird dabei so bemessen, daß
der Ohmsche Widerstand derselben vernachlässigbar klein ist gegenüber dem Widerstand
des Leistungsmesserspannungspfades.
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Während also der Verbrauch in der Sekundärwicklung des Aufnahmeapparates
wie auch schon bei den bisherigen Apparaten vernachlässigbar klein bleibt, wird
bei der neuen Anordnung auch der Eigenverbrauch des Spannungspfades des Leistungsmessers
verhältnismäßig flein gegenüber dem zu ermittelnden Meßwert. Ebenso ist es zweckmäßig,
die Windungszahl der Primärwicklung des Aufnahmeapparates derart an die Netzverhältnisse
des speisenden Netzes einerseits und den Meßbereich des Strompfades vom Leistungsmesser
andererseits anzupassen, daß die Anordnung von Vorwiderständen zur Vernichtung von
Energie unnötig wird, so daß die durch solche Vorwiderstände oder Hilfstransformatoren
wesentlich beeinflußten, für das Meßverfahren ungünstigen Veränderungen der Spannungskurve
auf ein Mindestmaß beschränkt werden. Bei einer derartigen Auswahl der primären
und sekundären Windungszahl brauchen dieselben auch nicht gleich groß zu sein.
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Bei der Verlustmessung nach Epstein an Elektroblechen wird der Induktionswert
mittels der Spannung eingestellt. Nach dem Epsteinverfahren wird im Leistungsmesser
der Strom der Primärwicklung und die Spannung der Sekundärwicklung im Leistungsmesser
zusammengeführt und deren Produkt unter Berücksichtigung des Phasenwinkels und des
Windungsverhältnisses von Primär-zur Sekundärwicklung gebildet. Hierdurch sind in
der Leistungsanzeige außber den wirklichen Blechverlusten auch die Verluste des
Spannungskreises des Leistungsmessers sowie die Verluste des zur Induktionsbestimmung
angeschlossenen Spannungsmessers enthalten.
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Der eigentliche Meßwert wird also als Differenzwert vom Anzeigewert
und dem ermittelten Summenverlust vom Spannungskreis des Leistungsmessers und Spannungsmessers
ermittelt. Je besser die Blechsorten werden, um so kleiner werden ihre Verluste,
um so größer wird damit im Verhältnis der in der Anzeige enthaltene Verlustanteil
der Meßinstrumente. Das Endergebnis müßte bei Beibehaltung des bisherigen Meßverfahrens
immer ungenauer werden, da der übriggebliebene auf das unbekannte Blech im Aufnahmeapparat
bezügliche Meßwert weniger als 50°lo des wirklichen Anzeigewertes entspricht und
bei Weiterentwicklung von Elektroblechen mit niedrigen Wattverlusten das Verhältnis
Instrumentenverluste zu Blechverlusten immer größer, d. h. ungünstiger für den absoluten
Meßwert wird.
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Ausführungsbeispiel Die Windungszahl der Sekundärwicklung des Epstein-Apparates
ist bei der bisherigen Bauform mit W = 600 Windungen fest gegeben. Dieser Windungszahl
entspricht bei einer Induktion von 10000 Gauß und einem den Probemassen und Gewicht
entsprechenden Eisenquerschnitt eine Spannung von etwa 86 Volt. Benutzt man einen
Spannungsmesser von zoo Volt Vollausschlag und einer Klassengenauigkeit von 0,5%
so wird der Meßwert mit einer Genauigkeit von 0, 58"/o festgestellt. Der Eigenwiderstand
des Spannungsmessers beträgt hierbei 800 Ohm, so daß sein Eigenverbrauch U2 862
7400 = = = 9,25 Watt 9, 25 Watt beträgt.
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Der Spannungskreis des Leistungsmessers ist normalerweise für einen
Maximalstrom von 30 mA ausgelegt. Infolgedessen beträgt sein Eigenwiderstand bei
go Volt 3000 Ohm und sein Eigenverbrauch U2 862 7400 = = = 2,47 Watt.
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R 3000 3000 Hat die Blechsorte einen Wattverlust von z, z W/kg und
die Probe ein Gewicht von 10 kg, so beträgt der zu ermittelnde Meßwert ii, 00 Watt
für die Blechprobe 2, 47 Watt fiir den Leistungsmesser 9, 25 Watt für den Spannungsmesser
22, 73 Watt.
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In dem Zeigerausschlag entspreched : 32, 7 Watt oder o0°/o sind 48,
%dem eigentlichen Meßwert zugeordnet und 51, % Korekturen enthalten.
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Hat die Blechsorte einen Wattverlust von o, 6 W/kg, wie sie heute
bereits vorkommt, so ergeben sich 6, oo Watt für die Blechprobe 2, 47 Watt für den
Leistungsmesser 9, 25 Watt für den Spannungsmesser 17, 72 Watt, d. h., 34°/o des
Zeigerausschlages entsprechen dem zu ermittelnden Meßwert und 66 °o dem Korrekturwert.
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Nehmen wir an, daß ein Spannungsmesser mit wesentlich niedrigerem
Eigenverbrauch zur Anwendung kommt oder aber der Spannungsmesser mit dem hohen Eigenverbrauch
während der Zeit, in welcher der Leistungsmesser abgelesen wird, abgeschaltet wird,
so werden die vorstehenden Zahlenwerte für Beispiel 1 von z, i W/kg Blech geändert
auf II, 00 Watt für die Blechprobe 2, 47 Watt für den Leistungsmesser 13,47 Watt.
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In dem Zeigerausschlag von 13, 47 Watt oder zoo 0/, sind 81, 8% dem
eigentlichen Meßwert zugeordnet und 18, 2 °/o Korrekturen enthalten.
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Für Beispiel 2 gilt 6, oo Watt für die Blechprobe 2, 47 Watt für den
Leistungsmesser 8, 47 Watt.
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In dem Zeigerausschlag von 8, 47 Watt oder 100% sind 70, 8% dem eigentlichen
Meßwert zugeordnet und 29, 2 °/0 Korrekturen enthalten.
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Um mit dem Meßverfahren auf die geforderte Genauigkeit zu kommen,
hat man zwei Maßnahmen durchzuführen : i. Nachdem am Spannungsmesser der dem Induktionswert
zugeordnete Spannungswert eingestellt und abgelesen ist, wird der Spannungsmesser
abgeschaltet und ein variabler Vorwiderstand des Leistungsmessers so verkleinert,
wie es dem Meßbereich dieses Instrumentes entspricht. Damit wird der Eigenverbrauch
des Spannungsmessers aus der Leistungsmessung eliminiert und gleichzeitig diese
Belastung der Sekundärwicklung in etwa gleichgehalten mit dem Wert bei der Einstellung
der Spannung.
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2. Die Windungszahl der Sekundärwicklung wird so klein wie möglich
gehalten, d. h., eine solche Spannung wird gewählt, wie sie für die zu erzielende
Meßgenauigkeit des Leistungsmessers vorausgesetzt wird.
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Als Beispiel sei angegeben : Windungszahl der Sekundärwicklung W
= 200 Windungen. Bei in oxo Gauß ergibt sich unter sonst gleichen Voraussetzungen
wie im vorigen Beispiel eine Spannung von 28, 6 Volt.
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Benutzt man einen Spannungsmesser mit 50 Volt Vollausschlag und einer
Klassengenauigkeit von o, 5%, so wird der Meßwert mit einer Genauigkeit von #0,87%
festgestellt, der Eigenwiderstand des Spannungsmessers beträgt hierbei 400 Ohm,
so daß sein Eigenverbrauch U2 28,62 820 = = = 2,05 Watt R 400 400 beträgt.
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Der Spannungskreis des Leistungsmessers hat einen Eigenwiderstand
von iooo Ohm für 30 Volt, sein Verbrauch ist U2 820 = = 0,82 Watt.
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R 1000 Bei einem Blech von i, i W/kg ergeben sich ii, 00 Watt für
die Blechprobe o, 82 Watt für den Leistungsmesser 11, 82 Watt.
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Damit sind 93°/0 des Zeigerausschlages dem eigentlichen Meßwert und
nur 7"/o Korrektur zugeordnet.
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Bei einem Blech von o, 6 W/kg ergeben sich 6, oo Watt für die Blechprobe
0, 82 Watt für den Leistungsmesser 6, 82 Watt.
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Damit sind 88% des Zeigerausschlages dem eigentlichen Meßwert zugeordnet.
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Es sei darauf hingewiesen, dak durch dieses Verfahren der Meßbereich
des Leistungsmessers in seiner Empfindlichkeit entsprechend höher gewählt werden
kann, d. h., wenn er vorher für einen Ausschlag von 22, 7 Watt gewählt werden mußte,
er nunmehr für einen Ausschlag für 11, 82 Watt oder für das zweite Beispiel von
17, 72 bzw. 6, 82 Watt gewählt werden kann, wodurch die Meßgenauigkeit nochmals
erhöht wird.
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Ebenso wie die Sekundärwindungszahl auf die vorbeschriebene Art angepaßt
« wird, muß auch die Primärwindungszahl angepaßt werden, und zwar so, daß der Meßstrom
dem Maximalstrom des gewählten Meßbereiches des Leistungsmessers entspricht.
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Da die Verlustmessungen an Eisenblechen stets mit einer großen Phasenverschiebung
zwischen Strom und Spannung verbunden sind, ist der Wert des vorbeschriebenen Verfahrens
insofern wesentlich, als er die Verwendung von Leistungsmessern mit Vollausschlag
bei cos 9 kleiner als i erst voll zum wirkungsvollen Einsatz bringt. Dies gilt insbesondere
für die Fälle, bei denen bei einem Induktionswert größer als io0000 Gauß, also beispielsweise
15000 Gauß, gemessen werden soll. Hierbei fällt der cos g auf Werte zwischen 0,
2 und o, z, so daß im Zusammenhang mit dem stark ansteigenden primären Magnetisierungsstrom
das angegebene Verfahren noch Messungen mit Genauigkeiten in der Größenordnung von
etwa #0,8% zuläßt bei Verwendung von Instrumenten der Klassengenauigkeit von o,
5 °/o für Spannungs-und Leistungsmesser.
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Ganz allgemein kann man die Genauigkeit der Messung des angegebenen
Meßverfahrens durch die folgende Formel darstellen, deren Ableitung hier zu weit
führen würde :
wobei GM der mögliche Fehler, nE die Verlustziffer, G E das Probengewicht, KN die
Klassengenauigkeit des Leistungsmessers, mu der Meßbereich des Leistungsmessers,
Uv der Meßwert der Spannung, KV die Klassengenauigkeit des Spannungsmeessers, #v
der Widerstand pro Volt im Spannungskreis des Leistungsmessers sein soll.
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Falls, wie im folgenden angenommen wird, K, = KN = K ist, folgt :
Wendet man diesen Ausdruck auf die bisher zur
Diskussion stehenden
Beispiele an, so ergeben sich folgende Werte von GM als mögliche Fehler : A. für
die bisherige Meßmethode GE = ru kg Uv = 86,0 V av = 33, #/V Kv = KN = 0,005 mN
= 2,5 # 90 # 01 = 22, 5 Watt i. nE = z, i W/kg
0,005 = # [22,5 + 5,16] 11 0,005 = # 27,66 = 0,01257 # 1,26% 11 2. nE = o, 6 W/kg
GM =0,005/6 27, 66 = o, 02305 # 2, 30"/o B. für die Meßmethode nach dem Erfindungsgegenstand
GE = io kg Uv = 28, 6 V av = 33, 3 Q/V Kv = KN = 0-, 005 mN = 2, 5. i = 15 Watt
3. mE = r, 1 W/kg
0,005 [15 + 1,72] = # 16,72 = 0,0076 # 0,76% 11 4a) nE = 0,6 W/kg 0,005 Gm = # 16,72
= 0,0139 # 1,39% 6 4b) wählt man den möglichen kleineren Meßbereich von mN = 2,5
# 30 # 0,1 = 75, Watt 0,005 0,005 Gm = # [7,5 + 1,72] = # 9,22 6 6 = 0,00768 # 0,768%.
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Aus der Gegenüberstellung der Ergebnisse der allgemeinen Ableitung
erkennt man, daß der mögliche Fehler vergleichsweise im Beispiel i gegenüber 3 auf
etwa 60°/o herabgesetzt wird oder ein Genauigkeitsgewinn von o, zozo erzielt wird,
daß der mögliche Fehler vergleichsweise im Beispiel æ gegenüber 4a auf etwa 6ouzo
herabgesetzt wird oder ein Genauigkeitsgewinn von o, ai"/o erzielt wird, daß der
mögliche Fehler vergleichsweise im Beispiel 2 gegenüber 4b auf etwa 33% herabgesetzt
wird oder ein Genauigkeitsgewinn von 1, 53°/o erzielt wird.
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Die gewählte Windungszahl für die Primär-als auch die Sekundärwicklung
ist von wesentlichem Einfluß auf das Meßergebnis und muß sich, wie vorher ausgeführt,
lediglich nach den Instrumentenauslegungen richten. Hierdurch ist es möglich, ohne
auf Spezialinstrumente zurückzugreifen, mit den heute für andere Zwecke geschaffenen
Instrumenten das international anerkannte Epsteinverfahren auch für die besten und
damit verlustärmsten Blechsorten zu benutzen.
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Ein besonderer Vorteil des beschriebenen Verfahrens zur Ausbildung
von Meßeinrichtungen zur Verlustmessung an Elektroblechen liegt darin, daß keine
Sonderinstrumente hergestellt zu werden brauchen, sondern daß mit den marktgängigen
Instrumenten ein Optimum an Meßgenauigkeit in dem beschriebenen Verfahren erzielt
werden kann. Dabei fällt besonders stark ins Gewicht, daß auch bei fortschreitender
Verbesserung der Blechqualität und entsprechender Verringerung der Verlustwerte
das beschriebene Verfahren die Möglichkeit gibt, die Meßgenauigkeit nicht nur beizubehalten,
sondern sogar zu erhöhen. Dies gilt auch für Verlustmessungen, die bei Induktionen
durchgeführt werden, die höher als 15 ooo Gauß liegen.
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In der Zeichnung ist eine zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
dienende Schaltung beispielsweise dargestellt.
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Aus dem Netz x, 2 wird die Primärwicklung 3 gespeist, deren Strom
weiter durch den Leistungsmesser 4 geht. Die Sekundärwicklung 5 speist über den
Schaltkontakt 6 einerseits den Spannungsmesser 7, andererseits über einen Vorwiderstand
8 mit großem Ohm-Wert und über einen den Meßbereich bestimmenden Vorwiderstand g
den Leistungsmesser.
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Die Spannung wird am Spannungsmesser entsprechend der Induktion eingestellt,
darauf wird durch Drücken des Schaltkontaktes 6 umgeschaltet in der Art, daß der
Spannungsmesser ausgeschaltet wird und der Leistungsmesser den Meßwert über den
entsprechenden Vorwiderstand anzeigt.
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Die vom Erfinder gefundene Erkenntnis besteht darin, daß durch die
im Erfindungsgegenstand enthaltenen Maßnahmen der mögliche Fehler so weit herabgesetzt
werden kann, daß die Anwendung von Instrumenten hoher Klassengenauigkeit sinnvoll
ausgenutzt wird.