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Vielfachmeßgerät für Wechselstrom Die im folgenden näher beschriebene
Erfindung bezieht sich auf ein umschaltbares Vielfachmeßgerät für Wechselstrom zur
Spannungs- Strom- und Widerstandsmessung, sowie zur direkt anzeigenden Messung der
Frequenz, des Wirkstromes und des Wirk- bzw.
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Blindfaktors. Es sind zwar phasenempfindliche Vielfachmeßgeräte bekannt,
jedoch nicht für eine derartige Vielzahl von Meßmöglichkeiten und derartigen Phasenwinkelmeßprinzipien.
Vielmehr beschränken sie sich auf Kombinationen wie Strom- und Spannungsmessung,
kombiniert mit Widerstandsmessung oder mit Wirk-Blindstrommessung nach anderen Prinzipien.
Bei Kombination der bekannten Vielfachmeßschaltungen würde ein derartiger Aufwand
an Bedienungselementen nötig sein, daß das Meßgerät für die praktische Handhabung
zu kompliziert würde.
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Dagegen weist das Instrument nach der Erfindung den Vorteil auf, daß
zum Vorabgleich bzw. zur Voreinstellung bei den verschiedenen Meßarten außer den
Meßartenwahlschaltern nur eine Taste und ein einstellbarer Widerstand benötigt werden.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein mit dem veränderbaren Vor- oder
Nebenwiderstand zur am menarbeitender mehrpoliger Tastschalter vorgesehen ist, der
sowohl zur Voreinstellung auf einen - festen Meßwerksvorwiderstand zur J cos Messung,
zur Voreinstellung einer festen Spannungsbezugsgröße zur Frequenzmessung als auch
zur Voreinstellung einer festen, einer Batterie entnommenen Gleichspannung dient.
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Die Schaltung dieses neuen Gerätes ist in Fig. 1 dargestellt.
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In seinen Hauptteilen besteht das Gerät aus dem Spannungswandler
1, dem Stromwandler 3, dem Anzeigeinstrument 4, dem Vollweggleichrichter 5 und dem
Ring fremdgesteuerter Gleichrichter 6, die über einen Schalter mit den Schaltebenen
S1 bis S6 untereinander und mit den weiter unten noch näher erläuterten weiteren
Bauelementen verbunden werden können.
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Außerdem ist ein Druckschalter7 mit den Kontakten K1 bis K3 vorhanden,
auf dessen Wirkungsweise ebenfalls weiter unten noch näher eingegangen wird.
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Der Spannungswandler 1 besitzt mehrere Anzapfungen, die mit dem Schalter
S7 eingestellt werden können; in gleicher Weise ist die Primärseite des Stromwandlers
3 unterteilt und mit dem SchalterS8 verstehen.
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Der mit den Schaltebenen S1 bis S6 ausgerüstete Meßarten-Wahlschalter
hat neun Stellungen, wobei die Stellung 1 und 2 zur Frequenzmessung, die Stellung
3 zur Spannungsmessung, die Stellung 4 zur Strommessung, die Stellungen 5 und 6
zur Wirkstrom-und Phasenwinkelmessung und die Stellungen 7 bis 9 zur Widerstandsmessung
dienen.
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Die weitere Beschreibung des Gerätes soll nunmehr an Hand der einzelnen
durchführbaren Meßmöglichkeiten erfolgen.
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In Stellung3 des Wahlschalters dient das Gerät zur Spannungsmessung.
Dabei wird die zu messende Spannung an die Eingangsklemmen des Spannungswandlers
1 gelegt; mit dem Schalter S7 wird der entsprechende Bereich eingestellt. Von der
Sekundärseite des Wandlers wird die Spannung einmal direkt dem Gleichrichter 5 zugeführt,
zum anderen über die Schaltebene S1 und den Widerstand 8. Das Drehspulinstrument
4, das gemäß F i g. 2 mit mehreren Skalen versehen ist, liegt einmal über die Schaltebene
S, direkt am Pluspol des Gleichrichters 5 und mit seinem anderen Anschluß über den
Schalter S4, den Vorwiderstand 9 und den Kontakt K2 an dessen Minuspol.
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Das Anzeigeinstrument mißt dann den am Widerstand 10 auftretenden,
der Meßgröße proportionalen Gleichspannungsabfall. Diese Messung kann auch dann
durchgeführt werden, wenn gleichzeitig der Wandler 3 zu einer Strommessung angeschlossen
ist, da die Sekundärwicklung des Stromwandlers 3 gleichzeitig über die Schaltebene
S8 kurzgeschlossen ist.
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In Stellung 4 des Wahlschalters arbeitet das Gerät als Strommesser.
Der Anschluß erfolgt am Stromwandler 3. Zur Gleichrichtung wird ebenfalls wieder
der Gleichrichter 5 verwendet. Über die Schaltebenen S2 und S3 liegt er an der Sekundärwicklung
des Stromwandlers 3. Das Anzeigeinstrument 4 ist in gleicher Art wie bei der Spannungsmessung
über die Schaltebenen S4 und S6 mit dem Gleichrichter 5 verbunden. Wiederum wird
der Gleichspannungsabfall am Widerstand 10 über den Vorwiderstand 9 gemessen, wobei
letzterer so dimensioniert ist, daß das Instrument bei der jeweiligen, die Primärwicklung
des
Stromwandlers durchfließenden Nennstromstärke, Vollausschlag anzeigt.
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Zur Widerstandsmessung werden je nach dem Meßbereich die Schalterstellungen
7, 8 oder 9 benutzt.
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Die Messung selbst erfolgt nach dem Prinzip der Durchgangsmessung.
Der zu messende Widerstand wird an die mit g bezeichneten Klemmen angeschlossen.
Dabei ist eine dieser Klemmen direkt mit dem Meßinstrument 4 verbunden. Die andere
Klemme führt über die Batterie 11 und einen Vorwiderstand 12 zum anderen Pol des
Meßinstrumentes. Direkt parallel zum Meßinstrument 4 liegt eine Widerstandskombination,
die aus den Einzelwiderständen 13, 14 und 15 besteht, wobei der Widerstand 15 regelbar
ist.
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Die Bereichswahlwiderstände 16 bis 18 liegen parallel zum Widerstand
12 und der bereits erwähnten Widerstandskombination 13 bis 15. Der Regetwiderstand
15 ist so bemessen, daß er sowohl zur Voreinstellung einer Strombezugsgröße, auf
die weiter unten noch näher eingegangen wird, als auch zur elektrischen Nullpunktskorrektur
des Meßinstrumentes bei der Widerstandsmessung dienen kann.
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Durch Drücken der Schalttaste 7 überbrückt der Kontakt Kl die mit
Q bezeichneten Klemmen, so daß bei der Nullpunktkorrektur kein äußerer Kurzschluß
an diesen Klemmen erforderlich ist.
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Die Schaltung des Gerätes und die Zuordnung der einzelnen Kontakte
der Schaltebenen S1 bis S6 ist so gewählt, daß sich die bei den einzelnen Meßarten
eingeschalteten Bauelemente nicht gegenseitig beeinflussen. So kann beispielsweise
eine Widerstandsmessung vorgenommen werden, ohne daß die Leitungen zum Strom- oder
Spannungswandler abgeklemmt werden müssen; auch wird beispielsweise die Batterie
11 nicht belastet, wenn zur Voreinstellung der bereits erwähnten und später noch
näher erläuterten Strombezugsgröße bei Schalterstellung 4 der Druckschalter 7 betätigt
wird.
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Die Frequenzmessung beruht im Prinzip auf einer Strommessung über
einen frequenzabhängigen Widerstand. Dieser frequenzabhängige Widerstand wird dabei
für den unteren Meßbereich (Schalterstellung 2, 40... 400 Hz) aus den in Serie liegenden
Induktivitäten 20 und 21 und für den höherfrequenten Meßbereich (Schalterstellung
1, 400... 4000 Hz) aus der Induktivität 21 und dem Serienwiderstand 23 gebildet.
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Zur Frequenzmessung selbst wird der Wahlschalter zuerst in Stellung
3 (Spannungsmessung) gebracht; sodann wird mit Hilfe des Schalters S7 der passende
Spannungsmeßbereich ausgewählt. Sodann wird die Schalttaste 7 gedrückt. Der vom
Gleichrichter 5 erzeugte Meß-Gleichstrom fließt jetzt nicht mehr über den Festwiderstand
9, sondern wird durch den umgelegten Kontakts, über die Schaltebene S5 und die Widerstandskombination
14 und 15 zum oberen Anschluß des Meßinstrumentes 4 geführt. Mit dem veränderlichen
Widerstand 15 wird dann der Meßwerkzeiger auf den Ausgangspunkt der Frequenzskala,
beispielsweise 40 Hz, eingestellt. Nach Umschaltung des Wahlschalters auf Stellung
1 oder 2 kann dann die anliegende Frequenz am Meßinstrument direkt abgelesen werden.
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Zur Phasenwinkelmessung in den Schalterstellungen 5 und 6 dient die
Gleichrichterschaltung 6 nach Art eines Ringmodulators, die sowohl mit aufgezwungenem
Steuerstrom als auch mit aufgezwungenem Meßstrom arbeitet. Sie bildet die Vektorsumme
und
Vektordifferenz aus Strom und Spannung. Durch Zusammenwirken dieser Vektoren
ergeben sich Meßwerte proportional dem Wirkstrom J cos 5U. Zur cos ./- und sin Messung
kann mit Hilfe des Drehpotentiometers 15 der Strom eliminiert werden. Die Spannung
dient lediglich als Steuergröße und geht als solche nicht in die Messungen ein.
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Zur Messung sclbst werden Spannung und Strom angeschlossen. Die Sekundärspannung
des Wandlers 1 erzeugt über den Widerstand 24 einen Steuerstrom, der über die beiden
gleich großen Widerstände 25 und 26 symmetrisch in die Ringmodulatorschaltung6 eingespeist
wird. Der Sekundärstrom des Wandlers 3 bewirkt an den Widerständen 25 und 26 einen
Gleichspannungsabfall, der dem Produkt J cos cp proportional ist und der über die
Schaltebenen S5 und S8 und die Widerstandskombination 14 und 15 vom Meßwerk erfaßt
wird. Der Widerstand 14 dient hier zum Feinabgleich dieser Widerstandskombination.
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In den Zuleitungen vom Stromwandler 3 zum Ringmodulator 6 liegen
die Widerstände 27 und 28.
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Diese Widerstände dienen dazu, die bei der Strom-Voreinstellung in
Schalterstellung 4 und bei der anschließenden Phasenwinkelmessung in den Stellungen
5 und 6 an den Stromeingangsklemmen erscheinenden Eingangswiderstände des Gerätes
einander anzugleichen. Dies ist deswegen erforderlich, weil die Widerstände der
Gleichrichter 6 infolge der Vorsteuerung durch die Steuerspannung wesentlich niedriger
sind als die Widerstände der Elemente des bei der Strom-Voreinstellung wirksamen
Graetzgleichrichters 5. Ungleiche Eingangswiderstände an den Strom-Eingangsklemmen
würden aber zu Fehlern bei der Winkelmessung führen, wenn das Gerät in einen Kreis
eingeschaltet wird. in dem ein nicht aufgezwungener Strom fließt.
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Bei der Messung des Wirstromes J cos g (Schalterstellung 5 und 6)
ist der Gesamtwiderstand der Kombination 14 und 15 durch den letzteren so einregelbar.
daß er gleich dem Wert des Widerstandes 9 wird. Zur Messung des Wirkstromes ist
also nur erforderlich, den Widerstand 15 auf seinen Höchstwert, d. h. auf den Endanschlag
des Potentiometers einzustellen.
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Bei der cos sr- bzw. sin Messung ist der Strom aus dem Produkt J
cos W durch eine Strom-Voreinstellung zu eliminieren. Dazu wird in Schalterstellung
4 der Widerstand 15 so verstellt, daß das Instrument 4 Endausschlag anzeigt. Die
Umschaltung auf die Schalterstellung 5 oder 6 ergibt dann die direkte cos - bzw.
sin cl-Anzeige.
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Die Schalterstellungen 5 und 6 unterscheiden sich dadurch, daß lediglich
das Meßwerk umgepolt wird; es ist daher nicht erforderlich, bei Spannung- und Stromanschluß
auf die richtige Polung der Eingangsgrößen zu achten.
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Da diese Skalen gemäß Fig. 2 für die Phasenwinkelmessung bei kapazitiven
und induktiven Werten die gleichen sind, muß durch einen Test das kapazitive oder
induktive Verhalten festgestellt werden. Dazu wird in der Schalterstellung 5 oder
6 die Schalttaste 7 gedrückt. Dadurch schaltet der Kontakt K, den Kondensator 29
und den mit ihm in Serie liegenden ohmschen Widerstand 30 parallel zur Steuerstromquelle.
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Die vorteilhafte Arbeitsweise dieser Parallelschaltung beruht darauf,
daß bei niedrigen Frequenzen als Bürde hauptsächlich der Kondensator wirksam ist
und
eine Verdrehung des Kappschen Kurzschlußdreiecks des Spannungswandlerdiagramms bewirkt,
so daß die Spannung ihrer ursprünglichen Phasenlage um einige Winkelgrade nacheilt.
Um diese künstliche induktive Phasenverschiebung innerhalb des Gerätes werden kapazitive
Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung vergrößert, induktive hingegen verkleinert.
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Entsprechend verkleinert bzw. vergrößert sich beim Test der angezeigte
cos y-Wert. Bei höheren Frequenzen hat die Serienschaltung überwiegend ohmschen
Charakter, so daß hier die Streuspannung vergrößert wird. Durch diese beiden Funktionsmechanismen
bleibt die Wirkung des Phasenwinkeltests innerhalb eines sehr weiten Frequenzbereiches
erhalten. Wie leicht einzusehen ist, werden die Brückenverhältnisse hierdurch nicht
geändert.
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Letzendlich sei noch erwähnt, daß der Kondensator 31 in bekannter
Weise zum Kurzschließen von Oberwellen dient, die in der Meßschaltung dadurch entstehen,
daß der am Ausgang erscheinende Gleichstrom-Meßwert die Form pulsierender und am
Anfang und Ende der Steuerhalbwelle schaftabgehakter Kurvenzüge hat.