DE144747C

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Publication number: DE144747C
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Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Vorliegende Erfindung bezieht sich auf Wechselstrom-Meßgeräte und insbesondere auf solche, welche auf Änderungen der Frequenz oder Periodenzahl von Wechselströmen ansprechen. Mit Meßgeräten dieser Art kann man dann genau die Geschwindigkeit einer Drehachse messen, und man kann sie auch zur Regelung von solchen Apparaten benutzen, welche in Rücksicht auf die Geschwindigkeit einer Drehachse oder die Frequenz eines Wechselstromes geregelt werden sollen.

Nach vorliegender Erfindung werden zu diesem Zwecke zwei Systeme von gegen einander beweglichen Spulen benutzt. Das eine System besteht aus einer einzelnen Spule, welche ein Wechselstromfeld hervorrufen kann; das andere System besteht aus zwei Spulen, die in dem von der ersten Spule hervorgerufenen Feld angeordnet sind. Diese beiden Spulen sind gegeneinander fest, aber um einen Winkel gegeneinander verdreht, und werden von Strömen derselben Wechselstromquelle durchflossen; diese Ströme sind gegeneinander um einen gewissen Winkel, meist 90⁰, in der Phase verschoben. Wird nun das eine Spulensystem mit einer Wechselströmquelle verbunden und so angeordnet, daß es sich frei um seine Achse drehen kann, und wird das andere System mit derselben Wechselstromquelle verbunden, so wird, wenn die Ströme in den beiden Systemen ihre gegenseitigen Phasenverschiebungen ändern, die Bewegung des beweglichen Systems genau proportional diesen Phasenänderungen sein, vorausgesetzt, daß zwischen den beiden relativ festen Spulen der räumliche und der Phasenverschiebungswinkel von 90° aufrecht erhalten bleibt und ihre Amperewindungen gleich sind.

Dieses Meßgerät wird nun nicht wie ähnliche bekannte Meßgeräte zur Messung von Phasenverschiebungen, sondern als Frequenzanzeiger benutzt, und zwar unter Anwendung des Resonanzprinzips. Es ist bekannt, daß Resonanz in einem Wechselstromkreis eintritt, wenn der reziproke Wert des Produktes der Selbstinduktion in Henrys mit der Kapazität in Farads gleich einer Konstanten ist, multipliziert mit dem Quadrat der Frequenz; daher kann durch eine geeignete Bemessung der Kapazität und Induktanz ein bei einer beliebig gewählten Frequenz resonierender Stromkreis hergestellt werden, und bei dieser Frequenz wird dann weder ein Zurückbleiben noch ein Voreilen des Stromes in bezug auf die elektromotorische Kraft stattfinden. Es ist wohl bekannt, daß für einen resonierenden Stromkreis eine sehr schnelle Änderung des Leistungsfaktors des hindurchfließenden Stromes bei verhältnismäßig kleinen Frequenzänderungen stattfindet. Wenn dem gemäß der Stromkreis, mit welchem eins der beiden Spulensysteme im Phasenmesser verbunden ist, für eine bestimmte oder die normale Frequenz auf Resonanz gestimmt ist, wird jede Abweichung von dieser Frequenz durch das bewegliche Element des Anzeigers gemessen.

Fig. ι zeigt eine schematische Ansicht eines derartigen Frequenzanzeigers in Anwendung bei einem Einphasenwechselstrom.

Fig. 2 zeigt eine Anwendung als Geschwindigkeitsanzeiger.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung zur Messung weit verschiedener Frequenzen.

Fig. 4 zeigt die Verwendung als Regulator. Fig. 5 und 6 zeigen Abarten in der An-Ordnung..

Fig. 7 zeigt eine Anordnung zur selbsttätigen Änderung des Gleichgewichtes im abgestimmten Stromkreis.

Der Wechselstromerzeuger G (Fig. i) sendet durch Leitungen 1 und 2 Ströme in die Verbrauchsstellen H. Die feststehenden Spulen C sind in Reihe mit dem induktiven Widerstand 9 und dem Kondensator 10 geschaltet und liegen im Nebenschluß zu den Hauptleitungen 1 und 2 durch die Leitungen 3 und 4. Der Kondensator und der induktive Widerstand sind so gewählt, daß dieser Stromkreis für die normale Frequenz des Erzeugers G abgestimmt ist. Für gewöhnlich kann der induktive Widerstand 9 fortgelassen und der Kondensator so eingestellt werden, daß er Resonanz mit der Induktanz des Feldes C hervorruft. Die Spulen A und B sind im Feld von C gelagert und können sich frei ohne den hemmenden Einfluß einer Feder oder eines anderen mechanischen Mittels bewegen. A und B liegen in zwei gesonderten Zweigen eines Stromkreises, die von den Leitungen 3 und 4 abgezweigt sind, also auch' mit den Hauptleitungen 1 und 2 im Nebenschluß liegen. Der Strom in der einen dieser Spulen, z. B. A, befindet sich angenähert in gleicher Phase mit der elektromotorischen Kraft von G, während der Strom der anderen Spule durch ein Phasenverschiebungsmittel im allgemeinen um 90° dagegen verschoben erhalten wird. Dieses Phasenverschiebungsmittel kann beispielsweise aus einem nicht induktiven Widerstand 11 im Zweig 6, der die Spule A enthält, und aus einem induktiven Widerstand 8 im Zweig 7 in Reihe mit Spule B geschaltet bestehen. Der Zeiger JF, welcher art dem beweglichen Spulensystem befestigt ist, zeigt seine relative Bewegung an einer geeignet eingeteilten Skala D an.

Unter den oben angenommenen Bedingungen ist es ersichtlich, daß bei normaler Frequenz der Strom in C im allgemeinen die gleiche Phase mit der elektromotorischen Kraft hat und die beweglichen Spulen eine Stellung einnehmen, angenähert der in Fig. 1 dargestellten, wobei Spule B parallel zu dem Felde von C ist. Im Falle einer Vergrößerung der Frequenz bleibt der Strom in C hinter der elektromotorischen Kraft zurück, und die Spulen A und B nehmen eine neue Stellung ein, so daß die wirkenden Kräfte im Gleichgewicht sind. Diese Winkelbewegung mißt genau den Winkel des Zurückbleibens, und durch eine geeignete Einteilung der Skala kann die Vergrößerung der Frequenz abgelesen werden. Bei einer Abnahme der Frequenz ist die Wirkung umgekehrt.

Es ist ersichtlich, daß der Anzeiger nicht allein die Frequenz des Stromes anzeigen kann, sondern daß er auch als Geschwindigkeitsmesser für die Maschine G dienen kann bei einer geeigneten Einteilung der Skala. Eine einfache Verwendung zur Geschwindigkeitsmessung einer beliebigen Welle zeigt Fig. 2. Zu diesem Zwecke wird ein kleiner Hülfsgenerator P benutzt; wenn ein Zweiphasenstromerzeuger benutzt wird, können die Phasenverschiebungsmittel für die Spulen A und B entbehrt werden. Der Hülfsgenerator kann klein und einfach sein, da er nur bezweckt, die Indikatorspulen mit einer Frequenz zu erregen, welche der zu messenden Geschwindigkeit proportional ist. Der Generator wird an die in Frage stehende Welle S¹ angekuppelt und von ihr mit gleicher Geschwindigkeit getrieben.

Der eine Strom des Zweiphasengenerators speist die Spule B, der andere die Spulen A und C, wobei indes der C enthaltende Zweig abgestimmt ist für eine normale Frequenz, welche der normalen Geschwindigkeit entspricht, für welche der Apparat bestimmt ist.

Die Anzeigevorrichtung kann entweder nahe der Welle S und dem Generator P oder in beträchtlicher Entfernung davon angeordnet sein, ohne die Wirkung zu verschlechtern. Der Zeiger zeigt nicht nur den Grad der Geschwindigkeit, sondern auch die Richtung an, denn die Stellung des Zeigers bei normaler Frequenz in der einen Richtung ist um i8o° verschieden von der bei normaler Frequenz in der anderen Richtung.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung von drei Kondensatoren, durch welche eine Kombination von Reihen- und Parallelschaltung erreicht wird. Dies wird vermittels der Schaltkontakte s bewirkt. Hiebei können verschiedene Kapazitäten erreicht und das Meßgerät auf Frequenzen oder Geschwindigkeiten abgestimmt werden, die weit auseinander liegen. Für jede Gruppierung der Kondensatoren soll eine besondere Skala vorgesehen sein. Diese Einstellung ist wertvoll, weil sie die Messung verschiedener Geschwindigkeiten bei größter Empfindlichkeit gestattet.

Nach Fig. 4 wird die Anzeigevorrichtung dazu benutzt, die Steuerung einer Maschine V zu regeln, welche den Generator G antreibt. Die Anzeigevorrichtung wird durch die Frequenz

der in G erzeugten Ströme beeinflußt, und diese wiederum ist abhängig von der Geschwindigkeit der Maschine. Wächst die Geschwindigkeit übermäßig, so wird durch das dargestellte Hebelsystem das Drosselorgan in einer bestimmten Richtung gedreht, so daß die Geschwindigkeit verringert wird; eine Abnahme der Geschwindigkeit der Maschine wirkt umgekehrt.

ίο Fig. 5 zeigt eine Anordnung, bei welcher der induktive Widerstand 9 und der Kondensator 10 parallel geschaltet sind.

Das Meßgerät kann für gewisse Punkte oder Stellungen des Zeigers besonders empfindlich gemacht werden. Wenn man die Amperewindungszahl von Spule B größer macht als die von Spule A, werden Punkte von maximaler Empfindlichkeit in der normalen Stellung des Anzeigers und i8o° davon erzeugt, d. h.

wenn Spule B parallel dem Felde von C liegt. Wenn man andererseits die Amperewindungen von A größer macht als die von B, so nimmt die Empfindlichkeit bei normaler Frequenz ab. Wählt man den Winkel der Phasenverschiebung der durch A und B fließenden Ströme verschieden von 90⁰, so liegen diese Punkte größter Empfindlichkeit etwa 45° und 225⁰ nach einer oder der anderen Seite der Normalstellung, je nachdem, ob ein positiver oder negativer Phasenverschiebungswinkel gewählt ist; es kommt auch darauf an, ob dieser Winkel größer oder kleiner als go° ist, denn die Empfindlichkeit wird größer, wenn die Abweichung mehr als 90 ° beträgt. Wenn man den räumlichen Winkel zwischen A und B von 90° abweichen läßt, so wird auch die Empfindlichkeit in Punkten bei etwa 45° und 22o° von der normalen Stellung wachsen. Durch einzelne oder kombinierte Benutzung dieser Einstellungen können Punkte höchster Empfindlichkeit für irgend eine vorherbestimmte Stellung des Anzeigers geschaffen werden. Dies ist besonders wertvoll, wenn der Apparat als Geschwindigkeits- oder Spannungsregler benutzt wird, denn dadurch kann an oder nahe den Punkten genauer Regelung eine abnorme Empfindlichkeit erzielt werden.

Die Verstellung des räumlichen Winkels zwischen den Spulen kann auch dazu dienen, das bewegliche Spulensystem zu veranlassen, sich proportional zu den Veränderungen in den Phasenbeziehungen zwischen den in den beiden Spulensystemen fließenden Strömen zu bewegen, obwohl zwischen den Strömen in dem Zweispulensystem keine genaue 90° Verschiebung vorhanden ist. Dies wird erreicht, indem man den räumlichen Winkel zwischen den beiden Spulen gleich dem Supplement des zwischen den darin fließenden Strömen auftretenden Phasenverschiebungswinkels macht.

Fig. 6 zeigt eine Abart des Zweispulensystems, welche statt der in Fig. 1 dargestellten Anordnung benutzt werden kann. In Verbindung mit den beschriebenen, regelnden Phasenverschiebungsmethoden können alle oben erwähnten Einstellungsmethoden zur Erreichung bestimmter Punkte von hoher Empfindlichkeit benutzt werden.

Mittels der beispielsweise in Fig. 3 dargestellten Einrichtung kann das Instrument von Hand auf eine beliebige Frequenz oder Geschwindigkeit eingestellt werden. Es ist jedoch auch möglich, die Einstellung bezw. die Abstimmung des Stromkreises auf eine beliebige Frequenz durch selbsttätige Änderung der Induktanz erfolgen zu lassen. In solchen Fällen zeigt das Instrument nicht lediglich die Stromfrequenz an, sondern eine Funktion der Frequenzen und derjenigen Größen, welche die jeweiligen Veränderungen der Induktanz und damit der normalen Frequenz hervorrufen. So zeigt z. B. Fig. 7 eine Ausführung, bei welcher die Induktanz je nach der Belastung des Hauptstromkreises verändert wird, so daß mittels dieses Instrumentes, wenn es als Regulator benutzt wird, auf Geschwindigkeit und Belastung reguliert wird. Die Anordnung des Instrumentes stimmt im allgemeinen mit derjenigen nach Fig. 1 überein, jedoch sind um die feststehende Spule C — außer der Nebenschlußwicklung — noch einige Windungen der Hauptleitung 1 gewunden. Ein Wachsen des Stromes in der Hauptleitung wird also eine größere oder geringere Zahl (je nach der gegenseitigen Richtung) von Kraftlinien durch das magnetische Feld senden und dadurch den induktiven Widerstand der Feldspule verändern. Infolgedessen wird der Zeiger E eine Stellung einnehmen, die sowohl von der Geschwindigkeit oder Frequenz, als auch von dem Strom in der Hauptleitung abhängig ist, und die Regelung wird demgemäß von Geschwindigkeit und Belastung beeinflußt.

Die Empfindlichkeit des als Frequenz- oder als Geschwindigkeitsanzeiger benutzten Meßgerätes in oder nahe an dem Punkte der Resonanz bei normaler Frequenz oder Geschwindigkeit kann auch dadurch vergrößert werden, daß man die Induktanz des abgestimmten Stromkreises groß macht im Vergleich zum Widerstand.

Die Vorteile des beschriebenen Frequenzoder Geschwindigkeitsanzeigers sind:

Größte Empfindlichkeit und Genauigkeit ist im Punkte normaler Geschwindigkeit vorhanden, verstärkte Empfindlichkeit kann bei einer beliebigen Geschwindigkeit erzielt werden; er kann irgendwie im Stromkreis angeordnet sein, er hat keine sich abnutzenden Teile, er kann für verschiedene Normalfrequenzen abgeändert

werden, indem man das Gleichgewicht zwischen Induktanz und Kapazität im Stromkreise ändert, und seine Empfindlichkeit kann variiert werden, indem man das Verhältnis zwischen Widerstand und Induktanz ändert.

Claims

Patent-An Sprüche:

ι. Ein Wechselstrom-Meßgerät, bei welehern die Anzeigen durch Phasenverschiebungen der Ströme in einem festen und einem beweglichen Element bewirkt werden, dadurch gekennzeichnet, daß diese Phasenverschiebungen durch Frequenzänderungen hervorgerufen werden, indem der Stromkreis, in welchem eines der beiden Elemente liegt, auf eine bestimmte Frequenz abgestimmt ist.
2. Eine weitere Ausführungsform des Meßgerätes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amperewindungen in den beiden Spulen des zweiten Elementes verschieden gewählt sind, um dadurch dem Meßgerät für eine bestimmte Frequenz eine besondere Empfindlichkeit zu geben.
3. Eine weitere Ausführungsform des Meßgerätes nach Anspruch 1, bei welchem das bewegliche Element aus zwei im Winkel zueinander stehenden Spulen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel der Spulen einstellbar ist, um das Meßgerät für bestimmte Frequenzen besonders empfindlich zu machen.
4. Eine weitere Ausführungsform des Meßgerätes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmung des Stromkreises auf eine bestimmte Frequenz durch selbsttätige Änderung des Induktionswiderstandes erfolgt.
5. Eine weitere Ausführungsform des Meßgerätes nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die selbsttätige Änderung des Induktionswiderstandes durch den Strom der Hauptleitung bewirkt wird, indem einige Windungen der Hauptleitung um die von dem abgestimmten Stromkreis beeinflußte Spule herumgelegt sind, so daß das Meßgerät sowohl durch Änderungen der Frequenz als auch durch Änderungen der Belastung beeinflußt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.