DE144747C

DE144747C -

Info

Publication number: DE144747C
Application number: DENDAT144747D
Authority: DE

Description

KAISERLICHESIMPERIAL

PATENTAMT.PATENT OFFICE.

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.The present invention relates to alternating current measuring devices and, more particularly, to those which respond to changes in the frequency or number of periods of alternating currents. With measuring devices of this kind you can then exactly measure the speed of an axis of rotation measure, and they can also be used to control devices that are used in Consideration of the speed of an axis of rotation or the frequency of an alternating current should be regulated.

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.According to the present invention, two systems of mutually movable coils are used for this purpose. One system consists of a single coil that can produce an alternating current field; the other system consists of two coils placed in the field created by the first coil. These two coils are fixed against each other, but twisted against each other at an angle, and currents from the same alternating current source flow through them; these currents are mutually usually 90 ^0, shifted by a certain angle in the phase. If one coil system is now connected to an alternating current source and arranged in such a way that it can rotate freely about its axis, and the other system is connected to the same alternating current source, then when the currents in the two systems change their mutual phase shifts, the movement of the moving system must be exactly proportional to these phase changes, provided that the spatial and the phase shift angle of 90 ° is maintained between the two relatively fixed coils and that their ampere-turns are equal.

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.This measuring device is now not like similar known measuring devices for measuring Phase shifts, but used as a frequency indicator, using it of the principle of resonance. It is known that resonance occurs in an AC circuit, if the reciprocal of the product of self-induction in henrys with capacity in farads is equal to a constant multiplied by the square of the frequency; therefore can by a suitable dimensioning of the capacitance and inductance one at any selected frequency resonating circuit can be established, and at this frequency there is then neither a lagging nor an advance of the current with respect to the electromotive Force take place. It is well known that for a resonant circuit, a very rapid change in power factor of the current flowing through it takes place with relatively small changes in frequency. If according to the circuit, which one of the two coil systems in the phase meter is connected to, for one certain or the normal frequency is tuned to resonance, any deviation will be measured from this frequency by the moving element of the indicator.

Fig. ι zeigt eine schematische Ansicht eines derartigen Frequenzanzeigers in Anwendung bei einem Einphasenwechselstrom.Fig. Ι shows a schematic view of a such frequency indicator in use with a single-phase alternating current.

Fig. 2 zeigt eine Anwendung als Geschwindigkeitsanzeiger. Fig. 2 shows an application as a speed indicator.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung zur Messung weit verschiedener Frequenzen.Fig. 3 shows an arrangement for measuring widely different frequencies.

Fig. 4 zeigt die Verwendung als Regulator. Fig. 5 und 6 zeigen Abarten in der An-Ordnung.. Fig. 4 shows the use as a regulator. Fig. 5 and 6 show variants in the an-order.

Fig. 7 zeigt eine Anordnung zur selbsttätigen Änderung des Gleichgewichtes im abgestimmten Stromkreis.Fig. 7 shows an arrangement for automatically changing the balance in the tuned Circuit.

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.The alternator G (Fig. I) sends currents through lines 1 and 2 into the consumption points H. The fixed coils C are connected in series with the inductive resistor 9 and the capacitor 10 and are shunted to the main lines 1 and 2 through the lines 3 and 4. The capacitor and the inductive resistor are chosen so that this circuit is tuned for the normal frequency of the generator G. Ordinarily, the inductive resistor 9 can be omitted and the capacitor adjusted so that it resonates with the inductance of the C field. The coils A and B are stored in the field of C and can move freely without the inhibiting influence of a spring or other mechanical means. A and B are in two separate branches of a circuit, which are branched off from the lines 3 and 4, so also 'with the main lines 1 and 2 are shunted. The current in one of these coils, e.g. B. A, is approximately in phase with the electromotive force of G, while the current of the other coil is obtained shifted by a phase shifting means generally by 90 ° against it. This phase shift means can consist, for example, of a non-inductive resistor 11 in branch 6, which contains coil A , and of an inductive resistor 8 in branch 7 connected in series with coil B. The pointer JF, which is attached to the movable coil system, shows its relative movement on a suitably graduated scale D.

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.Under the conditions assumed above, it can be seen that at normal frequency the current in C is generally in phase with the electromotive force and the movable coils assume a position approximating that shown in Fig. 1 with coil B parallel to the field of C is. If the frequency is increased, the current in C lags behind the electromotive force, and coils A and B assume a new position so that the forces acting are in equilibrium. This angular movement accurately measures the angle of lag, and the increase in frequency can be read off by a suitable graduation of the scale. If the frequency decreases, the effect is reversed.

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. It can be seen that the indicator can not only indicate the frequency of the current, but that it can also serve as a speedometer for the machine G with a suitable division of the scale. A simple use for measuring the speed of any shaft is shown in FIG. 2. A small auxiliary generator P is used for this purpose; if a two-phase generator is used, the phase shifting means for coils A and B can be dispensed with. The auxiliary generator can be small and simple, since its only purpose is to excite the indicator coils with a frequency which is proportional to the speed to be measured. The generator is ^{coupled to the shaft S 1} in question and driven by it at the same speed.

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.One current of the two-phase generator feeds coil B, the other to coils A and C, the branch containing C being tuned for a normal frequency which corresponds to the normal speed for which the apparatus is intended.

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.The display device can be arranged either close to the shaft S and the generator P or at a considerable distance therefrom without impairing the effect. The pointer shows not only the degree of speed, but also the direction, because the position of the pointer at normal frequency in one direction differs by 180 ° from that at normal frequency in the other direction.

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.3 shows an arrangement of three capacitors, by means of which a combination of series and parallel connection is achieved. This is effected by means of the switching contacts s. Different capacities can be achieved and the measuring device can be adjusted to frequencies or speeds that are far apart. A special scale should be provided for each grouping of the capacitors. This setting is valuable because it allows different speeds to be measured with the greatest sensitivity.

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 FrequenzAccording to FIG. 4, the display device is used to regulate the control of a machine V which drives the generator G. The display device is controlled by the frequency

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.of the currents generated in G , and this in turn depends on the speed of the machine. If the speed increases excessively, the throttle element is rotated in a certain direction by the lever system shown, so that the speed is reduced; a decrease in the speed of the machine has the opposite effect.

ίο Fig. 5 zeigt eine Anordnung, bei welcher der induktive Widerstand 9 und der Kondensator 10 parallel geschaltet sind.ίο Fig. 5 shows an arrangement in which the inductive resistor 9 and the capacitor 10 are connected in parallel.

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.The measuring device can be made particularly sensitive to certain points or positions of the pointer. Making the ampere-turns of coil B greater than that of coil A creates points of maximum sensitivity in the normal position of the indicator and 180 ° away, ie

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.when coil B is parallel to the field of C. On the other hand, if the ampere-turns of A are made larger than those of B, the sensitivity at normal frequency decreases. By selecting different angle of the phase shift of the current flowing through A and B streams of 90 ^0, as these points are of greatest sensitivity by about 45 ° and 225 ⁰ according to one or the other side of the normal position, depending on whether a positive or negative phase shift angle is selected ; it also depends on whether this angle is larger or smaller than go °, because the sensitivity increases if the deviation is more than 90 °. If the spatial angle between A and B is allowed to deviate from 90 °, the sensitivity will also increase in points at about 45 ° and 22o ° from the normal position. By using these settings individually or in combination, points of highest sensitivity can be created for any predetermined position of the indicator. This is particularly valuable when the apparatus is used as a speed or voltage regulator, as it can produce abnormal sensitivity at or near the points of precise control.

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.The adjustment of the spatial angle between the coils can also serve to to cause the moving coil system to move proportionally to the changes in the phase relationships between the currents flowing in the two coil systems move, although there is no exact 90 ° shift between the currents in the two-coil system is available. This is achieved by making the spatial angle between the two coils equal to the supplement of the makes phase shift angle occurring between the currents flowing therein.

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.FIG. 6 shows a variant of the two-coil system which, instead of that shown in FIG Arrangement can be used. In connection with the described, regulating phase shifting methods, all of the above mentioned adjustment methods to achieve certain points of high sensitivity to be used.

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.By means of the device shown for example in FIG. 3, the instrument can be set manually to any frequency or speed. However, it is also possible to change the setting respectively. to allow the circuit to be tuned to any frequency by automatically changing the inductance. In such cases, the instrument does not just show the current frequency, but rather a function of the frequencies and those quantities which cause the respective changes in inductance and thus in the normal frequency. So shows z. B. Fig. 7 shows an embodiment in which the inductance is changed depending on the load on the main circuit, so that this instrument, when used as a regulator, regulates the speed and load. The arrangement of the instrument is generally the same as that according to FIG. 1, but a few turns of the main line 1 are still wound around the stationary coil C - apart from the shunt winding. An increase in the current in the main line will send a greater or lesser number (depending on the mutual direction) of lines of force through the magnetic field and thereby change the inductive resistance of the field coil. As a result, the pointer E will assume a position which is dependent both on the speed or frequency and on the current in the main line, and the regulation is accordingly influenced by the speed and the load.

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.The sensitivity of the measuring device used as a frequency or speed indicator at or near the point of resonance at normal frequency or speed can also be increased by making the inductance of the tuned circuit large in comparison to resistance.

Die Vorteile des beschriebenen Frequenzoder Geschwindigkeitsanzeigers sind:The advantages of the frequency or speed indicator described are:

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 abgeändertGreatest sensitivity and accuracy is in the point of normal speed, increased sensitivity can be achieved at any speed; he can be arranged in the circuit somehow, it has no wearing parts, it can modified for different normal frequencies

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.by changing the balance between inductance and capacitance in the circuit, and its sensitivity can be varied by looking at the ratio between resistance and inductance changes.

Claims

Patent-to sayings:

ι. An alternating current measuring device, with which the indications are brought about by phase shifts of the currents in a fixed and a movable element, characterized in that these phase shifts are caused by frequency changes caused by the circuit in which one of the two Elements is tuned to a specific frequency.

2. Another embodiment of the measuring device according to claim 1, characterized in that that the ampere turns in the two coils of the second element are chosen differently to thereby the To give measuring device a special sensitivity for a certain frequency.

3. Another embodiment of the measuring device according to claim 1, wherein the movable element consists of two coils at an angle to one another, thereby characterized in that the angle of the coils is adjustable in order to make the measuring device particularly sensitive to certain frequencies close.

4. Another embodiment of the measuring device according to claim 1, characterized in that that the tuning of the circuit to a certain frequency by automatic change of the induction resistance he follows.

5. Another embodiment of the measuring device according to claim 4, characterized in that that the automatic change of the induction resistance is caused by the current of the main line by some Windings of the main line are wound around the coil influenced by the tuned circuit, so that the measuring device is affected by both changes in frequency and changes in load.

1 sheet of drawings.