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Einrichtung zur Gleichstrommessung, bei welcher der von dem zu messenden
Strom in einem Magnetkern hervorgerufene Flur durch einen Hilfsgleichstrom kompensiert
wird Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Gleichstrommessung,
bei welcher der von dem zu messenden Strom in einem Magnetkern hervorgerufene Fluß
durch einen Hilfsgleichstrom kompensiert wird.
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Derartige Einrichtungen sind bereits bekannt. So hat man z. B. vorgeschlagen,
einen Magnetkern um den Leiter, dessen Strom gemessen werden soll, zu legen und
auf den Magnetkern eine von einem Hilfsgleichstrom durchflossene Wicklung anzuordnen.
Der Hauptstrom ruft dann in dem Magnetkern einen Fluß hervor. -Dieser Fluß wird
durch den Hilfsstrom kompensiert. Wenn der Wert des Hilfsstromes richtig eingestellt
ist, heben sich die Wirkungen beider Ströme auf, und der Eisenkern wird unmagnetisch.
Die Stärke des Hilfsstromes ist in diesem Fall ein Maß für die Stärke des Hauptstromes,
und man kann die letztere an einem in den Hilfsstromkreis eingeschalteten Strommesser,
welcher zweckmäßig entsprechend geeicht wird, direkt ablesen. Um festzustellen,
ob der Wert des Hilfsstromes richtig eingestellt ist, wurde bei der bekannten Anordnung
in den Weg des Magnetflusses eine Anzeigevorrichtung, z. B. eine Magnetnadel, eingebaut.
Falls nun der Hilfsstrom von dem zur Kompensation erforderlichen Wert abwich; schlug
die Magnetnadel in der einen oder anderen Richtung aus, so daß man erkennen konnte,
ob der eingestellte Wert des Hilfsstromes zu groß oder zu klein war. Diese bekannte
Methode zur Bestimmung des Kompensationsgrades hat den großen Nachteil, daß infolge
der Remanenz des Eisenkernes Fehlanzeigen eintreten und daß also der Ausschlag der
Magnetnadel keine zuverlässige Kontrolle des Kompensationsgrades ist.
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Bei einer anderen bekannten Anordnung, bei der der zu messende Strom
durch einen Hilfsstrom kompensiert wird, hat man den-Einfluß der Remanenz dadurch
zu beseitigen versucht, daß man den Eisenkern abwechselnd entgegengesetzt magnetisierte
und dabei die Amplitude der Magnetisierung allmählich bis auf Null verringerte.
Ein derartiges Verfahren, um die Remanenz zu beseitigen, ist sehr umständlich und
zeitraubend. Infolgedessen kann auch eine derartige Meßeinrichtung nicht benutzt
werden, wenn die Stärke des zu messenden Stromes sich zeitlich sehr schnell ändert
und eine betriebsmäßige Überwachung erfolzen soll. Es ist zwar auch
weiterhin
bekannt, ein Wechselfeld zu überlagern, um den Einfluß der Remanenz auszuschalten;
indessen ist auch bei dieser bekannten Anordnung noch eine besondere Vorrichtung,
insbesondere eine Spule, erforderlich, um den Kompensationsgrad zumessen.
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Eine wesentliche Vereinfachung und Beseitigung der NN achteile
der bekannten Anordnung erhält man gemäß der Erfindung dadurch, daß zur Messung
des Kompensationsgrades eine auf dem Mägnetkern angeordnete, finit Wechselstrom
gespeiste Spule dient. Es sind zwar bereits Anordnungen bekannt, bei denen ein Gleichstrom
mit Hilfe von Wechselstrorn in der Weise gemessen «wird, daß. durch den Gleichstrom
derWiderstand einerDrossel-.pule geändert und die Widerstandsänderung gemessen wird.
Da aber bei einer derartigen Anordnung, bei der also der Gleichstrom nicht kompensiert
wird, insbesondere bei hohen Strömen, Sättigungserscheinungen auftreten können,
ist die Anzeige ungenau. Vor allen Dingen besteht bei derartigen Anordnungen keine
lineare Beziehung zwischen dem geinessenen WiderstanA und dein zu messenden Gleichstrom.
Eine zuverlässige Messung kann man bei besonders hohen Gleichströmen nur durch Anordnungen
erhalten, bei denen der zu messende Strom durch einen Hilfsgleichstrom kompensiert
wird. Dabei machen aber die Feststellung des Kompensationsgrades und die Remanenzerscheinungen
im Eisenkern besondere Schwierigkeiten, die durch die erfindungsgemäße Anordnung
beseitigt werden.
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Eine sehr genaue Messung des Kompensationsgrades kann gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Einrichtung nach der Erfindung durch Vergleich der
Induktivität einer auf dem Magnetkern angeordneten Spule mit einer getrennt angeordneten
Induktivität in einer Brückenschaltung vorgenommen werden. Zweckmäßig ist es, die
Stärke des Hilfsstromes in Abhängigkeit vom Kompensationsgrad selbsttätig zu regeln.
Zu dieser Regelung werden vom Brückenstrom beeinflußte Röhrenschaltungen benutzt,
und zwar wird durch den Brückenstrom das Gitter der Eingangsröhre eines Verstärkers
gesteuert. Der Verstärker selbst kann so ausgeführt werden, daß in Abhängigkeit
vom Brückenstrom ein Kondensator geladen wird, durch dessen Ladespannung die Gitterspannung
der den Kompensationsstrom steuernden Röhre oder Röhren beeinflußt wird. Bei einer
derartigen Schaltung wird der Kondensator zweckmäßig durch einen Hochohmwiderstand
überbrückt. Die den Hilfsstrom steuernden Röhren können vorteilhaft in den Hilfsstromkreis
geschaltet werden und diesen direkt steuern. Die Ladespannung des Kondensators wird
durch ein gittergesteuertes Entladungsgef'äß mit Gas- oder DaniPffüllung begrenzt.
Den Kompensationsstrom für die Einrichtung nach der Erfindung kann man vorteilhaft
einem Wechselstromnetz über gittergesteuerte Gleichrichtröhren entnehmen. Wenn als
Gleichrichtröhren gittergesteuerte Entladungsgefäße mit Gas- oder Dampffüllung benutzt
«-erden, kann die Steuerspannung der Gitter der Entladungsgefäße ihrer Phasenlage
nach in Abhängigkeit vom Brückenstrom geregelt «-erden. Zur Regelung der Phasenlage
1,enutzt man vorteilhaft eine Brückenschaltung, in deren einem Zweig ein Widerstand
und in deren anderem Zweig eine Drosselspule liegt, deren Eisenkern in Abhängigkeit
vom Brükkenstrom vormagnetisiert wird.
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Ausführungsbeispiele der Einrichtung gemäß der Erfindung sind in den
Abbildungen dargestellt, und zwar zeigt Abb. i die einfachste Ausführungsform, bei
welcher die Regelung des Kompensationsstromes von Hand vorgenommen «-erden muß.
In Abb. 2 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem die Regelung des
Hilfsstromes- in Abhängigkeit vom Brückenstrom mittels eines durch einenVerstellmotor
betätigten Regtilierwiderstandes selbsttätig erfolgt. Die Abb. 3, 4. und 5 zeigen
Ausführungsmöglichkeiten, bei denen der Hilfsstrom mittels Röhrenschaltungen in
Abhängigkeit vom Brückenstrom selbsttätig gesteuert wird.
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An Hand der Abbildungen sei die Erfindung näher erläutert. In Abb.
i ist io der Leiter, dessen Gleichstrom gemessen werden soll. Um diesen Leiter ist
ein 1Tagnetkern i i herumgelegt, welcher die vom Hilfsstrom durchflossene Wicklung
12 und eine Wechselstromwicklung 13 trägt. Der Hilfsstrom wird von-einer Batterie
geliefert und kann mittels des Regulierwiderstandes 14 geregelt werden. Zum Ablesen
der Stromstärke dient ein Strommesser 15; die Wechselstromspule 13 liegt mit einer
Drosselspule 18, welche einen Eisenkern 17 besitzt, in einer Wechselstrombrückenschaltung.
Der Wechselstrom wird von einem NTetz 16 geliefert. In der Brückenschaltung liegen
ferner die Widerstände i9 und 2o. Der Widerstand 2o kann geregelt werden, um irgendwelche
Ungleichheiten zwischen den Induktivitäten der Spule 13 und 18 auszugleichen. In
der Brücke der Schaltung ist an den Punkten 21-22 ein Relais 23 eingeschaltet, welches
einen Anker 24 besitzt, der mit Ruhekontakten 25 versehen ist. Durch die Kontakte
25 wird eine- Signaleinrichtung 26 geschaltet. , Die Wirkungsweise der beschriebenen
Anordnung ist folgende: Wenn bei der Schaltung der Wert des Hilfsstromes richtig
eingestellt ist, dann ist der Kern i1 der Spule 13 unmagnetisch und verhält sich
genau so wie der
mit der Spule 18 verknüpfte Kern. Die Induktivitäten
der Spulen 13 und iS sind also gleich, und in der Brüche fließt kein Strom, d. h.
das Relais 2 3 ist stromlos, und seine Ruhekontakte 25 schließen den Stromkreis
der Signaleinrichtung 26, welche in der Abbildung als Glühlampe dargestellt ist.
Am Aufleuchten derLampe 26 erkennt man, daß der Hauptstroni richtig kompensiert
ist und kann an dein Strommesser r5 die Stromstärke ablesen. Tritt nun eine Abweichung
von der Kompensation ein, so fließt in der Briickc 2i, 22 ein Strom; das Relais
23 spricht an und öffnet seilte Kontakte 2'5. An dein Erlöschen der I lnipe 26 erkennt
nian, daß der Hilfsstrom nachgeregelt werden muß. Durch Verstellen des Regulierwiderstandes
14 wird das Gleichgesicht wiederliergesteIlt, so daß in der Brücke kein Strom mehr
fließt und die Glühlampe 26 wieder aufleuchtet.
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Da man nun an dem Erlöschen der Glühlanipe 26 nicht erkennen känn,
ob der eingestellte Wert des Hilfsstromes zu klein oder zu groß ist, sondern nur,
daß sein Wert von dem zur Kompensation erforderlichen abweicht, bereitet es naturgemäß
Schwierigkeiten, eine selbsttätige Verstellung des im Hilfsstromkreis liegenden
Widerstandes vorzusehen. Eine Anordnung, bei welcher die Regelung des Hilfsstromes
selbsttätig erfolgt, ist in Abb. 2 dargestellt. In dieser Abbildung sind für die
einzelnen Teile der Brückenschaltung die gleichen Bezeichnungen gewählt wie in Abb.
i. Der Regulierwiderstand 1.4' wird durch einen Motor 30 verstellt, welcher
durch ein Z: msteuerrelais 26 in der einen oder anderen Drehrichtung eingeschaltet
wird. Ferner ist ein Kipprelais 27 vorgesehen, dessen Zugspulen 28 und 29
die Umschaltung bewirken. Das in der Brücke liegende Relais 23 ist in dieser Schaltung
mit Arbeitskontakten 25 versehen. In dem Hilfsstromkreis liegt ein Relais 31, welches
bei einer bestimmten Stromstärke anspricht und seine Kontakte schließt. Außerdem
ist für den Regulierwiderstand 1d. ein Endschalter 32 angeordnet.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Anordnung ist folgende: Zu Beginn
des betrachteten Regelvorganges befindet sich das Kipprelais 27 in der in der Abbildung
gezeigten Stellung. Ferner sei angenommen, daß der Hilfsstrom gerade den zur Kompensation
erforderlichen Wert hat und daß der zu messende Strom in dem betrachteten Augenblick
in seiner Stärke zunimmt. Dadurch wird dann das Gleichgewicht der Brückenschaltung
gestört. Das Relais 23 schließt also seine Kontakte 25 und schaltet so das Umsteuerrelais
26 für die eine Drehrichtung des Motors ein. Es sei angenommen, daß der Motor bei
der Rechtsstellung des Relais 26 den Regulierwiderstand entgegen dein Uhrzeigersinne
verstellt, also eine Verkleinerung des dem Hilfsstrcihikreis vorgeschalteten Widerstandes
bewirkt. Durch die Verstellung des Widerstandes 14' wird also die Hilfsstromstärke
in ctiesein Falle vergrößert. Sobald die Stärke des Hilfsstromes auf den erforderlichen
Kompensationswert geregelt ist, herrscht in der Brücke wieder Gleichgewicht; die
Kontakte 25 des Relais 23 werden geöffnet, die rechte Zugspule .des Relais-26 dadurch
abgeschaltet und der Stromkreis des Hilfsmotors 30 unterbrochen. Wenn nun
jedoch der Hauptstrom nicht zunimmt, sondern abnimmt, dann wird infolge des Brückenstromes
der Hilfsmotor im gleichen Sinne eingeschaltet und, wie vorstehend beschrieben,
die Stärke des Hilfsstromes" heraufgeregelt. Ein Gleichgewichtszustand würde durch
die Regelung in diesem Sinnt jedoch nicht erreicht werden, so daß der Motor den
Regulierwiderstand 1d.' immer weiter entgegen dem Uhrzeigersinne verstellen würde,
bis schließlich die Ansprechstromstärke des Relais 31 erreicht ist und dieses Relais
durch Schließen seiner Kontakte das Kipprelais 27 in seine Linksstellung bringt.
Durch Umschaltung des Kipprelais 27 wird auch das Umsteuerrelais 26 in. seine Linksstellung
gebracht und dadurch der Hilfsmotor 30 in der Drehrichtung umgeschaltet.
Der Regler 1.4' wird nun im Uhrzeigersinne gedreht, bis er bei Erreichung seiner
Endstellung durch Schließen des Endschalters 32 das Kipprelais 27 wieder in die
in der Zeichnung gezeigte Stellung bringt. Bei diesem Regelvorgang wird der Hilfsstrom
durch Vergrößerung des Vorschaltwiderstandes auf seinen kleinsten 'Wert herabgesetzt,
so daß bei Erreichung der Endstellung die zur Kompensation erforderliche Stärke
des Hilfsstromes bereits wieder unterschritten ist. Die Kontakte des Relais 23,
welche während des Regelvorganges in dem Augenblick, in welchem der Hilfsstrom den
erforderlichen Kompensationswert hat, kurzzeitig unterbrochen waren, sind also wieder
geschlossen, und der Hilfsmotor 30 wird infolgedessen durch-Einschaltung
des Relais 26 in seine Rechtsstellung wieder eingeschaltet. Der Regler i¢' wird
nun entgegen dem Uhrzeigersinne so weit verstellt, bis der Kompensationswert des
Hilfsstromes - erreicht ist und durch Öffnen der Kontakte 25 des Relais
23 der Strom des VerstellmOtOrs 30 abgeschaltet wird. Bei jeder Änderung
der Hauptstromstärke wird also der Regler 1q. auf den entsprechenden Hilfsstromwert
eingestellt, und man kann an dem Strommesser 15 die Stärke des Hauptstromes ablesen.
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Eine wesentlich schnellere Regelung des Hilfsstromes als bei der vorstehend
beschriebenen
Anordnung läßt sich erreichen, wenn man zur Steuerung
des Hilfsstromes Röhrenschaltungen verwendet. In Abb. 3 ist in die Brücke statt
eines Relais ein Transformator 3:1 geschaltet, welcher gegebenenfalls über einen
-\-orschaltw iderstand das Gitter einer Verstärkerröhre 35 steuert. Die Gittervorspannung
der Röhre 35, welche einer Batterie .1o entnommen wird, ist derart eingestellt,
daß, wenn in der Brücke Gleichgewicht herrscht, kein Anodenstrom fließt. Im Anodenkreis
der Röhre 35 liegt ein vom Wechselstromnetz gespeister Transformator 33 sowie ein
Kondensator 36, welcher durch einen Hochohm-,viderstand 37 überbrückt sein kann.
Parallel zu dem Kondensator 36 liegt außerdem ein gittergesteuertes Entladungsgefäß
,T2 finit Gas- oder Dampffüllung, dessen Gitterv orspannung gleichfalls der Batterie
40" entnommen ist. Die Gitterspannung des Entladungsgefäßes 42 ist so eingestellt,
daß sie bei ungeladenem Kondensator 36 unterhalb der Zündspannung liegt. An die
Batterie 4o ist ferner das Gitter einer Röhre 38 angeschlossen, welche im Hilfsstromkreis
liegt. Um eine Rückwirkung des in der Spule i3 fließenden Wechselstromes auf den
Hilfsstromkreis zu verhindern, kann in dem Hilfsstromkreis eine Drossel angeordnet
werden. Der Hilfsstrom wird von einer Gleichstromquelle 41 geliefert.
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Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nachAbb. 3 ist folgende.
Wenn das Gleichgewicht der Brückenschaltung durch Abweichung des Hilfsstromes von
dem erforderlichen Kompensationswert gestört ist, fließt in dem in der Brücke liegenden
Transforinator 34 ein Wechselstrom. Dem Gitter der Röhre 35 wird also eine Wechselspannung
zugeführt. Bei jeder positiven Halbwelle des Wechselstromes fließt in dieser Röhre
ein :\nodenstrom und ladet den Kondensator 36. Da dieser Kondensator in Reibe mit
der Batterie 4o im Gitterkreis der Röhre 38 liegt, wird durch die Ladung die Gitterspannung
dieser Röhre verändert und so der Hilfsstrom geregelt, und zwar, da die negative
Vorspannung der Röhre 38 herabgesetzt wird, vergrößert. Falls das Gleichgewicht
in der Brücke nicht durch eine Vergrößerung, sondern durch eine Verkleinerung des
Hauptstromes gestört wurde, wird in der Brücke weiter ein Strom fließen und der
Anodenstrom der Röhre 35 den Kondensator weiter laden und dadurch ein weiteres Ansteigen
des Hilfsstromes bewirken. Nun liegt der Kondensator 36 auch im Gitterkreis des
Entladungsgefäßes 42. Seine Ladung beeinflußt also auch die Gitterspannung dieser
Röhre. Bei Erreichung einer bestimmten Ladespannung wird die Ziindspannung des Entladungsrohres
42 erreicht, und der Kondensator 36 wird über dieses Rohr plötzlich entladen. Durch
die Entladung des Kondensators 36 steigt die negative Gitterspannung der Röhre 38
wieder an, und der Hilfsstrom wird auf seinen kleinsten Wert herabgesetzt. Da nun
der Hilfsstrom für die Kompensation wieder zu klein ist, fließt weiterhin in der
Brücke ein Strom, i.md der Kondensator 36 wird durch den Anodenstrom der Röhre 35
wieder langsam geladen und so die Gitterspannung der Rohre 38 allmählich auf einen
Wert gebracht, welcher dem zur Kompensation erforderlichen Hilfsstromwert entspricht.
Da die Ladung des Kondensators 36 sowie seine Entladung sehr schnell vor sich gehen,
folgt der Strominesser 15 den einzelnen Stromänderungen des Hilfsstromes nicht,
sondern zeigt einen Mittelwert an, so daß man die Stromstärke direkt ablesen kann.
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Eine weitere Röhrenschaltanordnung ist in Abb. 4 dargestellt. Bei
dieser Anordnung ist eine Gleichstromquelle für den Hilfsstrom nicht erforderlich..
Der Hilfsstrom wird über Gleichrichtröhren 38 und einen Transformator .43 dem Wechselstromnetz,
welches die Brükkenschaltung speist, entnommen. Um aus den gleichgerichteten Halbwellen
des Wechselstromes einen guten Gleichstrom zu erbalten, ist eine Siebkette 44 vorgesehen.
Die Stärke des Hilfsstromes wird in der gleichen Weise wie bei der Anordnung nach
Abb. 3 geregelt, indem die Gitterspannungen der Röhren 38 durch die Ladung des Kondensators
36 gesteuert werden.
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Die Anordnung nach Abb. 5 unterscheidet sich von der nach Abb.4 dadurch,
daß für die Gleichrichtung des Hilfsstromes gittergesteuerte Entladungsgefäße 47
und .l8 mit Gas- oder Dampffüllung benutzt sind. Derartige Entladungsgefäße haben
bekanntlich die Eigenschaft, daß, wenn bei Erreichung eines bestimmten Gitterspannungswertes
der Stromübergang zur Anode eingesetzt hat, dieser nicht mehr durch die Gitterspannung
beeinflußt wird, sondern erst aufhört, wenn die Anodenspannung den Wert Null erreicht.
Die Regelung der von diesen Gleichrichtern gelieferten Stromstärke kann durch Regelung
der Phasenlage der den Gittern zugeführten Spannung vorgenommen werden. Bei der
Anordnung nach Abb. 5 dient zur Regelung der Phasenlage der Transformator 46 sowie
der Widerstand 49 und die durch den Anodenstrom der Röhre 38 vormagnetisierte Drosselspule
45. Die Gitterspannung für die Röhren 47 und 4.8 ist einerseits an die Mitte der
Sekundärwicklung des Transformators .l6 und andererseits zwischen Widerstand 49
und Drosselspule .l5 angeschlossen. Durch den in Abhängigkeit vom Brückenstrom gesteuerten
Anodenstrom
der Röhre 38 wird die DrosselsPule 45 mehr oder weniger vormagnetisiert und o ihre
Induktivität geändert. Durch diese Änderung wird die Phasenlage der Gitterspannung
verändert und so die bei den einzelnen Halbwellen durch die Röhren 47 und 4.8 hindurchtretende
Strommenge und damit die Stärke des Hilfsstromes geregelt.
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In den Abb.3, 4 und 5 hat der um den Stromleiter io herumgelegte Eisenkern
an der Stelle, an welcher die Wechselstromspule 13 angeordnet ist, einen kleineren
Querschnitt als auf seinem übrigen Umfang. Diese Querschnittverminderung bietet
den Vorteil, daß das in der Spule 13 befindliche Eisen, falls eine plötzliche Stromänderung
eintritt, schnell gesättigt ist und der Magnetfluß des Kernes dann nur noch wenig
ansteigt. Starke überspannungen sowie sonstige schädliche Rückwirkungen auf die
Wechselstromspule 13 sind also durch diese Ausbildung des Eisenkernes verhindert.
Für den Eisenkern wird zweckmäßig ein sehr hochmagnetisches lIaterial benutzt. Es
hat sich gezeigt, daß eine sehr hohe -Empfindlichkeit bei der Einrichtung nach -der
Erfindung erzielt «-erden' kann, wenn als 1-lagnetkern eine Nickeleisenlegierung
gewählt wird, welche sich aus 7311= °/o -Nickel und 251,-'.= oi'o Eisen zusammensetzt.