DE64488C - Elektricitätszähler für Gleicti - und Wechselströme - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIF

KLASSE 21: Elektrische Apparate.

Elektricitätszähler für Gleich- und Wechselströme.

Patentirt im Deutschen Reiche vom 25. September 1891 ab.

Die den Gegenstand vorliegender Erfindung bildende Vorrichtung gehört derjenigen Gattung von Elektricitätszählern an, bei denen einem beweglichen Körper eine Geschwindigkeit ertheilt wird, die der zu messenden Stromstärke proportional ist. Die bisher bekannten Elektricitätszähler dieser Art besitzen gewöhnlich eine elektrische Kraftmaschine, deren Anker und Schenkel in geeigneter Weise in den zu messenden Stromkreis eingeschaltet sind. Diese Maschine ist mit einer magnetischen oder anderen Bremse verbunden, derart, dafs das Ganze eine dem Strom proportionale Geschwindigkeit annimmt. In einem solchen Elektricitätszähler hat die Kraftmaschine eine Anzahl passiver "Widerstände zu überwinden, als Zapfen-, Bürstenreibungen, den Luftwiderstand,, das Zählwerk zu treiben u. s. w., welche die Bewegung derselben stören und zu beträchtlichen Ungenauigkeiten Veranlassung geben können, besonders bei kleinen Geschwindigkeiten.

Bei dem vorliegenden Elektricitätszähler geht der zu messende Strom durch ein Elektrodynamometer , und ■ die Kraftmaschine wird durch eine beliebige Stromquelle gespeist, beispielsweise mittelst einer Abzweigung vom Hauptstrom aus. Die Geschwindigkeit dieser Kraftmaschine wird durch einen Stromregler geregelt, der vom Elektrodynamometer beeinflufst wird. Eine solche Anordnung gestattet, wie später nachgewiesen werden wird, alle vorhin angedeuteten Störungsursachen zu vermeiden, welche der vorliegenden Gattung von Elektricitätszählern bisher noch anhaften. Die Fig. 1 und 2 der beiliegenden Zeichnungen veranschaulichen den allgemeinen Aufbau der Vorrichtung. Die leicht bewegliche senkrechte Welle A des Elektrodynamometers ist an einem torsionslosen Faden aufgehähgt und kann sich um einige Grade verdrehen. Diese Welle A trägt die bewegliche Rolle B aus feinem Draht und eine ringförmige Metallscheibe D, vorzugsweise aus Kupfer, welche mit der Welle A durch entsprechend gebogene Stangen F fest verbunden ist. / ist die feste Rolle des Elektrodynamometers. In der Verlängerung der Welle A ist in derselben Achsrichtung die Welle C angeordnet, welche zwei oder mehrere Magnete E von solcher Anordnung trägt, dafs die Kraftlinien der von denselben gebildeten magnetischen Felder durch die Scheibe D hindurchgehen. Die Welle C wird durch eine elektrische Kraftmaschine M entweder durch Vermittelung eines Räderwerkes, wie dargestellt, gedreht, oder die Kraftmaschine ist unmittelbar mit der Welle C verbunden. Bei der Drehung der Welle C werden die in der Scheibe D auftretenden Inductionsströme letztere mit einer Kraft mitnehmen , welche der Geschwindigkeit der Welle C genau proportional ist. Der durch das Elektrodynamometer gehende Strom sucht die Welle A im Sinne des eingezeichneten Pfeiles mit einer Kraft, die der Stromstärke proportional ist, zu drehen, und zwar ist die Schaltung so gewählt, dafs die Drehung im entgegengesetzten Sinne zu der von den Magneten E erzeugten gerichtet ist.

Wird somit durch ein beliebiges Hülfsmittel

die Geschwindigkeit der Welle C geregelt, derart, dafs die Welle A in jedem Augenblick unter der Einwirkung der beiden Kräftepaare, dem des Elektrodynamometers und dem in der Scheibe D durch die Inductionsströme er-' zeugten, im Gleichgewicht sich befindet, so wird die Geschwindigkeit der Welle C stets· proportional der Stromstärke des das Elektrodynamometer durchfliefsenden Stromes sein. Es genügt also, die Drehungen der Welle C zu zählen, um ein Mafs für die vom Strom aufgewendete Arbeit zu erhalten. Zur Regelung dient im vorliegenden Falle eine mit S, Fig. i, verbundene, später zu beschreibende Vorrichtung, welche durch die Schwingungen von B beeinflufst wird und den Durchgang des Stromes durch die Kraftmaschine M entsprechend ändert.

Das auf die Scheibe D wirkende magnetische Feld wird zweckmäfsig aus zwei Gruppen kleiner V-förmiger Magnete E gebildet, wie aus Fig. 3 zu ersehen. Diese Magnetgruppe, im vorliegenden Falle aus je vier Magneten bestehend, sind oberhalb und unterhalb der Scheibe D angeordnet, so dafs ungleichnamige Pole einander gegenüberstehen und hier zweimal vier magnetische Felder gebildet werden, deren Kraftlinien durch die Scheibe D gehen. Jede Magnetgruppe ist an einer Nabe befestigt, die auf der Welle C behufs Regelung des Abstandes der Gruppen stellbar ist. Diese Anordnung bietet den Vortheil, dafs man mit wenig magnetischer Masse eine durchgreifende Wirkung erzeugen kann, und dafs bei Veränderung eines Magneten diese Aenderung sich in der Regelung nur mit einem Bruchtheil geltend macht.

Die Kraftmaschine M besteht aus zwei festen Spulen N und drei beweglichen Spulen .ZV¹, welche auf einer eisernen Scheibe η der Ankerwelle W befestigt sind. Diese Spulen sind mit drei Sammelschienen verbunden, auf welchen die Bürsten gleiten. Zur Vergleichmäfsigung des Ganges ist auf der Welle m die Schwungscheibe V befestigt.

Die ganze Empfindlichkeit der Vorrichtung hängt von der Beweglichkeit der Welle A des Elektro dynamometers ab. Um die Vortheile der Aufhängung der Welle mittelst eines Fadens auszunutzen, . mufs derselbe so fein sein, dafs die Torsionswirkung vernachlässigt werden kann. Um den Bruch des Fadens infolge von Stöfsen zu vermeiden und seine Streckung auszugleichen, kann die in Fig. 4 dargestellte Aufhängung Verwendung finden. Der vortheilhaft aus Silber bestehende Faden a ist bei CL₁ mit dem unteren Ende der hohlen Welle A verbunden und bei a.₂ an einem Zapfen A₁ aufgehängt, der leicht in seiner festen Hülse gleiten kann. Mit dem Zapfen A₁ ist ein Arm A_i verbunden, wie auch aus Fig. 5 in oberer Ansicht zu sehen ist. Der untere abgesetzte Zapfen «₃, Fig. 1, der Welle A führt sich in einem entsprechend festen Lager. Der Zapfen A₁ wird durch eine Flachfeder A₂ getragen, deren Ende unter den Arm A_i fafst und die mittelst der Schraube A_% so geregelt wird, dafs der Arm A₄ dicht unter den Kopf der Stange a₄ zu liegen kommt, welche durch den Schlitz des Armes A_t reicht und an dem gerändelten Knopf χ befestigt ist. Bei eintretenden Stöfsen biegt sich die Feder A₂ und der Faden α kann nur bis zu einer Spannung beansprucht werden, welche derjenigen der Feder A₀ gleich ist. Der Knopf χ ermöglicht es, mittelst der Stange a_A und des Armes A₁ den Faden α mehr oder weniger zu verdrehen, wenn das Gleichgewicht gestört ist, so dafs der Faden die Rolle B nicht beeinflufst, wenn kein Strom durch dieselbe fliefst, d. h. wenn die Vorrichtung keinen Strom verzeichnen soll. Der Stromregler soll die Geschwindigkeit der Kraftmaschine derart regeln, dafs die Welle A beständig sich im Gleichgewicht befindet, und zwar soll er eine Verstärkung des Stromes hervorbringen, wenn die Wirkung des Elektrodynamometers überwiegt, und eine Schwächung des Stromes im entgegengesetzten Falle. Um übermäfsige Schwingungen zu ver-' meiden, müssen sich diese Veränderungen bei der geringsten Bewegung der Welle A vollziehen. Dies wird durch ein genügend starkes Schwungrad V einerseits und durch den aus Fig. 6 ersichtlichen Regler andererseits unter fast vollkommener Vermeidung von Funken erzielt. Ein mit der Welle A verbundener Stromschlufsansatz t, Fig. 6, nimmt bei den Schwingungen der Welle A den um Zapfen S₁ drehbaren isolirten Arm 5 mit, indem er denselben, sei es bei t' t", berührt. Der Arm S ist mit zwei biegsamen Federn s und s^l verbunden, deren freie etwas.ausgebogenen Enden bei der Schwingung des Armes S an' den festen isolirten Stiften 1, 2 bezw. 3, 4 vorbeigleiten können. Der Stift 1 ist lediglich ein Anschlag, die Stifte 2 und 3 sind über Widerstände R und R¹, der Stift 4 ist unmittelbar an die Kraftmaschine M angeschlossen. Die Widerstände können unter sich gleich grofs sein. Von den beiden Federn ist s durch den Zapfen S₁ mit der Stromleitung bei -J- unmittelbar verbunden, während s¹ an t^l angeschlossen ist. In der Mittellage des Armes 5 berühren die Federn s und s¹ die Stifte 2 und 3, wie in Fig. 6 dargestellt. In der linken Lage berührt s den Stift 1 und s¹ liegt noch an 3. In der rechten Lage berührt s¹ den Stift 4, während s noch an 2 liegt. Es ergiebt sich also folgendes Schema für diese drei Lagen:

i. Linkslage

2. Mittellage

3. Rechtslage

s 2
s¹ 3
s 2

Die verschiedenen, diesen drei Lagen entsprechenden Stromstärken sind in Fig. 7 schaubildlich dargestellt. Wenn kein Strom durch das Elektrodynamometer fliefst, befindet sich der Arm t und der Arm S in der Linkslage (2). Die Berührung zwischen t und t¹ ist unterbrochen und es gelangt kein Strom zur Kraftmaschine M.

Dreht sich die Welle A- nach rechts, so entsteht ein Stromschlufs zwischen t und t^l und der Stromlauf bildet sich wie folgt:

+ A t /■! C¹I ο 7?! Λ/Τ ^Λι ^li ^L 1 ^Ä ) 3) ^Λ ; ^m "·

Der betreffende Werth der Stromstärke ist bei i, Fig. 7, den Schwingungen von A entsprechend , eingetragen. Gelangt der Arm S, von Anschlag t mitgenommen, in die Stellung 2, so wird der Stromlauf:

A, t, t\ s\ 3, £
S₁, s, 2, R

Da die beiden Widerstände einander gleich sind, so wird der Gesammtwiderstand also nur R/2, der entsprechende Werth der Stromstärke ist bei 2, Fig. 7, eingetragen.

Nimmt endlich der Arm seine Rechtslage 3 ein, so werden die Widerstände R R¹ eingeschaltet, und der Stromlauf wird:

+ A, t, t\ s\ 4, M-.

Der entsprechende Werth der Stromstärke ist bei 3, Fig. 7, verzeichnet. Sobald nun die Welle A aus dieser Lage 3 wieder zurück nach links schwingt, wird der Stromschlufs zwischen t, i' unterbrochen, und es entsteht der Stromlauf:

+ S₁, s, 2, R, M.

Die Stromstärke fällt somit plötzlich auf den Werth ι, bis der Arm 5 aus der Stellung 2 in die Lage 1 übergeht, in welcher der Strom wieder. Null wird. Infolge dieser Anordnung ist also die Stromstärke immer gröfser während der Schwingung der Welle A nach rechts, als während der entsprechenden Schwingung nach links, und die Unterbrechung des Stromes erfolgt nur dann, wenn einer der beiden Widerstände R oder R¹ eingeschaltet ist.

Bei der gewöhnlichen Thätigkeit der Vorrichtung führt die Welle A selbsttätig eine leichte Schwingung aus und nimmt eine solche Lage ein, dafs die mittlere Stromstärke in der Kraftmaschine diejenige ist, welche demselben die Geschwindigkeit ertheilt, bei welcher die Welle A im ■ Gleichgewicht ist. Man kann aufserdem zur Verminderung der Funkenbildung einen grofsen Widerstand ohne Selbstinduction im Nebenschlufs der Kraftmaschine verwenden.

Zum Messen dient ein beliebiger, von der Kraftmaschine bezw. der Welle C getriebener Umdrehungszähler. Anstatt die Vorrichtung durch Veränderung des Abstandes der Magnete von einander zu regeln, könnte man zu gleichem Zweck auch Widerstände in die nach dem Elektrodynamometer führende Stromabzweigung einschalten oder das Uebersetzungsverhältnifs zwischen Zählwerk und Kraftmaschine ändern. Fig. 8 zeigt die Verbindung der Vorrichtung mit der Leitung, sowie den Stromlauf im Elektrodynamometer, Stromregler und Kraftmaschine.

Die beschriebene Vorrichtung besitzt eine Reihe von Vortheilen und kann mehrfach Abänderungen erleiden.

1. Alle oben angegebenen passiven Widerstände werden durch die Kraftmaschine überwunden und geben dieser keinerlei Veranlassung zu Ungenauigkeiten.

2. Welche Kraftwirkung auch das Elektrodynamometer ausüben mag, die Kraftmaschine setzt sich in Bewegung, sobald zwischen t und f¹ ein Stromschlufs eingetreten ist, und zwar mit einer Kraft, welche theoretisch so grofs sein kann, wie es gewünscht wird.

3. Wenn infolge kleiner Veränderungen der Geschwindigkeit der Welle C die bewegliche Rolle B anfängt zu schwingen, so veranlafst die von der Welle A zu überwindende Reibung keine merkbare Störung, da sie bald eine Vergröfserung, bald eine Verminderung der Geschwindigkeit der Kraftmaschine herbeiführt. Diese Schwingungen betragen aufserdem nur wenige Grade und verändern nicht bemerkenswerth die Proportionalität der Wirkungen des Elektrodynamometers.

4. Die Magnete E können durch Elektromagnete E\ Fig. 9, ersetzt werden, welche für gleichgerichtete Ströme hinter oder neben einander zur Rolle des Elektrodynamometers geschaltet oder durch einen beliebigen Strom erregt werden können. Je nach der Sättigung der Kerne dieser Elektromagnete können zwei Fälle eintreten.

Benutzt man genügend kleine Kerne, so dafs dieselben mit normaler Potentialdifferenz der Klemmen der Vorrichtung gesättigt sind, so werden die Spannungsänderungen sehr wenig das magnetische Feld verändern und die Vorrichtung wirkt, wie vorhin angegeben, als Arbeitsmesser weniger genau, jedoch immerhin gleichmäfsiger.

Benutzt man hingegen so grofse Kerne, dafs das erzeugte Feld der Stromstärke proportional ist, so werden die Angaben der Vorrichtung von jener Potentialdifferenz fast unabhängig sein, besonders, wenn die Rolle B und die

Claims (4)

Elektromagnete hinter einander geschaltet sind und von demselben Strom gespeist werden. Das vom Elektrodynamometer erzeugte Krä'ftepaar ist dann proportional dem von B erzeugten magnetischen Feld und dem Krä'ftepaar, das die Inductionsströme in der Scheibe D erzeugen; das bestehende Gleichgewicht wird daher durch Aenderungen der Potentialdifferenz nicht beeinflufst, welche im gleichen Sinne die beiden auf A wirkenden, entgegengesetzten drehenden Kräftepaare ändern. Demgemäfs kann man alle Rollen JB, / und E1 von dem zu messenden Strom durchfliefsen lassen. Für gleichgerichtete Ströme giebt diese Vorrichtung also die Strommenge in Ampere-Stunden an. Man kann in gleicher Weise einen Volt-Stundenmesser herstellen, indem man die feste Rolle I und die Spule der Magnete E1, Fig. 9, von einem beständigen Strom durchfliefsen läfst und die Rolle B mit den Stellen verbindet, an denen die zu messende Potentialdifferenz sich ändert. In allen Fällen wird der Strom den Elektromagneten Eλ mittelst Bürsten zugeführt, welche auf an der Welle C befestigten Ringen ι, ι' gleiten. 5. Anstatt die Welle A durch Einwirkung magetischer Kräfte von der Welle C, wie beschrieben, zu beeinflussen, kann man andere Kräfte zu gleichen Zwecken verwenden, beispielsweise Luft- oder Flüssigkeitsströme, indem man z. B. Luft oder Flüssigkeit durch Flügel bewegt, die an der Welle C angeordnet sind, und die bewegte Luft oder Flüssigkeit auf Flügel wirken läfst, welche mit der Welle A so verbunden sind, dafs das auf letztere wirkende Kräftepaar möglichst genau der Geschwindigkeit von C proportional ist. 6. Die gleiche Vorrichtung kann bei geeigneter Abänderung der Kraftmaschine für Wechselströme verwendbar gemacht werden. Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Anordnung einer Scheibe, welche zwischen sich drehenden magnetischen Feldern sich einstellen kann, ermöglicht es, einen sehr einfachen Geschwindigkeitsmesser herzustellen. Man braucht zu diesem Zweck nur auf die Scheibe eine Gegenkraft wirken zu lassen, beispielsweise in Form einer Schraubenfeder; ist diese Kraft dann proportional der Winkeldrehung der Welle A, so werden die der Geschwindigkeit proportionalen Sealengrade gleich grofs. Ersetzt man in der Vorrichtung, Fig. 1 und 2, das Elektrodynamometer durch eine Torsionsfeder, deren eines Ende an der Welle A, deren anderes Ende an einer mit Theilung versehenen Scheibe befestigt ist, so erhält man einen Geschwindigkeitsregler, der sich sofort auf eine beliebige Geschwindigkeit einstellen läfst. Die Scheibe D läfst sich ersetzen durch einen Cylinder, eine Rolle oder einen beliebig anders gestalteten Körper. Ebenso kann man das magnetische Feld mit der Welle A verbinden und den inducirten Körper drehen. Patenτ-Ansρrüche:

1. Ein Elektricitätszähler, bei welchem die Umdrehungsgeschwindigkeit des Zählwerkes, entsprechend der Stärke des zu messenden Stromes, dadurch geregelt wird, dafs die Bewegungsvorrichtung ein magnetisches Feld in Drehung versetzt, welches ■ durch eine Kupferscheibe oder ähnliche Vorrichtungen auf die bewegliche Rolle eines elektrischen Kraftmessers einwirkt, welcher Einwirkung diejenige der festen Rolle das Gleichgewicht hält, während bei einer Störung des Gleichgewichtes ein Stromregler die Geschwindigkeit der Bewegungsvorrichtung entsprechend ändert, so dafs durch letztere mittelst eines Umdrehungszählers die elektrische Arbeit oder die verbrauchte Strommenge unmittelbar gemessen werden kann.

2. Die Abänderung des durch Anspruch 1. gekennzeichneten Elektricitätszählers in der Weise, dafs man die magnetischen Felder mit der Welle des Elektrodynamometers verbindet und den leitenden Körper sich drehen läfst.

3. Bei dem durch Anspruch 1. gekennzeichneten Elektricitätszähler der Ersatz der Magnete durch bewegte Luft oder Flüssigkeit, welche die Welle des Elektrodynamometers von der durch die Kraftmaschine betriebenen Welle mitzunehmen sucht.

4. Bei dem durch Anspruch 1. bezw. 2. gekennzeichneten Elektricitätszähler die Aufhängevorrichtung (Fig. 4) für die Welle (A), gekennzeichnet durch die mittelst Schraube (A₃) einstellbare Feder (A₂), an deren freiem Ende der die Welle (A) tragende Faden (a) mittelst des Zapfens (A₁) aufgehängt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.