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Einrichtung zum Messen von Gleichströmen oder Gleichspannungen
Die
Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Messen von Gleichströmen oder Gleichspannungen
nach einem Kompensationsverfahren und hat hauptsächlich den Zweck, verhältnismäßig
schwache Gleichströme oder Gleichspannungen mit Meßgeräten anzuzeigen oder aufzuzeichnen,
die zu ihrem Betrieb einen verhältnismäßig starken Strom erfordern. Dabei wird die
bekannte Erscheinung benutzt, daß der Scheinwiderstand von an eine Wechselstromquelle
angeschlossenen ferromagnetischen Induktivitäten durch eine von der zu messenden
Gleichstromgrbße abgeleitete Gleichstromvormagnetisierung verringert wird. Zu diesem
Zweck ist in den beiden Stromkreisen einer Wechselstrom-Differenzschaltung zumindest
je eine ferromagnetische Induktivität angeordnet, deren Erregung sich zusammensetzt
aus einer Wechselstromkomponente, einer von der zu messenden Gleichstromgröße gelieferten
Komponente und einer durch eine Hilfsgleichspannung hervorgerufenen Komponente.
Es ist bekannt, daß man eine Erhöhung der Empfindlichkeit bei sogenannten magnetischen
Verstärkern erhält, wenn eine Hilfserregung vorgesehen wird, die dem Wechselstromerregerkreis
über Gleichrichter entnommen wird. Die Erfindung besteht nun darin, daß bei Wechselstrom-Differenzschaltungen
der angegebenen Art die Hilfsgleichspannung dem zugeordneten Wechselstrom-Erregerkreis
über Gleichrichter entnommen ist und die von der Hilfsgleichspannung hervorgerufene
Erregungskomponente in dem einen Stromkreis der Wechselstrom-Differenzschaltung
in gleichem und in dem anderen Stromkreis der Wechselstrom-Differenzschaltung in
entgegengesetztem Sinne wirkt wie die von der zu
messenden Gleichstromgröße
gelieferte Erregungskomponente.
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Dadurch wird erreicht, daß eine kleine Änderung der zu messenden
Gleichstromgröße sich auf die beiden Stromkreise der Wechselstrom-Differenzschaltung
in entgegengesetztem Sinne auswirkt. Dabei wird in dem Stromkreis der Wechselstrom-Differenzschaltung,
bei dem die von der Hilfsgleichspannung hervorgerufene Erregung in dem gleichen
Sinne wirkt wie die Erregung durch die zu messende Gleichstromgröße, der Widerstand
stark verringert, also die Stromstärke entsprechend erhöht, in dem anderen Stromkreis
der Wechselstrom-Differenzschaltung dagegen der Widerstand erhöht und die Stromstärke
entsprechend verringert. Die Differenzbildung wird also sehr stark vergrößert und
damit die Ansprechempfindlichkeit der Meßeinrichtung entsprechend erhöht.
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Vorzugsweise sind in jedem der beiden Stromkreise der Wechselstrom-Differenzschaltung
die Erregerwicklungen zweier Eisenkerne und je eine Gleichrichteranordnung vorgesehen,
an die gleichstromseitig Zusatzwicklungen der betreffenden Eisenkerne angeschlossen
sind, und diese tragen außerdem Steuerwicklungen, die an die zu messende Gleichstromgröße
angeschlossen sind. Dabei können die Erregerwicklungen der beiden Eisenkerne an
je eine Hälfte der Sekundärwicklung eines aus einer Wechselstromquelle gespeisten
Transformators angeschlossen sein. In jedem Fall ist es zweckmäßig, wenn die Wicklungsrichtung
so gewählt ist, daß die durch die Wechselfelder der Eisenkerne in den Gleichstromwicklungen
induzierten Wechselspannungen sich bei entsprechender Bemessung der Windungszahlen
gegenseitig aufheben. Wenn die Schaltung selbsttätig durch einen nach Art eines
Zählertriebwerks gebauten umkehrbaren Motor abgeglichen werden soll, so wird die
Stromwicklung des Zählertriebwerks vorzugsweise in den Differenzzweig der Wechselstromschaltung
eingeschaltet.
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Zum weiteren Erhöhen der Meßempfindlichkeit ist es möglich, eine
Kaskadenanordnung derart vorzusehen, daß die Hilfsgleichspannung, die über Gleichrichter
dem Wechselstromerregerkreis der einen Induktivität entnommen und zu deren zusätzlicher
Erregung benutzt wird, zugleich in einer zweiten Stufe der Erregung weiterer, in
einer zweiten Wechselstrom-Differenzschaltung angeordneter Induktivitäten dient,
die außerdem mit einer Wechselstromerregung sowie einer von dieser durch Gleichrichter
angegriffenen zweiten Gleichstromerregung versehen sind. Diese wirkt dann in dem
einen Stromkreis der zweiten Wechselstrom-Differenzschaltung in gleichem und in
dem anderen Stromkreis der zweiten Wechselstrom-Differenzschaltung in entgegengesetztem
Sinne wie die von der aus den betreffenden Gleichrichtern entnommenen Hilfsspannung
herrührende Erregung. Das Meßwerk wird sodann in den Differenzzweig der Differenzschaltung
der zweiten Stufe eingeschaltet.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele einer Einrichtung
gemäß der Erfindung in Schaltbildern dargestellt.
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Bei der in Fig. I dargestellten Schaltung ist an ein mit - bezeichnetes
Wechselstromnetz ein Transformator 19 angeschlossen, dessen Sekundärwicklung in
zwei gleiche Hälften unterteilt ist. Die Sekundärwicklung speist einerseits über
einen Kondensator I8 die Spannungswicklung I7 eines nach Art eines Zählertriebwerks
gebauten Wechselstrommotors 14 und andererseits die in Reihe geschalteten, sämtlich
gleichsinnig gewickelten Erregerspulen 24, 25, 26, 27 von je vier Eisenkernen 6,
7, 8, 9, wobei zwischen die Spulen 24 und 25 eine Gleichrichteranordnung 28 und
zwischen die Spulen 26 und 27 eine Gleichrichteranordnung 29 eingeschaltet ist.
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Die Mitte der Sekundärwicklung des Transformators 19 ist über die
Stromwicklung 20 des Zählertriebwerks 14 und einen Kondensator 21 mit der Mitte
zwischen den Spulen 25 und 26 verbunden.
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Dadurch entsteht eine Wechselstrom-Differenzschaltung mit den beiden
Stromkreisen 22 und 23.
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An den Ausgang des Gleichrichters 28 ist die Reihenschaltung von zwei
Zusatzwicklungen 30 und 3I angeschlossen, die mit einander entgegengesetzter Wicklungsrichtung
auf den Eisenkernen 6 bzw. 7 angeordnet sind. Ebenso ist an den Ausgang des Gleichrichters
29 die Reihenschaltung von zwei Zusatzwicklungen 32 und 33 angeschlossen, die mit
einander entgegengesetzter Wicklungsrichtung auf den Eisenkernen 8 bzw. 9 angeordnet
sind.
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Außerdem tragen die vier Eisenkerne 6 bis 9 noch Steuerwicklungen
2 bis 5, die paarweise mit entgegengesetzter Wicklungsrichtung in Reihe geschaltet
und über einen durch einen drehbaren Kontaktarm ii abgegriffenen Teil eines Schleifdrahtes
10 an ein Klemmenpaar I angeschlossen sind. Der Schleifdraht ro wird über einen
Vorwiderstand 12 aus einer Gleichstromquelle I3 gespeist. Der Kontaktarm II ist
über ein Schneckengetriebe I6 mit der Ankerscheibe 15 des Zählertriebwerk 14 mechanisch
gekuppelt.
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Wenn an die Klemmen I eine anzuzeigende kleine Gleichspannung angelegt
wird, so wird diese bei einer bestimmten Stellung des Kontaktarms II durch die aus
der Gleichstromquelle I3 entnommene Kompensationsspannung kompensiert, so daß die
Wicklungen 2 bis 5 stromlos sind. Dann werden die Eisenkerne 6 bis 9 nur durch die
Wechselstromwicklungen 24 bis 27 und die Zusatzwicklungen 30 bis 33 magnetisiert.
In diesem Fall sind aber infolge des beschriebenen symmetrischen Schaltungsaufbaues
die Wechselstromkreise so gegeneinander abgeglichen, daß sich ihre Ströme in dem
die Stromwicklung 20 enthaltenden Differenzzweig gegenseitig aufheben. Infolgedessen
wirkt auf die Zählerscheibe 20 kein Drehmoment. Andert sich die Spannung an den
Klemmen I, so tritt zunächst im Gleichstrom-Kompensationskreis eine Störung des
AusgIeichzustandes ein. Es fließt über die Wicklungen 2 bis 5 ein Gleichstrom, der
je nach der Stromrichtung der zu messenden Spannung den Widerstand des Kreises 22
erniedrigt und den von 23 erhöht oder umgekehrt.
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Bei der in der Zeichnung angenommenen Polarität der Gleichspannung
an den Klemmen 1 und der
Gleichrichteranordnungen 28, 29 fließt
dann in den Wicklungen 30 und 3I ein Gleichstrom, der die Kerne 6 und 7 in dem gleichen
Sinne magnetisiert wie die Steuerwicklungen 2 und 3. Dadurch wird die Erniedrigung
des Widerstandes der Erregerwicklungen 24 und 25 durch »Rückkopplung« wesentlich
verstärkt und demgemäß die Stromstärke in dem Stromkreis 22 entsprechend erhöht.
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Andererseits wirkt die Gleichstrommagnetisierung der Kerne 8 und 9
durch die Wicklungen 32 und 33 der Magnetisierung durch die Steuerwicklungen 4 und
5 entgegen, so daß die durch den Strom in den Steuerwicklungen bewirkte Erhöhung
des Widerstandes der Erregerspulen 26 und 27 durch die Gegenwirkung der Wicklungen
32 und 33 verringert wird. Dadurch entsteht eine stark erhöhte Differenzwirkung,
so daß der Strom in der Stromwicklung 20 in sehr großer Verstärkung nach Größe und
Richtung dem Steuerstrom und somit der zu messenden Gleichspannung entspricht. In
dem Maße, wie sich die Zählerscheibe 15 dreht, ändert sich der Abgriff an dem Schleifdraht
10. Es kommt so sehr schnell zu einem erneuten Ausgleich der an den Klemmen I liegenden
durch die an dem Schleifarm 10 abgegriffene Spannung. Dann ist die durch den Kontaktarm
ii abgegriffene Länge des Schleifdrahtes 10 ein Maß für die anzuzeigende kleine
Gleichspannung, so daß man den Kontaktarm ii als Zeiger ausbilden kann, um die Meßgröße
an einer entsprechenden Skala unmittelbar abzulesen. Gegebenenfalls kann der Kontaktarm
auch mit einem Schreiborgan gekuppelt werden, um die Schwankungen der Meßgröße auf
einem Schreibstreifen z. B. in Tintenschrift aufzuzeichnen.
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In Fig. 2 sind die der Ausführung nach Fig. I entsprechenden Teile
mit den gleichen Ziffern bezeichnet. Hier sind an je eine Hälfte der Sekundärwicklung
des Transformators 19 die Erregerwicklungen 24 und 25 unter Zwischenschaltung der
Gleichrichteranordnung 28 bzw. die Erregerwicklungen 26 und 27 unter Zwischenschaltung
der Gleichrichteranordnung 29 unmittelbar angeschlossen. Außer den vier Eisenkernen
6 bis 9 sind nun in einer zweiten Verstärkerstufe noch vier weitere Eisenkerne 34
bis 37 vorgesehen, deren Erregerwicklungen mit 38 bis 41 bezeichnet sind. Dabei
ist zwischen die Wicklungen 38 und 39 eine Gleichrichteranordnung 44 eingeschaltet,
und die Wicklungen 38 bis 41 sind ebenso wie die Wicklungen 24 bis 27 bei der Ausführung
nach Fig. I an die Sekundärwicklung des Transformators 19 derart angeschlossen,
daß zwei Stromkreise 42 und 43 entstehen, wobei der Differenzzweig die Stromwicklung
20 des Zählertriebwerks 14 enthält. Die Gleichrichteranordnung 44 speist Zusatzwicklungen
46 und 47 auf den Kernen 34 bzw. 35, und die Gleichrichteranordnung 45 speist Zusatzwicklungen
48 und 49 auf den Kernen 36 bzw. 37.
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Der Ausgang der Gleichrichteranordnung 28 speist außer den Zusatzwicklungen
30 und 3I in Reihenschaltung noch auf den Eisenkernen 34 bis 37 angeordnete Zusatzwicklungen
50 bis 53. Ebenso speist die Gleichrichteranordnung 29 außer den Zusatzwicklungen
32 und 33 in ReihenschaLtung noch auf den Eisenkernen 34 bis 37 angeordnete Zusatzwicklungen
54 bis 57. Dabei werden die Wicklungen 50 bis 53 und 54 bis 57 bei gleichem Wicklungssinn
mit umgekehrter Stromrichtung aus den Gleichrichtern 28 bzw. 29 gespeist. Im übrigen
gilt bezüglich der Symmetrie des Schaltungsaufbaues und der Wicklungsrichtung sinngemäß
das gleiche, was bei der Beschreibung der Anordnung nach Fig. I gesagt wurde. Dabei
ist die Anordnung und Schaltung der Steuerwicklungen 2 bis 5 im Kompensationskreis
und die Anordnung des an die GleichstromqueLle I3 angeschlossenen Schleifdrahtes
IO sowie die Kupplung des auf diesem schleifenden Kontaktarms IO mit der Zählerscheibe
15 die gleiche wie die bei der Anordnung nach Fig. I.
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Wenn nun eine Spannungsänderung an den Klemmen I den Abgleich des
Kompensationsstromkreises stört, tritt zunächst bezüglich der Magnetisierung der
Kerne 6 bis 9 die gleiche Wirkung ein wie bei der Anordnung nach Fig. I. Der durch
den Gleichrichter 28 gleichgerichtete, entsprechend verstärkte Strom durchfließt
nun zusätzlich die Wicklungen 53 bis 50, und der durch den Gleichrichter 29 gleichgerichtete,
entsprechend geschwächte Strom durchfließt zusätzlich die Wicklungen 54 bis 57,
und zwar in entgegengesetztem Sinne wie der Strom in den Wicklungen 50 bis 53. Die
Stromrichtung in den von den Gleichrichtern 44 und 45 gespeisten Wicklungen 46 bis
49 ist nun so gewählt, daß die Kerne 34 und 35 in dem gleichen Sinne wie durch die
Wicklungen 50 und 5I, die Kerne 36 und 37 dagegen in dem entgegengesetzten Sinne
wie durch die Wicklungen 52 und 53 magnetisiert werden. Dadurch entsteht in noch
weiter erhöhtem Maße eine Vergrößerung der Differenzwirkung in den Stromkreisen
42 und 43. Die Stromwicklung 20 des Zählertriebwerks 14 erhält also einen Strom,
dessen Stärke in noch weiter erhöhtem Maße der zu messenden Gleichstromgröße entspricht.