Einrichtung zum Messen elektrischer Spannungen. Gegenstand vorliegender Erfindung ist eine Elektroden und ein elektrisches Mess instrument aufweisende Einrichtung zum Messen elektrischer Spannungen.
Bekanntlich besteht zwischen zwei oder mehreren elektrisch geladenen Elektroden ein elektrisches Feld. Die Stärke dieses Feldes hängt von der Potentialdifferenz, das heisst von der elektrischen Spannung zwischen den Elektroden ab, und zwar ist die Feldstärke in einem Punkte des Feldes direkt propor tional der elektrischen Spannung zwischen den Elektroden. Es sind nun schon verschie dene Einrichtungen bekannt, welche die Be stimmung der elektrischen Feldstärke und damit die Messung der elektrischen Spannung zwischen solchen Elektroden gestatten, z. B.
Einrichtungen, die darauf beruhen, dass die Kraftwirkung, die das elektrische Feld auf die Elektroden ausübt, eine elastische Defor mation und Verschiebung derselben bewirkt. Der Nachteil dieser Einrichtungen besteht darin, da$ die Beobachtung dieser Deforma tion visuell an den Elektroden zu erfolgen hat, wenn komplizierte Anzeigemittel ver mieden werden sollen. Eine Fernübertragung des Messresultates ist hier auf einfache Art nicht möglich. Bei Wechselstrom werden die Elektroden fortwährend geladen und ent laden.
Zwischen den Elektroden herrscht dann ein Wechselfeld. Durch Messung des Ladestromes der Elektroden kann auf die Spannung zwischen denselben geschlossen werden. Diese Methode versagt aber insofern bei Gleichstrom, als dort nur beim Entstehen oder Verschwinden des elektrischen Feldes ein Strom zu den Elektroden auftritt. Die einfachste Methode, die Spannung zwischen zwei Elektroden mit Hilfe eines gewöhn lichen, leistungsverbrauchenden Spannungs messers zu bestimmen, führt bei höheren Gleichspannungen zu grossen Schwierigkeiten und sie ist bei kleinen Spannungen wegen des erwähnten Leistungsverbrauches oft nicht an-- wendbar.
Gegenstand vorliegender Erfindung sucht diese Nachteile zu vermeiden und besteht darin. dass Mittel vorgesehen sind, welche die Kapazität zwischen zwei an die zu mes sende Spannung anzuschliessenden Elektroden periodisch ändern.
Die periodische Änderung der Kapazität zwischen den Elektroden kann auf verschie dene Art erfolgen. Auf der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele des Er findungsgegenstandes dargestellt.
Bei der Einrichtung nach Fig. 1 sind zwei Elektroden 1 und 2 vorgesehen, die mit der Stromquelle 3, deren Spannung gemessen werden soll, verbunden sind und zwischen denen somit ein elektrisches Feld besteht. Die Elektrode 1 ist fest und die Elektrode 2 ist verschiebbar gelagert und mit einem von ihr isolierten Kurbelantrieb 5 verbunden. Die Wirkungsweise dieser Einrichtung ist folgende: Die Stromquelle 3 erzeuge die kon stante Spannung U. Bleiben die Elektroden vorerst in Ruhe, so fliesst nach der einmaligen Aufladung der Elektroden in den Zulei tungen kein Strom mehr, und der Strom messer 4 zeigt keinen Ausschlag.
Wird nun aber mit Hilfe des Kurbelantriebes 5 die Elektrode 2 hin- und herbewegt, so verändert sich die Kapazität zwischen beiden Elektro den, und es fliesst ein Ladestrom zu den selben, dessen Grösse ein Mass für die an der Elektrodenoberfläche herrschende mittlere Feldstärke und für die Spannung U zwischen den Elektroden ist.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 sind zwei feste Elektroden 6 und 7, sowie eine zwischen diesen Elektroden verschiebbar gelagerte Elektrode 8 vorgesehen. Letztere ist mit einem von ihr isolierten Kurbelantrieb 5 verbunden. Die Kapazität zwischen beiden Elektroden 6 und 7 wird dadurch geändert, dass zwischen diese Elektroden eine dritte Elektrode 8 geschoben wird. An Stelle der Elektrode 8 kann auch ein Dielektrikum, das sieh in der Dielektrizitätskonstanten vom Dielektrikum, das sich bereits zwischen den Elektroden befindet, unterscheidet, zwecks Veränderung der Kapazität zwischen die Elektroden 6 und 7 eingeschoben werden.
Die Ausführungsform nach Fig. 3 zeigt eine andere Anordnung der Elektroden. Der vollen, undurchlöcherten und plattenförmigen Elektrode 9 steht eine gitterartige Elektrode 11 gegenüber, die durch eine dritte, ebenfalls gitterartige Elektrode 10 abgeschirmt wird. Die Elektroden 10 und 11 sind in den Fig. 4 und 5 in Frontansicht dargestellt.
Wird nun die Elektrode 11 mit Hilfe irgend eines An triebmechanismus 12 auf- und abgeschoben, also translatoriseh schwingend bewegt, so treten abwechslungsweise deren Metallstreifen 13 hinter die Gitterlücken bezw. Gitterstrei fen der Elektrode 1ss. Die Kapazität zwi schen den Elektroden 9 und 11 wird so perio disch zwischen einem grössten und kleinsten Wert geändert, wobei der Letztere sehr klein und für praktische Anwendungen gleich Null angenommen werden kann.
Erfolgen die Kapazitätsänderungen in sehr rascher Auf einanderfolge, so kann mit einer solchen An ordnung nicht nur eine konstante, sondern auch eine veränderliche Spannung gemessen werden, indem bei jeder periodischen Kapa zitätsänderung der Ladestrom proportional dem Momentanwerte der zu messenden @i- nung ist.
Die Ausführungsform nach Fig. 6 zeigt, Nvie durch Rotation einer Elektrode rasche, periodische Kapazitätsänderungen erreicht werden können. Der vollen, plattenförmigen Elektrode 14 stehen wiederum zwei Elektro den 15 und 16 gegenüber. Die Elektrode 15 ist fest, die Elektrode 16 wird durch einen Elektromotor 17 in Rotation versetzt. Die Elektrode 16 besitzt eine bestimmte Anzahl radiale sektorförmige Ausschnitte (siehe Fig. 7), während die Elektrode 15 (siehe Fig. 8) mit entsprechenden sektorförmigen Flügeln ausgestattet ist.
Bei der Rotation der Elektrode 1,6 treten nun diese Flügel in rascher Reihenfolge hinter die Ausschnitte der Elektrode 16 bezw. hinter die da zwischenliegenden sektorförmigen Streifen, wodurch die Kapazität zwischen den Elek troden 14 und 1.5 wiederum periodisch zwi schen einem grössten und kleinsten Wert ge ändert wird. Es ist selbstverständlich, dass auch die Elektrode 15 die sektorförmigen Ausschnitte, und dafür die Elektrode 16 die entsprechenden Flügel aufweisen kann. An Stelle der sektorförmigen Ausschnitte und Flügel können auch solche anderer Formge bung verwendet werden.
Auch hierbei können die Kapazitätsänderungen so rasch erfolgen, dass bei nicht konstanten Spannungen Momentanwerte bestimmt werden können.
Durch besondere Ausbildung und Bewe gung der Elektroden kann bei einer perio dischen Wechselspannung, entsprechend Fig. 9, jeder beliebige Momentanwert gemessen werden. Die Gesamtanordnung ist prinzipiell gleich gewählt wie bei der Einrichtung nach Fig. 6. An Stelle der Elektroden 15 und 16 treten jedoch Elektroden 18 und 19 nach den Fig. 10 und 11. Die Elektrode 18 besitzt nur eine radiale, schlitzförmige Öffnung (Fig. 10) und die Elektrode 19 (Fig. 11) besteht aus einer einzigen Platte von der Form des Schlitzes der Elektrode 18. Wird nun die Elektrode 18 mit einer zur Frequenz der Wechselspannung synchronen Tourenzahl ge dreht, so wird die Platte 19 (Fig. 11) stets in einem bestimmten Zeitmoment t (Fig. 9) der Spannungsperiode abgedeckt und aufge laden.
Die Grösse des Ladestromes ist dann proportional dem Momentanwert der Span nung in diesem Zeitmoment. Durch Ver drehen der Elektrode 19 (Fig. 11) um die Rotationsachse der Elektrode 18 kann jeder beliebige Momentanwert der Spannung ge messen werden. Man kann auch die rotierende Elektrode 18 mit einer geringen Zusatzver drehung zur synchronen Tourenzahl rotieren lassen, wodurch eine rasche Aufnahme der Kurvenform der zu messenden Spannung er- müglicht wird.
Device for measuring electrical voltages. The present invention is an electrode and an electrical measuring instrument having device for measuring electrical voltages.
It is known that there is an electric field between two or more electrically charged electrodes. The strength of this field depends on the potential difference, that is, on the electrical voltage between the electrodes, and the field strength in one point of the field is directly proportional to the electrical voltage between the electrodes. There are now various dene devices known which allow the determination of the electrical field strength and thus the measurement of the electrical voltage between such electrodes, for. B.
Devices based on the fact that the force exerted by the electric field on the electrodes causes elastic deformation and displacement of the same. The disadvantage of these devices is that this deformation must be observed visually on the electrodes if complex display means are to be avoided. A remote transmission of the measurement result is not possible here in a simple way. With alternating current, the electrodes are continuously charged and discharged.
An alternating field then prevails between the electrodes. By measuring the charging current of the electrodes, conclusions can be drawn about the voltage between the electrodes. However, this method fails in the case of direct current, as there is a current to the electrodes only when the electric field arises or disappears. The simplest method of determining the voltage between two electrodes with the help of an ordinary, power-consuming voltmeter leads to great difficulties with higher DC voltages and it is often not applicable for low voltages because of the power consumption mentioned.
The subject of the present invention seeks to avoid these disadvantages and consists in them. that means are provided which periodically change the capacitance between two electrodes to be connected to the voltage to be measured.
The periodic change in capacitance between the electrodes can be done in different ways. In the drawing, various embodiments of the subject invention He are shown.
In the device according to FIG. 1, two electrodes 1 and 2 are provided which are connected to the current source 3, the voltage of which is to be measured, and between which there is thus an electric field. The electrode 1 is fixed and the electrode 2 is slidably mounted and connected to a crank drive 5 which is isolated from it. The mode of operation of this device is as follows: The power source 3 generates the constant voltage U. If the electrodes remain at rest for the time being, after the electrodes have been charged once in the supply lines, no more current flows and the ammeter 4 shows no deflection.
If, however, the electrode 2 is moved back and forth with the help of the crank drive 5, the capacity between the two electrodes changes, and a charging current flows to the same, the size of which is a measure of the mean field strength prevailing on the electrode surface and for the Voltage U between the electrodes.
In the embodiment according to FIG. 2, two fixed electrodes 6 and 7, as well as an electrode 8 mounted displaceably between these electrodes, are provided. The latter is connected to a crank drive 5 isolated from it. The capacitance between the two electrodes 6 and 7 is changed in that a third electrode 8 is pushed between these electrodes. Instead of the electrode 8, a dielectric, which differs in its dielectric constant from the dielectric that is already located between the electrodes, can be inserted between the electrodes 6 and 7 in order to change the capacitance.
The embodiment according to FIG. 3 shows a different arrangement of the electrodes. Opposite the full, imperforate and plate-shaped electrode 9 is a grid-like electrode 11 which is shielded by a third, likewise grid-like electrode 10. The electrodes 10 and 11 are shown in FIGS. 4 and 5 in a front view.
If the electrode 11 is now pushed up and off with the help of any drive mechanism 12, that is, moved in a translatory swing, the metal strips 13 alternately occur behind the gaps in the grid, respectively. Grid strips of the electrode 1ss. The capacitance between the electrodes 9 and 11 is changed periodically between a largest and smallest value, the latter being very small and, for practical applications, assumed to be equal to zero.
If the capacity changes take place in very rapid succession, then with such an arrangement not only a constant, but also a variable voltage can be measured, in that the charging current is proportional to the instantaneous value of the measurement to be measured for each periodic capacity change.
The embodiment according to FIG. 6 shows how rapid, periodic changes in capacitance can be achieved by rotating an electrode. The full, plate-shaped electrode 14 are in turn two electrodes 15 and 16 opposite. The electrode 15 is fixed, the electrode 16 is set in rotation by an electric motor 17. The electrode 16 has a certain number of radial sector-shaped cutouts (see FIG. 7), while the electrode 15 (see FIG. 8) is equipped with corresponding sector-shaped wings.
With the rotation of the electrode 1,6 these wings now step behind the cutouts of the electrode 16 respectively in quick succession. behind the sector-shaped strips lying there between, whereby the capacitance between the electrodes 14 and 1.5 in turn is periodically changed between a largest and smallest value. It goes without saying that the electrode 15 can also have the sector-shaped cutouts, and for this the electrode 16 can have the corresponding wings. Instead of the sector-shaped cutouts and wings, those with a different shape can also be used.
Here, too, the changes in capacitance can take place so quickly that instantaneous values can be determined in the case of non-constant voltages.
Due to the special design and movement of the electrodes, any instantaneous value can be measured with a periodic alternating voltage, as shown in FIG. The overall arrangement is basically the same as in the device according to FIG. 6. Instead of electrodes 15 and 16, however, electrodes 18 and 19 according to FIGS. 10 and 11 are used. Electrode 18 has only one radial, slot-shaped opening (FIG. 10 ) and the electrode 19 (Fig. 11) consists of a single plate in the shape of the slot of the electrode 18. If the electrode 18 is now rotated at a speed synchronous to the frequency of the AC voltage, the plate 19 (Fig. 11) is always covered in a certain time instant t (Fig. 9) of the voltage period and load up.
The size of the charging current is then proportional to the instantaneous value of the voltage at this moment in time. By rotating the electrode 19 (FIG. 11) about the axis of rotation of the electrode 18, any instantaneous value of the voltage can be measured. The rotating electrode 18 can also be rotated with a slight additional rotation to the synchronous number of revolutions, which enables the curve shape of the voltage to be measured to be recorded quickly.