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Verfahren zum Messen von Gleichstrom Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Messen von Gleichstrom mit einem vom Magnetfeld des Gleichstromes durchfluteten
mehrteiligen Joch, in dessen Luftspalten Hallgeneratoren liegen. Bei einem bekannten
Verfahren dieser Gattung wird empfohlen, nicht im Sättigungsbereich des Joches zu
arbeiten, um zu verhindern, daß die erfaßten Hallspannungen zu kleine Werte angeben.
Diese Sättigung kann sowohl dadurch auftreten, daß auch bei idealer geomefrischer
Anordnung von Stromschiene und Joch der Strom im Verhältnis zu den Eigenschaften
und Größen des Joches zu groß ist oder daß insbesondere bei nichtsymmetrischer Anordnung
der Stromschiene(n) nur in einigen wenigen Bereichen des Joches Sättigung auftritt
und dadurch ein zu kleiner Stromwert angezeigt wird. Die Gefahr einer Sättigung
nur eines Teiles des Joches besteht immer dann, wenn ein mehrteiliges Joch als mehr
oder minder tragbarer Tastkopf verwendet wird, weil im Gegensatz zu einer stationären
Montage praktisch davon auszugehen ist, daß die ideale geometrische Anordnung von
Joch und Schiene nicht erhalten wird.
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Es ist zur Vermeidung der bei Sättigung auftretenden Schwierigkeiten
bereits bekannt, ein Joch mit einem Kompensationsfeld zu beaufschlagen, welches
proportional oder gleich dem von dem durch den Leiter fließenden Strom erzeugten
Feld ist. Zu diesem Zweck wurde ein drehbares Teil in dem Luftspalt des Joches angeordnet
und der von dem im Feld sich drehenden Teil erzeugte Strom verstärkt und den Kompensationswicklungen
im Sinn einer Erzielung der Aufhebung der Flüsse zugeführt.
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Weiter ist es zur Messung des Gradienten von magnetischen Feldern
geringer Stärke bekannt, zwei Hallgeneratoren im Feld anzuordnen und dabei mit der
Hallspannung des ersten Generators den zweiten so zu steuern, daß dessen Hallspannung
bei einem Feldgradienten vom Wert Null gleich Null ist, wodurch dann bei Anliegen
eines Feldgradienten die Hallspannung des zweiten Generators ein Maß des Gradienten
ergibt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik hat die Erfindung sich die
Aufgabe gestellt, ein Verfahren der eingangs näher bezeichneten Gattung zu schaffen,
mit dessen Hilfe die oben beschriebenen Sättigungsprobleme überwunden werden können
bzw. gar nicht erst auftreten. Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe ausgehend
von dem eingangs definierten Verfahren dadurch, daß im Bereich eines jeden Hallgenerators
in an sich bekannter Weise das vom zu messenden Strom erzeugte jeweilige Magnetfeld
kompensiert wird und daß als Maß für den zu messenden Strom die Summe aller Kompensationsströme
gemessen wird.
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Eine zweckmäßige Vorrichtung zum Vorgehen nach der Erfindung kennzeichnet
sich dadurch, daß beiderseits eines jeden Hallgenerators je eine mit der anderen
Seite angeordneten, in Reihe liegende Kompensationswicklung auf den Enden der Jochteile
liegt.
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Wahlweise kann man auch in Reihe mit jedem einem Hallgenerator zugeordneten
und von diesem gesteuerten Einzelkompensationskreis einen für alle Einzelkompensationskreise
gleichen Widerstand legen, alle diese Widerstände in Reihe legen und den Spannungsabfall
über der Reihenschaltung messen.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 4 bis
6 beschrieben.
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Im folgenden wird die Erfindung an Ausführungsbeispielen unter Hinweis
auf die Zeichnung erläutert.
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In dieser zeigt Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer gemäß der
Erfindung ausgebildeten Vorrichtung, F i g. 2 eine teilweise geschnittene Frontansicht
des Abnahmekopfes mit einem Kern hoher Permeabilität und Hallgeneratoren, F i g.
3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 der F i g. 2, F i g. 4 einen Schnitt nach der
Linie 4-4 der F i g. 2, F i g. 5 einen Schnitt nach der Linie 5-5 der F i g. 2 F
i g. 6 einen Schnitt nach der Linie 6-6 der F i g. 4 Fig. 7 ein Schaltschema nach
der Erfindung und F i g. 8 ein Schaltschema einer anderen Ausführung der Erfindung.
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Gemäß F i g. 1 ist um den Leiter 10 herum ein Tastkopf 11 geklemmt,
der mit einem Meßgerät 12 verbunden ist. Der Tastkopf 11 besteht aus einer
unteren
Hälfte 13 und einer oberen Hälfte 14, wobei die beiden Hälften mittels Klemmvorrichtungen
15 fest miteinander verbunden sind.
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Die Einzelheiten der Bauart des Tastkopfes und der darin untergebrachten
Bauteile gehen aus F i g. 2 hervor. Jede Hälfte des Tastkopfes ist von einem Teil
eines zweiteiligen Aluminiumgehäuses 18 aufgenommen, in welchem eine Platte 19 mittig
angeordnet ist.
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Jede Hälfte der Jochplatte ist in geschlitzten Stegen 20 befestigt,
und die Stege sind mittels nicht gezeigter Schrauben an der Wand des Gehäuses befestigt.
Die geschlitzten Stege 20 sind mit großer Genauigkeit innerhalb jeder Gehäusehälfte
angeordnet, um ein genaues Fluchten der Jochhälften zu gewährleisten, wenn die Gehäusehälften
zusammengefugt werden.
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Die drei Außenwände des Gehäuses bestehen aus Aluminium. Die Innenwand
21 besteht aus einem nichtleitendem Kunststoffmaterial, wodurch der Tastkopf elektrisch
isoliert auf der Schiene 10 angeordnet werden kann.
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Über den Aluminiumseitenwandungen an jedem Ende des Gehäuses ist
ein leitender Bügel 22 vorgesehen, um mit den Gehäusewänden eine Leiterschleife
zur Verringerung des Brumms im Gleichstrom der Schiene 10 zu bilden.
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Das Joch 23 wird von vier L-förmigen Segmenten 24 gebildet, die an
ihren Enden durch Stege bzw.
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Streifen 25 an der Platte 19 befestigt sind. Einer dieser Stege ist
in Fig.3 dargestellt; er weist einen U-förmigen Abschnitt 26 auf, welcher an der
Platte 19 mittels Schrauben derart befestigt ist, daß das Joch an der Platte festgeklemmt
ist. Auf den oberen bzw. unteren Hälften des Joches 23 sind acht Kompensationswicklungen
27 und 28 angeordnet. Die Wicklungen dienen dazu, einen Kompensationsfluß zu erzeugen,
der demjenigen Fluß gleich ist, welchen der zu messende Strom erzeugt.
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Wie Fig.3 zeigt, ist am Gehäuse mittels eines Blockes 30, der am
Gehäuse seinerseits mittels Schrauben 31 befestigt ist, ein vorstehender Paßstift
29 befestigt. Der Paßstift 29 steht in eine entsprechende Bohrung im Block 32 ein,
der an der Wand des Gehäuses der unteren Hälftel3 des Tastkopfes 11 befestigt ist.
Paßstift 29 und Block 32 sorgen für ein sauberes Fluchten der zwei Hälften des Tastkopfes,
wenn diese um den Leiter 10 herum zusammengesetzt werden.
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An der anderen Seite des Tastkopfes ist ein Stecker 33 mit einem
oberen Teil 34 vorgesehen, von welchem mehrere (nicht gezeigte) Steckstifte in eine
untere Hälfte 35 einstehen. Der Stecker 33 stellt eine elektrische Verbindung zwischen
der oberen Hälfte 14 des Tastkopfes mit der unteren Hälfte 13 her. Alle Verbindungen
der elektrischen Bauteile in dem Tastkopf zum Instrument 12 werden durch einen an
der äußeren Oberfläche der unteren Hälftel3 des Gehäuses vorgesehenen Stecker 36
hergestellt.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Hallgeneratoren
vorgesehen, die in entsprechenden Gehäusen 40 in jeder Hälfte des Tastkopfes angeordnet
sind. Die Gehäuse, in denen die Hallgeneratoren befestigt sind, sind in den F i
g. 4, 5 und 6 dargestellt. So ein Gehäuse weist ein U-förmiges Teil 41 mit einer
Kappe 42 auf; die Kappe 42 ist mittels Schrauben 43 am U-förmigen Körper befestigt.
Die Kappe hat zwei Bohrungen 44, durch welche die vier Leitungen zum Hallgenerator
führen. Das Teil 41 weist einen Flansch 45 auf, der zwei Schultern 46 bil-
det, gegen
welche die Enden 47 der Jochsegrnente 24 anliegen, wenn der Tastkopf zusammengesetzt
ist.
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Die Kappe weist ferner einen Schlitz 48 auf, welcher eine Kante des
Hallgenerators 49 aufnimmt. Durch Ineingriffkommen der Enden 47 der Jochsegmente
24 mit den Schultern 46 des Körpers des Behälters entsteht ein Raum, in welchem
der Hallgenerator geschützt angeordnet ist. Zusätzlich gewährleistet der Flansch
45, daß die Breite des Luftspaltes zwischen zwei Jochsegmenten gleichfönnig ist.
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Die elektrische Schaltung (s. Fig. 7) Das Joch 23 und die Wicklungen
28 und 27 sind in der rechten unteren Ecke des Schaltplanes dargestellt. Die mit
den Wicklungen verbundene Schaltung ist durch zwei gegeneinandergeschaltete Gleichrichter
50 geschützt, die schalten, wenn die Nennspannung übersteigende Spannungen an sie
angelegt werden.
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Auf diese Weise wirken sie als Kurzschluß über den Wicklungen 27 und
28.
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Die zwei Hallgeneratoren 49 sind in den Luftspalten des Jochs angeordnet,
und ihre Anschlußleitungen 52 sind mit einem Transformator 53 verbunden, der zwei
Sekundärwicklungen 54 aufweist. Der Transformator 53 ist mit einer 115-Volt-Wechselstromquelle
55 verbunden. Die Zuführungsleitungen liegen in Reihe mit Widerständen 56 und 57,
welche die Steuerströme begrenzen und die dazu verwendet werden, daß die Hallgeneratoren
bei gleichem Feld eine gleiche Spannung erzeugen. Bei diesem Ausführungsbeispiel
sind die Ausgangsleitungen 59 der Hallgeneratoren in Reihe geschaltet, so daß sich
ihre Spannungen addieren.
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Die Hallspannung im Ausgang 59 ist eine Funktion des Flusses im Joch23,
und der Zweck der unten beschriebenen Schaltung besteht darin, die Hallspannung
zu verstärken und sie in die Wicklungen 27 und 28 zurückzukoppeln, und zwar derart,
daß die Wicklungen 27 und 28 einen Fluß in dem Kern 23 erzeugen, der demjenigen
Fluß entgegengerichtet ist, welcher auf Grund des durch den Leiter 10 fließenden
Stromes erzeugt wird. Die Schaltung, mittels welcher dies erreicht wird, hat im
allgemeinen folgenden Aufbau: Die Ausgangsgröße der Hallgenerator-Detektoren 59
hat eine Wechselstrom-Sinuswellenform, wie sie bei 61 angedeutet ist. Dieses Signal
wird durch einen Transformator 62 in einen Wechselstromverstärker 63 gespeist, dessen
Ausgangsgröße 64 die bei 65 dargestellte Wechselstrom-Sinuswellenform hat. Die Ausgangsgröße
des Verstärkers 63 wird in einen »Zerhacker« 66 gegeben. Der Zerhacker 66 wirkt
als Schalter, der die negative Ausgangsgröße des Verstärkers umpolt, um somit eine
Gleichstromwellenform 67 zu erzeugen. Der Schaltvorgang wird von einer Sekundärwicklung
69 des Transformators 70 getriggert, dessen Primärwicklung 71 mit der Wechselstromversorgung
55 verbunden ist, wobei die Ausgangsgröße der Wicklung 69 die Stromversorgung des
Zerhackers darstellt.
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Die Ausgangsgröße des Zerhackers wird in einen direkt angekoppelten
Gegentaktverstärker und ein Filter 73 eingegeben, welcher die Zerhacker-Ausgangsgröße
verstärkt und sie in eine niedrigpulsierende Wellenform 74 umformt, welche am Ausgang
75 des Gegentaktverstärkers erscheint.
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Der bis hierher beschriebene Teil der Schaltung diente der Verstärkung
der Wechselstromausgangsspannung
der Hallgeneratoren 49 und dazu,
diese Spannung in einen Gleichstrom 74 mit geringem Brumm umzuformen. Die Größe
der Ausgangsspannung74 des Verstärkers ist eine direkte Funktion der Amplitude der
Ausgangsspannung der Hallgeneratoren, welche ihrerseits wiederum unmittelbar von
dem Stromfluß durch den Leiter 10 abhängt. Die Ausgangsspannung 74 wird dazu verwendet,
den Strom in den Kompensationswicklungen 27 und 28 zu steuern.
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Der Strom in den Wicklungen 27 und 28 wird von der Sekundärwicklung
77 des Transformators 78 geliefert, dessen Primärwicklung 79 an der Wechselstromversorgung55
liegt. Die Sekundärwicklung 77 liegt an einem Vollweggleichrichter 81. Die Ausgangsleitung
des Gleichrichters 81 ist über einen gesteuerten Siliziumgleichrichter 82 mit der
Kompensationswicklung 27 verbunden. Die andere Ausgangsleitung 84 ist über ein Meßgerät
85 mit der anderen Seite der Kompensationswicklung 27 verbunden. Das den Strom zur
Kompensationswicklung messende Gerät 85 gestattet nach Eichung eine Messung des
Stromes im Leiter 10.
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Der gesteuerte Siliziumgleichrichter 82 gestattet das Durchtreten
von Strom zur Kompensationswicklung jedoch nur, wenn er mittels einer Spannung geeigneter
Größe über die Leitung 83 getriggert ist. Um diesen Spannungsimpuls zu erhalten,
ist eine Steuerschaltung88 für den gesteuerten Siliziumgleichrichter vorgesehen.
Die Steuerschaltung gibt an den gesteuerten Siliziumgleichrichter während jeder
Halbwelle, d. h. während jedes Impulses vom Vollweggleichrichter 81, einen Impuls
ab. Der Winkel des Impulses von der Kontrollschaltung, d. h. der Moment der Halbwelle,
welchem der Impuls entspricht, bestimmt den Zeitpunkt, zu welchem der Gleichrichter
82 leitend wird. Der leitend gemachte Gleichrichter 82 leitet so lange, bis die
Spannung von der Gleichrichterbrücke 81 auf Null zurückgeht. Danach findet keine
Leitung durch den Gleichrichter 82 statt, bis dieser wieder durch einen weiteren
Impuls aus der Steuerschaltung gezündet wird. Während desjenigen Teils der Periode,
währenddem der Gleichrichter 82 nicht leitet, besteht für den abfallenden Strom
in den Spulen 27 und 28 ein Weg durch den Gleichrichter 89.
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Die Energie für den von der Steuerschaltung kommenden Impuls wird
von einem Brückengleichrichter 90 geliefert, der an der Sekundärwicklung 91 des
Transformators 70 liegt. Der gleichgerichtete Strom wird über eine Zenerdiode92
dem Kollektor eines Transistors 94 zugeführt. Der Transistor 94 wirkt als Ventil
für den durch die Zenerdiode92 fließenden Strom. Die Größe des vom Kollektor 93
zum Emitter 95 fließenden Stromes wird durch die Spannung an der Basis 96 geregelt,
die von der Ausgangsspannung des Verstärkers 73 abhängt.
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Der Strom vom Transistor 94 lädt einen Kondenstator 97. Wenn die
Ladung auf dem Kondensator einen bestimmten Pegel erreicht, der vom Doppelbasistransistor
98 gesteuert ist, dann entlädt sich der Kondensator über eine Primärwicklung 99
des Transformators 100, dessen eine Sekundärwicklung 101 mit dem gesteuerten Siliziumgleichrichter
82 verbunden ist.
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In der Schaltung nach Fig.7 ist ein Kompensationskreis zur Eliminierung
der Wirkung der Stellung des Leiters innerhalb des Joches vorgesehen. Der
Kompensationskreis
wird verwendet, nachdem der Tastkopf um den Leiter herum festgeklemmt wurde.
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Er kann in beliebiger Weise angeordnet sein, aber wenn er einmal in
eine bestimmte Lage gebracht wurde, sollte er in dieser Lage bleiben, bis die Messung
beendet ist. Wenn er sich in dieser Lage befindet, dann wird der Kompensator eingestellt,
und zwar in der unten beschriebenen Weise, so daß der Kompensationsfluß gleich dem
durch den Leiter 10 induzierten Fluß ist.
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Wie in F i g. 7 dargestellt ist, weist der Kompensationskreis ein
Potentiometer 105 auf, welches in Reihe mit den Wicklungen 27 und 28 liegt. Der
veränderliche Abgriff 106 des Potentiometers ist mit dem Ausgang des gesteuerten
Siliziumgleichrichters 82 verbunden. Die Ausgangsgröße des Gleichrichters wird auf
diese Weise nach Maßgabe der Stellung des veränderbaren Abgriffs auf die Wicklungen
27 und 28 gegeben.
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Um den Betrag und die Richtung der Einstellung des Mittelabgriffes
106 bestimmen zu können, sind zwei Voltmeter 107 über die Ausgangsleitungen der
entsprechenden Hallgeneratoren 49 verbunden. Wenn der Leiter 10 näher dem einen
Hallgenerator angeordnet ist als zum anderen, dann erscheint eine größere Spannung
an demjenigen Voltmeter, welches dem näher am Leiter liegenden Hallgenerator zugeordnet
ist. Das Potentiometer wird dann in dem Sinn eingestellt, daß die diesem Hallgenerator
nahe liegenden Wicklungen einen größeren Anteil des Rückkopplungsstromes erhalten.
Die Einstellung wird so lange fortgesetzt, bis die Voltmeter 107 gleiche Anzeigen
liefern.
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Der Verstärker Der Verstärker 53 wird aus dem Transformator 62 gespeist,
der einen Verstärkungsfaktor von etwa 16 hat. Die Verstärkung des Verstärkers 63
ist etwa 10; er weist einen Zweistufenwechselstromverstärker auf, dessen Eingang
mit dem Transformator 52 über eine Kapazität C1 verbunden ist. Der Ausgang des Verstärkers
ist über eine Kapazität C 6 mit dem Zerhacker 66 verbunden. Die Speisespannung wird
vom Transformator 78 geliefert, dessen Sekundärwicklung mit dem Vollweggleichrichter
103 verbunden ist.
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Der Verstärker 63 verwendet zwei n-p-n-Transistoren Q 3 und Q 4,
die eine gemeinsame Emitterverbindung haben. Die Ausgangsgröße vom Kollektor des
Transistors Q3 3 ist über eine Kapazität C 3 mit der Basis des Transistors Q4 4
verbunden.
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Der Zerhacker Der Zerhacker ist eine bekannte Schaltung, die dazu
dient, Wechselstrom in Gleichstrom umzuformen oder umgekehrt. Bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel besteht seine Funktion darin, Wechselstrom in Gleichstrom umzuformen,
wobei der Zerhacker im wesentlichen ein Schalter ist, der sich nach jeder Halbwelle
des Wechselstromeinganges vom Verstärker 63 selbst umschaltet, um den negativen
Impuls der Wellenform 65 in positive Richtung, wie bei 67 angezeigt, umzuwandeln.
In dem Zerhacker finden zwei p-n-p-Transistoren Q 5 und Q 6 Verwendung, deren Kollektoren
miteinander verbunden sind und deren Basen über die Strombegrenzerwiderstände R
15 und R16 verbunden sind, welche ihrerseits in Reihe mit der Stromversorgung 69
des Zerhackers liegen.
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Der Wechselstromausgang 64 des Verstärkers 63 liegt an den verbundenen
Kollektoren der Transistoren QS und Q6 und ist in Phase mit der Ausgangsgröße der
Zerhackerstromversorgung 69. Bei jeder Halbwelle werden die Transistoren abwechselnd
vom leitenden in den nichtleitenden Zustand gebracht, so daß die Ausgangsgröße von
64 zunächst durch den Kollektor-Emitter-Kreis des einen Transistors und dann durch
den Emitter-Kollektor-Kreis des anderen Transistors fließt, wodurch der Wechselstrom
in den bei 67 dargestellten Gleichstrom umgeformt wird.
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Zusätzlich zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom ist der
Zerhacker insofern für die Wirkungsweise des Systems von Bedeutung, als er der Elimination
von Rauschen, fremden phasenverschobenen Komponenten usw. dient. Da eine ideale
Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom eine exakte Phasengleichheit zwischen
der Stromversorgung des Zerhackers und dem Eingangsstrom vom Verstärker 63 erfordert,
erscheinen Fremdrauschen und phasenverschobene Komponenten am Ausgang des Zerhackers
als Wechselstrom mit von Null verschiedener Gleichstromkomponente. Diese Komponenten
werden von den Kondensatoren C 8 und C 9 ausgefiltert und können somit nicht in
den direkt angekoppelten Gegentaktverstärker 73 eintreten.
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Der Gegentaktverstärker Der galvanisch angekuppelte Gegentaktverstärker
weist zwei n-p-n-Transistoren Q 7 und Q 8 auf, deren Emitter zusammen an einem Widerstand
R40 liegen.
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Der Widerstand R 40 liegt an einer gemeinsamen Leitung 109, die mittels
einer 6-Volt-Zenerdiode D 11 auf etwa minus 6,0 Volt Spannung gehalten wird. Die
Kollektoren sind mit je zwei gleichen Widerständen R 19 und R 20 verbunden, die
miteinander an der 12-Volt-Leitung 110 liegen. Der entsprechend der Spannungsdifferenz
zwischen den Leitungen 110 und 109 vom Kollektor zum Emitter fließende Strom wird
zu gleichen Teilen auf die Widerstände R 19 und R20 verteilt. Wenn an den Transistoren
keine Ströme liegen, dann erscheint keine Spannung am Ausgang 75 über den beiden
Widerständen. Wenn ein Gleichstromsignal vom Ausgang 68 des Zerhackers an den Basen
der Transistoren Q7 und Q 8 erscheint, dann wird der Basisstrom in einem Transistor
erhöht, und der im anderen wird kleiner. Da der Kollektorstrom des Transistors mit
dem Basisstrom wächst, geht ein größerer Strom durch einen der Widerstände R 19
und R 20 als durch den anderen, wodurch eine Spannung am Verstärkerausgang 75 entsteht.
Diese Ausgangsspannung wird durch einen Kondensator C 13 gefiltert und erscheint
(s. Bezugszeichen 74) am Eingang des den gesteuerten Siliziumgleichrichter regelnden
Schaltkreises 88.
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Arbeitsweise Zunächst wird der Tastkopf am LeiterlO angebracht. Unter
der Annahme, daß im Leiter Strom fließt, muß die Vorrichtung mit Strom gespeist
werden, so daß die magnetische Kraft, die der Anlage des Joches entgegenwirkt, durch
die Kompensationsschaltung im wesentlichen auf Null reduziert wird.
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Wenn durch den Leiter 10 ein Strom fließt, dann wird um den Leiter
herum ein Fluß erzeugt, wobei der Fluß einem Pfad hoher Permeabilität durch das
Joch
23 folgt. Die Flußlinien treten senkrecht durch die Hallgeneratoren 49, welche in
den zwei gegenüberliegenden Luftspalten in der Kernschleife angeordnet sind. Das
Zusammenwirken der durch die Hallgeneratoren fließenden Fluß dichte mit dem an die
Leitungen angelegten Wechselstrom erzeugt eine Wechselspannung, welche als »Hallspannung«
bezeichnet wird, die an den Ausgangsklemmen 59 der Hallgeneratoren erscheint. Wegen
der Serienschaltung der Hallgeneratoren ist die bei 59 erscheinende Spannung gleich
der Summe der beiden in den Generatoren erzeugten Hallspannungen.
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Die Ausgangswechselspannung wird durch den Transformator 62 dem Verstärker
63 eingegeben. Die verstärkte Ausgangsgröße bei 64 wird dem Zerhacker zugeführt,
in dem sie in einen bei 67 dargestellten Gleichstrom, welcher stark pulsiert, umgewandelt
wird. Der Gleichstromausgang des Zerhackers wird an den Eingang des Gegentaktverstärkers
gegeben, wo dieses Signal verstärkt und in einen bei 74 angedeuteten Gleichstrom
umgewandelt wird, welcher nur schwach pulsiert.
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Das Signal der bei 74 dargestellten Wellenform wird an den Eingang
des den gesteuerten Siliziumgleichrichter steuernden Schaltkreises gegeben, um die
Winkellage der bei 102 dargestellten Gleichstromimpulse zu steuern. Die »Zündwinkel«
genannte Winkelsteilung des Impulses 102 wird von der Größe der Spannung 74 vom
Ausgang des Gegentaktverstärkers gesteuert. Wenn die Verstärkerausgangsgröße anwächst,
dann wird der Zündwinkel kleiner, d. h., daß die Impulse 102 sich nach links bewegen.
Wenn andererseits die Größe der Spannung 74 abnimmt, dann wird der Zündwinkel größer,
und die Impulse bewegen sich (s. Zeichnung) nach rechts. Der Zündwinkel sollte normalerweise
vorher so eingestellt sein, daß unter normalen Betriebsbedingungen eine Zündung
bei 900 stattfindet.
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Die am Transformator 100 erscheinende Ausgangsgröße des den gesteuerten
Siliziumgleichrichters steuernden Schaltkreises wird dem gesteuerten Siliziumgleichrichter
82 zugeführt und bewirkt, daß dieser Strom vom Gleichstrom des Transformators 78
zur Kompensationswicklung 27 auf dem Joch 23 leitet. Die mittlere Quadratwurzel
des den Windungen zugeführten Stromes hängt vom Zündwinkel der Impulse 102 ab. Wenn
der Zündwinkel niedrig ist, wird ein starker Strom geleitet; umgekehrt wird ein
geringer Strom geleitet, wenn der Zündwinkel groß ist.
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Somit hängt der Strom in den Kompensationswicklungen 27 und 28 unmittelbar
von der Größe des durch den Leiter 10 fließenden Stromes ab. Das Meßgerät 85 mißt
den zu den Wicklungen 27 und 28 fließenden Strom und gibt - bei geeigneter Eichung
- ein Maß für den durch den Leiter 10 fließenden Strom. Wegen der Verwendung von
minimaler Luftspalte in der Kernschleife zulassenden Hallgeneratoren und wegen der
hohen Verstärkung bleibt das Fehlersignal des Systems unter einem Wert von 5 0/o
und vorzugsweise unterhalb von 1 0/o. Die Gesamtverstärkung des Systems wird vorzugsweise
auf 500 bis 1000 festgelegt.
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Der mit der Steuerschaltung 88 zusammengeschaltete gesteuerte Siliziumgleichrichter
wirkt als Schutzsystem für die Spulen 27 und 28. Das System ist dabei so ausgelegt,
daß bei Nennausgangsleistung oder Nenneingangsleistung oder bei Vollausschlag
des
die Ausgangsgröße anzeigenden Meßgerätes der Zündwinkel des den gesteuerten Siliziumgleichrichter
steuernden Kreises etwa 900 beträgt. Die Schaltung liefert auf diese Weise nur den
halben oder etwas mehr als den halben maximalen möglichen Strom an die Wicklungen
27 und 28.
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Wenn der zu messende Eingangs strom beispielsweise doppelt so hoch
ist, wie der Strom, für den das Instrument ausgelegt ist, dann kann der Zündwinkel,
welcher den dadurch den Strom steuernden gesteuerten Siliziumgleichrichter steuert,
nicht weitergehen, als der der Leitung Null entsprechende Punkt. Auf diese Weise
ist die Stärke des den Kompensationsspulen zuführbaren Stromes wirkungsvoll begrenzt,
wodurch verhindert wird, daß die Spulen einen zu starken Strom erhalten, der durch
einen zu großen Strom im Leiter 10 bedingt wäre. Somit ist der Strom auf etwa den
doppelten Wert des Nennstromes begrenzt. Der Strom im Leiter kann auf den zehn-
bis hundertfachen Nennwert ansteigen, ohne daß die Wicklungen oder die übrigen Teile
der Meßvorrichtung beschädigt werden können. In anderen Worten heißt dies, daß wiederum
der Kompensationsstrom auf näherungsweise den doppelten Wert des maximalen Nennwertes
begrenzt ist, wobei dann das System gesättigt wird und diesen Strom auf etwa 75
bis 100 O/o des Nennstromes begrenzt.
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Zweites Ausführungsbeispiel In Fig. 8 ist der Schaltplan einer zweiten
Ausführung dargestellt. Bei dieser Schaltung finden vier Hallgeneratoren Verwendung,
deren jeder eine eigene Kompensationsschaltung zu den Wicklungen auf dem Teil des
Joches aufweist, welcher dem Hallgenerator am nächsten liegt, dessen Signal verstärkt
wird. Dieser Schaltkreis kann als »Vier-Kanal-Schaltkreis« bezeichnet werden, da
bei ihm vier Hallgeneratoren zur Verwendung kommen, deren jeder ein eigenes Kompensationssystem
aufweist. Selbstverständlich kann durch Weglassen von zwei Hallgeneratoren und den
entsprechenden Kompensationskreisen ein Zwei-Kanal-System erhalten werden. Das Zwei-Kanal-System
zeigt tatsächlich fast genauso gute Ergebnisse wie das Vier-Kanal-System.
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Mehr ins einzelne gehend weist das Joch 120 vier im gleichen Abstand
angeordnete Luftspalte 121 auf, wobei in jedem Luftspalt ein Hallgenerator 122 vorgesehen
ist. Auf jeder Seite eines Hallgenerators befindet sich eine Wicklung 123, die mit
einem Verstärker 124 verbunden ist. Dem Verstärker wird eine Ausgangsspannung vom
Hallgenerator 122 in ähnlicher Weise eingegeben, wie dieses in Verbindung mit dem
Schaltplan nach F i g. 7 beschrieben wurde.
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Die Kompensationsschaltung von dem Verstärker zu den Wicklungen 123
weist in Serie geschaltete Widerstände 125 auf. Diese mit je einem Verstärker verbundenen
Serienwiderstände sind derart in Reihe geschaltet, daß die daran auftretenden Spannungsabfälle
summiert werden, wobei der Gesamtspannungsabfall mittels eines geeigneten Meßgerätes
127 gemessen wird.
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Die Schaltung nach F i g. 8 weist verschiedene vorteilhafte Merkmale
auf. Ein wichtiges Ziel der Erfindung besteht darin, ein Maß für das Linienintegral
der magnetomotorischen Kraft im Jochkreis zu erhalten. Dieses ist ein Maß der magnetomotorischen
Kraft der Kompensationswicklungen, die ihrerseits wiederum ein Maß für die magnetomotorische
Kraft
ist, die von dem durch den Leiter 10 fließenden Strom erzeugt wird. Da die
magnetomotorische Kraft in Ampere mal Windungen ausgedrückt werden kann und da nur
eine einzige Wicklung zur Anwendung kommt, nämlich der Leiter, gibt das Linienintegral
oder die magnetomotorische Kraft eine unmittelbare Messung des Stromes, welcher
durch den Leiter fließt. Diese Verhältnisse können mit folgender Gleichung dargestellt
werden: MMK = NI = f Hdl.
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Wenn in einem Idealfall eine unendliche Anzahl von Hallgeneratoren
in der Kernschleife verwendet werden könnte, dann könnte die magnetomotorische Kraft
um die Schleife herum integriert werden. Die Schaltung nach F i g. 8 stellt eine
Lösung dar, welche der genannten idealen Anordnung nahekommt. In F i g. 8 werden
vier Hallgeneratoren verwendet, deren jeder sein eigenes Kompensationssystem mit
Kompensationswicklungen aufweist, wobei die Summe der Ströme in den Kompensationskreisen
gemessen wird. Da die Hallgeneratoren und die Kompensationswicklungen an gleichen
Punkten um den Kreis herum angeordnet sind, ist die Wirkung einer örtlichen Sättigung
eliminiert, die dadurch entstehen könnte, daß der den Strom führende Leiter 10 nahe
einem Segment des Joches liegt. Weiterhin sind die Einwirkungen von Fremdfeldern
eliminiert, da das auf einen Hallgenerator wirkende Feld auch auf einen gegenüber
angeordneten Hallgenerator in entgegengesetzte Richtung wirken würde, so daß die
Wirkungen des Streufeldes am Summierungspunkt über den Widerständen 125 aufgehoben
sind.