Einrichtung zur leistungslosen Messung von Spannungen
Die bekannte, von Chubb und Fortescue angegebene Einrichtung zur Bestimmung des Scheitelwertes von Wechselspannungen, bei welcher der Mittelwert der positiven oder negativen Halbwelle des Ladestromes eines an die zu messende Spannung angeschlos- senen Kondensators gemessen wird, wobei zwischen diesem Gleichstromwert und dem zu messenden Scheitelwert der Wcchselspannung Proportionalität besteht, hat u. a. die Nachteile, dass die Frequenz unmittelbar in das Messergebnis eingeht und dass bei der allgemein üblichen Verwendung von Gleichrichterröhren oder Trockengleichrichtern die Messung falsche Ergebnisse liefert, wenn die Spannungskurve nicht sinusförmig ist.
Weiter sind Scheitelspannungsmesseinrichtungen bekanntgeworden, bei welchen die am Unterkondensator eines kapazitiven Spannungsteilers anfallende Spannung gleichgerichtet und mit einem Drehspulspannungsmesser gemessen wird. Hierbei bestehen die Nachteile, dass die Anzeige, für welche die Energie dem Teiler entnommen wird, frequenzabhängig ist, weil sich die Zeitkonstante des aus der Teilerkapazität und dem Instrumentenwiderstand bestehenden Kreisen meist nicht hoch genug einstellen lässt, und dass ein sehr fein reagierendes Instrument verwendet werden muss, das mechanisch sehr empfindlich und teuer ist.
Bekannt ist ferner eine ähnliche Einrichtung, bei welcher anstelle des Drehspulinstrumentes ein statischer Spannungsmesser verwendet wird, doch hat dies wiederum den Nachteil, dass solche Spannungsmesser eine verhältnismässig grosse Einstellzeit haben und dass sie ebenfalls mechanisch sehr empfindlich und teuer sind.
Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur leistungslosen Messung von Spannungen mittels einer Hochvakuumröhre, der ein Speicherkondensator zugeordnet ist, der beim Anschalten an die Röhre auf eine der zu messenden Spannung proportionale Spannung aufgeladen wird, und mit einem Messinstrument zur Messung dieser Spannung.
Erfindungsgemäss werden die oben geschilderten Nachteile dadurch vermieden, dass die an einem Spannungsteiler abgegriffene Teilspannung dem Gitter einer Triode zugeführt wird, in deren Kathodenkreis der Speicherkondensator einschaltbar ist, der an das Gitter einer zweiten Triode anschaltbar ist, in deren Anodenkreis ein Messinstrument liegt.
Die Einrichtung gemäss der Erfindung ermöglicht, einen einmal erreichten Höchstwert der zu messenden Wechselspannung in der Anzeige über längere Zeit festzuhalten. Ferner kann die Einrichtung so ausgebildet sein, dass auch die Messung von sich ändernden Scheitelwerten der zu messenden Spannung möglich ist. Die dem Spannungsteiler entnommene Spannung kann, wenn es erwünscht ist, auch so bemessen werden, dass von ihr zugleich ein Kathodenstrahl-Oszillograph direkt aussteuerbar ist. Die Anordnung kann ferner so getroffen sein, dass zwecks Ermöglichung der Messung des Effektivwertes der zu messenden Spannung ein Spannungswandler oder ein Ausgangstransformator vorgesehen ist, auf welchen die Kathode der Triode wahlweise umschaltbar ist und in dessen Sekundärkreis ein effektivwertanzeigendes Messinstrument, z. B. ein Dreheiseninstrument, liegt.
Die Einrichtung kann weiterhin auch so ausgebildet sein, dass sie mittels eines Umschalters wahlweise als Röhrenvoltmeter verwendbar ist. Schliesslich kann die Einrichtung auch so ausgebildet sein, dass zur Anzeige und/oder Registrierung von kurzzeitigen Spannungsänderungen und zum Aufzeichnen von Stossspannungen in Prüffeldern, von Überspannungen und/oder Stossspannungen und/oder zur Registrierung von Blitzeinschlägen in Netzen anstelle des oder neben dem Anzeigeinstrument ein zeitabhängiges, schreibendes Messgerät einschaltbar ist.
In den beiliegenden Schaltbildern sind Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 eine grundsätzliche Schaltung für die Einrichtung zur Scheitelwert- und Effektivwertmessung,
Fig. 2 eine Schaltanordnung für ein vollständiges Gerät und
Fig. 3 eine Schaltanordnung für eine abgewandelte Ausführungsform der Einrichtung, mit der insbesondere die Anzeige und/oder Registrierung von kurzzeitigen Spannungsänderungen möglich ist.
An der grundsätzlichen Schaltung der Fig. 1 sei der Aufbau und die Wirkungsweise erläutert.
Die Teilerkondensatoren 1, 2 liegen bei 3 an Hochspannung und bei 3' an Erde. Zwischen den beiden Kondensatorgruppen 1 und 2 ist das Gitter 5 der Triode 4 angeschlossen, deren Kathode mit 6 und Anode mit 7 bezeichnet sind. An der Kathode 6 liegt der Kondensator 8. Die am Gitter 5 liegende Wechselspannung ist ein getreues Abbild der am Kondensator 2 liegenden Spannung.
Ist die Gitterspannung gleich Null, so fliesst nach dem Einschalten des Gerätes der Anodenstrom mit abnehmender Stärke so lange, bis der Kathodenkondensator 8 auf eine Spannung aufgeladen ist, die als Gittervorspannung den Anodenstrom gerade zu u Null macht. Diese Anfangsspannung des Kondensators, die als Gitterspannung an der zweiten Röhre 11 liegt, wird dadurch wirkungslos gemacht, dass bei dieser Röhre der Betriebspunkt entsprechend eingestellt wird. Für positive Augenblickswerte der am Gitter 5 der Röhre 4 anliegenden, zu messenden Spannung wird - bei steigender Spannung - der Kondensator 8 jedesmal auf Spannungswerte aufgeladen, die als negative Gittervorspannung zusammen mit dem am Gitter anliegenden Messwert die Röhre gerade sperren.
Das bedeutet, dass am Kathodenkondensator jeweils eine zusätzliche Spannung erzeugt wird, die so gross ist wie die durch die jeweilige Messspannung bedingte Steuerspannung. Es besteht also für jeden positiven Augenblickswert der Messspannung automatische Kompensation. Das gilt auch für den positiven Scheitel der zu messenden Spannung.
Wenn nach Überschreiten des positiven Scheitels der zu messenden Spannung die Gitterspannung an der ersten Röhre wieder kleiner wird, bleibt am Kathodenkondensator 8 die dem Scheitelwert der Gitterspannung zugeordnete Gleichspannung erhalten, da die Ladung von dem Kondensator nicht über die Röhre 4 abfliessen kann. Die Gleichspannung am Kondensator 8 ändert sich nur, wenn nach Verschwinden oder Kleinerwerden des Scheitels der zu messenden Spannung Ladungsverluste am Kathodenkondensator auftreten, oder wenn infolge steigender Messspannung mit ihrem Scheitelwert auch die Spannung am Kathodenkondensator ansteigt.
Es besteht also Kompensation für den höchsten aufgetretenen Scheitelwert der Messspannung, auch wenn dieser nur kurzzeitig, vielleicht nur während einer Periode, auftrat. Die Spannung am Kondensator bleibt, wie schon erwähnt, längere Zeit erhalten. Der höchste Messwert ist also fixiert.
Die Erzeugung der Kompensationsspannung am Kathodenkondensator 8 belastet den Teiler 1, 2 nicht, da es sich dabei um eine gitterstromlose Steuerung handelt und die Aufladung des Kathodenkondensators über den Anodenkreis der Triode 4 erfolgt.
Soll die Spannung am Kathodenkondensator 8 nicht auf einem einmal erreichten Höchstwert stehen bzw. fixiert bleiben, sondern schwankenden Scheitelwerten - auch abwärts - folgen (normale Messung), kann durch den Schalter 10 ein Widerstand 9 zum Kathodenkondensator 8 parallel gelegt werden, der so zu bemessen ist, dass er zusammen mit dem Kathodenkondensator 8 eine Zeitkonstante ergibt, die so gross ist, dass die Spannung am Kondensator über die Periodendauer praktisch konstant bleibt, und gleichzeitig klein genug, dass die Kondensatorspannung den Spannungsänderungen folgen kann, die bei sich ändernden Scheitelwerten auftreten.
Die am Kathodenkondensator 8 abhängig vom Scheitelwert der am Gitter 5 der Röhre 4 anliegenden Messspannung entstandene Gleichspannung liegt als Gitterspannung am Gitter 12 der zweiten Röhre 11, deren Anode 14 über das Anzeigeinstrument 1 5a an die Anodenspannung und deren Kathode 13 über einen Widerstand 16 an den gegebenenfalls regulierbaren Abgriff eines Spannungsteilers 17, 18 angeschlossen ist. Der Anodenstrom dieser Röhre stellt sich so ein, dass als Differenz zwischen der Spannung am Gitter 12 einerseits und den durch den Anodenstrom an dem Kathodenwiderstand 16 und dem untern Teilerwiderstand 17 erzeugten Spannungsabfällen sowie der aus dem Teiler herrührenden festen Vorspannung anderseits, gerade die wirksame Gitterspannung übrigbleibt, die diesen Anodenstrom zur Folge hat.
Auch in dieser zweiten Stufe erfolgt die Steuerung leistungslos. Die am Kathodenkondensator der ersten Röhre gebildete Gleichspannung wird also durch die zweite Röhre nicht belastet, so dass die oben beschriebene Fixier -Eigenschaft der ersten Röhre auch in der Zusammenschaltung mit der zweiten Röhre erhaltenbleibt. Weiter sind infolge der leistungslosen Steuerung Anoden- und Kathodenstrom immer einander gleich, so dass das Anzeigeinstrument statt im Anodenkreis (15a) gegebenenfalls auch im Kathoden kreis der Röhre (15b) eingeschaltet werden kann.
Der Anodenstrom der zweiten Röhre lässt sich, insbesondere durch Bemessung des Kathodenwiderstandes 16 und der Teilerwiderstände 17, 18, so einstellen, dass ein Instrument normaler Empfindlichkeit (2, 3 oder 5 mA bei Vollausschlag) Verwendung finden kann.
Die Gittervorspannung kann man am Teiler 17, 18 gegebenenfalls so hoch einstellen, dass die Scheitelwertmesseinrichtung mit unterdrücktem Nullpunkt arbeitet.
Fig. 2 zeigt ein Schaltungsbeispiel für ein komplettes Gerät. Der Abgriff des kapazitiven Teilers 1, 2, der an die zu messende Spannung anzuschliessen ist, die bei 3 angelegt wird, ist über den Kontaktarm 20 eines Umschalters 19 am Gitter 5 der ersten Röhre 4 angeschlossen. Dieser Umschalter 19 hat zwei weitere Kontakte 21, 22, deren Zweck später beschrieben wird. Im Kathodenkreis dieser Röhre befindet sich ein Umschalter 23 mit mehreren Schaltkontakten. Liegt der Schalter am Kontakt 24, so ist er an den Kathodenkondensator 8a, liegt er am Kontakt 25, so ist er an den Kondensator 8b mit dem Parallelwiderstand 9 angeschlossen. Mit dieser Umschaltung wird wie beschrieben der Höchstwert der Scheitelspannung entweder fixiert oder die Scheitelspannung normal gemessen.
Um den fixierten Scheitelwert löschen zu können und das Gerät hierdurch für die nächste Messung betriebsbereit zu machen, hat der Schalter 23 einen weiteren Schaltkontakt 26, in dem über eine zweite Kontaktbahn der Fixierkondensator 8a über einen Widerstand 27 entladen wird. Der Zweck eines weiteren Kontaktes 28 des Schalters 23 wird später beschrieben. Der Kathodenkreis der Röhre 4 ist während des Löschens wie in der Stellung 24 geschaltet.
Die Messbereichumschaltung erfolgt durch Ändern des Kathodenwiderstandes an der zweiten Röhre mit Hilfe eines Schalters 29 mit den Schalterstellungen 30a, 30b, die über die Widerstände 16a bzw. 16b, gegebenenfalls über das Messinstrument 15b an der Kathode 13 der Röhre 11 liegen. Der Schalter 29 ist mit seinem andern Pol an den Teiler 17 angeschlossen.
Statt durch Umschalten des Kathodenwiderstandes der zweiten Röhre kann die Änderung des Messbereiches auch dadurch erzielt werden, dass das Teilerverhältnis des Hochspannungsteilers umschaltbar gemacht wird, oder dass dem Teilerkondensator 2 ein hochohmiger umschaltbarer Teiler parallel geschaltet wird.
Bei entsprechender Wahl der Röhren und der Anodenspannung besteht für die Wahl der maximalen Steuerspannung eine gewisse Freiheit. Infolgedessen kann es günstig sein, das Teilerverhältnis am Teiler so zu wählen, dass die an ihm abgegriffene Spannung einen Kathodenstrahloszillographen direkt auszusteuern vermag. Der Oszillograph wird an die Buchse 31 angeschlossen.
Statt des kapazitiven Teilers kann auch ein Ohmscher oder induktiver Teiler verwendet werden. Beispielsweise kommt man beim Messen einer Gleichspannung oder einer Gleichspannung mit überlagerter Wechselspannung mit einem Ohmschen Teiler aus.
Ein weiterer Kontakt 21 des Umschalters 19 gestattet, eine an einem Glimmstabilisator 32 abgegriffene Kontrollspannung an das Gitter 5 der ersten Röhre 4 zu legen, so dass die Betriebsbereitschaft und die Eichung des Gerätes überpriift werden können.
Wenn das Gerät für die Effektivwertmessung verwendet werden soll, wird bei der ersten Röhre 4 statt des Kathodenkondensators 8a oder 8b mit oder ohne Parallelwiderstand 9 ein Effektivwertmesser 34 (Strommesser) mit vorgeschaltetem Übertrager, z. B.
Stromwandler 33 über den weiteren Kontakt 28 des Umschalters 23 eingeschaltet. Der Arbeitspunkt der Röhre 4 wird dabei vorzugsweise auf die Mitte des geradlinigen Teils der Röhrenkennlinie eingestellt, was zum Beispiel unter Verwendung des Teilers 17, 18 geschehen kann, da bei der Effektivwertmessung die zweite Röhre 11 nicht erforderlich ist. Das Anzeigeinstrument 34 kann dasselbe Anzeigeinstrument sein, das für die Scheitelwertmessung verwendet wird.
Der hierfür erforderliche Schalter sowie der Schalter für die Abschaltung der zweiten Röhre und der Schalter für die Umschaltung des Arbeitspunktes der ersten Röhre sind in Fig. 2 nicht veranschaulicht.
Sollen Effektivwertmessung und Scheitelwertmessung gleichzeitig erfolgen, so werden anstelle der einen ersten Röhre zwei erste Röhren verwendet. Diese beiden Röhren liegen vorzugsweise gitterseitig parallel.
Die eine dieser beiden Röhren wirkt über die zweite Hauptröhre 11 auf das Drehspulinstrument 15a bzw.
1 ob, welches den Scheitelwert anzeigt, während die andere der zwei ersten Röhren über den Übertrager 33 auf das effektivwertmessende Instrument 34 einwirkt.
Soll die Einrichtung zugleich als Röhrenvoltmeter dienen, so wird bei der Schaltung nach der Fig. 2 das Gitter 5 der ersten Röhre 4, das über den Kontakt 20 des Umschalters 19 an die Kondensatoren 1, 2 angeschIossen ist, mittels dieses Schalters von diesen Kondensatoren abgetrennt und über den weiteren Kontakt 22 dieses Umschalters 19 an eine besondere Anschlussbuchse 35 angelegt, wo die betreffende Messspannung zugeführt wird.
Bei der Schaltung nach Fig. 3 sind wieder die beiden Teilerkondensatoren 1, 2 vorgesehen. Die Hochspannung liegt an 3, die Erde an 3'. Parallel zum Unterspannungskondensator 2 liegt eine Glimmsicherung 36. Ferner ist an diesen Kondensator 2 das Gitter einer Triode 37 angeschlossen, in deren Kathodenkreis ein Kondensator 38 liegt, der nur einen kleinen Verlustwinkel hat und auf den Scheitelwert der am Kondensator 2 auftretenden Spannung aufgeladen wird.
Die Kathode der Triode ist ferner über einen Widerstand 39 galvanisch mit dem Gitter einer Gleichspannungsverstärkerröhre 40 verbunden, welche der leistungslosen Verstärkung dient.
Im Anodenkreis dieser Röhre 40 liegt das Schreibgerät 41, das mit einem Antriebsmotor 42 verbunden ist. Die Kathode der Röhre 40 ist über einen Widerstand 43 vorgespannt, der mehrere Anzapfungen besitzt, um die Empfindlichkeit von Hand oder automatisch regeln zu können. Die Spannung für die Kathode dieser Röhre wird einem Spannungsteiler entnommen, der aus den Widerständen 44, 45, 46 besteht, die zwischen dem positiven und dem negativen Pol der Speisequelle liegen. Mit Hilfe des als Potentiometer ausgebildeten Widerstandes 45 kann die Unterdrückung der Nennspannung dadurch eingestellt werden, dass die Kathode der Röhre 40 mit Bezug auf das Ruhepotential der Kathode der Röhre 37 positiv gemacht wird.
Die Arbeitsweise des bisher beschriebenen Teils der Schaltung ist folgende:
Durch einen am Gitter der Röhre 37 eintreffenden Spannungsstoss wird das Potential dieses Gitters erhöht. Die Röhre wirkt als automatischer Kompensator, so dass der in der Kathodenleitung liegende Kondensator auf den Scheitelwert der einfallenden Spannung aufgeladen wird, und zwar durch den Anodenstrom, so dass die Spannung an der Kathode automatisch angehoben wird und sich auf den Scheitelwert der einfallenden Spannung einstellt. Zwischen dieser Spannung und der Kathodenspannung besteht dann kein Potentialunterschied mehr, so dass auch kein Strom nachfliesst. Der Kathodenkondensator behält wegen seines kleinen Ableitwiderstandes die Ladung aber längere Zeit bei.
Diese Ladung wird mit Hilfe des Gleichspannungsverstärkers 40 leistungslos gemessen, wobei am Ausgang dieses Verstärkers so viel Leistung zur Verfügung steht, dass das Schreibgerät 41 oder auch ein stabiles Anzeigeinstrument betätigt wird.
Um das Schreibgerät 41 beim Eintreffen eines Spannungsstosses auf Schnellablauf umzuschalten, ist die Anordnung mit der Röhre 47 vorgesehen. Das Gitter der Röhre 47 ist über einen Widerstand 48 mit dem Kondensator 38 verbunden. Im Anodenkreis der Röhre 47 liegt ein Relais 49, welches den Motor 42 des Schreibgerätes 41 auf Schnellablauf umschaltet. Die Kathode der Röhre 47 ist über einen Widerstand 50 an einen Spannungsteiler mit den Widerständen 51, 52, 53 angeschlossen. Bei einer Spannungserhöhung an dem Kondensator 38 wird über die Röhre 47 das Relais 49 betätigt und schaltet den Antriebsmotor 42 auf Schnellgang um. Erst nach Ablauf einer vorgegebenen Verzögerungszeit fällt das Relais ab, so dass der Motor wieder mit seiner normalen langsameren Geschwindigkeit weiterläuft.
Wenn inzwischen ein neuer Spannungsstoss aufgenommen worden ist, wird auch die Abfallzeit des Relais von neuem verzögert.
Die Einrichtung zur Löschung der Ladung des Kondensators 38 nach einer vorgegebenen Zeit enthält im wesentlichen die Röhre 54 und die Relais 55 und 56. Der Kondensator 38 ist über den Widerstand 57 mit dem Gitter der Röhre 54 verbunden. Im Anodenkreis der Röhre 54 liegt über einen Widerstand 58 das als Glimmrelais ausgebildete Relais 55.
Im Ausgangskreis des Relais 55 liegt das als mechanisches Relais ausgebildete Relais 56, zu dessen Wicklung ein einstellbarer Kondensator 60 parallel geschaltet ist. An die Kontakte des Relais 56 ist einerseits ein Widerstand 61 angeschlossen, der auf der andern Seite geerdet ist, während der Gegenkontakt des Relais 56 mit dem Kondensator 38 verbunden ist.
Im Kathodenkreis der Röhre 54 liegt ein Widerstand 62 zur Potentialanpassung der Röhre 54. Ein Kondensator 63 ist mit dem Glimmrelais 55 verbunden, um den Nullpunkt dieses Relais zu stabilisieren.
Der Vorgang zur Löschung der Ladung des Kondensators spielt sich dann folgendermassen ab:
Die Spannungserhöhung am Kondensator 38 überträgt sich auf das Gitter der Röhre 54. Das Glimmrelais 55 wird über den Anodenkreis dieser Röhre zum Ansprechen gebracht und betätigt seinerseits das mechanische Relais 56. Das Relais 56 legt mit seinem Arbeitskontakt den Widerstand 61 parallel zum Kondensator 38, so dass dieser Kondensator entladen wird. Mit seinem Ruhekontakt unterbricht es seinen eigenen Stromkreis. Wenn die Ladung des Kondensators 60 über die Wicklung des Relais 56 abgeflossen ist, fällt das Relais 56 wieder ab. Da beim Verschwinden der Spannung am Kondensator 38 auch die Röhre 54 und das Relais 55 in Ruhestellung gingen, ist die Kompensationsschaltung jetzt wieder in Bereitschaft zum Messen eines neuen Spannungssto sses.
Durch Einstellung des Kondensators 60 kann die Verzögerungszeit verändert werden.
Die Messbereichumschaltung im Kathodenkreis der Röhre 40 wird bei ruhigem Netzbetrieb zweckmässig so eingestellt, dass der empfindlichste Bereich gegeben ist. Bei Beginn von Gewittertätigkeit kann die Einstellung auf einen weniger empfindlichen Bereich umgeschaltet werden.
Bei der Einstellung auf grösste Empfindlichkeit kann die Vorrichtung in besonders vorteilhafter Weise für die Untersuchung von Eigenspannungen im Netz herangezogen werden. In dieser Stellung wird schon jeder Teildurchschlag an Isolatoren registriert. Auch die Leitungskorona in Abhängigkeit vom Wetter kann beobachtet werden.
Für den räumlichen Aufbau der Vorrichtung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den Stossspannungskompensator mit dem Gleichspannungsverstärker in einem wasserdichten Gehäuse derart anzuordnen, dass diese Teile der Vorrichtung in einer Freiluftanlage neben dem kapazitiven Teiler aufgebaut werden können. Die dem Verstärker zur Wiedergabe der Stossspannungen entnommenen Gleichspannungen werden über ein im Kabelkanal verlegtes Kabel in die Warte eingeführt und an das dort aufgestellte Schreibgerät angeschlossen.
Die Vorrichtung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Anstelle der Triode können auch andere geeignete Röhren oder Verstärkerelemente benutzt werden. Auch die Ausbildung der Relais mit den Verzögerungszeiten ist nur als Beispiel angegeben. Die Verzögerung kann auch durch beliebige andere geeignete Mittel hervorgerufen werden. Als Schreibgerät werden vorzugsweise normale Tintenschreiber oder Metallpapier-Funkenschreiber, z. B. mit einem Steuerbereich von 0-10 mA, verwendet. Anstelle oder neben dem Schreibgerät kann auch ein Anzeigeinstrument hoher Genauigkeitsklasse für besonders exakte Messungen oder ein robustes Instrument bei rauhem Betrieb vorgesehen sein.
Der Anschluss an die zu untersuchende Spannungsquelle kann auch über Ohmsche Spannungsteiler erfolgen, besonders wenn es sich zum Beispiel um Ankopplungen an den Rückenwiderstand eines Stossgenerators handelt.