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.
Device for powerless measurement of voltages
The well-known device specified by Chubb and Fortescue for determining the peak value of alternating voltages, in which the mean value of the positive or negative half-wave of the charging current of a capacitor connected to the voltage to be measured is measured, between this direct current value and the peak value to be measured AC voltage is proportional, has u. a. the disadvantages that the frequency is directly included in the measurement result and that with the generally accepted use of rectifier tubes or dry rectifiers, the measurement delivers incorrect results if the voltage curve is not sinusoidal.
Peak voltage measuring devices have also become known in which the voltage occurring at the sub-capacitor of a capacitive voltage divider is rectified and measured with a moving-coil voltmeter. The disadvantages here are that the display for which the energy is taken from the divider is frequency-dependent, because the time constant of the circuit consisting of the divider capacitance and the instrument resistance cannot usually be set high enough, and that a very sensitive instrument can be used must, which is mechanically very sensitive and expensive.
A similar device is also known in which a static tension meter is used instead of the moving coil instrument, but this in turn has the disadvantage that such tension meters have a relatively long response time and that they are also mechanically very sensitive and expensive.
The invention is based on a device for powerless measurement of voltages by means of a high vacuum tube to which a storage capacitor is assigned, which is charged to a voltage proportional to the voltage to be measured when switched on, and with a measuring instrument for measuring this voltage.
According to the invention, the disadvantages outlined above are avoided in that the partial voltage tapped at a voltage divider is fed to the grid of a triode, in whose cathode circuit the storage capacitor can be connected, which can be connected to the grid of a second triode, in whose anode circuit there is a measuring instrument.
The device according to the invention makes it possible to record a maximum value of the alternating voltage to be measured in the display over a long period of time. Furthermore, the device can be designed in such a way that the measurement of changing peak values of the voltage to be measured is also possible. The voltage taken from the voltage divider can, if desired, also be dimensioned such that a cathode ray oscilloscope can be controlled directly from it at the same time. The arrangement can also be made so that, in order to enable the measurement of the effective value of the voltage to be measured, a voltage converter or an output transformer is provided, to which the cathode of the triode can optionally be switched and in its secondary circuit an effective value measuring instrument, e.g. B. a moving iron instrument is located.
The device can also be designed in such a way that it can optionally be used as a tube voltmeter by means of a switch. Finally, the device can also be designed in such a way that, instead of or in addition to the display instrument, a time-dependent device can be used to display and / or register brief voltage changes and to record surge voltages in test fields, overvoltages and / or surge voltages and / or to register lightning strikes in networks , writing measuring device can be switched on.
Embodiments of the subject matter of the invention are shown in the accompanying circuit diagrams.
Show it:
1 shows a basic circuit for the device for measuring peak values and effective values,
Fig. 2 shows a circuit arrangement for a complete device and
3 shows a switching arrangement for a modified embodiment of the device, with which, in particular, the display and / or registration of brief voltage changes is possible.
The structure and the mode of operation will be explained using the basic circuit of FIG.
The divider capacitors 1, 2 are at 3 high voltage and at 3 'to earth. The grid 5 of the triode 4 is connected between the two capacitor groups 1 and 2, the cathode of which is denoted by 6 and the anode by 7. The capacitor 8 is connected to the cathode 6. The alternating voltage applied to the grid 5 is a true image of the voltage applied to the capacitor 2.
If the grid voltage is zero, the anode current flows with decreasing intensity after the device is switched on until the cathode capacitor 8 is charged to a voltage which, as a grid bias voltage, just makes the anode current u zero. This initial voltage of the capacitor, which is applied to the second tube 11 as a grid voltage, is rendered ineffective in that the operating point is set accordingly in this tube. For positive instantaneous values of the voltage to be measured applied to the grid 5 of the tube 4 - with increasing voltage - the capacitor 8 is charged each time to voltage values which, as a negative grid bias voltage, together with the measured value applied to the grid, block the tube.
This means that an additional voltage is generated on the cathode capacitor, which is as large as the control voltage caused by the respective measurement voltage. There is therefore automatic compensation for every positive instantaneous value of the measuring voltage. This also applies to the positive peak of the voltage to be measured.
If the grid voltage on the first tube decreases again after the positive peak of the voltage to be measured has been exceeded, the DC voltage assigned to the peak value of the grid voltage is retained on the cathode capacitor 8, since the charge from the capacitor cannot flow through the tube 4. The DC voltage on the capacitor 8 only changes if, after the apex of the voltage to be measured has disappeared or decreased, charge losses occur on the cathode capacitor, or if the voltage on the cathode capacitor rises with its peak value as a result of the increasing measurement voltage.
There is therefore compensation for the highest peak value of the measurement voltage that has occurred, even if this only occurred briefly, perhaps only during a period. As already mentioned, the voltage across the capacitor is maintained for a long time. The highest measured value is therefore fixed.
The generation of the compensation voltage at the cathode capacitor 8 does not load the divider 1, 2, since this is a control without grid current and the cathode capacitor is charged via the anode circuit of the triode 4.
If the voltage on the cathode capacitor 8 is not to be or remain fixed at a maximum value once it has been reached, but rather to follow fluctuating peak values - also downwards - (normal measurement), a resistor 9 can be placed in parallel with the cathode capacitor 8 by means of the switch 10, which is to be measured in this way is that together with the cathode capacitor 8 it results in a time constant that is so large that the voltage across the capacitor remains practically constant over the period, and at the same time small enough that the capacitor voltage can follow the voltage changes that occur when the peak values change.
The DC voltage generated at the cathode capacitor 8 depending on the peak value of the measurement voltage applied to the grid 5 of the tube 4 is applied as grid voltage to the grid 12 of the second tube 11, the anode 14 of which is connected to the anode voltage via the display instrument 1 5a and the cathode 13 to the anode voltage via a resistor 16 optionally adjustable tap of a voltage divider 17, 18 is connected. The anode current of this tube is set in such a way that the difference between the voltage at the grid 12 on the one hand and the voltage drops generated by the anode current on the cathode resistor 16 and the lower divider resistor 17 as well as the fixed bias voltage resulting from the divider on the other hand, just the effective grid voltage remains resulting in this anode current.
In this second stage, too, control takes place without power. The direct voltage generated at the cathode capacitor of the first tube is therefore not loaded by the second tube, so that the above-described fixing property of the first tube is also retained when it is connected to the second tube. Furthermore, due to the powerless control, the anode and cathode currents are always the same, so that the display instrument can also be switched on in the cathode circuit of the tube (15b) instead of in the anode circuit (15a).
The anode current of the second tube can be adjusted, in particular by dimensioning the cathode resistance 16 and the divider resistors 17, 18, so that an instrument with normal sensitivity (2, 3 or 5 mA at full scale) can be used.
If necessary, the grid bias voltage can be set so high on the divider 17, 18 that the peak value measuring device operates with a suppressed zero point.
Fig. 2 shows a circuit example for a complete device. The tap of the capacitive divider 1, 2, which is to be connected to the voltage to be measured, which is applied at 3, is connected to the grid 5 of the first tube 4 via the contact arm 20 of a changeover switch 19. This changeover switch 19 has two further contacts 21, 22, the purpose of which will be described later. In the cathode circuit of this tube there is a changeover switch 23 with several switching contacts. If the switch is on contact 24, it is connected to cathode capacitor 8a; if it is on contact 25, it is connected to capacitor 8b with parallel resistor 9. With this switchover, the maximum value of the peak voltage is either fixed or the peak voltage is measured normally, as described.
In order to be able to delete the fixed peak value and thereby make the device ready for the next measurement, the switch 23 has a further switching contact 26 in which the fixing capacitor 8a is discharged via a resistor 27 via a second contact track. The purpose of another contact 28 of the switch 23 will be described later. The cathode circuit of the tube 4 is switched as in position 24 during the erasure.
The measuring range is switched by changing the cathode resistance on the second tube using a switch 29 with the switch positions 30a, 30b, which are located on the cathode 13 of the tube 11 via the resistors 16a and 16b, if necessary via the measuring instrument 15b. The other pole of the switch 29 is connected to the divider 17.
Instead of switching the cathode resistance of the second tube, the change in the measuring range can also be achieved by making the divider ratio of the high-voltage divider switchable, or by connecting a high-impedance switchable divider in parallel with the divider capacitor 2.
If the tubes and the anode voltage are selected accordingly, there is a certain amount of freedom to choose the maximum control voltage. As a result, it can be beneficial to choose the divider ratio on the divider so that the voltage tapped from it can control a cathode ray oscillograph directly. The oscilloscope is connected to socket 31.
Instead of the capacitive divider, an ohmic or inductive divider can also be used. For example, when measuring a direct voltage or a direct voltage with a superimposed alternating voltage, an ohmic divider can be used.
Another contact 21 of the changeover switch 19 allows a control voltage tapped at a glow stabilizer 32 to be applied to the grid 5 of the first tube 4 so that the operational readiness and the calibration of the device can be checked.
If the device is to be used for effective value measurement, instead of the cathode capacitor 8a or 8b with or without a parallel resistor 9, an effective value meter 34 (ammeter) with an upstream transformer, e.g. B.
Current transformer 33 is switched on via the further contact 28 of the changeover switch 23. The operating point of the tube 4 is preferably set to the middle of the straight part of the tube characteristic, which can be done, for example, using the divider 17, 18, since the second tube 11 is not required for the rms value measurement. The indicating instrument 34 can be the same indicating instrument that is used for the peak value measurement.
The switch required for this and the switch for switching off the second tube and the switch for switching over the operating point of the first tube are not illustrated in FIG.
If the r.m.s. value measurement and the peak value measurement are to take place simultaneously, two first tubes are used instead of the first tube. These two tubes are preferably parallel on the grid side.
One of these two tubes acts via the second main tube 11 on the moving coil instrument 15a or
1 ob, which indicates the peak value, while the other of the first two tubes acts on the effective value measuring instrument 34 via the transmitter 33.
If the device is to serve as a tube voltmeter at the same time, in the circuit according to FIG. 2 the grid 5 of the first tube 4, which is connected to the capacitors 1, 2 via the contact 20 of the switch 19, is separated from these capacitors by means of this switch and applied via the further contact 22 of this changeover switch 19 to a special connection socket 35, where the relevant measuring voltage is supplied.
In the circuit according to FIG. 3, the two divider capacitors 1, 2 are again provided. The high voltage is at 3, the earth at 3 '. A glow fuse 36 is located parallel to the undervoltage capacitor 2. Furthermore, the grid of a triode 37 is connected to this capacitor 2, in the cathode circuit of which there is a capacitor 38, which has only a small loss angle and is charged to the peak value of the voltage occurring at the capacitor 2.
The cathode of the triode is also galvanically connected via a resistor 39 to the grid of a DC voltage amplifier tube 40, which is used for powerless amplification.
The writing instrument 41, which is connected to a drive motor 42, is located in the anode circuit of this tube 40. The cathode of the tube 40 is biased via a resistor 43, which has several taps in order to be able to regulate the sensitivity manually or automatically. The voltage for the cathode of this tube is taken from a voltage divider, which consists of the resistors 44, 45, 46, which are located between the positive and the negative pole of the supply source. With the aid of the resistor 45 designed as a potentiometer, the suppression of the nominal voltage can be set by making the cathode of the tube 40 positive with respect to the rest potential of the cathode of the tube 37.
The operation of the part of the circuit described so far is as follows:
The potential of this grid is increased by a voltage surge arriving at the grid of tube 37. The tube acts as an automatic compensator, so that the capacitor in the cathode line is charged to the peak value of the incident voltage, namely by the anode current, so that the voltage at the cathode is automatically increased and adjusts to the peak value of the incident voltage. There is then no longer any potential difference between this voltage and the cathode voltage, so that no current flows in either. The cathode capacitor retains its charge for a longer period of time because of its low leakage resistance.
This charge is measured without power with the aid of the DC voltage amplifier 40, so much power being available at the output of this amplifier that the writing instrument 41 or a stable display instrument is operated.
The arrangement with the tube 47 is provided in order to switch the writing instrument 41 to rapid operation when a voltage surge arrives. The grid of the tube 47 is connected to the capacitor 38 via a resistor 48. In the anode circuit of the tube 47 there is a relay 49 which switches the motor 42 of the writing instrument 41 to rapid operation. The cathode of the tube 47 is connected via a resistor 50 to a voltage divider with the resistors 51, 52, 53. When the voltage on the capacitor 38 increases, the relay 49 is actuated via the tube 47 and switches the drive motor 42 to overdrive. The relay only drops out after a specified delay time has elapsed, so that the motor continues to run at its normal slower speed.
If a new voltage surge has been picked up in the meantime, the release time of the relay is delayed again.
The means for canceling the charge of the capacitor 38 after a predetermined time essentially comprises the tube 54 and the relays 55 and 56. The capacitor 38 is connected to the grid of the tube 54 via the resistor 57. The relay 55, designed as a glow relay, is located in the anode circuit of the tube 54 via a resistor 58.
In the output circuit of the relay 55 is the relay 56 designed as a mechanical relay, to the winding of which an adjustable capacitor 60 is connected in parallel. On the one hand, a resistor 61 is connected to the contacts of the relay 56 and is grounded on the other side, while the mating contact of the relay 56 is connected to the capacitor 38.
In the cathode circuit of the tube 54 there is a resistor 62 for adapting the potential of the tube 54. A capacitor 63 is connected to the glow relay 55 in order to stabilize the zero point of this relay.
The process for deleting the charge on the capacitor then takes place as follows:
The increase in voltage at the capacitor 38 is transferred to the grid of the tube 54. The glow relay 55 is made to respond via the anode circuit of this tube and in turn actuates the mechanical relay 56. The relay 56 puts the resistor 61 with its normally open contact in parallel with the capacitor 38, see above that this capacitor is discharged. With its normally closed contact it interrupts its own circuit. When the charge of the capacitor 60 has drained through the winding of the relay 56, the relay 56 drops out again. Since the tube 54 and the relay 55 also went into the rest position when the voltage on the capacitor 38 disappeared, the compensation circuit is now ready again to measure a new voltage surge.
By adjusting the capacitor 60, the delay time can be changed.
The switching of the measuring range in the cathode circuit of the tube 40 is expediently set during steady network operation so that the most sensitive range is given. When thunderstorms begin, the setting can be switched to a less sensitive area.
When it is set to the greatest sensitivity, the device can be used in a particularly advantageous manner for the investigation of internal stresses in the network. In this position, every partial breakdown on the insulators is registered. The line corona depending on the weather can also be observed.
For the spatial structure of the device, it has proven to be advantageous to arrange the surge voltage compensator with the DC voltage amplifier in a waterproof housing in such a way that these parts of the device can be installed in an open-air system next to the capacitive divider. The DC voltages taken from the amplifier to reproduce the surge voltages are introduced into the control room via a cable laid in the cable duct and connected to the writing instrument set up there.
The device is not limited to the illustrated embodiment. Instead of the triode, other suitable tubes or amplifier elements can also be used. The design of the relays with the delay times is only given as an example. The delay can also be caused by any other suitable means. Normal ink pens or metal paper spark pens, e.g. B. with a control range of 0-10 mA used. Instead of or in addition to the writing implement, a display instrument with a high accuracy class for particularly precise measurements or a robust instrument for rough operation can also be provided.
The connection to the voltage source to be examined can also be made via ohmic voltage dividers, especially if it is, for example, a coupling to the back resistance of a surge generator.