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Elektrotechnische Kontrollinstrumente

[689] Elektrotechnische Kontrollinstrumente (hierzu Tafel »Elektrotechnische Kontrollinstrumente I u. II«), Instrumente, die zu dauernder Kontrolle der für elektrische Betriebe maßgebenden Größen verwendet werden. Sie müssen in jedem Augenblick durch einen einzigen Blick die im Stromnetz herrschende Stromstärke und Spannung erkennen lassen, aber sie müssen auch gestatten, die während einer bestimmten Zeit gelieferte elektrische Energie abzulesen. Sie zerfallen deshalb in die Stromzeiger (Amperemeter), die Spannungszeiger (Voltmeter) und die Elektrizitäts-, Coulomb- oder Wattzähler. Die Stromzeiger und Spannungszeiger werden in der elektrischen Zentrale in der Nähe der den Strom liefernden Maschinen aufgestellt und sind so eingerichtet, daß ein sich um eine horizontale Achse drehender Zeiger auf einer Skala die Ampere oder Volt angibt. Die Elektrizitätszähler (Verbrauchsmesser) werden an der Verbrauchsstelle angebracht und unter dem Verschluß der den Strom liefernden Anstalt gehalten. Strom- und Spannungszeiger befestigt man an einer senkrechten Tafel, die auch die Ein- und Ausschalter, Sicherungen etc. trägt (daher Schalttafel) und hinter der die Drahtverbindungen hergestellt werden (daher auch Schalttafelinstrumente). Da sie mit Hilfe von Strom- und Spannungsmessern stets geeicht werden müssen, so lassen sich zu ihrer Herstellung eine Reihe elektromagnetischer Wirkungen verwerten, die für genauere Instrumente weniger geeignet sein würden.

1) Die Stromzeiger. Das im Innern einer Spule vorhandene magnetische Feld, das von ihren Wänden nach der Mitte hin und von ihren Enden nach dem vor diesen, außerhalb der Spule gelegenem Raum an Stärke abnimmt, benutzen die Stromzeiger von Hummel und von Siemens u. Halske. Ein weicher Eisenkörper, der sich, ehe ein durchgesendeter Strom die Spule magnetisch macht, an den Stellen befindet, an denen das magnetische Feld geringere Stärke hat, wird an Orte größerer Stärke hinbewegt, sobald ein Strom durch die Spule geschickt wird, und zwar mit um so größerer Kraft, je stärker dieser Strom wird. Bringt man also eine Kraft an, die den Eisenkörper in seiner Gleichgewichtslage zu halten sucht, also etwa ein Gewicht, das er heben muß, wenn er sie verlassen will, so läßt sich ein solcher durch Vergleichung mit einem Strommesser als Amperezähler benutzen. Bei dem Hummelschen Stromzeiger, den die Firma Schuckert u. Komp. in Nürnberg für den technischen Gebrauch ausgebildet hat, ist die Gegenkraft das Gewicht des auf einer Skala spielenden Zeigers. Seine wirksamen Teile sind in Fig. 7 (Tafel I) in der Vorderansicht dargestellt. S ist die Spule, deren Achse horizontal liegt, und deren Drahtenden zu den Klemmschrauben k und k, gehen, B ein mit einem bogenförmigen Schenkel einen Winkel bildendes Eisenblech, das um die exzentrisch zu S liegende Achse A drehbar ist, und Z der Zeiger, der über der in Ampere geteilten Skala spielt. Für die Messung sehr starker Ströme wird die Spule durch einen Kupferbügel ersetzt. Siemens u. Halske, deren Stromzähler Fig. 6 der Tafel I in der Seitenansicht mit durchschnittener Spule S S zeigt, hängen zwei Eisenstäbchen E an dem zweiarmigen Hebel H auf, an dessen verlängerter Achse der Spule der Zeiger Z befestigt ist, der das zu hebende Gegengewicht bildet. Die beiden Stäbchen E, die sich in der Zeichnung decken, befinden sich ganz nahe an der innern Spulenwand, also da, wo das magnetische Feld am kräftigsten ist. Das verstellbare Gewicht G hebt das Gewicht des Stäbchens E auf,[689] das ebenfalls verstellbare Gewicht L hat den Zweck, die Empfindlichkeit zu erhöhen, also durch seine Verschiebung für dieselbe Stromstärke einen größern (oder kleinern) Ausschlag des Zeigers zu bewirken. Wird nun durch die Spule ein Strom geschickt, so werden die Eisenstäbchen mehr in sie hineingezogen, es wird der Zeiger über die nach Ampere geeichte Skala hinbewegt. Gegen störende Wirkungen von Strömen, die außerhalb des Instruments verlaufen, ist es nur empfindlich, wenn deren Träger in großer Nähe in horizontaler Lage angebracht sind. Bei seiner Ausstellung muß dies beachtet werden. Einen neuern aperiodischen Strom- und Spannungszeiger von Siemens u. Halske zeigen die Figuren 10 u. 11 der Tafel I. Er ist aperiodisch, d.h. er stellt sich infolge der kräftigen Luftdämpfung des beweglichen Systems ohne irgendwelche Schwankung in die abgelenkte Lage ein. Es besteht aus der Eisenplatte, die in den schmalen Hohlraum einer länglich gestalteten Spule ragt und, da sie um die Ach se drehbar ist, in die Spule hinein gezogen wird, sobald diese ein Strom durchfließt. Dabei bewegt sie den Zeiger über die Skala und an einem gekrümmten Drahte eine Scheibe durch ein gekrümmtes Messingrohr. Da der Luftraum zwischen diesem und der Scheibe nur etwa ¹/₂ mm breit ist, so setzt die Luft im Rohr der Scheibe einen deren Bewegung dämpfenden Widerstand entgegen. Fig. 10 zeigt das Instrument mit abgenommener Schutzhülle und Skala; das die Spule verdeckende Eisenblech gewährt den vollkommensten Schutz gegen die Einwirkung von Starkströmen, die in der Nähe des Instruments etwa vorhanden sind; die notwendigen Drahtverbindungen ergeben sich aus der Figur. Da die Magnetisierung der Eisenplatte auch Wechselströmen folgt, so kann das Instrument sowohl für diese als auch für Gleichströme benutzt werden.

2) Spannungszeiger. Jeder dieser Stromzeiger kann auch als Spannungszeiger dienen, wenn man seine Spule aus dünnem Draht herstellt, einen Widerstand vorschaltet, der bei dem zuletzt besprochenen Instrument von Siemens u. Halske aus einer Glimmerplatte mit darüber gewickelten und durch Schellack befestigtem Konstantandraht besteht, und die Klemmen des Instruments an die beiden Punkte des Stromkreises anlegt, deren Spannungsunterschied kontrolliert werden soll. Die Stromstärke in diesem Stromkreis wird dadurch nicht geändert, die Spannung aber kann, da der Widerstand der Spule und der Vorschaltwiderstand bekannt sind, berechnet und danach eine Skala aufgestellt werden (vgl. Elektrotechnische Meßinstrumente, S. 693 f.).

3) Die Wattzähler müssen das Produkt aus Spannung in Stromstärke ermitteln lassen. Behält die erstere, wie bei Beleuchtungsanlagen, stets den nämlichen Wert, so genügt es, die Menge Coulomb, die in einer gewissen Zeit einer Verbrauchsstelle geliefert worden ist, zu zählen, da alsdann durch Multiplikation mit der bekannten Spannung die gelieferten Watt erhalten werden. Die Elektrizitätszähler sind deshalb die am häufigsten verwendeten Instrumente dieser Art. Der 1884 von Aron angegebene besteht aus zwei Pendeln von genau gleicher Schwingungsdauer, von denen jedes wie bei den Pendeluhren, ein Uhrwerk reguliert. Das eine dieser Uhrwerke setzt einen Zeiger, das andre ein Zifferblatt in Bewegung. vor dem der Zeiger spielt. Schwingen beide Pendel gleichmäßig, so bleibt demnach die Stellung des Zeigers gegen das Zifferblatt ungeändert. Macht aber das eine in einer Sekunde mehr Schwingungen wie das andre, so bewegt sich der Zeiger über das Zifferblatt hin. Die Linse des einen Pendels besteht aus einem Stahlmagnet, der über einer vom Strom durchflossenen Spule schwingt. Ein sie durchfließender Strom beschleunigt oder verzögert alsdann die Schwingungen des Pendels, und auf einem statt des einen Zifferblattes angebrachten Zählwerk kann man die Amperestunden ablesen, die die gelieferte Elektrizitätsmenge ergeben. Will man den Apparat als Wattzähler benutzen, so muß man den Magnet durch eine Spule dünnen Drahtes ersetzen. Den von Aron verbesserten Wattzähler, der auch für Wechsel ströme benutzt werden kann, zeigt Fig. 4 der Tafel I in der Ansicht mit weggelassener Tür, während Fig. 5 der Tafel I in schematischer Weise seine Drahtverbindungen erkennen läßt. Die Pendel sind nur 10 cm lang und machen in der Stunde je 12,000 Schwingungen. Ihre Linsen werden durch die beiden Spulen dünnen Drahtes s s gebildet. Durch sie wird ein Zweigstrom geführt, während der Hauptstrom durch die darunter befindlichen Spulen S im entgegengesetzten Sinn fließt, so daß er das eine Pendel verzögert, das andre beschleunigt. Ihr Gangunterschied, der bei größter Belastung 2500 Schwingungen in der Stunde beträgt, bewirkt das Fortschreiten der Zeiger auf dem vorn angebrachten Zählwerk, das durch ein Glasfenster in der Tür abgelesen werden kann. In Fig. 6 ist links unten der Kommutator der Dynamomaschine mit den Bürsten angegeben, rechts sind die vom Strom gespeisten Lampen angedeutet. In den von der obern Bürste kommenden Strom sind die Spulen S S hintereinander eingeschaltet, der die Spulen s s hintereinander durchlaufende Strom zweigt bei O von dem einen der den Hauptstrom führenden Drähte ab und geht dann durch den Umschalter U zu den Pendeln und durch den Widerstand R zu dem andern Hauptstromdraht zurück. Die Spulen s s wirken also auf die Spulen S S mit einer der Spannung, diese auf jene mit einer der Stromstärke proportionalen Kraft ein, die Gesamtwirkung ist demnach proportional dem Produkt aus Stromstärke und Spannung, und so kann das Zählwerk die Watt angeben. Der Umschalter U wird etwa alle 20 Minuten vom Uhrwerk verschoben und dadurch die Stromrichtung in s s umgekehrt. Wenn auch die Pendel mit Hilfe kleiner verstellbarer Gewichte möglichst abgeglichen sind, so kann das eine doch etwas mehr beschleunigt, das andre verzögert werden. Der dadurch entstehende Fehler wird ausgeglichen, indem der Umschalter diese Einwirkungen umkehrt. In einem Strom, der von dem die Pendelspulen durchlaufenden abgezweigt wird, ist dann noch ein Elektromagnet eingeschaltet, dessen Spule durch P angedeutet ist. Ein von der Triebachse mitgenommener Kontaktstift schließt in bestimmten Zwischenräumen den ihn erregenden Strom, er zieht seinen Anker an und reißt dadurch ein Sperrad zurück, was durch diese Bewegung die Feder immer wieder spannt. Die Uhr braucht also nicht ausgezogen zu werden.

Beim Motorzähler benutzt man die Umdrehung einer Scheibe (oder einen Zylinder), die durch die in ihr von zwei Elektromagneten hervorgerufenen und dann abgestoßenen Ströme (Wirbelströme) bewirkt wird, um die gelieferten Watt zu zählen. Die erste Idee, die von Bláthy herrührt, ist aus Fig. 2 u. 3 der Tafel I zu ersehen, die sie im Aufriß und Grundriß zeigen Die um die Achse C drehbare Metallscheibe M bewegt sich zwischen den Polen der Elektromagnete E, von denen der mit dickem Draht S H umwundene eine von der Stromstärke, der mit dünnem Draht S N erregte[690] eine von der Spannung abhängige Kraft ausübt. Überträgt man die Drehung auf ein Zählwerk, so können auf diesem die verbrauchten Watt abgelesen werden. Dabei ist nur dem Umstand Rechnung zu tragen, daß Spannung und Stromstärke einen Phasenunterschied zeigen, nicht gleichzeitig durch ihre größten positiven oder negativen Werte hindurchgehen. Das tat Raab dadurch, daß er auf die sich drehende Scheibe den Hauptstrom und zwei Nebenschlußströme wirken läßt, von denen der eine durch eine starke Induktionsströme liefernde Spule, der andre durch eine induktionslose, doppeldrahtig gewickelte geht. Diesen Apparat in der Einrichtung, die ihm Schuckert u. Komp. gegeben haben, zeigen die Fig. 1–6 der Tafel II. Fig. 1 stellt den vollständigen Zähler mit abgenommener Schutzhülle dar, unten das Zählwerk, darüber die rotierende Aluminiumscheibe, über dieser die erste und weiter hinten die zweite Nebenschlußspule mit ihren Eisenkernen, während die Hauptstromspule, die keinen Eisenkern besitzt, hinter dem Zählwerk nicht sichtbar ist. Die Scheibe im Gestell zeigt Fig. 2, die von ihr entfernten Spulen in dieser endgültigen Anordnung Fig. 3. Fig. 4–6 endlich zeigen oben das Zählwerk, darunter links einen Hufeisenstahlmagnet, rechts eine ⊃-förmige Eisenscheibe, von denen jener die Bewegung der Scheibe dämpft, diese unter dem magnetisierenden Einfluß der Hauptspule einer zu starken Dämpfung entgegenwirkt; unten sieht man diese Teile so vereinigt, wie sie es im fertigen Apparat sind. Dasselbe entsprechend abgeänderte Instrument verwenden Schuckert u. Komp. auch als Drehstromzähler. Eine Drehstromanlage hat drei Leiter, 1, 2, 3, Fig. 1 der Tafel I, in der Ströme von solcher Beschaffenheit verlaufen, daß die Stromstärke in zweien immer der in dem dritten herrschenden gleich ist. Es müssen also einerseits die in jedem Augenblick vorhandenen Stromstärken, anderseits aber auch die Spannungsunterschiede zwischen den Leitern berücksichtigt werden, wenn man die gelieferten Watt bestimmen will. Das ist nach Möllingers Untersuchungen möglich, wenn man die Ströme der drei Drähte nach Art des Motorzählers auf zwei Aluminiumplatten wirken läßt. Den so gebauten Drehstromzähler zeigen Fig. 7 u. 8 der Tafel II, Fig. 7 mit abgenommenem Deckel, Fig. 8 das Gestell mit den Spulen, aber ohne das Zählwerk und die Scheiben. Wie die schematische Darstellung Fig. 1 der Tafel I ergibt, bedarf man sechs Spulen, vier H₁, H₂, H₃ und H₄, die den Hauptstrom führen, und zwei S₁ und S₂, die in Nebenschlüssen zwischen 1 und 3 und 1 und 2 liegen. Die vier Spulen H besitzen keine Eisenkerne und sind oben und unten an dem E-förmigen Träger der Fig. 7 u. 8 (Tafel II) gelagert, die Nebenschlußspulen durch die beiden Aluminiumscheiben getrennt, um die beiden in der Mitte befindlichen Eisenkerne gelegt. Der zur Dämpfung der untern Scheibe dienende Magnet ist in Fig. 7 unten zu sehen, der zu der obern Scheibe gehörige, der seine Öffnung nach der andern Seite kehrt, ist weggelassen. Die in einer drehbaren Metallscheibe entstehenden Wirbelströme, die ein sie umfassender, von Wechselströmen erregter Elektromagnet in ihr hervorruft, benutzt auch die Allgemeine Elektrizitäts-Gesellschaft in ihrem Wechselstromzähler, indem sie die Drehung der Scheibe dadurch in eine Ablenkung verwandelt, daß sie zwischen die Pole des Magneten und die Scheibe zwei feststehende Metallschirme anbringt. Die in diesen erregten Wirbelströme ziehen die in der Scheibe auftretenden an, und es gelingt dadurch dem Elektromagneten nicht, die Scheibe in Drehung zu versetzen. Er kann sie nur ablenken, und diese Ablenkung wird mittels eines Zeigers an einer Teilung abgelesen.

Zur Herstellung und Prüfung von Widerständen bedarf man genauer, 1 Ω wiedergebender Einheiten. Als solche haben Siemens u. Halske die in Tafel I, Fig. 8 dargestellte Doseneinheit, ein Komitee der British Association for the advancement of science die in Tafel I, Fig. 9 abgebildete Gefäßeinheit eingeführt. Die erstere besteht aus einer oben und unten offenen Holzdose mit aufgeschraubtem Deckel. In diese ist ein übersponnener Nickelindraht gelegt, dessen Widerstand sich nur wenig mit der Lufttemperatur verändert. Seine Enden sind an zwei Messingbarren gelötet, deren aus der Dosenwand herausragende Teile auf der einen Seite mit Klemmschrauben zur Aufnahme von Drähten, auf der andern mit Stiften aus amalgamiertem Kupfer zum Eintauchen in Quecksilbernäpfe versehen sind. Auch bei der Gefäßeinheit ist die Einheit durch einen übersponnenen Nickelindraht gegeben, der jedoch auf den innern Teil eines doppelwandigen Messingzylinders aufgewickelt ist. Seine Enden gehen zu zwei Kupferrohren, deren untere Teile zur Einführung in Quecksilbernäpfe amalgamiert sind. Da der innere Raum des ganzen Zylinders hohl und unten offen ist, der von der Doppelwand gebildete ringförmige aber mit Kaiseröl gefüllt wird, so nimmt der in ihm liegende Draht die Temperatur eines Wasserbades, in das der Zylinder gebracht wird, sehr rasch und vollständig an. Die Gefäßeinheit eignet sich demnach, da man ihre Temperatur mittels eines eingeführten Thermometers sehr genau bestimmen kann, besonders für Messungen, bei denen die Temperatur des Drahtes in Betracht gezogen, bez. auf einer bestimmten Höhe gehalten werden soll. Beide Einheiten werden mit der Normaleinheit verglichen und geben bis auf ¹/₂₀₀₀ garantierte Werte.