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Brücke mit Zählwerk zur Messung elektrischer Grössen
Gegenstand der Erfindung ist eine Brücke mit Zählwerk zur Messung elektrischer Grössen, wie z. B.
Widerständen, Kapazitäten od. dgl., bei welcher ein selbsttätiger Abgleich mittels eines durch eine integrierende Relaiseinrichtung betätigten Servomotors erfolgt.
Bei den bisher bekannten Methoden zur Messung von Widerständen, Kapazitäten od. dgl. werden meist Messbrücken benützt, bei welchen die Ablesung an einem mit Zeiger versehenen Messgerät vorgenommen wird. Diese Null-Messbrücken werden üblicherweise von Hand aus abgeglichen, wobei die Ablesung der gemessenen Grösse an der Skala einer in einem Brückenzweig liegenden veränderbaren Impedanz erfolgt.
Wird bei einer solchen Anordnung der Messbereich geändert, so muss die Ablesung an der Skala mit einer dem betreffenden Messbereich zugeordneten Konstanten multipliziert werden. Die Bedienung der Brücke muss daher einer geübten Kraft anvertraut werden, und selbst dann sind sogar noch Mess- und Ablesefehler möglich.
Es sind auch bereits Schaltungen mit selbsttätigem Abgleich bekannt geworden, wie z. B. aus der österr. Patentschrift Nr. 187593, in welcher eine Einrichtung zur Messung elektrischer Grössen beschrieben ist, bei der eine Kompensationsmesseinrichtung mit einem veränderlichen Widerstand einer Brückenschaltung gekoppelt ist und die Brückendiagonalspannung ein Mass für den Messwert darstellt, hervorgeht.
Der selbsttätige Abgleich dieser Messanordnung wird von einem Drehspulrelais gesteuert, das auf den Unterschied der Spannungsabfälle an zwei Widerständen anspricht. Da die Empfindlichkeit eines solchen Relais in der Grössenordnung von 1% liegt, kann naturgemäss auch die Messgenauigkeit der gesamten Einrichtung nicht grösser sein. Diese Toleranz ist aber für viele Aufgaben der Messtechnik zu gross, so dass die Anwendung der in der vorgenannten österr. Patentschrift beschriebenen Einrichtung beschränkt ist.
Darüber hinaus sind Anzeigeeinrichtungen bekannt geworden, die Photozellenanordnungen benützen, wie dies z. B. in der USA-Patentschrift Nr. 2, 365, 601 beschrieben ist. Gegenstand dieser Patentschrift ist ein elektronisches Anzeigesystem, bei dem zwei Photozellen vorgesehen sind, die von einer Lichtquelle beleuchtet werden, wobei sich im Strahlengang zwischen der Lichtquelle und den Photozellen eine von einem Drehspulsystem gesteuerte Blende bewegt. Von dieser Anordnung wird auch bei der Erfindung Gebrauch gemacht.
Um die Ablesung zu vereinfachen und von einer Skala unabhängig zu machen, wird vorgeschlagen, ein numerisches Zählwerk an Stelle einer Skala bei der erfindungsgemässen Messeinrichtung zu verwenden. Ziffernzählwerke zum Messen von Grössen sind zwar bekannt, doch handelt es sich hiebei, wie beispielsweise auch bei dem Gegenstand der deutschen Patentschrift Nr. 855166, um integrierende Zählwerke, die den Verbrauch oder die Gesamtmenge anzeigen. Solche Zählwerke sind nur in einer Richtung drehbar und gehen nach beendeter Messung nicht von selbst in die Nullage zurück.
Die Erfindung vermeidet sämtliche Nachteile der bekannten Messeinrichtungen. Sie weist bei einem einfachen konstruktiven Aufbau eine hohe Empfindlichkeit und eine grosse Messgenauigkeit auf. Gleichzeitig ermöglicht die erfindungsgemässe Anordnung eine eindeutige Ablesung des gemessenen Wertes und eine vollautomatische Messung elektrischer Grössen mit Hilfe einer sich selbsttätig abgleichenden Brücke, die von einem Servomotor eingestellt wird, dessen Steuerung durch eine Servoregeleinrichtung erfolgt.
Die Erfindung ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass der Servomotor an einen Servoregler angeschlossen ist, welcher Integrationskondensatoren enthält, deren Ladungszustand vorzugsweise mit einer an sich bekannten Photozellensteuerung in Abhängigkeit von der Verstimmung der Brücke gesteuert wird,
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über eine Getriebeübersetzung mit einem Zählwerk and mit dem Einstellglied einer in einem Brückenzweig liegenden veränderbaren Impedanz gekuppelt ist, während das Einstellglied der im gegenüberliegenden Brückenzweig angeordneten, zur Veränderung des Messbereiches einstellbaren Impedanz mit dem die Lage des Dezimalpunktes angebenden Zeiger im Zählwerk und bzw. oder mit dem Einheitenzeiger verbunden ist.
Weitere Merkmale der Erfindung können der nun folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnungen entnommen werden, in denen Fig. l die Grundschaltung des Gerätes zeigt, das sich insbesondere zur Messung mit Gleichspannung eignet, während in Fig. 2 das Schaltbild des Gerätes zur Speisung mit Wechselspannung dargestellt ist. In Fig. 3 ist eine der möglichen Lösungen zur Automatisierung der Messbereicheinstellung veranschaulicht und Fig. 4 zeigt eine andere Lösung des Problems, wie die Unsymmetrie der Brücke bei Wechselspannungsspeisung angegeben werden kann. Fig. 5 stellt schliesslich die Erfindung in Verbindung mit einer Fernmessung bzw. Fernregistrierung dar.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, besteht die Messbrücke aus den Impedanzen X, Y, W, Z, die durch ohm'sche Widerstände oder durch Kondensatoren realisiert sein können. Diese vier Impedanzen bilden zusammen die bekannte Brückenschaltung. Für den Gleichgewichtszustand der Brücke gilt die Gleichung
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In der Diagonale 2,3 der Brücke 1 liegt die Spannungsquelle 6, die entweder eine Gleich-oder eine Wechselspannung liefern kann. In der Diagonale 4, 5 der Brücke 1 ist das Galvanometer 7 angeordnet, dem bei Speisung der Brücke mit Wechselspannung ein Diskriminator zugeordnet werden muss. Mit der Drehspule 8 des Galvanometers 7 ist die Blende 9 verbunden, welche die beiden Photozellen 10 und 11 teilweise abdeckt. Diese Photozellen sind symmetrisch zur Galvanometerachse angeordnet. Sie werden von der gemeinsamen Glühlampe L beleuchtet.
Wenn die Brücke 1 abgeglichen ist, befindet sich die Blende 9 in der Mittelstellung und die beiden Photozellen 10 und 11 erhalten die gleiche Lichtmenge. Es fliesst daher durch beide Zellen der gleiche Strom, welcher die Integrationskondensatoren 12, 13 eines an sich bekannten Relais-Integrationsreglers 14 aufladet. An Stelle des Galvanometers 7 mit der Blende 9 kann-insbesondere zur Messung kleiner Spannungen - ein Spiegelgalvanometer verwendet werden, das derart angeordnet ist, dass in seiner Nullstellung die beiden Photozellen 10 und 11 die gleiche Lichtmenge von der Glühlampe L erhalten, deren Licht über den Spiegel des Spiegelgalvanometers in die Richtung der beiden Photozellen 10, 11 reflektiert wird. Solange die Ladeströme der beiden Photozellen einander gleich sind, verbleibt die Servo-Regeleinrichtung 14 in Ruhe.
Sobald aber das elektrische Gleichgewicht der Brücke 1 sich ändert, dreht sich die Spule 8 aus ihrer Mittelstellung heraus und eine der beiden Photozellen 10, 11 wird stärker beleuchtet, während die auf die andere Photozelle auffallende Lichtmenge in demselben Masse verkleinert wird. Die Kondensatoren der Servo-Regeleinrichtung 14 erhalten daher verschiedene Ladungen, so dass die Regeleinrichtung 14 anspricht und den Servomotor 15 in Gang setzt. Dieser bewirkt-über den Getriebekasten 16 - eine Verstellung der regelbaren Impedanz W in der Brücke l, u. zw. so lange, bis das Gleichgewicht der Brücke 1 wieder hergestellt ist. Das Einstellglied der regelbaren Impedanz W (ohm'scher Widerstand oder Kondensator) ist mit dem Zählwerk 17 mechanisch verbunden.
Die Impedanz Y ist ebenfalls regelbar ausgebildet, so dass damit der Messbereich der Brücke verändert werden kann. Vorteilhafterweise ist diese Impedanz in dekadischen Potenzen veränderbar. Ihr Einstellglied ist mit dem Zeiger 18 für den Dezimalpunkt bzw. mit der verstellbaren Dimensionsskala 19 gekuppelt. Der Antrieb der Skala 19 erfolgt über ein Zahnrad 28. Die Messbereichumschaltung kann entweder von Hand oder vollautomatisch vor sich gehen, was weiter unten ausführlicher erklärt werden soll.
Fig. 2 zeigt eine Anordnung der erfindungsgemässen Einrichtung, bei der die Speisung der Messbrücke aus einer Wechselspannungsquelle erfolgt. Diese Anordnung entspricht der in Fig. 1 dargestellten Schaltung mit Gleichspannungsspeisung der Brücke, nur mit dem Unterschied, dass bei der in Fig. 2 dargestellten Schaltung eine Wechselspannungsquelle 6 die Messbrücke 1 über die Sekundärwicklung 20A eines Trenntransformators 20 speist. Die Brückenspannung in der Diagonale 2,3 wird in dem Verstärker 21 verstärkt und in dem Diskriminator 22 mit der von der zweiten Sekundärwicklung 20B des Transformators 20 gelieferten Speisespannung zusammengesetzt. Der Diskriminatorausgang ist mit der Spule 8 des Galvanometers 7 verbunden.
Die übrigen Bestandteile der Einrichtung sowie ihre Funktionen stimmen mit der in Fig. 1 gezeigten Anordnung überein.
Die Brücke l kann mit einer automatischen Messbereich-Umschaltung versehen werden, deren Anordnung in Fig. 3 veranschaulicht ist. Wenn die regelbare Impedanz W ihren Höchstwert erreicht, wird durch den Schleifer 23 der Kontakt 24 geschlossen, wodurch der Servomotor 25 eingeschaltet wird, wel-
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so lange vor sich, bis der Schleifer 23 am Beginn seiner Gegenbewegung den Kontakt 24 wieder öffnet. Wenn dagegen der eingestellte Messbereich im Vergleich mit der zu messenden Impedanz zu gross ist, wird der Messbereich dadurch verkleinert, so dass beim unteren Anschlag des Schleifers 23 der Kontakt 26 schliesst, wodurch der Servomotor im entgegengesetzten Sinn in Dretiung gebracht wird. Der Servomotor 25 betätigt den Umschalter 27 und dieser schaltet die Impedanz Y auf den kleineren Wert um.
Der Servomotor 25 kann durch einen Schrittwähler ersetzt werden. Der Messbereich-Umschalter 27 ist durch eine mechanische oder elektrische Kupplung mit dem Dezimalpunktanzeiger 18 und über das Zahnrad 28 mit der Dimensionsskala 19 am Zählwerk 17 gekuppelt. Die für schwerere Betriebsbedingungen bestimmte erfindungsgemässe Einrichtung kann unter Benützung eines speziellen Phasen-Diskriminators vereinfacht werden. Das Schaltbild dieses Diskriminators ist in Fig. 4 veranschaulicht. Die RLC-Brücke l, deren Anordnung ganz willkürlich sein kann, wird aus der Wechselspannungsquelle 6 über den Isoliertransformator 20 mit der Sekundärwicklung 20A gespeist.
Die Brückenspannung an der Diagonale 2,3 der Brücke, die ein Mass für die Unsymmetrie der Brücke darstellt, wird von dem Verstärker 21 entsprechend verstärkt und an die Steuergitter der beiden Elektronenröhren 29, 30 des Phasen-Diskriminators gelegt. Die Anodenspannungen der Röhren 29,30 liegen in Gegenphase mit den Spannungen der zwei Sekundärwicklungen 32,33 des Transformators 20. Falls an den Gittern der Elektronenröhren 29,30 keine Signalspannung anliegt, fliesst in beiden Röhren derselbe Anodenstrom und an den Arbeitswiderständen 36,37, die von den Glättungskondensatoren 34,35 für Wechselstrom kurzgeschlossen sind, erscheint dieselbe Spannung.
Diese Spannung ladet über die Widerstände 38,39 die Integrationskondensatoren 12,13 des Relais-Servoreglers 14 auf. Solange die Spannungen an den Widerständen 36,37 einander gleich sind, verbleibt die Servo-Regeleinrichtung 14 in Ruhe. Wird dagegen das Gleichgewicht der Brücke 1 verändert, erscheint an den Steuergittern der Elektronenröhren 29,30 eine Spannung, deren Grösse der Unsymmetrie der Brücke proportional ist und deren Phase entweder plus 1800 oder minus 1800 beträgt, je nachdem, ob das Gleichgewicht der Brücke im einen oder andern Sinne gestört ist. Je nach der Phase und Grösse der an die Gitter der Diskriminatorröhren gelegten Spannung steigt die Leitfähigkeit jener Röhre, deren Gitterspannung in Phase mit der Anodenspannung ist, während die Röhre, deren Gitterspannung mit der entsprechenden Anodenspannung in Gegenphase liegt, teilweise gesperrt wird.
Die Potentialgefälle an den Widerständen 36, 37 sind deswegen ungleich und folglich sind auch die für die Ladung der Integrationskondensatoren 12,13 nötigen Zeitspannen verschieden. Die Servo-Regeleinrichtung 14 setzt infolgedessen den Servomotor in Bewegung, welcher das Gleichgewicht der Messbrücke wieder hergestellt. Die übrigen Bestandteile und die Anordnung dieser Einrichtung sind dieselben wie in Fig. 2 gezeigt. Wenn die Brücke wieder ins Gleichgewicht gebracht wurde, sind die Spannungen an den Widerständen 36,37 einander gleich.
Die erfindungsgemässen Widerstandsbrücken können auch zur Messung von Temperaturen mit Hilfe von Widerstandsthermometern mit Fernangabe und-registrierung benützt werden. Das Blockschaltbild der entsprechenden Anordnung ist in Fig. 5 gezeigt. Die Einrichtung ist prinzipiell die gleiche wie in den vorher beschriebenen Fällen, mit der Ausnahme der Fernübertragung mit Hilfe des Selsyn-Senders 60 und Selsyn-Empfängers 61. An der Empfangsseite können an den Selsyn-Empfänger 61 entweder ein numerisches Zählwerk 62 oder eine Registriervorrichtung zur Aufzeichnung der zu messenden Grösse auf einem Papierstreifen angeschlossen werden.
Das erfindungsgemässe Gerät findet Anwendung in der Bestandteile-Produktion, wo grosse Serien von Bestandteilen geprüft und gemessen werden müssen. Desgleichen Kann die Erfindung zur Prüfung von Geräten vor dem Einbau benützt werden, die in grösseren Serien hergestellt werden. Die erfindungsgemässe Brücke mit Grundausstattung findet ein breites Anwendungsgebiet in Laboratorien, Prüfräumen und Reparaturwerkstätten und überall dort, wo fertige Erzeugnisse geprüft werden sollen. Bedeutende Ersparnisse werden insbesondere dadurch erzielt, dass zur Bedienung des Gerätes eine ungeübte Arbeitskraft genügt und dass in manchen Fällen das automatische Gerät sogar ohne etwaige Bedienung arbeitet, da sämtliche Messvorgänge völlig automatisch durchlaufen.
Die Einführung der selbsttätigen Brücke mit Zählwerk in die Produktion bedeutet ausserdem eine beträchtliche Erhöhung der Erzeugungsgenauigkeit und hat eine viel leichter durchführbare Sortienmg der Bestandteile mit engen Toleranzgrenzen zur Folge. Die gleichzeitig mögliche Aufzeichnung dus wertes auf einem Papierstreifen dient als wichtige und dauernde Fertigungskontrolle. Sie kann ausserdem zur statistischen Steuerung des Produktionsbandes mittels eines sogenannten elektronischen Gehirns verwendet werden. Die Messbrücke mit Zählwerk kann auch zur Fernmessung von Temperatur und Druck,
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und Aufzeichnung mechanischer KräÎLe und Spannungen u. dg1. benlitzt werden. Ihr An-PATENTANSPRÜCHE :
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Brücke mit Zählwerk zur Messung elektrischer Grössen, mit selbsttätigem Abgleich mittels eines durch eine integrierende Relaisregeleinrichtung betätigten Servomotors, dadurch gekennzeichnet, dass der Servomotor (15), der an einen Servoregler (14) angeschlossen ist, welcher Integrationskondensatoren (12, 13) enthält, deren Ladungszustand, vorzugsweise mit einer an sich bekannten Photozellensteuerung (10, 11), in Abhängigkeit von der Verstimmung der Brücke gesteuert wird, über eine Gelriebeübersetzung (lss) mit einem Zählwerk (17) und mit dem Einstellglied einer in einem Brückenzweig (3-5) liegenden, ver- änderbaren Impedanz (W) gekuppelt ist, während das Einstellglied der im gegenüberliegenden Brückenzweig (2-4) angeordneten, zur Veränderung des Messbereiches einstellbaren Impedanz (Y)
mit dem die Lage des Dezimalpunktes angebenden Zeiger (18) im Zählwerk (17) und bzw. oder mit dem Einheitenzeiger (19) verbunden ist.