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Vorrichtung zum Ablesen. und/oder Registrieren des Extremwertes einer elektrischen Grösse
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ablesen und/oder Registrieren des Extremwertes einer elektrischen Grösse oder einer in eine elektrische Grösse umgewandelten Grösse anderer Art, deren jeweilige Anwesenheitsdauer kleiner als dieEinstellzeit des Anzeige-bzw. Registrierinstrumentes und die Zeit zwischen zwei anzeigenden Extremwerten grösser als* diese Einstellzeit ist, insbesondere zum Ablesen und/oder Registrieren derExtremwerte einer von einem Strahlungspyrometer gelieferten Wechselspannung.
Die Anzeige und Registrierung der Werte, diskontinuierlicher Grössen, deren jeweilige Dauer geringer ist als die Einstellzeit des verwendeten Anzeige-bzw. Registriergerätes bereitet erhebliche Schwierigkeiten, aus welchem Grunde die bisherige Entwicklung hauptsächlich dahin ging, die Einstellzeit der genannten Geräte ständig zu verringern bzw. solche Geräte einzusetzen, deren Einstellzeit kleiner als die jeweiligeDauer der zu erfassenden Messwerte war. Messgeräte kleiner Einstellzeit bedingen aber nicht nur einen im Vergleich zu solchen längerer Einstellzeit wesentlich höheren Aufwand, sondern erfordern auch eine komplizierte Handhabung.
Ein anzeigendes Drehspulinstrument oder ein Tintenschreiber zeichnet sich beispielsweise durch wesentlich grössereEinfachheit aus, als ein Elektronenstrahloszillograph mit getriggertem Kippgerät und der dazugehörigen photographischen Registriereinrichtung. Bei sogenannten "Elektronenröhrenelektrometern mit kleiner Zeitkonstante" ist die Bemessung des die Elektronenröhren betreffenden Teiles dieser Vorrichtungen so vorgenommen, dass ein rasches Ansprechen auf Spannungs- änderungen eintritt durch die zum Anzeigen bzw. Registrieren der Spannungswerte erforderlichen An- zeige- bzw. Registrierinstrumente, die an den Verstärkerteil dieser Vorrichtungen angeschlossen sind, ist zwangsläufig eine Beschränkung der Einstellzeit gegeben.
Daneben sind auch Geräte bekanntgeworden, die kurzzeitig auftretende Messwerte über längere Zeit speichern, um sie dann Anzeige- oder Registrierinstrumenten mit einer Einstellzeit, die grösser ist als die Anwesenheitsdauer des Messwertes, zuzuführen : aber auch diese Geräte sind kompliziert und bedingen einen grossen Aufwand.
Die erfindungsgemässeVorrichtung weist einen einfachen Aufbau auf und ist : dadurch gekennzeichnet, dass ein Kondensator vorgesehen ist, der über ein erstes Schalterelement, sowie gegebenenfalls einen Gleichrichter und ein in an sich bekannter Weise, z. B. als Transformator, ausgebildetes Kopplungsglied mit dem Eingang der Vorrichtung in Verbindung steht, dass ein zweites Schalterelement, gegebenenfalls' in Reihenschaltung mit einem Widerstand, dem Kondensator parallelgeschaltet ist, dass zur Messung der Spannung am Kondensator in an sich bekannter Weise eine Elektrometerschaltung an den Kondensator angeschlossen ist und dass weiter zwei Schaltstufen mit vorzugsweise einstellbarer Schaltzeit zur Betätigung je eines der Schalterelemente vorgesehen sind, deren eine, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer,
vorzugsweise impulsformenden, Startstufe, an die den Kondensator ladende Spannung oder an den Eingang angeschlossen ist und deren andere ebenfalls an die den Kondensator ladende Spannung bzw. an den Eingang oder an den Ausgang der ersten Schaltstufe angeschlossen ist, wobei die eine Schaltstufe bei Einlangen eines Signals am Eingang der Vorrichtung das erste Schalterelement während einer einstellbaren Zeit schliesst und die andere Schaltstufe das zweite Schalterelement nach einer einstellbaren Zeit nach dem Einlangen eines das Schalterelement auslösenden Signals kurzzeitig schliesst.
Es sei erwähnt, dass Vorrichtungen bekannt sind, bei denen zur Registrierung kurzzeitiger elektrischer
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Spannungen eine Anzahl von Messkondensatoren abwechselnd an die zu messende Spannung und an eine Messvorrichtung angeschaltet werden. Die Steuerung der Umschaltung erfolgt dabei vom Antrieb eines zur Registrierung der Messwerte dienenden Punktschreibers und ist nicht abhängig vom Verlauf der zu messenden Spannung.
Weiter sind Vorrichtungen bekannt, in denen ein Kondensator während einer bestimmten Zeitdauer aufgeladen und die Aufladung anschliessend gemessen wird, wobei der erhaltene Messwert als Mass für die Aufladungszeit dient.
Aus den zahlreichen möglichen Anwendungsgebieten der erfindungsgemässen Vorrichtung seien die verschiedenen Temperaturmessungen mittels Strahlungspyrometern, die Erfassung dynamischer Vorgänge im Motoren- und Kompressorenbau und die Festhaltung von Störungsvorgängen in der Starkstromtechnik genannt.
Als Beispiel für Temperaturmessungen unter Verwendung eines Pyrometers in Verbindung mit einer erfindungsgemässen Vorrichtung kann die Messung der Maximal-oder Minimaltemperaturen von einer Warmverformung zu unterziehenden Werkstücken, wie etwa Brammen, die, an einem Kontrollpunkt vorbeibewegt werden, oder die Messung der erreichten Maximaltemperaturen an verschiedenen Stellen eines zu Härtungszwecken mit Hochfrequenzimpulsen erhitzten Stahlstückes, dienen. Im Motoren- und Kompressorenbau kann die erfindungsgemässe Vorrichtung z. B. zur Erfassung des Druckverlaufes und der Maximaldrücke herangezogen werden ; bei Störungsvorgängen in elektrischen Anlagen ist auf einfache Weise der jeweils auftretende Extremwert bestimmbar.
Die Erfindung wird an Hand in der Zeichnung dargestellter Beispiele näher erläutert, wobei jedoch die Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt ist.
Fig. 1 zeigt Beispiele von Spannungen, die einem Gerät nach der Erfindung zur Anzeige bzw. Registrierung zugeführt werden, Fig. 2 zeigt den zeitlichen Ablauf des Vorganges mit Benutzung der erfindungsgemässen Vorrichtung, Fig. 3 zeigt die punktweise Erfassung des Verlaufes periodischer elektrischer Grössen und in den Fig. 4-7 sind Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen nach der Erfindung schematisch dargestellt.
Wie aus den innig. l dargestellten Beispielen ersichtlich ist, können mit der erfindungsgemässen Vorrichtung dieExtremwerte elektriscnerGrössen beliebigenAmplitudenverlaufes und nahezu beliebiger zeitlicher Aufeinanderfolge gemessen werden mit der einzigen Einschränkung, dass die Zeit zwischen zwei angezeigten Extremwerten grösser ist als die Einstellzeit des Anzeige-bzw. Registrierinstrumentes.
In Fig. 2 ist die den Kondensator ladende Spannung mit u und die Spannung am Kondensator mit Uc bezeichnet. Das Schalterelement SI, das die Spannung u an den Kondensator legt, wird vor dem Auftreten oder unmittelbar nach demBeginn desAuftretens dieser Spannung geschlossen und der Kondensator lädt sich auf bis zum Extremwert der Spannung. Ein Absinken derKondensatorspannung nach dem Überschreiten des Extremwertes der ladenden Spannung wird im allgemeinen durch die Anordnung eines mit dem Schalterelement S1 in Reihe geschalteten Gleichrichters verhindert ; es ist aber auch möglich. bei Beschränkung auf spezielle Spannungsformen der ladenden Spannung das Schalterelement unmittelbar nach dem Auftreten des Extremwertes dieser Spannung zu öffnen.
Nach dem Öffnen des Schalterelementes S 1 bleibt die Spannung uc am Kondensator weitgehend konstant, da die zu ihrer Messung vorgesehenen Mittel voraussetzungsgemäss einen hohen Innenwiderstand aufweisen. Der Zeitabschnitt tu-tu (Speicherzeit) ist länger als die Einstellzeit des verwendeten Anzeige-bzw. Registrierinstrumentes, so
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tes 0-tl (Ladezeit). Im Zeitpunkt t z wird das Schalterelement S z geschlossen und dadurch der Kondensator C entladen. Die Öffnung dieses Schalterelementes S erfolgt im Zeitpunkt tg, der vor dem Wiederauftreten der ladenden Spannung liegt oder mit diesem zusammenfällt. Darauf wiederholt sich der ganze Zyklus.
DieSchaltfolgederSchalterelementeS1bzw. S2kannauchgegenüberdembeschriebenenAblauf
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ohne dieFunktion der Vorrichtungeine Schaltfolge des Schalterelementes S1 dargestellt, bei der dieses Schalterélement im Ruhezustand geschlossen ist, zum Zeitpunkt des Auftretens der Messgrösse geöffnet wird und zum Zeitpunkt t2 wieder geschlossen wird und bis zum erneuten Auftreten einer Messgrösse geschlossen bleibt.
Das Öffnen des Schalterelementes S2 und das Schliessen des Schalterelementes S1 kann vom Auftreten der Spannung u ausgelöst werden. Es ist aber auch möglich, nur einen dieser beiden Vorgänge unmittelbar von der Spannung u auslösen zu lassen und den andern mittelbar vom ersten. Um die Konstruktion der Schalterelemente bzw. deren Betätigungsmechanismen zu vereinfachen, ist es vor-
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teilhaft, das Schalterelement S gleichzeitig mit dem Schalterelement S im Zeitpunkt tz zu schliessen und erst zu einem Zeitpunkt tu, der dem folgenden Zyklus angehört, zu öffnen.
Wird das Schliessen des Schalterelementes S und das Öffnen des Schalterelementes Sz von der Spannung u unmittelbar abgeleitet, ist es günstig, die die Schalterelemente steuernden Schaltstufen so miteinander zu koppeln, dass das durch die Spannung u bewirkte Schliessen des Schalterelementes S 1 so lange verhindert wird, bis die Messung der Spannung uc beendet ist. Andernfalls würde nämlich durch Spannungsimpulse, die im Zeitabschnitt, in dem die Spannung uc gemessen wird, auftreten, das Messergebnis verfälscht werden.
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elementes S 1 von Messung zu Messung monoton geändert, vorzugsweise in wachsenden Intervallen (z. B. t'-tV). Der Kondensator C wird auf die Spannung l1c (z.
B. uca-uce) aufgeladen, die dem jeweiligen Wert der elektrischen Grösse im Zeitpunkt des Öffnens von Si entsprechen. Durch Messung
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gangsgrösse (s. Fig. 3a).
Die Einstellvorrichtung zum Ändern der Schliesszeit des Schalterelementes S1 kann auf verschiedene Weise aufgebaut sein. Zum Verändern dieser Schliesszeit kann dabei ein von Hand zu verstellendes passives Schalterelement (Kondensator, Widerstand usw. ), ein solches Schalterelement, das zwangsläufig mechanisch verstellt wird oder z. B. auch eine elektronische oder elektromechanischeZähleinrichtung, die eine fortlaufende Fortschaltung erfährt und die Scbliesszeit steuert, vorgesehen sein.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Vorrichtung werden Wechselspannungsimpulse variabler Amplitude, deren Maximalwerte angezeigt bzw. registriert werden sollen, den Eingangsklemmen 1 des Gerätes zugeführt. Diese Spannung wird über ein, hier als Transformator 11 ausgebildetes Koppelglied dem einen Gleichrichter 2 und das Schalterelement SI enthaltenden Ladekreis des Kondensators C zugeführt. An diesen Kondensator ist eine Elektrometerschaltung 7 zur Messung der Spannung uc und ein weiteres Schalterelement S2 angeschlossen, das den Kondensator nach der Spannungsmessung über einen Entladewiderstand 3 entlädt.
Ausser dem Ladekreis wird die an die Eingangsklemmen 1 gelegte Spannung einer impulsformenden Startstufe 4 zugeführt, an deren Ausgang jeweils unmittelbar nach dem Auftreten der Eingangsspannung ein Impuls auftritt. Dieser Impuls wird zwei Schaltstufen 5 und 6 zur Betätigung je eines der Schalterelemente S 1 bzw. S z zugeführt. Die Schaltstufe 5 bewirkt eine Schliessung des Schalterelementes S unmittelbar nach demAhlegen einesAuslöseimpulses an ihrenEingang und die Öffnung dieses Schalterelementes nach einer
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eine Öffnung des Schalterelementes S2 unmittelbar nach dem Anlegen eines Auslöseimpulses an ihren Eingang und die Schliessung dieses Schalterelementes nach einer Zeit tz., die beispielsweise zwischen 2 sec und 30 sec einstellbar ist.
Zur Einstellung der Zeit ti, nach der das Schalterelement Si ge- öffnet bzw. der Zeit tz, nach der das Schalterelement S geschlossen wird, ist es besonders zweck- mässig, in den beiden Schaltstufen 5 bzw. 6 monostabile Multivibratoren vorzusehen. Eine andere Möglichkeit zum Aufbau der Schaltstufen besteht in der Anordnung eines zeitverzögernden Gliedes, dessen Eingang die von derStartstufe stammenden Impulse zugeführt und an dessen Ausgang die verzögerten Impulse abgenommen und zu einer sofortigen Änderung des Schaltzustandes der Schalterelemente benutzt werden.
InFig. 5 ist ein Ausschnitt aus einem Schaltbild eines Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemässen Vorrichtung dargestellt, bei der die Schaltstufe 5 mit der Schaltstufe 6 derart gekoppelt ist, dass das Schliessen des Schalterelementes Si. während der Zeit, in der die Spannung am Kondensator C gemessen wird, verhindert wird. Die beiden Schaltstufen 5 und 6 enthalten zur Einstellung der Schaltzeiten nicht näher dargestellte monostabile Multivibratoren 8 und 8a und zur Steuerung der Schalterelemente bistabile Multivibratoren 9 und 10. Die Schalterelemente Si. und S 2 sind als Relaiskontakte ausgebildet. Die Magnetspulen der beiden Relais SI und Sn sind in die Kollektorkreise der rechten Transistoren der bistabilen Multivibratoren eingeschaltet.
Der Leistungsverbrauch dieser Relais beeinflusst die Arbeitsweise der Multivibratoren nicht, da die Einschaltung der Relaisspulen an Stelle der andernfalls vorzusehenden, ebenfalls leistungsverbrauchenden Widerstände erfolgt. Das Relais SI, besitzt neben dem Kontakt Sz einen weiteren Kontakt S'z, der in den Emitterbasiskreis jenes Transistors eingeschaltet ist, in dessen Kollektorkreis sich die Spule des Relais SI befindet. Bei geeigneter Dimensionierung der Schaltung wird hiedurch erreicht, dass das Relais SI während der Zeit, in der die Spannung
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am Kondensator C gemessen wird, nicht ansprechen kann.
Eine derartige Kopplung der beiden Schaltstufen, von der in Fig. 5 lediglich eine spezielle Ausführungsform dargestellt ist, kann natürlich auf verschiedenste Weise ausgeführt werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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die Schliesszeit des Schalterelementes S 1 von Schaltung zu Schaltung vergrössert werden, wirdzweckmässig der monostabile Multivibrator 8 mit einer Einstellvorrichtung die eine Vergrösserung die- ser Zeit von Schaltung zu Schaltung gestattet versehen, welche z. B. einen von Hand aus oder zwangsläufig mechanisch verstellbaren Kondensator oder Widerstand aufweist.
Fig. 6 zeigt eine erfindungsgemässe Vorrichtung, bei der nur eine Schaltstufe, nämlich die Schaltstufe 5 von der an den Eingangsklemmen auftretenden Spannung ausgelöst wird. Die andere Schaltstufe 6, die das Schalterelement S2 steuert, wird mittels Impulsen ausgelöst, die mittels eines Relaiskontaktes Si, erzeugt werden, welcher Kontakt gleichzeitig mit dem Relaiskontakt 81 betätigt wird. Das an die Eingangsklemmen 1 angeschlossene Kopplungselement ist als'IT Glied, das aus zwei Widerständen 12, 13 und einem Kondensator 14 besteht, ausgebildet. Die Erzeugung der Steuerimpulse für die Schaltstufe 6 erfolgt durch An-bzw. Abschalten einer Spannung V an das aus dem Widerstand 15 und dem Kondensator 16 bestehende RC-Glied.
In Fig. 7 ist eine Vorrichtung zur Messung des Minimalwertes eines Spannungsverlaufes dargestellt.
DerKondensator C wird dabei über einschalterelement S und einen Widerstand 3 auf eine kon-
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tretens geöffnet ist ; das Schliessen des Schalterelementes S, erfolgt, wenn dieGrösseeinerEinsattelung bei impulsartigen Spannungen gemessen werden soll, nur innerhalb eines bestimmten Bereiches der Messgrösse, um die Auswirkung des Anstieges bzw. Abfalles an der Vorder-bzw. Rückflanke der Messgrösse auf das Messergebnis zu vermeiden.
Zur Messung von Minimalwerten, auf die eine im allgemeinen konstante Spannung am Kondensator Ci, die einen positiven Wert aufweist, abfällt, wird das Schalterelement in Abhängigkeit vom Unterschreiten eines bestimmten Schwellwertes an Ci geschlossen und nach einer vom Verwendungszweck der Vorrichtung abhängigen, eingestellten Zeitspanne wieder geöffnet.
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