Vorrichtung zum Überwachen einer physikalischen Grösse Die Erfindung bezieht sich auf eine Vor richtung zum Überwachen einer physikali schen Grösse, z. B. einer Temperatur, eines mechanischen Druckes, einer mechanischen Spannung oder dergleichen. Es ist bekannt, von einer physikalischen Grösse eine elek trische Spannung mittels eines geeigneten Wandlers abzuleiten. Beim Messen von Tem peraturen kann dies ein Thermoelement oder ein Widerstandsthermometer sein.
Beim Mes sen mechanischer Spannungen werden viel fach eine oder mehrere sogenannte Dehnungs- messstreifen verwendet, d. h. Widerstands elemente, deren Widerstandswert in hohem Masse von den in ihnen herrschenden Zug spannungen abhängig ist.
Bei allen diesen Mess- oder Aufzeichnungs verfahren wird vorzugsweise das sogenannte anzeigende Nullverfahren angewendet, bei dem die von der Grösse abgeleitete Spannung in einem Kompensationskreis mit einer einem Potentiometer entnommenen bekannten Spannung verglichen wird. Die zum Verstel len des mit dem Bedienungsorgan des Po tentiometers mechanisch gekoppelten An zeigeorgans erforderliche Energie wird einer getrennten Energiequelle, vorzugsweise dem Netz, entnommen.
Die Vorrichtung enthält im allgemeinen eine Brückenschaltung, deren Eingang an das Netz, insbesondere ein Wech selstromnetz, angeschlossen ist, und die in einem ihrer Zweige eine Impedanz enthält, deren Wert von der zu messenden oder auf zuzeichnenden Grösse abhängt. Die in der andern Brückendiagonalen auftretende Span nung, die also von der zu messenden oder auf zuzeichnenden Grösse abhängt, wird im Kom pensationskreis mit einer zweiten Spannung verglichen, die vorzugsweise der bereits ge nannten Energiequelle entnommen wird.
Zweckmässig wird der Wert der zweiten Spannung selbsttätig durch das Bedienungs organ eingestellt. das zum Stillstand kommt, sobald die beiden Spannungen einander gleich sind.
In Mg. 1 der Zeichnung ist eine bekannte Vorrichtung mit einer solchen selbstab gleichenden Messbrücke dargestellt. Dabei bezeichnet 1 die Primärwicklung eines Speise transformators, der an das Wechselstromnetz angeschlossen werden kann. Die Sekundär wicklung 2 ist mit einer aus vier Widerstands elementen R1, <I>R2, R3,</I> R4 bestehenden Brückenschaltung verbunden. Zur Messung eines mechanischen Druckes ist es möglich, eines dieser Elemente oder sämtliche Ele mente als Dehnungsmessstreifen auszubilden, die mit der unter mechanischem Druck ste henden Konstruktion derart vereinigt sind, dass in ihnen eine Zug- oder eine Druckspan nung entsteht.
Die an der andern Brücken diagonalen auftretende elektrische Spannung ist dann ein Mass für den zu messenden Druck. Die Erfindung ist aber nicht auf eine solche Brückenschaltung beschränkt. Es ist mög lich, eine von der zu messenden Grösse abhängige Spannung einer beliebigen Impe danz, d. h. einem Widerstand, einer Induk- tivität oder einer Kapazität zu entnehmen, der bzw. die sich mit der zu messenden Grösse ändert.
Auch das Potentiometer, dem die Ausgleichspannung entnommen wird, kann aus Kapazitäten und Induktivitäten bestehen.
Bei der Schaltung nach Fig. 1 ist ferner eine zweite Sekundärwicklung 3 mit einem Potentiometer 4 belastet, dessen eines Ende am gemeinsamen Punkt der Widerstände R1 und R3, und dessen Schiebekontakt 5 über einen Widerstand 6 am gemeinsamen Punkt der Widerstände R2 und R4 liegt. Der An schluss der Wicklung 3 ist derart gewählt, dass die am oberen Teil des Widerstandes 4 auf tretende Spannung der Diagonalenspannung der Brückenschaltung entgegengerichtet ist.
Am Widerstand 6 tritt daher eine Differenz spannung auf, die über einen Verstärker V auf einen phasenempfindlichen Motor M ge langt, der in einem oder dem anderen Dreh sinn angetrieben wird, je nachdem die Dia gonalenspannung der Brücke die Spannung am oberen Teil des Potentiometers 4 über- oder unterschreitet.
Der Motor treibt den Schiebekontakt 5 des Potentiometers 4 in dem Sinne an, dass die im Kreis des Wider standes 6 herrschende Spannung herabgesetzt wird. Der Motor kommt daher zum Stillstand, sobald diese Spannung gleich Null geworden ist. Die Lage des Schiebekontaktes 5 ist dann ein Mass für die Spannung an der Diagonale der aus den vier zuerstgenannten Wider ständen bestehenden Brücke und daher auch für die zu messende oder aufzuzeichnende Grösse.
Der Widerstand 4 kann mit einer Skalenteilung versehen werden, die, wenn der Widerstand aus gleichmässig gewickeltem Draht besteht, linear mit der Spannung an der Brückendiagonalen ist. Der Schiebekon takt dient als Zeiger und kann mechanisch mit einem Aufzeichnungsorgan verbunden werden; in diesem Falle ist die Vorrichtung zum Aufzeichnen der Grösse verwendbar. Die Spannung, die der gemessenen Span nung im Kreise des Widerstandes 6 entgegen wirkt, wird vorzugsweise einer Brückenschal tung nach Fig. 2 entnommen. Diese zweite Brückenschaltung besteht aus den beiden Widerständen 7 und 8 und dem Potentio- meter 10.
Der Schiebekontakt 9 des letzteren ist mit dem gemeinsamen Punkt der Wider stände<B>BI</B> und R3 verbunden. Der gemein same Punkt der Widerstände 7 und 8 führt. zum unteren Ende des Widerstandes 6. Der Motor M treibt den Schiebekontakt 9 am Potentiometer 10 an, so dass die Lage dieses Schiebekontaktes ein Mass für die zu messende Grösse ist.
Die Verstellung der Schiebekontakte 5 und 9 in den Figuren 1 und 2 ist, innerhalb bestimmter Grenzen nahezu proportional der Änderung der Spannung an der ersten Brük- kendiagonale. Wenn, wie es meist der Fall ist, diese Spannungsänderung proportional der zu messenden oder aufzuzeichnenden Grösse ist, so ergibt sich eine lineare Skala des An zeigeorgans 5 bzw. 9, was in den meisten Fällen erwünscht ist. Häufig ist aber der Zu sammenhang zwischen der zu messenden oder aufzuzeichnenden Grösse und der Spannung an der Brückendiagonalen weniger einfach und die Skalenteilung daher weniger übersichtlich.
So kann die durch eine Rohrleitung strö mende Gas- oder Flüssigkeitsmenge durch Messung des Druckunterschiedes an einem in der Leitung angebrachten Messflansch er mittelt werden. Die je Zeiteinheit durch strömende Gasmenge (bei konstantem Druck) bzw. die Flüssigkeitsmenge ist proportional der Wurzel aus diesem Druckunterschied
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Mit Hilfe des üblichen Druckaufnehmers wird der Druckunterschied in einen Wider standsunterschied eines der Elemente R1-R4 umgewandelt.
p=k'dR Dieser Widerstandsunterschied wird in der Wheatstoneschen Brücke in einen Span- nungsunterschied umgesetzt, der d R und der Speisespannung der Brücke proportional ist. Da letztere als konstant angenommen wird, ist daher die zu messende Flüssigkeits menge proportional der Wurzel aus der Ver schiebung des Kontaktes 5 bzw. 9. Hierbei ergibt. sich also eine günstige Skalenteilung.
Die Erfindung ermöglicht es, diesen Nach teil zu vermeiden und bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Überwachen einer physi kalischen Grösse, die in eine elektrische Span nung umgewandelt und mit einer zweiten, durch ein Einstellorgan regelbaren Spannung kompensiert wird, indem beide Spannungen in entgegengesetztem Sinne im Steuerkreis des Einstellorgans derart wirksam sind, dass dieses Organ zum Stillstand kommt, sobald die beiden Spannungen einander gleich sind. Die Erfindung besteht darin, dass die zweite Spannung einer Quelle entnommen wird, deren Spannung gleichfalls mit der Verschie bung des Einstellorgans geändert wird.
Ein einfaches Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt.
An der Impedanz R tritt eine von der zu messenden Grösse abhängige Spannung auf. Diese Spannung wird im Eingangskreis des Verstärkers V mit einer dem Potentiometer 10 durch den Schiebekontakt 9 entnommenen Spannung kompensiert. Die am Potentio- meter 10 liegende Spannung wird wieder dem Potentiometer 4 durch den Schiebekontakt 5 entnommen, und das Potentiometer 4 ist mit der Sekundärwicklung 3 eines Speisetrans formators verbunden.
Die Primärwicklung 7 dieses Transformators ist an eine konstante Wechselspannung angeschlossen. Der Aus gangskreis des Verstärkers V steuert den phasenempfindlichen Motor 1V1, der die Schie bekontakte 5 und 9 zugleich derart verstellt, dass die Spannung an R gleich der dem Po tentiometer 10 entnommenen Spannung wird.
Setzt man voraus, dass den beiden Po tentiometern der Teil X der Gesamtspannung entnommen wird, und wird die Spannung an der Sekundärwicklung des Transformators gleich E gesetzt, so beträgt bei stillstehendem Motor die Spannung e an der Impedanz R: e=Ex2 Mit anderen Worten: die Anzeige x ist pro portional der Wurzel aus der Spannung an der Impedanz R, die ein Mass für die zu mes sende Grösse ist. <B>Mg.</B> 4 zeigt ein zweites Beispiel.
Ebenso wie bei der Schaltung nach Fig. 2 sind zwei Brückenschaltungen vorgesehen, von denen erstere die Widerstandselemente R1, <I>R2, R3,</I> R4 enthält. Dabei wird vorausgesetzt, dass diese Elemente dem direkten Einfluss der zu messenden oder aufzuzeichnenden Grösse un terworfen sind. Wenn z. B. die durch ein Rohr strömende Flüssigkeitsmenge mit Hilfe eines Messflansches gemessen wird, so ist das Element<B>BI</B> dem Einfluss des Druckes an einer Seite und das Element R2 dem Einfluss des Druckes an der anderen Seite des Flan sches unterworfen.
Diese Elemente können sogenannte Dehnungsmessstreifen sein, auf die eine Zugkraft ausgeübt wird.
Die zweite, aus den Elementen 7, 8 und 10 bestehende Brücke wird nicht mit der kon stanten Spannung der Wicklung 3, sondern mit einer Spannung gespeist, die dem an diese Wicklung angeschlossenen Potentio- meter 4 entnommen wird. Der Schiebekon takt des Potentiometers ist mit dem Schiebe kontakt 9 des Potentiometers 10 mechanisch verbunden, so dass auch er vom Einstellmotor X angetrieben wird.
Wenn die von der zweiten Brücke ge lieferte Kompensationsspannung mit e2 und die Lage des Schiebekontaktes 9 am Potentio- rneter 10 mit x bezeichnet wird, so wird bei einer Speisespannung E2 der zweiten Brücke e2 <I>-</I> k" E2 <I>x .</I>
Wird E2 durch einen mit dem Schiebe kontakt 9 des Kompensationspotentiometers 10 gekoppelten Schiebekontakt 5 am Poten- tiometer 4 einer konstanten Spannung Es ent nommen, und nehmen die Schiebekontakte an den zugeordneten Potentiometerwider- ständen entsprechende Lagen ein, so ist: E2-k...xEa Es ist leicht erkennbar, dass dann die Lage des Schiebekontaktes 9 von der durch die Leitung strömenden Flüssigkeitsmenge linear abhängig ist.
Es ist daher möglich, eine line are Skala für die durchströmende Flüssig keitsmenge mit einem Messgrössen-Wandler zu erzielen, der eine der Wurzel der zu mes senden Grösse proportionale Spannung liefert.
Bei der selbsttätigen Einstellung tritt die Schwierigkeit auf, dass die Messempfindlich- keit an verschiedenen Stellen der Skala ver schieden ist. Die Stabilität der Einstellung und die Empfindlichkeit sind daher nicht über den ganzen Bereich gleich.
Um diesen Nachteil zu beheben, kann die Schaltung nach Fig. 5 Anwendung finden. Die erforderliche Dämpfung wird bei die ser Schaltung durch einen an sich bekannten Tachometergenerator G erzielt, der mit dem Motor 1V1 gekoppelt ist und eine auf den Ver stärker V rückwirkende Spannung liefert. Diese Rückwirkung erfolgt bei der dargestell ten Schaltung unter Zwischenschaltung eines Potentiometerwiderstandes 11 mit einem Schiebekontakt 12.
Dieser Schiebekontakt ist mit dem Schiebekontakt 9 gekoppelt, so dass erreicht wird, dass die Dämpfung vorn Aus schlag abhängig ist.
Bei der Schaltung nach Fig. 5 wird auch die Eingangsspannung für den Verstärker V dem Potentiometer 6 über einen Schiebe kontakt 13 entnommen. Auch dieser Kontakt kann mit den anderen Schiebekontakten mechanisch gekoppelt sein, wobei dann der Übertragungsfaktor vom Ausschlag abhängig ist.