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.
Device for monitoring a physical variable The invention relates to a device for monitoring a physical variable, z. B. a temperature, a mechanical pressure, a mechanical tension or the like. It is known to derive an electrical voltage from a physical variable by means of a suitable converter. When measuring temperatures, this can be a thermocouple or a resistance thermometer.
When measuring mechanical stresses, one or more so-called strain gauges are often used; H. Resistance elements, the resistance of which depends to a large extent on the tension in them.
In all of these measuring or recording methods, the so-called indicating zero method is preferably used, in which the voltage derived from the variable is compared in a compensation circuit with a known voltage taken from a potentiometer. The energy required to adjust the display element mechanically coupled to the control element of the Po tentiometer is taken from a separate energy source, preferably the network.
The device generally contains a bridge circuit, the input of which is connected to the network, in particular a Wech selstromnetz, and which contains an impedance in one of its branches, the value of which depends on the variable to be measured or to be drawn. The voltage occurring in the other bridge diagonal, which depends on the size to be measured or traced, is compared in the compensation circuit with a second voltage, which is preferably taken from the energy source already mentioned.
The value of the second voltage is expediently set automatically by the operating organ. which comes to a standstill as soon as the two voltages are equal to each other.
In Mg. 1 of the drawing, a known device with such a self-equalizing measuring bridge is shown. Here, 1 denotes the primary winding of a feed transformer that can be connected to the AC network. The secondary winding 2 is connected to a bridge circuit consisting of four resistance elements R1, <I> R2, R3, </I> R4. To measure a mechanical pressure, it is possible to design one of these elements or all of the elements as strain gauges, which are combined with the construction under mechanical pressure in such a way that a tensile or compressive stress arises in them.
The electrical voltage occurring at the other bridge diagonally is then a measure of the pressure to be measured. However, the invention is not restricted to such a bridge circuit. It is possible, please include a voltage of any impedance depending on the quantity to be measured, i.e. H. a resistance, an inductance or a capacitance that changes with the variable to be measured.
The potentiometer from which the compensation voltage is taken can also consist of capacitances and inductances.
In the circuit of FIG. 1, a second secondary winding 3 is also loaded with a potentiometer 4, one end of which is at the common point of resistors R1 and R3, and whose sliding contact 5 is via a resistor 6 at the common point of resistors R2 and R4. The connection of the winding 3 is chosen such that the voltage occurring at the upper part of the resistor 4 is opposite to the diagonal voltage of the bridge circuit.
At the resistor 6 there is therefore a differential voltage that reaches a phase-sensitive motor M ge via an amplifier V, which is driven in one or the other sense of rotation, depending on the Dia gonalensspannung the bridge over the voltage at the top of the potentiometer 4 - or falls below.
The motor drives the sliding contact 5 of the potentiometer 4 in the sense that the voltage prevailing in the circle of the opponent 6 is reduced. The motor therefore comes to a standstill as soon as this voltage has become zero. The position of the sliding contact 5 is then a measure of the voltage on the diagonal of the bridge consisting of the four first mentioned opposing stands and therefore also for the variable to be measured or recorded.
The resistor 4 can be provided with a scale division which, if the resistor consists of evenly wound wire, is linear with the voltage on the bridge diagonal. The Schiebekon clock serves as a pointer and can be mechanically connected to a recording member; in this case the device for recording the size can be used. The voltage that counteracts the measured voltage in the circle of the resistor 6 is preferably taken from a bridge circuit according to FIG. This second bridge circuit consists of the two resistors 7 and 8 and the potentiometer 10.
The sliding contact 9 of the latter is connected to the common point of the resistors <B> BI </B> and R3. The common point of resistors 7 and 8 leads. to the lower end of the resistor 6. The motor M drives the sliding contact 9 on the potentiometer 10, so that the position of this sliding contact is a measure of the variable to be measured.
The adjustment of the sliding contacts 5 and 9 in FIGS. 1 and 2 is, within certain limits, almost proportional to the change in the voltage on the first bridge diagonal. If, as is usually the case, this voltage change is proportional to the variable to be measured or recorded, the result is a linear scale of the display organ 5 or 9, which is desirable in most cases. However, the relationship between the variable to be measured or recorded and the voltage on the bridge diagonal is often less simple and the scale division is therefore less clear.
The amount of gas or liquid flowing through a pipeline can be determined by measuring the pressure difference on a measuring flange installed in the line. The amount of gas flowing per unit of time (at constant pressure) or the amount of liquid is proportional to the square root of this pressure difference
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With the help of the usual pressure transducer, the pressure difference is converted into a resistance difference of one of the elements R1-R4.
p = k'dR This difference in resistance is converted into a voltage difference in the Wheatstone bridge, which is proportional to d R and the supply voltage of the bridge. Since the latter is assumed to be constant, the amount of liquid to be measured is proportional to the square root of the displacement of the contact 5 or 9. So a favorable scale division.
The invention makes it possible to avoid this disadvantage and relates to a device for monitoring a physi cal variable that is converted into an electrical voltage and compensated for with a second voltage, which can be regulated by an adjusting element, by both voltages in opposite directions in the Control circuit of the setting element are so effective that this element comes to a standstill as soon as the two voltages are equal to each other. The invention consists in that the second voltage is taken from a source, the voltage of which is also changed with the displacement of the adjustment element.
A simple embodiment of a device according to the invention is shown in FIG.
A voltage that depends on the quantity to be measured occurs at the impedance R. This voltage is compensated in the input circuit of the amplifier V with a voltage taken from the potentiometer 10 through the sliding contact 9. The voltage present at the potentiometer 10 is again taken from the potentiometer 4 through the sliding contact 5, and the potentiometer 4 is connected to the secondary winding 3 of a feed transformer.
The primary winding 7 of this transformer is connected to a constant alternating voltage. The output circuit of the amplifier V controls the phase-sensitive motor 1V1, which adjusts the sliding contacts 5 and 9 at the same time such that the voltage at R is equal to the voltage taken from the potentiometer 10.
Assuming that part X of the total voltage is taken from the two potentiometers, and if the voltage on the secondary winding of the transformer is set equal to E, then with the motor at a standstill, the voltage e at the impedance R is: e = Ex2 In other words: the display x is proportional to the square root of the voltage at the impedance R, which is a measure of the variable to be measured. <B> Mg. </B> 4 shows a second example.
As in the case of the circuit according to FIG. 2, two bridge circuits are provided, of which the former contains the resistance elements R1, R2, R3, R4. It is assumed that these elements are subject to the direct influence of the variable to be measured or recorded. If z. If, for example, the amount of liquid flowing through a pipe is measured with the aid of a measuring flange, element <B> BI </B> is subject to the influence of the pressure on one side and element R2 to the influence of the pressure on the other side of the flange .
These elements can be so-called strain gauges on which a tensile force is exerted.
The second bridge, consisting of elements 7, 8 and 10, is not fed with the constant voltage of winding 3, but with a voltage that is taken from potentiometer 4 connected to this winding. The sliding contact of the potentiometer is mechanically connected to the sliding contact 9 of the potentiometer 10, so that it is also driven by the X setting motor.
If the compensation voltage supplied by the second bridge is denoted by e2 and the position of the sliding contact 9 on the potentiometer 10 is denoted by x, then with a supply voltage E2 of the second bridge e2 <I> - </I> k "E2 <I > x. </I>
If E2 is taken from a constant voltage Es by a sliding contact 5 coupled to the sliding contact 9 of the compensation potentiometer 10 on the potentiometer 4, and the sliding contacts assume the corresponding positions on the assigned potentiometer resistors, then E2-k ... xEa It can easily be seen that the position of the sliding contact 9 is then linearly dependent on the amount of liquid flowing through the line.
It is therefore possible to achieve a linear scale for the amount of liquid flowing through with a measured variable converter that supplies a voltage proportional to the square root of the variable to be measured.
With the automatic setting the difficulty arises that the measuring sensitivity is different at different points on the scale. The stability of the setting and the sensitivity are therefore not the same over the entire range.
In order to remedy this disadvantage, the circuit according to FIG. 5 can be used. The required damping is achieved in the water circuit by a known tachometer generator G, which is coupled to the motor 1V1 and provides a voltage acting on the Ver stronger V back. This reaction takes place in the dargestell th circuit with the interposition of a potentiometer resistor 11 with a sliding contact 12.
This sliding contact is coupled to the sliding contact 9, so that it is achieved that the attenuation is dependent on the impact from the front.
In the circuit according to FIG. 5, the input voltage for the amplifier V is taken from the potentiometer 6 via a sliding contact 13. This contact can also be mechanically coupled to the other sliding contacts, the transmission factor then being dependent on the deflection.