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S chwebungsko mp ens ato r Die Erfindung l>ezieht sich auf einen
Schwebungskompensator mit automatischem abgleich zur Messung von Kapazitäten. Induktivitäten
und Widerständen oder durch sie darstellhare mechanische. thermische. optische.
elektrische oder chemische Größen.
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Automatische Kompensatoren sind in den letzten Jahren in großer Zahl
entwickelt worden. Die meisten von ihnen beruhen darauf daß an einen Schleifdrah
eine konstante Spannungsquelle angelegt wird und an deli Schleifkontakt die (meist
durch Verstärkung auf einen für die Äfessung geeigneten Wert gebrachte) unbekannte
Spannung angeschlossen wird. In diesem Seitenstromkreis fließt dann so lange ein
Strom, bis der Spannungsabfall am Schleifdraht gleich der zu messenden Spannmlg
am Schleifkontakt ist. Braucht in ill diesen Strom zur Speisung des Abgleicmotors.
der den Schleifkontakt verstellt. so erhält man einen automatischen Abgleich, weil
der Motor nur so lange laufen kann. wie er Strom erhält und stets bei dem widerstandswert
stehenbleibt. bei dem der Abgleich vollzogen ist. Jede thermische oder mechanische
Größe. die sich in einen elektrischen Spannungs- oder einen Widerstandswert umwandeln
läßt. kann auf diese Weise gemessen werden. Dieses Verfahren hatden Nachteil daß
umfangreiche Stal,ilisiereinrichtungen erforderlich werden. um die Spannung am Schleifdraht
konstant zu halten. Ferner müssen die meist sehr kleinen Thermopsannungen (oder
Photospannungen) durch einen Zerhacker in Wechselpsnnungen verwandelt und verstärkt
werden, wozu stark gegengekoppelte Verstärker mit hochkonstantem Verstärkungsfaktor
erforderlich sind. Wegen der unvermeidlichen Röhrenalterung muß dieser Verstärkungsfaktor
von Zeit zu Zeit durch ein Normalelement kontrolliert werden, wozu automatischeKontrollschalter
eingebaut werden die diese Kontrolle selbsttätig vollziehen. Das Normalelement selbst
darf nicht belastet werden. damit seine Spannung so konstant wie möglich bleibt.
so daß Schutzmaßnahmen gegen eine Überbelastung der Normal elemente eingebaut werden
müssen.
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Weniger aufwendig sind die sogenannten Photozellenkompensatoren bei
denen der Speisestrom der Kompensationsbrücke so lange verändert wird. bis der Strom
im Seitenkreis Null wird. Das geschieht dadurch, daß ein richtkraftloses Spiegelgalvanometer
die Photozelle bestrahlt und derenÄViderstand so lange verändert. bis die angeschlossene
Röhre den richtigen Anodenstrom durchläßt. Diese Geräte sind jedoch unzuverlässiger
als die Kompensatoren mit Normalelement.
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Diese Nachteile werden dadurch vermieden, daß erfindungsgemäß die
zu messenden Größen in bekannter Weise einen elektrischen Schwingkreis verstemmen
und eine Schwebungsgrequenz erzeugen und der
Schwebeungsstrom einen Abgleichmotor
speist. der in bekannter Weise ein kontinuierlich veränderbares Abgleichorgan (Kapazität
oder Induktivität usw). so lange verstellt, bis die Verstimmung aufgehoben ist.
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Der Speisestrom für den Verstellmotor wird nach dem Schwebungsverfahren.
also mit zwei Schwin -gungslireisen erzeugt. die gegeneinander verstimmt sind. Die
Zwischenfrequenz kann in einem mehrstufigen Verstärker leicht so weit verstärkt
werden. daß ein gewöhnlicher Asynchronmotor angetrieben werden kann. Hierbei erhält
dieser Motor nur so lange Strom. wie eine Verstimmung vorhanden ist. Die Verstimmung
kann durch Verstellung eines von drei frequenzbestimmenden Gliedern @ Kapazität,
Induktivität oder ÄViderstand - aufgehoben werden. Bei Verstellung durch den Motor
ist der Abgleich automatisch.
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Es leuchtet ein, daß eine solche Schaltung von der Speisespannung
weit weniger abhängig ist als die obengenannten Kompensatoren. bei denen der Meßwert
direkt von der Höhe der Spannung und damit auch der Konstanz der Vergleichsspannung
abhängt.
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Zur stabilisierung einer Frequenz gibt es einfache Mittel (Ouarze.
Magnetostriktionsschwinger, Stimmgabeln) in jedem Frequenzbereich, so daß die Empfindlichkeit
des Verfahrens dem Verwendungszweck weitgehend angepaßt werden kann. Als Fiihler
stehen eine größere Mannigfaltigkeit von Meßelementen zur Verfügung (nicht nur Widerstände,
sondern auch Kondensatoren und Induktionsspulen). Es brauchen z. B. keine Vorkehrungen
zur Temperaturkompensation der kalten Lötstellen. wie bei Thermoelementen. getroffen
oder hochempfindliche Sekundärelektronen
vervielfacher, wie bei
Photozellen, verwendet zu werden, weil die Empfindlichkeit durch Wahl geeigneter
Grundfrequenzen in sehr hohem Maße gesteigert werden kann. So kann z. B. bei einer
Frequenz von 100 kHz eine Schwebungsfrequenz von 4 Hz noch gut verstärkt werden,
so daß eine Anzeigeempfindlichkeit von etwa 1 : l0- resultiert.
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Da die Verstimmung nicht richtungs-(phasen-) empfindlich ist. müssen
die Verstellelemente (Widerstände. Kapazitäten. Induktionen) durchdrehbar, d. h.
nicht mit einem Anschlag versehen sein, so daß der Motor den Abgleich stets von
der richtigen Seite her vornehmen kann. Das wäre bei den obengenannten Kompensatoren
nicht ohne weiteres möglich, weil die Spannung der Verstimmung proportional ist
und bei zu großer Abweichung vom Gleichgewicht Strombegrenzer vorgesehen werden
können, um den Abgleichmotor zu schützen.
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Das ist hier nicht erforderlich, weil die Verstimmung die Speisespannung
nicht wesentlich verändert, d. h. die Spannung sinkt erst unmittelbar vor der Abgleichstelle
steil auf Null ab, während sie sich bei höheren Frequenzen einem konstanten Wert
nähert.
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Der Schwebungskompensator hat also nahezu ideale Abgleicheigenschaften.
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Wie jeder Schwebungsgenerator, so hat auch der Schwebungskompensator
einen sogenannten Mitnahmebereich, d. h. einen Frequenzbereich, in dem ein Strom
nur oberhalb eines bestimmten Schwellenwertes der Frequenz erregt wird. Dieser Mitnahmebereich
ist wichtig für die Einstellsicherheit des Abgleichorgans.
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Er ist möglichst klein zu halten.
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Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung erläutert. In je einem
Quarzgenerator 1 und 5 werden zwei Schwingungen erzeugt. die nach je einer Trennstufe
2 und 4 in 3 gemischt und in 6 verstärkt werden.
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Der Verstärker 6 liefert einen Strom. der entweder direkt auf einen
Wechselstrommotor 7 oder. nach Gleichrichtung, auf einen Gleichstrommotor wirkt.
um das Verstellglied - in diesem Fall einen Widerstand 8 - zu verstellen. Wird z.
B. der eine Ouarz durch Eintauchen in Öl bedämpft, dann wird der Vergleichsquarz
durch Zuschalten von Widerstand so lange bedämpft, bis die Dämpfungen gleich sind
und damit auch die Frequenzen gleich werden. Der eingestellte Widerstand ist dann
ein Maß für die Dämpfung bzw. ihre Ursache, die Viskosität. Verwendet man Dehnungsmeßstreifen,
dann können alle damit ausführbaren Messungen registriert werden. Es kann aber ebensogut
eine Kapazität verstellt werden, wenn z.E. im Schwingkreis des Meßquarzes ein Tauchkondensator
in eine Flüssigkeit mit unbekannter Dielektrizitätskonstante getaucht wird und ein
Drehkondensator im Schwingkreis des Vergleichsquarzes so lange verstellt wird, bis
die Verstimmung aufgehoben ist. Dann kann die Dielektrizitätskonstante registriert
werden. Besteht das verstimmende Organ
aus einer Kapazitäts-Druckmeßdose, dann können
Drücke oder Belastungen bzw. Drehmomente gemessen werden.
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Müssen die Meßwerte über größere Entfenmngen geleitet werden, wobei
die Fortleitung der Hochfrequenz zu aufwendig würde, dann geht man zu niederfrequenten
Stimmgabelschwingern über, die mit induktiven Gebern nachstimmbar sind. Daraus erkennt
man, daß dieses Prinzip eine größere Anpassungsfähigkeit an verschiedene Meßaufgaben
zeigt, weit weniger störanfällig ist und keinen so großen Aufwand benötigt wie die
bisher verwendeten Kompensatoren.
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Zusammenfassung Ein Vergleichs- oder Meßkreis wird durch veränderbare
Glieder in seiner Frequenz so lange verstellt, bis die Verstimmung aufgehoben ist.
Die Veränderung des jeweiligen, die Schwingkreise beeinflussenden Elements erfolgt
automatisch durch einen Abgleichmotor, der seine Speisespannung aus der Difterenz
der Frequenzen des Meß- und des Vergleichskreises erhält (Schwebungsstrom). Diese
Art der automatischen Kompensation ist neu, während die übrigen Angaben dem Stand
der Technik entsprechen.