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Elektrische Anzeige-, Meß- und Steuervorrichtung Die Erfindung betrifft
eine elektrische Anzeige-, Meß- und Steuervorrichtung mit einem Impedanznetzwerk,
dessen Impedanzwerte sich in Abhängigkeit von einer zu überwachenden physikalischen
Größe ändern.
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Bei bekannten Vorrichtungen dieser Art hat sich immer wieder gezeigt,
daß gerade die an sich erwünschte Empfindlichkeit und Genauigkeit der Meßanordnung
auch Anlaß und Ursache für unerwünschte Schwankungen der Anzeige und für Meßfehler
waren, weil diese Vorrichtungen auch auf zu vernachlässigende, unerwünschte Anderungen
der Impedanzen ansprachen - hervorgerufen durch Störeinflüsse - und damit Änderungen
in der physikalischen Größe vortäuschten, die garnicht eingetreten waren. Neben
den Einflüssen von Temperaturen, Feuchtigkeit und Alterung der Materialien traten
insbesondere Ablagerungen, beispielsweise des Behälterinhaltes auf dem Meßfühler,
als störende Einflußfaktoren auf.
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Demgegenüber hat sich der Erfinder die Aufgabe gestellt, eine Anzeige-,
Meß- und Steuervorrichtung dieser Art mit dem erwähnten Vorzug der Genauigkeit zu
schaffen, bei der aber die genannten Schwierigkeiten infolgende störender, unerwünschter
Einflüsse vermieden werden.
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Die Erfindung besteht darin, daß einander benachbarte, in einem gemeinsamen
Meßfühler angeordnete Elemente zweierMeßimpedanzen in einerDifferentialmeßbrückeneinrichtung
einander entgegengeschaltet sind.
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Dadurch ändert sich die Dämpfung des Impedanznetzwerkes entsprechend
den erwünschten und unerwünschten Anderungen in unterschiedlicher Weise.
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Die Anzeige-, Meß- oder Steuereinrichtungen arbeiten entsprechend
der Dämpfung dieses Netzwerkes.
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Nur die zu messende Veränderung der physikalischen Größe verstimmt
daher die Brückeneinrichtung derart, daß die Anzeige-, Meß- oder Steuergeräte ansprechen.
Dies kann vorzugsweise dadurch erfolgen, daß die Verstärkung des Ausgangssignals
in einer Kippstufe stattfindet, die also bei Änderung des Signals in einer Richtung
anspricht, die andere Richtung aber vernachlässigt.
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Diese Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren. Dabei zeigt
Fig. 1 ein Schaltbild, teilweise als Blockschaltbild, einer einfachen Anordnung,
Fig. 2 schematisch den Aufbau eines Meßfühlers, F i g. 3 und 4 schematisch andere
Formen von Meßfühlern, F i g. 5 ein Blockschaltbild für die Verwendung bei einer
Ausführungsform und F i g. 6 ein Schaltbild für die Verwendung bei einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung.
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Das in Fig. 1 dargestellte Gerät spricht auf sehr kleine Kapazitätsänderungen
an, d. h., sobald eine vorbestimmte Kapazitätsänderung auftritt, spricht die Anordnung
an. Dieses Ansprechen kann beispielsweise darin bestehen, daß ein Relais anzieht.
Ebenso sind andere Schaltvorgänge möglich. Die kleine Kapazitätsänderung, auf die
diese Vorrichtung anspricht, kann eine Reihe von Ursachen haben. Beispielsweise
kann die Anwesenheit oder Nachbarschaft eines Gegenstandes, die Annäherung der Oberfläche
einer Flüssigkeit oder eines Materials in einem Behälter an einen vorbestimmten
Punkt oder irgendeine andere Änderung der Grund sein, die sich aus einer Änderung
der Dielekrizitätskonstanten des Materials zwischen den Elementen der Meßimpedanzen
im Meßfühler ergibt. Gleichzeitig kann das Gerät, wie sich aus folgendem noch ergibt,
so aufgebaut werden, daß es für andere Änderungen unempfindlich ist.
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Wie aus F i g. 1 zu ersehen, enthält das Gerät einen Verstärker 10,
dessen Ausgang mit dem Eingang des Verstärkers 10 über einen Rückkopplungskanalll
verbunden ist. Der Rückkopplungskanal enthält einen Übertrager mit den Wicklungen
12 und 13. Die Wicklung 13 liegt am Eingang des Verstärkers, wobei eine Klemme geerdet
ist, und die Wicklung 12 hat eine Mittelanzapfung. Der Ausgang des Verstärkers ist
zwischen der Mittelanzapfung der Wicklung 12 und Ende angeschlossen. Zwischen den
äußeren Enden der Wicklung 12 und Erde liegen zwei Kondensatoren 14 und 15, und
man sieht, daß der Rückkopplungskanal in diesem Falle als Brücke geschaltet ist,
deren vier Zweige aus den beiden Teilen der Wicklung 12 und den beiden Kondensatoren
14 und 15 bestehen. Das Eingangssignal wird vom Verstärker 10 der einen Diagonalen
der Brücke zugeführt, und das Ausgangssignal wird von der anderen Diagonalen über
die Wicklung 13 abgenommen.
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Ist die Brücke vollständig im Gleichgewicht, dann tritt kein Ausgangssignal
auf, und die Rückkopplungsspannung ist Null. Bei Brückenunsymmetrie in einem Sinne
ergibt sich eine positive Rückkopplungsspannung, und wenn die Unsymmetrie groß genug
ist, dann fängt der Verstärker an zu schwingen. Die Größe der Unsymmetrie, bei der
die Schwingungen auftreten, hängt von der Verstärkung des Verstärkers ab. Andererseits
tritt, wenn die Unsymmetrie entgegengesetztes Vorzeichen hat, eine negative Rückkopplung
oder Gegenkopplung auf, und es ergibt sich selbst bei großer Unsymmetrie kein Selbstschwingen.
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Bei dieser Anordnung werden erfindungsgemäß die Kapazitäten der Kondensatoren
14 und 15 in Abhängigkeit von der physikalischen Eigenschaft, auf die das Gerät
ansprechen soll, geändert. Ein für dieden Zweck geeigneter und beispielsweise für
eine Pegelanzeige in einem Behälter für pulverförmiges Material verwendbarer Meßfühler
ist in F i g. 2 dargestellt.
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Dieser Meßfühler enthält zwei stabartige, isolierte Elemente 20,
21, die parallel zueinander angeordnet sind. Bei einer Anzeigevorrichtung für einen
Flüssigkeitspegel liegen sie zweckmäßig in horizontaler Richtung. Das Element 20
ist länger als das Element 21. Die beiden Elemente sind mit einem Isolator 22 an
einem Behälter 23 befestigt und in einer isolierenden Schutzhaube 25 untergebracht.
Die beiden Elemente sind mit der Schaltung nach Fig. 1 in der Weise verbunden, daß
ein Element 20 die ungeerdete Elektrode des Kondensators 14 und das Element 21 und
die ungeerdete Elektrode des Kondensators 15 darstellt. Die Anordnung ist so getroffen,
daß eine Kapazitätserhöhung der längeren Elektrode 20 in bezug auf Erde eine Schwingung
erzeugt, während eine Kapazitätserhöhung zwischen der kürzeren Elektrode und Erde
ein Schwingen verhindert. Man sieht ohne weiteres, daß dann, wenn der Inhalt des
Behälters ausreichend hoch ansteigt, die Kapazität des Elementes 20 gegenüber Erde
ein Einsetzen von Schwingungen hervorruft, wodurch eine Aufzeichnungs- oder Steuervorrichtung
geeigneter Art betätigt werden kann.
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Sollte sich in der Nähe derBefestigungspunkte dieser Elemente irgendwelches
Material befinden, so erhöht sich die Kapazität beider Kondensatoren 14 und 15,
so daß das Brückengleichgewicht erhalten bleibt. Das System ist daher für eine störende
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lagerung oder Ansammlung von Material auf den Elementen unempfindlich, was sehr
wesentlich ist.
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Unter bestimmten Umständen ist das System für Änderungen der Querwiderstände
16 und 17 unempfindlich, die parallel zu den Kondensatoren 14 und 15 angeordnet
sind, wenn deren Widerstände gleich groß sind, was bei der beschriebenen Vorrichtung
zutrifft. Das System kann jedoch auch so aufgebaut sein, daß es in gleicher Weise
auf Anderungen der Werte der Widerstände 16, 17 oder sogar auf eine relative Anderung
der Reaktanz oder des Verhältnisses der beiden Teile der Wicklung 12 anspricht.
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F i g. 3 zeigt eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform
eines Meßfühlers. Bei dieser Annung werden ein langes Element 26 und drei kurze
Elemente 27, 28 und 29 verwendet. Die Elemente 26 und 28 sind miteinander verbunden,
ebenso die Elemente 27 und 29 und sind in der gleichen Weise wie die Elemente 20
und 21 mit der Schaltung nach Fig. 1 verbunden. Das ergibt eine weitgehend symmetrische
Anordnung, die noch weniger für die Anordnung irgendwelchen abgelagerten Materials
empfindlich ist. Es können auch mehr als vier Elemente in gleicher Weise angeschlossen
werden.
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Eine weitere Ausführungsform einer Anordnung von Elementen für den
gleichen Zweck ist in F i g. 4 dargestellt. Bei dieser Konstruktion haben die Elemente
30 und 31 die Form zweier ineinander gewikkelter Wendeln, wobei das längere Element
30 einen geraden Teil aufweist, der an einem Ende übersteht.
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Eine weitere Schaltungsanordnung für die Verwendung der Meßfühler
gemäß der Erfindung ist als Blockdiagramm in F i g. 5 gezeigt. Diese Schaltungsanordnung
enthält einen Oszillator60, dessen Ausgangssignal über eine Gleichstromtrennstufe
61, die hier als Kondensator dargestellt ist, und eine Leitung 62 einem Meßfühler
zugeführt wird, welcher durch die strichpunktierte Umrandung 63 dargestellt ist.
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Dieser Meßfühler enthält eine Brückenschaltung 64, der die Schwingungen
des Oszillators über eine weitere Trennvorrichtung 65 zugeführt werden. Die Brückenschaltung
ist normalerweise symmetrisch oder abgeglichen und in gleicher Weise, wie oben beschrieben,
aufgebaut, so daß sie auf Anderungen einer physikalischen Größe anspricht und die
gewünschte Anzeige oder Kontrolle liefert.
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Die Unsymmetriespannung der Brücke wird durch einen Gleichrichter
66 gleichgerichtet, und dieser gleichgerichtete Strom wird über eine Leitung 62
nach einem Gleichstromverstärket 67 zurückgekop pelt. Der Verstärker 67 ist vorzugsweise
eine Kippstufe. Diese Stufe steuert eine Anzeigestufe68, die ihrerseits eine Anzeigevorrichtung69
in dem Meßfühler 63 betätigen kann.
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Weitere Meßfühler können über weitere Trennelemente 70 angeschlossen
werden, in dem man solch einen Meßfühler mit seinem zugehörigen Verstärker und Anzeigeelement
über die Leitung 71 anschließt.
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Fig. 6 zeigt eine Schaltungsanordnung, die der in Fig.S gezeigten
Schaltungsanordnung ähnlich ist und die zwei Meßelemente verwendet. Gleiche Bezugszeichen
sind in beiden Figuren für die gleichen Teile verwendet. In F i g. 6 enthält der
Oszillator eine Röhre 72, der als sogenannter röhrengekoppelter Oszillator aufgebaut
ist. dessen Schwingungsfrequenz durch den Resonanzkreis 73 bestimmt wird. Das Ausgangssignal
wird vom Anodenkreis über einen Übertrager
74 abgenommen. Das geerdete
Bremsgitter der Röhre 72 trennt im wesentlichen den Ausgangskreis von dem Resonanzkreis
des Oszillators.
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Das Ausgangssignal gelangt über einen Kondensator 61 auf eine Leitung
62 und über eine Niederspannungsleitung 75 an den Meßfühler 63. Die Schwingungen
werden über den Kondensator 65 der Primärwicklung 76 eines Übertragers zugeführt,
dessen Sekundärwicklung 77 in der Mitte angezapft ist und zusammen mit den Kondensatoren
78 und 79 eine Brückenschaltung bildet. Die Kondensatoren 78 und 79 sind die Kondensatoren,
deren Kapazitäten durch eine Anderung der physikalischen Größe geändert werden,
auf der die Vorrichtung ansprechen soll.
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Ein Parallelresonanzkreis 81, der auf die Oszillatorfrequenz abgestimmt
ist, ist über der Ausgangsdiagonale der Brücke angeschlossen. Ist die Brücke unsymmetrisch,
dann wird die über dem Schwingkreis auftretende Spannung durch den Gleichrichter
66 gleichgerichtet. Nach Glättung in einem Filter 82, 33 wird die gleichgerichtete
Ausgangsspannung über die Leitung 62 zurückgekoppelt.
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Die Gleichspannung auf der Leitung 62 wird der Verstärkerröhre 67
zugeführt, deren Anodenkreis die Wicklung eines Relais 68 enthält. Bei ausreichend
großer Kapazitätsänderung des Kondensators 79 ändert sich der Strom in der Röhre
67 und kann dafür verwendet werden, das Relais 68 zu betätigen oder auszulösen.
Die Kontakte 84 des Relais sind so angeordnet, daß sie den Stromkreis einer Anzeigelampe,
die in dem Meßfühler selbst untergebracht ist, über die Leitung 75 und eine dritte
Leitung 85 schließen oder unterbrechen. Der Strom für die Anzeigelampe fließt durch
die Leitung 75 und bewirkt in dieser Leitung einen kleinen Spannungsanfall, und
dies kann dazu verwendet werden, die Spannungsänderung zu erhöhen, die Ursache der
Relaisbetätigung war. Dadurch wird jede Neigung des Relais zum Klappern vermindert,
so daß die Arbeitsweise des Relais verbessert wird. Mit dieser hier beschriebenen
Anordnung ist es möglich, eineWechselstromquelle für den Anodenstrom der Röhre zu
verwenden. Weitere Meßfühler, die jeweils mit einer Röhre und einem Relais, wie
67 und 68, ausgerüstet sind, können ebenfalls verwendet werden.