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Meßeinrichtung mit in Abhängigkeit von dem Eingangswert verändeilichem
Übertragungsgrad zur Herstellung einer gewünschten Charakteristik Bei der Messung
einer physikalischen Größe (der Meßgröße) erfolgt häufig eine mehrmalige Umformung
der Meßgröße mit dem Ziel, eine für die Praxis möglichst vorteilhafte und bequeme
Anzeige-oder Registriermöglichkeit des Meßwertes zu erreichen. Die Abhängigkeit
zwischen der Meßgröße und der zur Anzeige benutzten Größe sollte dabei meistens
möglichst linear sein. Auch unter der Voraussetzung, daß alle Übertragungsglieder
lineares Verhalten zeigen, ist dies aber darm nicht der Fall, wenn der Meßwertgeber
selbst eine Ausgangsgröße abgibt, die nicht proportional zur Meßgröße ist.
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Beispielsweise hängt bei der Temperaturmessung mit Thermoelementen
oder Widerstandsthermometern die Ausgangsgröße der Meßwertgeber zwar eindeutig von
der Temperatur ab, jedoch ist keine streng lineare Zuordnung der EMK bzw. des Widerstandes
zur Temperatur vorhanden. Die Abweichung von der Linearität ist bei den genannten
Beispielen nicht sehr groß. Sie äußert sich dadurch, daß die in Temperaturgraden
eingeteilte Skala eines Anzeige- oder Registriergerätes ebenfalls nicht streng linear
ist.
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Zu den elektrischen Anzeige- und Registriergeräten, welche die nichtlineare
Charakteristik eines Meßwertgebers unverändert wiedergeben, zählen z. B.
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Drehspulinstrumente und Kompensatoren verschiedenster Art, insbesondere
auch selbstabgleichende Kompensatoren mit motorisch angetriebenem Kompensationspotentiometer.
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Es gibt jedoch besondere Aufgaben, für die eine streng lineare Abhängigkeit
der zur Anzeige herangezogenen Größe von der Meßgröße erforderlich ist.
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Dies ist z. B. dann der Fall, wenn die gemessene Größe summiert bzw.
das Integral der gemessenen oder registrierten Größe über die Zeit gebildet werden
soll. Auch für die ziffernmäßige Anzeige elektrisch gemessener Größen ist eine streng
lineare Abhängigkeit der Ausgangsgröße der Meßeinrichtung von der Meßgröße zu fordern.
Dies gilt sowohl für die Verwendung von digitalen Anzeigegeräten, die mit Hilfe
von elektronischen Zählern den Wert einer elektrischen Gleichstromgröße direkt in
Ziffern anzeigen, als auch für Geräte, die die Auslenkung, z. B. den Winkelausschlag
eines Meßinstrumentes, als ziffernmäßige Anzeige abbilden.
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Ist aus einem der angeführten Gründe für besondere Aufgaben eine
streng lineare Teilung des Anzeige- bzw. Registrierinstrumentes gefordert, so läßt
sich diese dadurch erreichen, daß zwischen dem Meßwerk des Anzeige- bzw. Registrierinstrumentes
und dem Anzeigeglied oder der Schreibfeder ein Getriebe, vorzugsweise eine Kurvenscheibe
mit Abtast-
rolle, eingeschaltet wird, das die nichtlineare Charakteristik des Meßwertgebers
ausgleicht. Diese mechanischen Mittel zum unmittelbaren Erzeugen oder Ausgleichen
einer nichtlinearen Charakteristik sind allgemein bekannt. Mit dem Anzeigeglied
läßt sich in diesem Falle auch ein Femgeber kuppeln, z. B. ein Widerstandsferngeber,
dessen Ausgangsspannung dann linear von der zu messenden Größe abhängt.
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Der Antrieb des Anzeigegliedcs am Meßinstrument unter Zwischenschaltung
eines Getriebes bzw. einer Kurvenscheibe mit Abtastrolle ist jedoch mit großen Schwierigkeiten
verbunden, insbesondere ist die geforderte Präzision des nichtlinearen Übertragungsgliedes
schwer zu erreichen. Die nichtlineare Charakteristik von Meßwertgebern läßt sich
auch durch die Verwendung von nichtlinearen Funktionspotentiometern ausgleichen,
die entweder als Widerstandsgeber an das Anzeigeinstrument mit nichtlinearer Teilung
angeschlossen werden und dann eine lineare, von der Meßgröße abhängige Spannung
abgeben oder als Kompensationswiderstand bei Meßgeräten mit selbstabgleichenden
Potentiometer- oder Brükkenschaltungen dienen. Die Herstellung von nichtlinearen
Funktionspotentiometern ist sehr schwierig und teuer, auch bei diesen ist die zu
fordernde Präzision schwer zu erzielen.
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Ähnliche Aufgaben treten auf, wenn es darum geht, einen bestimmten
funktionellen Zusammenhang zwischen Meßwert und' Ausschlag des Anzeigeinstrumentes
zu erzielen. In allen diesen Fällen muß zwischen Meßwertgeber und Meßwertanzeige
ein Meßwertübertragungsglied mit in Abhängigkeit vom Eingangswert veränderlichem
übertragungsgrad eingeschaltet werden. Hierbei treten insbesondere dann,
wenn
es sich nur um geringe Abweichungen von einer linearen Übertragung handelt, die
vorerwähnten Schwierigkeiten auf.
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Die Erfindung vermeidet die angegebenen Nachteile. Sie bezieht sich
auf eine Meßeinrichtung mit in Abhängigkeit von dem Eingangswert veränderlichem
Übertragungsgrad zur Herstellung einer gewünschten Charakteristik, insbesondere
zur Linearisierung der Ausgangswerte von Meßwertgebern mit nichtlinearer Charakteristik.
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Die Erfindung ist gekennzeichnet durch zwei gleichzeitig vom Eingangswert
beeinflußte Meßwertwandler, deren Ausgänge in Reihe geschaltet sind und von denen
der eine eine lineare und der andere eine vorgebbare gekrümmte Charakteristik aufweist,
welche die Differenz zwischen der linearen und der gewünschten Charakteristik wiedergibt.
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Demnach dient bei der Anordnung nach der Erfindung der Meßwertwandler
mit nichtlinearer Charakteristik ausschließlich dazu, die Abweichung der Charakteristik
des Meßwertgebers von einer Geraden auszugleichen. Dadurch sind an die Präzision
des nichtlinearen Elementes weit weniger Anforderungen zu stellen als für den Fall,
daß nur ein einziger Meßwertwandler mit nichtlinearem Element verwendet wird, der
allein die lineare Darstellung der Meßgröße besorgt. Mit Vorteil wird der nichtlineare
Meßwertwandler so ausgelegt, daß seine Ausgangsgröße am Beginn und am Ende des Meßbereiches
verschwindet.
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Mit besonderem Vorteil läßt sich die Erfindung zur Linearisierung
der Ausgangsgröße eines Meßwertgebers dann anwenden, wenn die Meßgröße auf eine
elektrische Größe abgebildet werden kann, wie bei der einleitend schon erwähnten
elektrischen Temperaturmessung durch Thermoelemente oder Widerstandsthermometer.
In diesem Fall können als gleichzeitig vom Eingangswert beeinflußte Meßwertwandler
zwei Potentiometer vorgesehen werden, von denen das eine den Eingangswert als proportionale
Spannung abbildet und das zweite derart gewickelt ist oder über ein nichtlineares
Getriebe derart angetrieben wird, daß die an ihm abgegriffene Spannung der Differenz
zwischen der am ersten Potentiometer abgegebenen Spannung und der gewünschten Charakteristik
entspricht und wobei außerdem, wie vorerwähnt, die am zweiten Potentiometer abgegriffene
Spannung am Beginn und am Ende des Meßbereiches zu Null wird.
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Würde man zur Linearisierung der Charakteristik der Meßgröße nur
das erste Potentiometer verwenden und dieses nicht linear ausführen oder ein nichtlineares
Getriebe zum Antrieb dieses ersten linearen Potentiometers herstellen oder auch
ein nichtlineares Potentiometer mit dem Abgriff des ersten Potentiometers koppeln,
so müßten diese nichtlinearen Elemente ungleich präziser gearbeitet sein als diejenigen
des zweiten Meßwertwandlers der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung.
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Insbesondere kann eines der beiden Potentiometer das Kompensationspotentiometer
eines selbstabgleichenden Kompensators sein, dessen Schleiferstellung den Meßwert
der Meßgröße abbildet, so daß die Darstellung nichtlinear ist, wenn der Meßwertgeber
nichtlineares Verhalten zeigt. Ist jedoch der Schleifkontakt des zweiten Potentiometers
über ein nichtlineares Getriebe mit dem Einstellmechanismus des ersten Potentiometers
gekuppelt, so ist bei geeigneter Ausbildung des nichtlinearen Getriebes die
Summe
der an den beiden Potentiometern abgegriffenen Spannungen ein linear von der Meßgröße
abhängiges Signal, das zur ziffernmäßigen Anzeige des Meßwertes oder zu dessen Integrierung
über die Zeit weiterverarbeitet werden kann.
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Bei Verwendung eines selbstabgleichenden Kompensators ist es nach
einer vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgedankens auch möglich, das zweite
Potentiometer in den Vergleichskreis des Kompensationspotentiometers zu legen und
den Abgriff des zweiten Potentiometers über ein nichtlineares Getriebe mit dem Abgriff
des Kompensationspotentiometers zu verbinden. Durch die Einspeisung einer Spannung
in den Kompensationskreis, welche der Abweichung der Meßwertgebercharakteristik
von einer Geraden proportional ist, erhält jetzt die Stellung des Schleifkontaktes
am Kompensationspotentiometer eine lineare Abhängigkeit vom Meßwert. Es kann daher
mit dem Schleifer des Kompensationspotentiometers ein Umformer verbunden werden,
der seine mechanische Auslenkung ziffernmäßig anzuzeigen bzw. zu registrieren gestattet.
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Die Erfindung ist an Hand der Abbildungen näher beschrieben. Die
in A b b. 1 und 2 gezeigten Anordnungen geben eine linear von der zu messenden Größe
abhängige Spannung ab, welche zur ziffernmäßigen Anzeige einen mit Zeitverschlüsselung
arbeitenden und mit einem elektronischen Zähler ausgerüsteten Digital-Voltmeter
zugeführt wird; die in A b b. 3 gezeigte Anordnung stellt ein selbstabgleichendes
Potentiometer dar dessen Ausschlag linear von der zu messenden Größe abhängt und
an dessen Anzeigeglied ein Digitalanzeiger mit Ausschlagsverschlüsselung gekuppelt
ist.
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In A b b. 1 ist eine selbstabgleichende Potentiometeranordnung zur
Messung der EMK des mit 1 bezeichneten Thermoelementes gezeigt. Der EMK des Thermoelementes
wird eine an dem Potentiometerschleifdraht 2 abgegriffene Spannung entgegengeschaltet.
Der Potentiometerschleifdraht 2 liegt im Kreise einer konstanten Stromquelle 3,
die Spannungsdifferenz der durch den Schleifer 4 am Potentiometer 2 abgegriffenen
Spannung und der EMK des Thermoelementes wird durch einen Modulator 5, z. B. einem
Kontaktzerhacker, in Wechselstrom umgeformt und dem Verstärker 6 zugeführt, dessen
Ausgangssignal an eine der beiden Windungen eines Ferrarismotors 7 angelegt ist.
Die andere Wicklung des Ferrarismotors liegt am Netz. Der Schleifer 4 des Potentiometers
2 ist mit dem Abgleichmotor 7 verbunden und wird durch diesen so eingestellt, daß
die am Potentiometer abgegriffene Spannung entgegengesetzt gleich der zu messenden
EMK des Thermoelementes 1 ist. Die Spannung am Thermb element 1 ist nun nicht direkt
proportional der zu bestimmenden Temperatur, so daß die Skala 8, über welche ein
mit dem Schleifer 4 verbundener Zeiger 9 spielt. eine nichtlineare Teilung aufweisen
muß. Es kann also weder die EMK des Thermoelementes direkt einem sogenannten digitalen
Voltmeter, d. h. einem Spannungsmesser mit ziffernmäßiger Anzeige zugeführt werden,
noch kann der Ausschlag des Zeigers 9 direkt zur Messung der Temperatur abgegriffen
und ziffernmäßig angezeigt werden. Zur ziffernmäßigen Anzeige der durch das Thermoelement
1 gemessenen Temperatur wird deshalb gemäß der Erfindung dem Spannungsmesser mit
digitaler Anzeige
10 nicht nur die EMK des Thermoelementes bzw.
der am Schleifdraht 2 durch den Schleifer 4 abgegriffene Spannungsabfall allein
zugeführt, sondern zusätzlich noch der Spannungsabfall, der an einem weiteren Potentiometer
11 durch den Schleifer 12 abgegriffen wird. Der Schleifer 12 wird über ein nichtlineares
Getriebe 13, z. B. eine Kurvenscheibe mit Abgreifer, angetrieben. Die dem digitalen
Anzeigegerät 10 zugeführte Spannung setzt sich demnach zusammen aus einem der EMK
des Thermoelementes entsprechenden Teil, welcher nichtlinear von der zu messenden
Temperatur abhängt, und einem weiteren Teil, der durch den Schleifer 12 am Potentiometer
11 abgegriffen wird. Das Getriebe 13 ist dabei so ausgelegt, daß der Schleifer 12
am Potentiometer 11 jeweils denjenigen Betrag abgreift, um den die Eichkurve des
Thermoelementes von einer Geraden abweicht. Die dem digitalen Anzeigeinstrument
10 zugeführte Spannung ist dann eine lineare Funktion der durch das Thermoelement
1 gemessenen Temperatur.
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Die Anordnung nach A b b. 2 entspricht im Prinzip der oben beschriebenen
Vorrichtung. Es ist in A b b. 2 wieder ein selbsttätig abgleichendes Potentiometer
zur Messung der von einem Thermoelement herrührenden EMK gezeigt. Das Thermoelement
ist mit 15 bezeichnet, der Kompensationswiderstand mit 16 und der Schleifer mit
17. Der Modulator zur Umwandlung des Gleichstromes in Wechselstrom und der Servoverstärker
sind mit 18 und 19 bezeichnet, der Servomotor zum Antrieb des Schleifers 17 mit
20. In Reihe mit dem Potentiometerschleifdraht 16 ist ein Potentiometerschleifdraht
21 geschaltet, dessen Schleifer 22 mit dem Schleifer 17 direkt gekuppelt ist. Ein
weiterer Schleifdraht 23 ist ebenfalls mit den Schleifdrähten 16 und 21 in Reihe
geschaltet, die drei hintereinandergeschalteten Schleifdrähte werden durch die konstante
Stromquelle 24 gespeist. Der .Schleifabgriff 25, der am Potentiometer 23 schleift,
ist mit den beiden Potentiometerschleifern 17 und 22 über ein Getriebe 26 verbunden.
Der durch die Schleifer 22 und 25 an den Potentiometer 21 und 23 abgegriffene Spannungsabfall
wird dem digitalen Spannungsmesser 27 zugeführt, der mit einem Sägezahngenerator
und einem elektronischen Zähler ausgerüstet ist, und der die angelegte Spannung
in Dezimalziffern anzeigt. Die dem Digital-Spannungsmesser 27 zugeführte Spannung
setzt sich also auch bei diesem Ausführungsbeispiel wieder zusammen aus einem linear
vom Ausschlag des Potentiometerschleifers 17 und damit von der durch das Thermoelement
abgegebenen EMK abhängigen Teil und einem weiteren Teil, der die Abweichungen der
Charakteristik des Thermoelementes 15 von der Geraden ausgleicht und der an dem
über das nichtlineare Getriebe 26 angetriebenen Schleifer 25 abgegriffen wird. Der
Ausschlag des mit dem Schleifer 17 verbundenen Zeigers 29 ist linear von der EMK
des Thermoelementes 15 abhängig und damit nichtlinear von der zu bestimmenden Temperatur,
die Skala 28, über die der Zeiger 29 spielt, muß also eine nichtlineare Teilung
aufweisen.
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Während bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. 1 die dem Voltmeter
mit digitaler Anzeige zugeführte linearisierte Spannung der unverstärkten EMK des
Thermoelementes entspricht, kann nach dem Ausführungsbeispiel nach Abt. 2 durch
entsprechende Bemessung der Potentiometer an diesen
eine wesentlich größere Spannung
abgenommen und an das Digital-Voltmeter angelegt werden.
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Da die beschriebenen Anordnungen eine linear von der zu messenden
Größe abhängige Ausgangsgröße liefern, sind sie auch zur Summierung bzw.
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Integration eines Meßwertes über die Zeit geeignet.
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Es kann daher statt des Voltmeters mit digitaler Anzeige auch ein
Gerät zur Integration der Meßgröße geschaltet werden.
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Im Gegensatz zu den beschriebenen Ausführungsbeispielen ist bei der
in Abt. 3 dargestellten Anordnung nach der Erfindung bereits der Ausschlag des Potentiometerschleifers
und des damit verbundenen Zeigers eine lineare Funktion der zu bestimmenden Temperatur
und nicht eine lineare Funktion der EMK des Thermoelementes. Das Thermoelement ist
in dieser Abbildung mit 31 bezeichnet, der von ihm abgegebenen EMK wird der Teil
des Spannungsabfalles am Kompensationswiderstand 32 entgegengeschaltet, der durch
den Schleifer 33 abgegriffen wird. Der Kompensationswiderstand 32 liegt in einer
Brückenschaltung, die außerdem noch aus den Widerständen 35 bis 37 sowie dem Schleifdrahtpotentiometer
38 mit dem Schleifer 39 besteht und die durch die konstante Stromquelle 40 gespeist
wird. Die beiden Schleifer 33 und 39 sind miteinander über ein nichtlineares Getriebe
41 gekuppelt. Die an den beiden Potentiometern 32 und 38 durch die Schleifer 33
und 39 abgegriffene Spannungsdifferenz wird der EMK des Thermoelementes unter Zwischenschaltung
des Modulators 42 und des Verstärkers 43 entgegengeschaltet. Der dem Verstärker
nachgeschaltete Abgleichmotor 44 verstellt die Abgriffe der Potentiometer selbsttätig
so, daß die an ihnen abgegriffene Spannung der Spannung am Thermoelement entgegengesetzt
entspricht. Die Gegenspannung setzt sich zusammen aus dem linear vom Weg des Schleifers
33 abhängigen Teil und der am Potentiometer 38 abgegriffenen, von der Stellung des
Abgriffes 33 nichtlinear abhängigen Spannung. Beide Spannungen zusammen kompensieren
die EMK des Thermoelementes 31. Das nichtlineare Getriebe 41, das den Schleifer
39 betätigt, ist so ausgelegt, daß es die Abweichungen der temperaturabhängigen
Charakteristik der Thermoelementspannung von der Geraden ausgleicht, so daß der
Ausschlag des Potentiometerabgriffes 33 und des damit verbundenen Zeigers 45 eine
lineare Funktion der durch das Thermoelement zu messenden Temperatur darstellt.
Die Skala 46, über die der Zeiger 45 spielt, kann somit eine lineare Teilung erhalten.
Außerdem kann die Zeigerbewegung des Zeigers 45 und damit die zu messende Temperatur
direkt in Ziffern angezeigt werden. Der Potentiometerschleifer 33 ist deshalb mit
einer Einrichtung zur Ausschlagsverschlüsselung 47 verbunden, der eine Anzeigevorrichtung
48 zur ziffernmäßigen Temperaturanzeige nachgeschaltet ist. An dieser kann die durch
das Thermoelement 31 gemessene Temperatur direkt in Ziffern abgelesen werden. Wird
mit dem Schleifdrahtabgriff des Potentiometers die Schreibfeder eines Registriergerätes
verbunden, so liefert dieses ein Diagramm, das planimetriert werden kann.