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Schaltungsanordnung zur S'pannungsmessung Die Erfindung betrifft eine
Schaltungsanordnung zur Spannungsmessung, bei der ein für die Messung mehrerer Werte
vorgesehener Gesamtbereich in gleiche, jeweils etwa über die ganze Skala an einem
Meßinstrument reichende Teilbereiche unterteilt ist, die so aneinandergesetzt sind,
daß der Meßwert am Endpunkt eines Teilbereiches identisch ist mit dem Meßwert am
Anfangs- oder Nullpunkt eines andern Teilbereichs, wozu zur Anzeige in einem Teilbereich
der zu messenden Spannung eine in ihrer Größe von der Lage des Teilbereichs im Gesamtbereich
abhängige Gegenspannung eingekoppelt ist.
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Bei einer bekannten Schaltungsanordnung wirkt eine zu messende Größe
auf einen Geber oder Wandler, der die Meßgröße in eine elektrisch meßbare Größe
umwandelt. Da die Geberspannungen meist klein sind, werden sie mit Hilfe eines nachfolgenden
Verstärkers- so verstärkt, daß sie durch ein Anzeigeinstrument angezeigt werden
können. Soll ein großer Meßbereich erfaßt werden, so wird ein Verstärker mit umschaltbarem
Verstärkungsfaktor gewählt. Das Diagramm nach F i g. 1 der Zeichnung gibt für das
Beispiel einer Längenmessung den Zusammenhang zwischen der Meßgröße x in Millimeter
und den Ausschlag des Anzeigeinstrumentes A in Skalenteilen wieder. Durch stufenweise
Regelung der Verstärkung können drei Meßbereiche I, II und III eingestellt werden,
so daß Vollausschlag jeweils den Endwerten von 1, 2 oder 3 mm entspricht. Die Verbindungslinien
vom Nullpunkt zu den Bereichsendpunkten x 1, x2 und x 3 sind die Kennlinien des
Meßsystems. Die Steigungen dieser Kennlinien bzw. die Winkel 1, q? 2 und (p3 entsprechen
den drei Verstärkungsgraden.
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Bei linearer Verstärkung ergibt sich ein ebenfalls linearer Zusammenhang
zwischen der Meßgröße x und der Geber- oder Wandlungsspannung Ux.
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Dem Vorteil einer einfachen Multiplikation bei der Meßbereicherweiterung
steht der Nachteil gegenüber, daß bei größeren Meßbereichen die Ablesegenauigkeit
immer geringer wird, da jeder Meßbereich auf dem konstanten Anzeigebereich anzuzeigen
ist.
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Es ist auch eine Schaltungsanordnung bekannt, die es gestattet, aus
einem gegebenen Bereich eines Meßinstrumentes einen Abschnitt herauszugreifen und
diesen über den gesamten Skalenbereich des Meßinstrumentes aufzuweiten oder zu vergrößern.
Hierzu dient - die Einfügung einer Kompensationsspannung für das Meßinstrument unter
gleichzeitigem Parallelschließen eines Widerstandes zum Vorwiderstand des Meßinstrumentes.
Hierdurch läßt sich ein von der Messung zu erfassender Gesamtbereich in Teilbereiche
unterteilen, die so aneinandergesetzt bzw.
addiert werden, daß der Meßwert am Endpunkt
eines Teilbereiches identisch ist mit dem Meßwert am Anfangs- oder Nullpunkt des
nachfolgenden Teilbereichs. Der Nullpunkt des Gesamtmeßbereichs ist nur mit dem
Nullpunkt des ersten Teilbereichs identisch.
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Auf den übrigen Teilbereichen ist er unterdrückt.
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Zu diesem Zweck wird zwischen einem Geber oder Wandler G und einem
Verstärker V eine Gegenspannung UG eingekoppelt (Fig.5), welche die Geberspannung
Ux vermindert, so daß dem Verstärker eine kleinere Spannung Uv als die Geberspannung
Ux zugeführt wird. Die Gegenspannung UG wird für jeden einzelnen Teilbereich so
bemessen, daß sie am Anfang des betreffenden Teilbereichs gleich groß, aber entgegengesetzt
gerichtet ist wie die Geberspannung Ux. Da zu Beginn eines jeden Teilbereichs UG
= Ux gemacht wird, ist die an dem Verstärker liegende Spannung Uv = O, und das Anzeigeinstrument
steht auf Null. Steigt die Geber- oder Wandlerspannung Ux an, so schlägt das Anzeigeinstrument
aus und zeigt die Spannung Uv = Ux- UG an.
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Ein der F i g. 1 entsprechend gewähltes Beispiel zeigt F i g. 3 der
Zeichnung. Die konstante Verstärkung in jedem Teilbereich ist im Diagramm nach F
i g. 3 an dem konstanten Steigungswinkel <p für alle Bereiche ersichtlich.
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Es ist auch bekannt, bei einer Meßbrücke, die nach der Ausschlagmethode
arbeitet, zur Meßbereichumschaltung den Widerstand eines Brückenzweiges zu ändern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Unterteilung
des Meßbereichs in gleich große Teilbereiche eine von einer Geraden abweichende
Kennlinie eines Gebers oder Wandlers zu berücksichtigen, wobei unter Geber ein Schaltungsteil
zu verstehen
ist, der selbst einen Strom erzeugt, und unter Wandler
ein Schaltungsteil, der den Strom einer konstanten Spannungsquelle ändert. Die genannte
Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die aus der Differenz der zu
messenden Spannung und der gegebenenfalls eingekoppelten Gegenspannung sich ergebende
und von einem Geber oder Wandler mit beliebig gekrümmter Kennlinie stammende Meßspannung
in jedem Teilbereich der auf einer der beiden Koordinaten der Kennlinie eingeteilten
gleichen Teilbereiche in einem solchen Maß verstärkt ist, daß die maximale Meßspannung
eines Teilbereichs gerade Vollausschlag am Anzeigeinstrument ergibt. Hierdurch läßt
sich eine gekrümmte Kennlinie, die sonst bei gleicher Einteilung auf einer ihrer
Koordinaten ungleich große Teilbereiche auf der anderen Koordinate ergibt, in einer
Weise ändern, daß auch die Teilbereiche auf der anderen Koordinate gleich groß sind.
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Die Verstärkung ist hierbei der Geber- oder Wandlercharakteristik
angepaßt. Bei Anwendung der Erfindung ist es möglich, in Bereichen, in denen die
Kennlinie gekrümmt ist, annähernd der gleichen Genauigkeit zu messen wie in Bereichen
mit gerader Kennlinie, so daß sich bei Anwendung eines Gebers oder Wandlers mit
gekrümmter Kennlinie ein größerer Meßbereich ergibt als bei einer der bekannten
Schaltungsanordnungen.
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In der Zeichnung sind verschiedene Schaltungsanordnungen als Ausführungsbeispiele
des Gegenstandes der Erfindung und verschiedene Diagramme dargestellt. Es zeigen
F i g. 1 und 3 Diagramme bekannter Schaltungsanordnungen, F i g. 2 und 4 Diagramme
der Schaltungsanordnung nach dem ersten Ausführungsbeispiel, F i g. 5 das erste
Ausführungsbeispiel, F i g. 6 das zweite Ausführungsbeispiel, Fig.7 ein Diagramm
des zweiten Ausführungsbeispieles.
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Fig.2 zeigt ein willkürlich angenommenes Beispiel für eine Temperaturmessung,
aus dem der nichtlineare Zusammenhang zwischen der Temperatur und der Geber- oder
Wandlerspannung Ux ersichtlich ist.
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Im Bereich 0 bis 2000 C hat die Kennlinie einen annähernd linearen
Verlauf mit dem Steigungswinkel ar: im Bereich 200 bis 4000 C ist sie gekrümmt mit
einem mittleren Steigungswinkel ß, und im Bereich 400 bis 6000 C ist der Steigungswinkel
y. Bezogen auf eine linear geteilte Temperaturskala, müßte das Anzeigeinstrument
eine nichtlineare Teilung aufweisen, bei welcher der Bereich 400 bis 6000 C auf
den letzten zehn Skalenteilen zusammengedrängt ist. Eine Ablesung in diesem Bereich
ist sehr ungenau. Eine Meßbereichumschaltung entsprechend dem Beispiel nach F i
g. 2 würde für den kleinsten Meßbereich 0 bis 2000 C eine annähernd lineare Skalenteilung
ergeben, wobei die Verstärkung für Vollausschlag entsprechend dem Verhältnis lp
1 zu a erhöht werden müßte.
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Der Bereich 0 bis 4000 C überdeckt schon 900/0 des Skalenbereichs
von 0 bis 6000 C, so daß eine Verstärkungserhöhung, um Vollausschlag des Anzeigeinstrumentes
am Ende dieses Bereiches zu erreichen, nicht mehr sinnvoll ist, zumal dadurch die
nichtlineare Skaleneinteilung gegenüber dem Bereich von 0 bis 6000 C noch geändert
werden müßte. Bei einer Unterteilung der Meßbereiche wären also mindestens zwei
verschieden geteilte Skalen erforderlich, und trotzdem wäre eine Verbesserung der
Anzeige- oder
Ablesegenauigkeit im Bereich von 400 bis 6000 C nicht möglich.
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In dem Diagramm nach Fig.4 ist der Gesamtbereich 0 bis 6000 C wieder
in drei Teilbereiche A, B und C von je 2000 C eingeteilt. Die Teilbereiche A, B
und C schneiden auf der gekrümmten Kennlinie die Teilabschnitte a, b und c ab. Diese
zum Teil gekrümmten Teilabschnitte werden näherungsweise durch die Geraden a', b'
und c' mit den Steigungswinkeln oc, ß, y ersetzt. Durch eine entsprechend feine
Unterteilung kann diese Annäherung beliebig genau gemacht werden.
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Die Teilbereiche sollen erfindungsgemäß so aneinandergesetzt werden,
daß der Zeiger des Anzeigeinstrumentes zu Beginn jedes Teilbereiches auf Null steht,
d.h., die Anfangspunkte der Teilabschnitte müssen alle auf der X-Achse des Diagramms
liegen.
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Soll nun für jeden Teilbereich A, B, und C von je 2000 C der Vollausschlag
von 100 Skalenteilen erreicht werden, so müssen die Winkel a, ß und y auf den in
jedem Teilbereich gleich großen Winkel ç gebracht werden, d. h., in jedem der einzelnen
Teilbereiche muß die Verstärkung des nachfolgenden Verstärkers verschieden groß
gemacht werden. Am einfachsten kann die Verstärkungsänderung durch einen Spannungsteiler
vor dem Verstärkereingang erreicht werden. Es können natürlich auch andere bekannte
Mittel für die stufenweise Verstärkungsänderung eingesetzt werden, z. B. eine umschaltbare
Gegenkopplung, durch Schalten von Parallel- oder Vorwiderständen am Anzeigeinstrument
usw. Die Erfindung ermöglicht also bei entsprechender Unterteilung des Gesamtmeßbereiches
die Ablesung der Meßwerte an einer linear geteilten Skala auch bei nichtlinearem
Zusammenhang zwischen der Meßgröße x und der Geber- oder Wandlerausgangsspannung
Ux F i g. 5 zeigt die prinzipielle Schaltung für eine beliebige Geberspannung Ux
und Gegenspannung UG, wobei wieder als Beispiel eine Meßanordnung mit drei Teilbereichen
A, B, und C gewählt wurde.
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Zwischen dem Geber oder Wandler G und dem Verstärker V mit dem davorliegenden
Spannungsteiler R4, R 5 und R 6 befindet sich das Glied M, mit welchem die notwendige
Verminderung der Geberspannung Ux durch stufenweises Einschalten einer Gegenspannung
UG erreicht werden kann. Im einfachsten Falle kann dieses Glied z. B. ebenfalls
aus einem Spannungsteiler mit den Widerständen R 1, R 2 und R 3 bestehen.
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Bei exakt linearer Kennlinie sind die stufenweise über den Schalter
S1 eingekoppelten Teilspannungen, welche z. B. an den Spannungsteiler R 1, R 2 und
R 3 abgegriffen werden, alle gleich groß und dem Betrage bzw. der Phase nach entgegengesetzt
gleich der Geberspannung Ux für einen Teilbereich. Im ersten Teilbereich A ist die
Gegenspannung gleich Null, da die Geberspannung Ux ja voll zur Anzeige kommen soll.
Bei nichtlinearem Zusammenhang zwischen Geberspannung Ux und Meßwert x wird eine
Anderung der Verstärkung gleichzeitig mit dem Umschalten der Teilbereiche erreicht.
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In der F i g. 5 sind die Schalter S1 und 82 mechanisch oder bei Relaisumschaltung
elektrisch miteinander gekuppelt, so daß mit dem Umschalten der Gegenspannung, welche
die Nullstellung des Anzeigeinstrumentes bewirkt, gleichzeitig auch die richtige
Verstärkung für diesen Teilbereich eingeschaltet wird.
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Die über den Schalter 81 eingekoppelten Teilspannungen sind nun verschieden
groß, da der Geber oder Wandler entsprechend der gekrümmten Kennlinie gemäß F i
g. 4 in jedem Teilbereich einen anderen Spannungszuwachs für Ux bringt. Von besonderer
Wichtigkeit ist die Konstanz der für die Teilbereiche eingekoppelten Gegenspannung
UG, denn davon hängt die Genauigkeit der Messung ab. Änderungen dieser Spannung
geben eine Verschiebung der Anfangspunkte der einzelnen Teilbereiche und führen
dadurch zu Fehlmessungen. An einem besonders geeigneten Beispiel soll gezeigt werden,
wie diese Schwierigkeit durch entsprechende Schaltungsmaßnahmen bewältigt werden
kann.
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Das zweite Ausführungsbeispiel nach F i g. 6 zeigt eine Schaltungsanordnung
für eine dekadisch abgestufte Längenmeßeinrichtung mit einem induktiven Geber. Der
induktive Geber besteht z. B. aus zwei Spulen 8 und 9 gleicher Größe und Windungszahl,
die konzentrisch zueinander angeordnet und in Reihe eingeschaltet sind. In den beiden
Spulen ist axial verschiebbar ein Kern 10 aus Hochfrequenzeisen angeordnet. Liegt
der Kern 10 symmetrisch in beiden Spulen, so sind die beiden induktiven Widerstände
gleich groß, und die Brückenschaltung mit den Wicklungen2 und 4 ist abgeglichen.
Wird der Kern 10 in axialer Richtung verschoben, so tritt in der Brückenschaltung
eine Diagonal- oder Geberspannung proportional dieser Verschiebung auf. Induktive
Geber in der beschriebenen Anordnung haben bekanntlich eine Kennlinie, die, vom
Symmetrie-Abgleich- oder Nullpunkt ausgehend, ein gewisses Stück linear verläuft
und dann gegen die Waagrechte abbiegt. Sie liegt symmetrisch zum Nullpunkt. Beim
Nulldurchgang ändert sich die Richtung bzw. die Phasenlage der Spannung um 1800,
so daß mit Hilfe des bekannten phasenempfindlichen Gleichrichters richtungsabhängig
nach beiden Seiten gemessen werden kann.
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Für das vorliegende Beispiel interessiert nur der rechte Teil der
Kennlinie, da vom Nullpunkt aus nur in einer Richtung gemessen werden soll. Der
Geber soll z. B. die in Fig. 7 wiedergegebene Kennlinie haben, aus welcher zu ersehen
ist, daß der Zusammenhang zwischen der Kernverschiebung oder dem Meßweg bzw. der
Meßgröße in Zentimetern und der Diagonalspannung UD in Volt etwa über einen Weg
von 5 cm linear ist und dann langsam abbiegt, d. h., pro Zentimeter Weg wird immer
weniger Spannung abgegeben. Für die dekadische Messung des Gesamtintervalls mit
einer linear geteilten Skala werden die beiden Merkmale: Addition der Teilbereiche
und Änderung der Verstärkung in bestimmten Teilbereichen, kombiniert, wodurch bei
dem in Fig.7 angegebenen Kennlinienbeispiel eine Verdoppelung des ausnutzbaren Geberbereiches
erreicht wird. Die wesentlichsten Teile der Schaltung werden in ihrem Zusammenhang
und in ihrer Funktion an Hand der Fig.6 erklärt. Der linke Teil der Schaltung weist
einen Oszillator 6 und einen Transformator mit den Wicklungen 1 bis 4 auf. Die Primärwicklung
12 des Transformators 12, 21 bis 29 hat mehrere Anzapfungen, mit welchen unterschiedliche
Empfindlichkeiten des Gebers G bzw. dessen Fertigungsstreuungen ausgeglichen werden
können. Die Sekundärseite des Transformators trägt neun Wicklungen 21 bis 29, von
denen nur die Wicklungen 21, 22, 28 und 29 dargestellt sind, mit entsprechend abgestuften
Windungszahlen, welche die Gegenspannung für die
einzelnen Teilbereiche liefern.
Mit jeder Wicklung ist ein kleiner, regelbarer, induktiver Widerstand 31 bis 39
(gezeigt sind nur die Widerstände 31, 32, 38 und 39) in Reihe geschaltet, der eine
Variation jeder Teilspannung um einen geringen Betrag gestattet.
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Damit ist eine genaue, stufenlose Einstellung des Nullpunktes für
jeden einzelnen Teilbereich möglich.
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Die einzelnen Teilbereiche können z. B. über einen zehnstufigen Schalter
eingestellt werden. Auf andere Möglichkeiten der Bereichsauswahl wird noch eingegangen.
Der Schalter hat zwei Schaltebenen S' 1 und S'2 mit je zehn Schaltkontakten41 bis
50 bzw. 71 bis 80 (die Kontakte 43 bis 47 sind nicht gezeigt), die mechanisch miteinander
gekuppelt sind. In der Anfangsstellung (Kontakte 50 und 80 geschlossen), die gleichzeitig
der Schaltstufe für den ersten Teilbereich entspricht und damit für den Geberweg
0 bis 1 cm gültig ist, verbindet der Schalter S'1 die Wicklung 2 des Transformators
über das Variometer 52, mit der Wicklung4 des Transformators. Diese Elemente bilden
zusammen mit dem Geber 8 bis 10 die eigentliche Brückenschaltung. Der Nullpunkt
des Gesamtmeßbereiches bzw. des ersten Teilbereiches wird mit Hilfe des Variometers
52 eingestellt. In der Praxis wird damit die mechanische Einstellung des Gebers
korrigiert, der mit einer Genauigkeit von etwa 1/1000 mm justiert werden muß. Das
Variometer 52 besteht ähnlich wie der Geber 8 bis 10 aus zwei konzentrischen Spulen,
in denen ein Hochfrequenzeisenkern mechanisch verschoben werden kann.
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Die Mittelanzapfung 53 des Variometers52, die im Schaltungsbeispiel
der Fig. 6 auf Erdpotential gelegt ist, bildet den einen Punkt der Brückendiagonale.
Der andere Punkt ist die Mittelanzapfung 54 des Gebers 8 bis 10. Zwischen diesen
beiden Punkten tritt bei der Messung, d. h. bei einer Kernverschiebung des Gebers
8 bis 10, eine Diagonalspannung UD bzw. die Geberspannung Ux entsprechend der Kennlinie
F i g. 7 auf. Diese Spannung wird auf den Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen
61 bis 66, gegeben. Die einzelnen Abgreifpunkte dieses Spannungsteilers gehen auf
den Schalter 82, der ebenfalls zehn Stufen hat, und die Geberspannung als Eingangsspannung
UE auf den Verstärker 82 weitergibt. Für die ersten fünf Teilbereiche hat die Kennlinie
eine lineare Charakteristik und auch die größte Steigung. Für diese fünf Bereiche
muß also die Verstärkung konstant und außerdem am kleinsten sein.
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Die Schalterebene 8' 2 greift für die ersten fünf Stufen 80 bis 76
immer dieselbe Spannung an dem Teilerwiderstand 61 ab, welcher als unterster Teilerwiderstand
der kleinsten Verstärkung entspricht. Im linken Brückenzweig wird eine von Stufe
zu Stufe linear ansteigende Gegenspannung eingekoppelt. Die Differenz zwischen Geberspannung
und Gegenspannung ist für die Endpunkte der Teilbereiche konstant, solange die Geberkennlinie
linear ist. In den Teilbereichen mit gekrümmter Kennlinie wird die Differenz immer
kleiner, so daß die Verstärkung entsprechend erhöht werden muß. Dies geschieht mit
Hilfe der Schalterebene S'2, die eine entsprechend größere Spannung an dem Spannungsteiler
62 bis 66 abgreift.
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Dem Verstärker wird damit in jedem Teilbereich eine gleich große Spannung
zugeführt, so daß auch das Anzeigeinstrument am Ende eines jeden Teilbereiches auf
Vollausschlag kommt. Zwischen der Zei gerstellung Null und Vollausschlag ist der
angezeigte
Meßwert infolge der linearen Skalenteilung mit einem
kleinen Fehler behaftet, der von der Kennlinienkrümmung des betreffenden Skalenbereiches
abhängig ist.
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Die Umschaltung der einzelnen Meßbereiche kann mit entsprechenden
Hilfsmitteln auch automatisiert werden. Wird für die Gleichrichtung der verstärkten
Wechselspannung die schon erwähnte phasenempfindliche Gleichrichtung eingesetzt,
so ändert der durch das Anzeigeinstrument fließende Gleichstrom seine Richtung,
wenn der Meßwert unterhalb des Nullpunktes des eingestellten Teilbereiches liegt.
Durch ein elektrisches Organ, welches auf die Stromrichtung und auf die Größe des
Stromes anspricht, kann die automatische Umschaltung auf den richtigen Meßbereich
gesteuert werden. Im einfachsten Fall kann dieses Organ aus einem polarisierten
Relais 84 bestehen, mit einer mittleren Ruhelage des Ankers und zwei Arbeitskontakten
oder mehreren Kontaktpaaren, z. B. 86, 87, 88, 89 und 90, 91 die bei einer bestimmten
Größe des Stromes und entsprechend der Stromrichtung, nach links oder nach rechts
geschlossen werden. Die Kontakte können in mehrfacher Weise ausgenutzt werin. Mit
einem Paar (86, 87) kann z. B. das Anzeigeinstrument kurzgeschlossen werden, um
es vor Überbelastung zu schützen, solange der Meßwert noch nicht die dem eingestellten
Teilbereich entsprechende Größe erreicht hat, oder wenn der Meßwert die dem Vollausschlag
entsprechende Größe überschreitet Das zweite Kontaktpaar 88, 89 zeigt ich entsprechende
andersfarbige Lampen 93, 94 -an, ob der Meßwert über oder unterhalb des eingestellten
Meßbereiches liegt. Das Anzeigeinstrument 85 ist in diesem Falle ja kurzgeschlossen
und steht auf Null, so daß am Instrument die Lage des Meßwertes nicht zu erkennen
ist. Das dritte Kontaktpaar 90, 91 kann schließlich zur Steuerung des automatischen
Umschaltvorganges benutzt werden. Da beide Schaltrichtungen, d. h. die Betätigung
des Meßbereichumschalters zu höheren oder tieferen Bereichen, vorkommen, wird für
die automatische Umschaltung z. 3. ein Drehwähler96 mit Rechts- und Linkslauf eingesetzt.
Die Drehrichtung wird von dem dritten Kontaktpaar gesteuert. Sobald ein Kontakt
geschlossen wird, läuft der Wähler an und dreht sich in der von dem polarisierten
Relais ausgewählten Richtung stufenweise so lange, bis der richtige, dem Meßwert
entsprechende Teilbereich eingeschaltet ist. In diesem Augenblick wird der Steuerkontakt
des polarisierten Relais 90, 91 geöffnet, und der Wähler bleibt auf der betreffenden
Schaltstufe stehen. Das erste Kontaktpaar 86, 87 gibt gleichzeitig das Instrument
zur Anzeige frei, die Kontakte des zweiten Paares 88, 89 werden geöffnet, so daß
die Anzeigelampen 93, 94 für die Meßwertlage erlöschen. Ändert sich der Meßwert
wieder, so daß der Anzeigebereich des Instrumentes über oder unterschritten wird,
so wird in der beschriebenen Art automatisch der richtige Teilmeßbereich wieder
nachgesteuert. Für die Steuerung können selbstverständlich auch die bekannten Anzeigeinstrurnente
mit eingebauten Grenzkontakten, die auf mechanischer, fotoelektrischer oder induktiver
Basis arbeiten, eingesetzt werden. Des weiteren können zu diesem Zwecke auch Drehspulrelais
oder elektronische Schaltungen mit den sogenannten Zenerdioden oder Transistoren-
bzw. Röhrenschaltungen usw. verwendet werden.