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Elektromechanischer Kraftkompensator Gegenstand dieser?rfmdung ist
ein elektromechanischer Kraftkompesator, bestehend aus einem unter dem Einfluß ehr
Meßkraft beweglich - vorzugsweise um eine Achse drehbar - gelagerten Meßkörper,
einem il dem Meßkörper zusammenwirkenden elektrisch Stellungsfühler und einem auf
den Meßkörper eiwirkenden elektrischen Kraftgeber, bei dem durc den Stellungsfühler
eine der Stellungsänderung d Meßkörpers proportionale elektrische Wechsel>annung
ausgesteuert wird, deren Phasenwinkel i:einer Stellung des Meßkörpers um 180° springt,
uncbei dem ferner die vom Fühler ausgesteuerte Wechsspannung einen dem Kraftgeber
zugeführten Knpensationsstrom steuert, der über den Kraftgeberiie am Meßkörper wirksame
Meßkraft kompensier Kompensatoren dior Art sind an sich bekannt. Sie haben sich
vormmlich als elektrische Meßgrößenumformer (Trismitter) in der Regeltechnik eingeführt
und diene zur Umformung beliebiger technischer Meßgröße - wie z. B. Druck, Behälterstand,
Durchflußmcgen od. ä. - in einen elektrischen Kompensationsrom. Dieser Kompensationsstrom
kann unmittelb. zu Meß- oder Regelzwecken verwendet werden, iiem er neben dem elektrodynamischen
Kraftgelr auch Anzeige-, Registrier-, Zähl- und Regelgeräte zugeführt wird. Am Meßkörper
des Meßsystes als Kraft wirksame Meßgrößen werden so unittelbar in eine analoge
elektrische Größe übergefirt.
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Im besonderen beßt sich die Erfindung mit solchen nach dem Przip der
selbsttätigen Kraftkompensation arbeiten;n elektrischen Meßsystemen, die zur Messung
von urchflußmengen nach einem Wirkdruckverfahren b hohen statischen Drücken Anwendung
finden.
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Es ist an Geräten er eingangs erwähnten Art bekannt, das Meßsystei
nach Möglichkeit so auszulegen, daß einer vernwindenden Meßgröße auch tatsächlich
ein verschwelender Kompensationsstrom entspricht, d. h. daß da Wert Null der zu
messenden Größe auch tatsäcfch der Kompensationsstrom Null entspricht. Hierzust
es unabhängig von jeder Weiterung üblich, den iduktiven Geber am Meßkörper des Meßsystemso
auszubilden, daß die von ihm ausgesteuerte Weselspannung in einer bestimmten Stellung
des hßkörpers verschwindet. Es finden deshalb im allgaeinen induktive Schwenkspulgeber
zur Erfühlunger Stellung des Meßkörpers Anwendung, die aus ei;r am Meßkörper befestigten
Spule bestehen, die : Luftspalt eines feststehenden Elektromagneten bveglich ist.
Die Größe der in der Spule induzierten Wechselspannung hängt dann von der Eintauchtiefe
der Spule und damit von der Stellung des Meßkörpers ab. Der Elektromagnet trägt
eine zweite Wicklung, die mit seiner ersten Wicklung beispielsweise in Serie liegt
und eine derart bemessene Gegenspannung in der Schwenkspule induziert, daß in einer
bestimmten vorgegebenen Stellung des Meßkörpers die in der Spule induzierte Spannung
Null ist. Beim Durchgang der Schwenkspule durch diese Stellung springt dann der
Phasenwinkel der Geberausgangsspannung um 180°.
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Die Geberausgangsspannung wird dabei als Wechselspannung einem Leistungsverstärker
zugeführt. Sein Ausgangssignal dient nach Gleichrichtung zur Steuerung des an den
Meßkörper des Kompensators angreifenden elektromagnetischen Kompensationskraftgebers.
Dabei ist eine Umkehr der Flußrichtung des dem Kraftgeber zugeführten Gleichstroms
in der Nullstellung des Meßkörpers in vielen Fällen ausgeschlossen, oder aber die
vom Kraftgeber erzeugte
Kompensationskraft ist mit ihrer Wirkungsrichtung
umabhängig von der jeweiligen Stromflußrichtung. Dieser Umstand führt in der Umgebung
der Nullstellung des Meßkörpers bei Anwendung von kochempfindlichen Verstärkern
zu einer instabilen Arbeitsweise des Kompensators, die sich durch Schwingungen des
Waagebalkens oder aber Einlaufen des Meßkörpers in eine Endlage, aus der er durch
zusätzliche Hilfsmittel wieder entfernt werden muß, äußert. Der Grund für dieses
Verhalten ist, daß beim Überschreiten der Nullstellung in Arbeitsrichtung des Kompensators
vom Stellungsfühler eine Spannung ausgesteuert wird, die eine Kompensationskraft
zur Folge hat, der eine Meßkraft, die ihr entgegenwirkt, nicht gegenübersteht.
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Es ist deshalb bekannt, am Meßkörper einen justierbaren mechanischen
Anschlag vorzusehen, der in der Nullstellung des Meßkörpers, in der die vom Stellungsfühler
ausgesteuerte Wechselspannung mit ihrem Phasenwinkel um 180° springt, eine weitere
Stellungsänderung des Meßkörpers in Arbeitsrichtung des Kompensators verhindert.
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Ein solcher Anschlag muß extrem genau justierbar sein, weil die Meßkörperstellungsänderung,
die im gesamten Arbeitsbereich des Kompensators auftritt, praktisch nur wenige Hundertstel
Millimeter beträgt und der vorhandene Verstärker schon bei extrem kleinen Stellungsänderungen
des Meßkörpers voll ausgesteuert ist.
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Zur Beseitigung dieser Umstände wird der Erfindung entsprechend ein
elektromechanischer Kraftkompensator der eingangs näher bezeichneten Art vorgeschlagen,
der sich dadurch kennzeichnet, daß zwischen dem Stellungsfühler und dem Kraftgeber
des Kompensators eine auf das vom Stellungsfühler ausgesteuerte elektrische Signal
einwirkende Phasensperre eingeschaltet ist.
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In praktischer Ausbildung der Erfindung kann dabei von bekannten elektrischen
Schaltungsanordnungen in Form von phasenempfindlichen Gleichrichtern zur Unterdrückung.einer
der beiden Phasen der vom Stellungsgeber ausgesteuerten Wechselspannung Gebrauch
gemacht werden. Grundschaltungen und Wirkungsweise solcher Gleichrichter sind beispielsweise
im Archiv für technisches Messen (ATM), Z 52-7 (Oktober 1948) beschrieben.
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In Anordnung nach der Erfindung ist ein mechanischer Anschlag für
den Meßkörper des Kompensators entbehrlich. Praktisch wird man ihn indessen jedoch
als zusätzliche Sicherung gegen grobe Auslenkungen weiter benutzen.
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Bei einer nach der Erfindung ausgebildeten Kraftwaage bewirkt eine
Stellungsänderung des Meßkörpers über den elektrischen Nullpunkt der Waage hinaus
keine wirksame Kompensationskraft am Kraftgeber.
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Die Zeichnung erläutert ein Ausführungsbeispiel. Es werde angenommen,
daß die Kraftwaage zur Durchflußmengenmessung nach einem Wirkdruckverfahren unter
Verwendung einer Differenzdruckmembran dient. Der an der Differenzdruckmembran wirksame
Differenzdruck wird als Kraft auf den Meßkörper der Waage nach F i g. 2 übertragen
und dort in einen Kompensationsgleichstrom umgewandelt, der der Wurzel aus dem Differenzdruck
d p, d. h. der durch die Rohrleitung pro Zeiteinheit strömenden Menge Q, proportional
ist. In F i g. 1 ist die Kraft-Strom-Charaktftristik und die Durchfluß-Strom-Charakteristik
des Melverks dargestellt; die F i g. 2 zeigt das Meßsystem süematisch.
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In F i g. 2 bezeichnet 1 denum die Lagerstelle 2
drehbar
gelagerten Meßkörpedes Systems. Mit d p
ist die Kraftangriffsrichtung es an
der Differenzdruckmembran fühlbaren Diflrenzdruckes bezeichnet. Der Meßkörper 1
trägt a seinem einen Hebelarmende den induktiven Abgff 3, 4, der aus der Schwenkspule
3 und den orfest angeordneten, in Serie liegenden wechselstrotgespeisten Spulen
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besteht. Am anderen Ende deMeßkörperhebelarms ist ein elektrodynamischer
Kraftgeber 7, 8 angeordnet, der aus der am Meßflrper 1 angeordneten
Spule 8 und der am Gehäus des Meßsystems befestigten Spule 7 besteht. Beie
Spulen sind hintereinandergeschaltet und werde vom Kompensationsgleichstrom i durchflossen.
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Die vom induktiven Getr 3, 4 ausgesteuerte Wechselspannung
gelangt übe einen Übertrager und die Phasensperre 20, 21, 24, 5 in den Verstärker
5.
Der Ausgangsstrom des Vetärkers 5 wird durch den Gleichrichter 6
gleichgachtet und durchfließt den elektrodynamischen Ki£tgeber 7, B. In den Pfad
des kompensierenden Domes sind für regeltechnische Anwendungen odc Meßzwecke Anzeigeinstrumente
9, Zähler 10 undtegistrierschreibgeräte 13 bzw. Regelgeräte 11 eiieschaltet.
Das Regelgerät 11 vergleicht den dur< den Kompensationsstrom i gegebenen
Istwert d( Meßgröße mit einem Sollwert und liefert die Regabweichung, die über die
Leitung 12 und entspre2ende Verstärker beispielsweise einem in einer Rerleitung
angeordneten Schieber als Stellgröße zugehrt wird und die den Schieber so lange
verstellt, bider Istwert der Regelgröße gleich dem Sollwert isi Die Phasensperre
20, 21, 4, 25 besteht aus den beiden Gegentaktmodulatore 20 und
21 und den diesen Modulatoren nachgichalteten Ventilen 24
und
25. Die Gegentaktmodgtoren 20 bzw. 21 werden über die Übertragereirringsspulen
22 und 23
durch zwei um 180° phastverschobene Wechselspannungen erregt.
Diese Serre bewirkt, daß der Verstärker 5 nur von der Plsenlage der vom induktiven
Geber 3, 4 erzeugtenSpannung ausgesteuert werden kann, die auftritt, enn
der Meßkörper 1 entgegen dem Uhrzeigersiniaus seiner Nullage und damit der induktive
Gebeim gleichen Sinne aus der entsprechenden elektrifien Nullage herausgedreht wird.
Der mechanisw Nullanschlag 30 des elektrischen Meßsystems kau damit entfallen.
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Die Wirkungsweise der Nasensperre ist folgende: Es sei zunächst angenommi,
daß der Hebel 1 sich in seiner Nullage befindetpann befindet sich der induktive
Spannungsgeber )enfalls in seiner (elektrischen) Nullage, d. h., es irden keine
Spannungen durch den Übertrager 14 ä die Spulen 15 und 15'
übertragen.
Die übertragepulen 22 und 23 mögen untereinander gegenphasig aber aus der gleichen
Wechselspannungsspule ergt sein wie die Spulen 4
des induktiven Spannungsgiers.
Die Spule 27 treibt zwei Teilströme durch deiGegentaktmodulator
20,
die der Symmetrie der Andnung wegen gleich sind. Der eine Teilstrom nimmteinen
Weg über die eine Hälfte der Spule 15, Veri 16 und Teilwiderstand
18, der andere Teilstrom ier die andere Hälfte der Spule 15, Ventil
17 und 'eilwiderstand 19. Dabei bewirken die Ventile 16.nd 17, daß
die aufeinanderfolgenden Halbwelledes Wechselstromes abwechselnd
fließen
oder unterdrückt werden. Es sei angenommen, daß die ungeradzahligen Halbwellen von
den Ventilen hindurchgelassen, die geradzahligen gesperrt werden. Dann erzeugen
die ungeradzahligen Halbwellen an den Teilwiderständen 18 und 19 Spannungsabfälle,
die sich bezüglich des Widerstandes 26 aufheben. Es kann daher keine Spannung an
den Eingang des Verstärkers 5 gelangen. Wird jetzt durch eine d p proportionale
Meßkraft der Hebel 1 entgegen dem Uhrzeigersinn ausgelenkt, so wird eine Spannung
durch den Übertrager 14 über die Spule 28 auf die Spule 15 übertragen, die die Symmetrie
in dem Gegentaktmodulator 20 zerstört. Zwar werden auch jetzt noch die geradzahligen
Halbwellen unterdrückt, aber der eine Teilstrom wird verstärkt, der andere hingegen
geschwächt, die Spannungsabfälle an den Widerständen 18 und 19 sind ihrem Betrage
nach nicht mehr gleich groß. Bei richtiger Zuordnung der Phasenlagen der Speisespannungen
der Spulen 4 und 22 fließt daher ein Strom in Durchlaßrichtung des
Ventils 24 und erzeugt am Widerstand 26 einen Spannungsabfall, der dem Verstärker
5 zugeführt wird und den Kompensationsstrom i steuert, der mittels des elektrodynamischen
Kraftgebers 7, 8 die Kompensationskraft erzeugt.
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Es sei nun der Fall betrachtet, daß der Hebel 1 sich in Uhrzeigerrichtung
zurückdreht und durch seine Nullage hindurchschwingt. Ein solcher Vorgang kann durch
die verschiedensten Anlässe hervorgerufen sein. Beispielsweise würde ein plötzliches
Unterbrechen der Wirkdruckleitungen durch das Absperren von Ventilen ein momentanes
sehr großes Übergewicht der Kompensationskraft zur Folge haben, der Hebel 1 würde
dadurch in Richtung zur Nullage beschleunigt werden und - da er mit einer gewissen
Masse behaftet ist - infolge seiner Tätigkeit über die Nullage hinausschwingen.
Jenseits dieser Nullage wird durch den induktiven Geber wieder eine Spannung induziert,
die- aber von dem Verstärker 5 aus den eingangs erwähnten Gründen ferngehalten werden
muß. Dabei wird der Effekt ausgenutzt, daß die vom induktiven Spannungsgeber erzeugte
Wechselspannung bei ihrem Durchgang durch die Nullage eine Änderung des Phasenwinkels
um 180° erleidet. Dadurch wird jetzt die Symmetrie der Ströme im Gegentaktmodulator
20 wiederum, aber im anderen Sinne gestört: Der bisher verstärkte Teilstrom wird
geschwächt, der geschwächte verstärkt. An den Widerständen 18 und 19 tritt wieder
die Differenz zweier Spannungsabfälle auf, aber deren Wirkrichtung ist eine andere,
der Durchlaßrichtung des Ventils 24 entgegengesetzte. Es kann daher kein Strom durch
den Widerstand 26 fließen, und dementsprechend gelangt keine Steuerspannung an den
Eingang des Verstärkers 5.
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Grundsätzlich läßt sich der Zweck der Erfindung mit einem einzigen
Gegentaktmodulator 20 erreichen. Die bisher beschriebene Anordnung hat jedoch den
Nachteil, daß die geradzahligen Halbwellen nicht mit zur Steuerung herangezogen
werden können. Will man das Meßsystem verbessern, indem man auch die geradzahligen
Halbwellen zur Steuerung ausnutzt, so verwendet man zusätzlich einen zweiten Gegentaktmodulator
21 gemäß F i g. 2. Die Spulen 22 und 23 werden aus der gleichen Wechselspannungsquelle
erregt, sind aber gegenseitig um 180° in der Phase verschoben. Dadurch können in
21 nur Teilströme während der geradzahligen Halbwellen fließen. Bei geeigneter
Polung der Spulen 4
und 15' läßt es sich dann erreichen, daß der durch den
Widerstand 26' fließende Strom durch das Ventil 25 gesperrt wird, sobald der Hebel
1 in Richtung des Uhrzeigersinnes über seine Nullage hinausschwingt, während er,
wenn sich der Hebel 1 entgegen dem Uhrzeigersinn über die Nullage hinausbewegt,
fließen kann. Die Wirkungsweise beider Gegentaktmodulatoren ist völlig äquivalent,
ihre an den Widerständen 26 und 26' auftretenden Spannungen werden hintereinandergeschaltet
und dem Verstärker 5 zugeführt.
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Die Erfindung ist im Prinzip nicht an die Verwendung des Verstärkers
5 gebunden, welcher eingespart werden könnte, sofern durch die an den Widerständen
26 und 26' auftretenden Spannungen und elektromotorischen Kräfte ein genügend starker
Kompensationsstrom erzeugt wird. Es wird sich dies jedoch in den praktisch vorkommenden
Fällen nur selten ohne die Verwendung eines Verstärkers erreichen lassen. Gleicherweise
ist es gemäß der Erfindung nicht unbedingt notwendig, den Kompensationsstrom gleichzurichten
und den Gleichrichter 6 zu benutzen.
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Neben dem in der F i g. 2 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel
eines elektrischen Meßsystems nach der Erfindung, bei dem die Phasensperre zwischen
dem induktiven Geber 3, 4 und dem Eingang des Verstärkers 5 angeordnet ist, ist
es selbstverständlich möglich, die Phasensperre auch am Ausgang des Wechselstromverstärkers
anzuordnen. Auch ist die Erfindung nicht an die beschriebene Verwendung der an sich
bekannten Gegentaktmodulatoren gebunden.