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Frequenzdiskriminator Die Erfindung bezieht sich auf einen Frequenzdiskriminator
mit einem Resonanzkreis zum Umformen von durch Änderungen einer Parallelimpedanz
eines Oszillatorschwingkreises bedingten Frequenzänderungen in einen den Änderungen
nach Betrag und Vorzeichen proportionalen Gleichstrom.
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Gemäß der Erfindung ist eine Frequenzdiskriminatorschaltung der vorgenannten
Art dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzkreis des Frequenzdiskriminators zwei
in ihrer Induktivität gemeinsam auf einen gleichen Wert einstellbare, bifilar gewickelte
Spulen sowie eine in Reihe zwischen diese beiden Spulen geschaltete, aus einer einzigen
Schleife bestehende Wicklung enthält, welche die Sekundärseite eines Transformators
bildet, dessen Primärseite von der Spule des Schwingkreises des Oszillators gebildet
ist, und welche eine Mittelanzapfung aufweist, die mit dem Oszillatorschwingkreis
mittels eines Leiters direkt verbunden ist.
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Durch die Erfindung wird gegenüber bekannten Schaltungen der genannten
Art der Vorteil erzielt, daß mit einfachen Mitteln einerseits auf Grund der direkten
Verbindung zwischen dem Schwingkreis des Oszillators und dem Resonanzkreis des Diskriminators
stets die richtige Phasenbeziehung vorhanden ist und andererseits auf Grund der
durch den genannten Transformator bewirkten losen Kopplung zwischen dem Schwingkreis
und dem Resonanzkreis erreicht wird, daß Änderungen der Impedanz (Abstimmspulen)
des Resonanzkreises des Diskriminators eine geringste Rückwirkung auf die Schwingungen
des Oszillators haben, so daß eine maximale Frequenzstabilität gewährleistet ist.
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Eine solche Schaltung aus einer Kombination eines Oszillators und
eines Frequenzdiskriminators ist für verschiedene Anwendungen geeignet. Sie kann
beispielsweise dazu verwendet werden, in einer Schneidbrenneranlage den Schneidbrenner
selbsttätig in einem vorbestimmten Abstand von dem zu schneidenden Werkstück zu
halten, wobei in diesem Fall die Parallelimpedanz des Oszillatorschwingkreises von
der zwischen dem Werkstück und einer mit dem Brenner verbundenen Fühlerplatte vorhandenen
Kapazität gebildet wird, deren Größe entsprechend den Änderungen des Abstandes zwischen
Werkstück und Fühlerplatte schwankt und entsprechende Schwankungen in dem von dem
Frequenzdiskriminator gelieferten Gleichstrom hervorruft, der zum Steuern einer
den Schneidbrenner in die gewünschte Abstandslage einstellenden Vorrichtung benutzt
wird.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung hat der Kopplungskoeffizient des
den Oszillator mit dem Diskriminator koppelnden Transformators einen Wert zwischen
wobei Q den kombinierten Gütefaktor
des Oszillatorschwingkreises und des Diskriminatorresonanzkreises darstellt.
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Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung enthält der Frequenzdiskriminator
zwei Transistoren, deren Basen mit den Enden der bifilar gewickelten Spulen in dem
Resonanzkreis verbunden sind, während zwischen gleiche Elektroden der Transistoren
zwei Belastungswiderstände geschaltet sind, an denen der der Änderung des Wertes
der Parallelimpedanz proportionale Ausgang abnehmbar ist.
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Bei dieser Ausführungsform kann der Oszillatorschwingkreis direkt
zwischen die aus einer einzigen Schleife bestehende Wicklung und die Verbindungsstelle
zwischen den in Reihe liegenden Belastungswiderständen geschaltet sein.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert.
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F i g.1 ist ein Blockdiagramm, welches die Anwendung der Schaltung
gemäß der Erfindung auf eine Einrichtung veranschaulicht, die dazu dient, einen
Schneidbrenner in einem vorbestimmten Abstand von einem zu schneidenden Werkstück
zu halten; F i g. 2 ist ein Schema der bei der dargestellten Einrichtung verwendeten
Schaltung mit einem Oszillator und einem Frequenzdiskriminator;
F
i g. 3 eine graphische Darstellung der Phasencharakteristik.
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Wie in F i g. 1 dargestellt, ist an einem mit Gas betriebenen Schneidbrenner
11, der in ein Werkstück 13 ein Muster einschneidet, ein Meßwertwandler 10 angeordnet,
der in kapazitiver Beziehung zu dem Werkstück 13 steht, wie dies durch die schematisch
wiedergegebene Kapazität 15 angedeutet ist, die sich entsprechend dem Abstand zwischen
dem Wandler 10 und dem Werkstück 13 ändert. Diese Kapazität bildet, wie dies nachstehend
näher erläutert wird, eine Parallelimpedanz an dem Schwingkreis eines Oszillators
12 und bestimmt die Ausgangsfrequenz des Oszillators, der anfänglich auf eine Frequenz
abgestimmt ist, die einem vorbestimmten Abstand des Wandlers 10 von dem Werkstück
13 entspricht.
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Der Ausgang des Oszillators 12 wird einem Frequenzdiskriminator,14
von der allgemeinen Art zugeführt, wie er in vielen Frequenzmodulationsempfängern
vorhanden ist. Der Frequenzdiskriminator 14 stellt jede Frequenzänderung bei einer
Änderung der Höhe des Wandlers 10 über dem Werkstück 13 fest und wandelt die Frequenzdifferenz
in ein elektrisches Signal an seinem Ausgang um. Bei der dargestellten Ausführungsform
wandelt der Diskriminator 14 die Frequenzdifferenz in ein Gleichstromsignal um,
das eine Polarität und eine Größe hat, welche der Änderung der Höhe gegenüber einem
vorbestimmten Abstand des Wandlers 10 vom Werkstück 13 entsprechen.
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Das am Ausgang des Frequenzdiskriminators 14 erhaltene Gleichstromsignal
wird dazu verwendet, eine Steuervorrichtüng zu betätigen, z. B. ein zweipoliges
Relais 16, das die Arbeitsrichtung eines Motors 22 bestimmt. Der Motor 22 wirkt
über ein Getriebe 24 dahingehend, den Wandler 10 und damit den Brenner 11 mit Bezug
auf das Werkstück 13 anzuheben oder zu senken. Wenn das an die Wicklung 17 des Relais
16 angelegte Gleichstromsignal eine bestimmte Polarität hat, schließt es den einen
Kontakt 25 des Relais, durch den der Motor 22 aus einer Energiequelle E so erregt
wird, daß der Wandler 10 und der Brenner 11 mit Bezug auf das Werkstück 13 angehoben
werden. Wenn das an die Relaiswicklung 17 angelegte Gleichstromsignal die entgegengesetzte
Polarität hat, schließt es den anderen Kontakt 18 des Relais, so daß der Motor 22
so erregt wird, daß der Wandler 10 und der Brenner 11 mit Bezug auf das Arbeitsstück
13 gesenkt werden. Auf diese Weise ist eine selbsttätig arbeitende Vorrichtung geschaffen,
die zwischen dem kapazitiven Wandler 10 und dem Arbeitsstück 13, auf welches die
Flamme des Brenners 11 einwirkt, einen vorbestimmten Abstand aufrechterhält.
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Der in F i g. 2 im einzelnen dargestellte Oszillator 12 hat einen
Schwingkreis 26, der eine Spule 30 und einen Kondensator 32 enthält und zwischen
den Kollektor 34 eines Transistors 28 und Erde geschaltet ist. Die Spule 30 ist
vorzugsweise änderbar, um eine Einstellung der Oszillatorfrequenz zu ermöglichen;
es könnte jedoch hierfür auch der Kondensator 32 einstellbar sein. Ein kleiner Teil
des an der Spule 30 auftretenden Signals wird über einen Kondensator 36 zu dem Emitter
38 des Transistors 28 zurückgeführt. Die Basis 40 des Transistors 28 ist an die
Verbindungsstelle zwischen zwei in Serie geschalteten Widerständen 42 und 44 angeschlossen,
die einen Spannungsteiler zwischen der Ausgangsklemme 48 einer stabilisierten Energiequelle
50 und Erde bilden. Der Emitter 38 des Transistors 28 ist über einen Stabilisierungswiderstand
52 ebenfalls mit der Ausgangsklemme 48 der Energiequelle 50 verbunden. Der in F
i g. 2 dargestellte Oszillator 12 ist von der Hartley-Art; es kann jedoch auch irgendeine
andere Oszillatorart verwendet werden, die einen Resonanzkreis hat, der eine Induktanz
enthält.
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Der kapazitive Wandler 10 ist mittels eines abgeschirmten Kabels 54
an den Schwingkreis 26 des Oszillators angeschlossen, die Kabelabschirmung ist bei
58 an Erde gelegt. Der Wandler 10 weist eine Fühlerplatte 60 auf, die mittels eines
elektrischen Isolators an dem Schneidbrenner 11 (F i g.1) befestigt ist, so daß
sie mit diesem mit Bezug auf das Werkstück 13 bewegbar ist. Die Platte 60 bildet
mit dem Werkstück 13 eine Kapazität, deren Wert sich mit den Bewegungen der Platte
ändert. Die Platte 60 ist über einen Kondensator 61 mit dem einen Ende einer Spule
62 verbunden, deren anderes Ende mit der geerdeten Kabelabschirmung bei 64 verbunden
ist.
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Das eine Ende des zentralen Leiters 66 des Kabels 54 ist an eine Anzapfung
62 a der Spule 62 angeschlossen, und sein anderes Ende ist mit dem Kollektorkreis
des Transistors 28 verbunden. Die angezapfte Spule 62 wird zum Verbinden der Platte
60 mit dem Kabel 54 verwendet, und zwar wegen der großen Kapazität des Kabels mit
Bezug auf den begrenzten Wert der Kapazität zwischen der Fühlerplatte 60 und dem
Werkstück 13, die gewöhnlich in der Größenordnung von einigen wenigen Pikofarad
liegt. Das Verbindungskabel zwischen dem Wandler 10 und dem Oszillator 12 hat gewöhnlich
eine Kapazitanz, welche sich der gemessenen Kapazität zwischen der Fühlerplatte
und dem Werkstück nähert, falls sie diese nicht überschreitet. Daher ist es für
einen zuverlässigen Meßvorgang notwendig, daß die gemessene Kapazität, wie sie an
dem Schwingkreis 26 erscheint, beträchtlich größer als die Kapazitanz des Kabels
54 ist. Die angezapfte Spule 62 arbeitet als Autotransformator, so daß die gemessene
Kapazitanz, wie sie an dem Schwingkreis erscheint, gleich der tatsächlichen Kapazitanz
mal dem Quadrat des Verhältnisses der Gesamtwindungszahl der Spule 62 zu der Zahl
der Windungen zwischen der Anzapfung 62 a und dem geerdeten Ende der Spule ist.
Die angezapfte Spule 62 ist nahe der Fühlerplatte 60 angeordnet, so daß die Kapazitanz
des Kabels zwischen der Spule 62 und der Fühlerplatte 60, verglichen mit der gemessenen
Kapazitanz zwischen der Platte und dem Werkstück, klein ist.
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Bezüglich des Schwingkreises 26 sei bemerkt, daß die von dem Wandler
10 reflektierte Kapazitanz eine zusätzliche kapazitive Komponente parallel zu dem
Schwingkreis (Parallelimpedanz) bildet, und infolgedessen beeinflußt ihr Wert die
Resonanzfrequenz. Da sich die reflektierte Kapazität ändert, wenn sich der Abstand
zwischen der Fühlerplatte 60 und dem Werkstück ändert, ändert sich die Resonanzfrequenz
des Schwingkreises 26 in Übereinstimmung mit den Abstandsänderungen. Die anfängliche
Resonanzfrequenz des Schwingkreises 26 kann von Hand auf einen Wert eingestellt
werden, der einem vorbestimmten gewünschten Abstand der Fühlerplatte und damit des
Schneidbrenners von dem Werkstück entspricht. Dies kann durch Ändern der Induktanz
der Spule 30 oder dadurch erreicht werden, daß die
Kapazitanz eines
an Stelle des festen Kondensators 32 verwendeten änderbaren Kondensators geändert
wird.
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Der Ausgang des Oszillators 12 wird direkt an den Eingang des Frequenzdiskriminators
14 angelegt. Zwischen dem Oszillator und dem Diskriminator wird ein besonderer Kopplungstransformator
68 verwendet. Die Sekundärseite dieses Transformators ist von einer aus einer einzigen
Schleife bestehenden Wicklung 69 gebildet, die eine Mittelanzapfung 70 hat, welche
mittels eines Leiters 74 mit dem Schwingkreis 26 des Oszillators direkt verbunden
ist. Die Primärseite des Kopplungstransformators 68 bildet die Spule 30 in dem Schwingkreis
26, der mit dem Kollektor 34 des Oszillatortransistors 28 verbunden ist.
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Die Schleifenwicklung 69 ist in Reihe zwischen zwei bifilar gewickelte
Spulen 71 geschaltet, und dieser Reihenschaltung ist ein Kondensator 72 parallel
geschaltet, um den Resonanzkreis 73 des Diskriminators zu bilden. Die bifilar gewickelten
Spulen 71 sind in Reihe mit der Schleifenwicklung 69 geschaltet, damit der Resonanzkreis
73 durch Einstellen eines einzigen Abstimmkerns 75 in den Spulen 71 abgestimmt werden
kann. Durch diese Ausführung wird gewährleistet, daß die beiden Spulen 71 gleichmäßig
abgestimmt werden und daß in dem Resonanzkreis zu beiden Seiten der Schleifenwicklung
69 ein Gleichgewicht aufrechterhalten wird.
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Der Resonanzkreis 73 des Frequenzdiskriminators 14 ist mit den Eingängen
zweier Transistoren 78a und 78b verbunden, die als Gleichrichter arbeiten und zwei
in Reihe angeschlossene Belastungsimpedanzen 82a und 82b speisen.
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Der Primärkreis und der Sekundärkreis des Kopplungstransformators
68 sind beide in der Mitte des Frequenzbandes auf Resonanz eingestellt. Die an die
Transistoren 78a und 78h angelegte Wechselspannung besteht aus zwei Komponenten,
nämlich derjenigen, welche in der Sekundärwicklung 69 des Kopplungstransformators
68 induziert wird, und derjenigen, welche der Mittelanzapfung 70 der Sekundärwicklung
69 aus dem Kollektorkreis des Oszillators zugeführt wird. Die Phasenbeziehungen
zwischen den beiden Kreisen sind derart, daß bei Resonanz die gleichgerichteten
Lastströme in der Amplitude gleich sind, jedoch in entgegengesetzten Richtungen
durch die Lastimpedanz 82 und 82b hindurchfließen. Infolgedessen ist die an den
in Reihe geschalteten Impedanzen auftretende Spannung gleich Null. Wenn die Frequenz
des Oszillators von der Resonanz der beiden Schwingkreise 26 und 73 abweicht, eilt
der in dem Sekundärkreis induzierte Strom entweder nach oder vor, was davon abhängt,
ob die Abweichung zur Seite der höheren oder der niedrigeren Frequenz geht. Diese
Phasenverschiebung bewirkt, daß der induzierte Strom sich mit dem der Mittelanzapfung
70 der Spule 69 zugeführten Strom in solcher Weise vereinigt, daß der eine der Transistoren
789 und 78 b ein höheres Spannungssignal als der andere empfängt, wenn die
Frequenz höher als die Resonanzfrequenz ist.
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Die Ausführung, bei welcher ein Oszillator den Bandfiltereingang eines
Frequenzdiskriminators oder irgendein Bandfilter direkt speist, erfordert die Aufrechterhaltung
bestimmter Beziehungen, die nachstehend angegeben werden. Es wurde gefunden, daß
die Bandfilterbelastung eines Oszillators die Phasencharakteristik und damit die
Stabilität des Oszillators erheblich beeinflußt. Es wurde weiter gefunden, daß der
Kopplungskoeffizient zwischen dem Oszillatorschwingkreis und dem Bandfilter der
hauptsächliche Faktor ist, der zu der geänderten Phasencharakteristik und Stabilität
beiträgt, wie dies durch die Kurven in F i g. 3 veranschaulicht ist. Es wurde ferner
gefunden, daß ein Kopplungskoeffizient k größer als gung der Kurve eine Instabilität
in dem Oszillator
wegen der Änderung des Vorzeichens der Neihervorruft, wie dies in F i g. 3 dargestellt
ist. Bei einem Kopplungsfaktor kleiner als tritt jedoch in dem Vorzeichen der Neigung
keine
Änderung auf, und der Oszillator ist stabil. Natürlich vermindert eine Verkleinerung
des Kopplungskoeffizienten k auch die Empfindlichkeit der Vorrichtung, so daß ein
Kompromiß gemacht werden muß, um eine annehmbare Empfindlichkeit zu erhalten, während
in einem stabilen Bereich gearbeitet wird. Es wurde gefunden, daß eine optimale
Stabilität mit einer geeigneten Empfindlichkeit erhalten werden kann, wenn der Kopplungskoeffizient
zwischen
gehalten wird, wobei Q der kombinierte effektive Gütefaktor des Oszillatorschwingkreises
26 und des Diskriminatorresonanzkreises 73 ist, wie er durch Ausdruck f-Q28 'Q73
bestimmt ist.
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Die Stabilität des Oszillators mit Bezug auf sich ändernde Belastungen
am Ausgang des Resonanzkreises 73 des Diskriminators kann auch durch geeignete Wahl
von Parametern in den beiden abgestimmten Stromkreisen 26 und 73 auf einen optimalen
Wert gebracht werden. Da der Leiter 74 den abgestimmten Schwingkreis 26 des Oszillators
direkt mit der Mitte der Spulen 71 des abgestimmten Resonanzkreises 76 des Diskriminators
verbindet, betragen die Kapazitanz und die Induktanz, die in den Oszillator zurückreflektiert
werden, das Vierfache bzw. ein Viertel ihrer tatsächlichen Werte. Daher hat, wenn
die Induktanz der bifilaren Spulen 71 das Vierfache der Induktanz der Spule 30 und
die Kapazitanz des Kondensators 72 ein Viertel derjenigen des Kondensators 32 beträgt,
die Belastung am Ausgang des Bandfilters einen minimalen Einfluß auf den (Gleichstrom)-Signalausgang
des Systems, da sie auf den Schwingkreis 26 des Osziilators 12 und den Resonanzkreis
73 des Diskriminators 14 in gleicher Weise einwirkt.
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Jede Seite des Resonanzkreises 73 des Frequenzdiskriminators 14 ist
mit der Basis eines der Detektortransistoren 78 a und 78 b verbunden. Die Kollektoren
der beiden Transistoren 78 a und 78 b sind miteinander und mit der Ausgangsklemme
48 der Energiequelle 50 verbunden. Die beiden gleichen Impedanzen 82 a und 82 b
sind in Serie zwischen die Emitter der beiden Transistoren 78 a und 78 b geschaltet.
Die Verbindungsstelle zwischen den beiden Impedanzen 82 a und 82 b ist durch eine
Leitung 84 an Erde angeschlossen. Jeder der Impedanzen 82a und 82b ist ein Kondensator
86 a bzw. 86 b parallel geschaltet, um Wechselstromänderungen in dem Signal zur
Erde abzuleiten.
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Wie bereits oben erwähnt, ist das an den in Reihe geschalteten Impedanzen
82a und 82b auftretende
Signal gleich Null, wenn das dem Frequenzdiskriminator
zugeführte Signal genau die Frequenz hat, auf die der Stromkreis anfänglich abgestimmt
wurde. Falls das angelegte Signal außerhalb der Resonanzfrequenz liegt, tritt in
dem Signal an den beiden Impedanzen eine Gleichstromkomponente auf, deren Polarität
und Größe von der Richtung und dem Betrag abhängen, um die das Signal von der Resonanzfrequenz
abweicht.
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Bei der Anwendung dieses Stromkreises auf die Regelung des Abstandes
des Schneidbrenners von dem Werkstück bilden die beiden Impedanzen 82a und 82 b
die Wicklungen des zweipoligen Relais 16 (F i g. 1). Wenn die Fühlerplatte
60 des Wandlers 10
sich in einer Entfernung von dem Werkstück befindet,
die größer als der vorbestimmte Abstand ist, dann bewirkt die zwischen ihnen vorhandene
Kapazität, die in den Resonanzkreis 26 des Oszillators 12 reflektiert wird, daß
die erzeugte Frequenz größer als die anfängliche Abstimmungsfrequenz ist. Der Frequenzdiskriminator
stellt diese Frequenzänderung fest und verursacht eine Unbalance in dem durch die
beiden Wicklungen des Relais 16 hindurchfließenden Stromes. Falls die Unbalance
in dem Stromfuß ausreicht, um einen der Kontakte 18 und 25 zu schließen, wird der
Motor 22 erregt, so daß er sich in der Richtung dreht, in der die Fühlerplatte
60 gegen das Werkstück 13 bewegt wird. Sobald die Fühlerplatte 60 wieder
in den vorbestimmten Abstand von dem Werkstück gelangt, sind die durch die Wicklungen
des Relais 16 hindurchgehenden Ströme wieder gleich, so daß der betätigte Kontakt
wieder in seine Ofenstellung zurückkehrt.
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Auf ähnliche Weise wird, wenn der Abstand der Fühlerplatte 60 von
dem Werkstück 13 kleiner als der vorbestimmte Abstand ist, die Kapazität zwischen
ihnen erhöht, wodurch bewirkt wird, daß die Frequenz des Oszillators 12 kleiner
als die Abstimmungsfrequenz ist. Der Frequenzdiskriminator 14 bewirkt dann, daß
unausgeglichene Ströme durch die Wicklungen des Relais 16 in entgegengesetzter Richtung
hindurchgehen, so daß der andere Kontakt des Relais geschlossen und der Motor 22
zur Drehung in der entgegengesetzten Richtung erregt wird, um die Fühlerplatte 60
in ihre dem vorbestimmten Abstand entsprechende Stellung zurückzuführen.
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Die Charakteristik des Relais 16 hat in der Mitte des Bereiches eine
schmale tote Zone, die der Vorrichtung die Stabilität gibt. Falls die tote Zone
nicht vorhanden sein würde, könnte das Beharrungsvermögen der Vorrichtung bewirken,
daß die Fühlerplatte sich über den vorbestimmten Abstand hinaus bewegt und Schwingungen
der Vorrichtung um die gewünschte Stellung herum hervorgerufen werden. Bei der in
F i g. 2 wiedergegebenen Ausführungsform sind die Transistoren 78 a und 78 b an
Stelle von gewöhnlich benutzten Dioden vorgesehen, um die Belastung an den Oszillator-
und Diskriminatorkreisen weiterzureduzieren. Die Lastimpedanz, die am Eingang des
Frequenzdiskriminators auftritt, ist bei den Transistoren um einen Faktor (1-I-,8)
größer als bei Dioden, wobei ß die Stromverstärkung der Transistoren ist. Daher
werden durch die Verwendung der Transistoren 78 a und 78 b die Arbeitseigenschaften
des Stromkreises beträchtlich verbessert. Es ist einleuchtend, daß durch Verwendung
der Transistoren der durch die Impedanzen 82 a und 82 b fließende Strom beträchtlich
erhöht wird, so daß eine auf Strom ansprechende Vorrichtung, wie das zweipolige
Relais 16, unmittelbar erregt werden kann.
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In F i g. 1 und 2 ist die Anwendung der beschriebenen Schaltung bei
einer Vorrichtung zum Bestimmen der Schwankungen des Abstandes zwischen zwei Teilen
veranschaulicht worden, jedoch kann sie mit geringfügigen Änderungen auch in vielen
anderen Bereichen verwendet werden. Beispielsweise kann die Schaltung zum Messen
von absoluten Induktanzwerten oder Kapazitanzwerten oder von Änderungen dieser Werte
verwendet werden. In diesen Fällen könnte die Induktanz bzw. die Kapazitanz direkt
an den Oszillatorschwingkreis 26 angeschlossen oder gegebenenfalls mit einer zweckentsprechenden
Fühlervorrichtung verbunden werden. Ein richtig kalibriertes Meßinstrument kann
über den Emitter der Transistoren 78 a und 78 b geschaltet werden, um den Wert der
Blindkomponente direkt abzulesen. Weiterhin könnte die Schaltung in ähnlicher Weise
als Lochmesser, als Dickenmesser oder für andere Zwecke verwendet werden, bei welchen
eine Abweichung von einer vorbestimmten physikalischen Bezugsgröße dazu benutzt
werden kann, den Frequenzausgang des Schwingkreises des Oszillators zu ändern.