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Meßwertumformer zur Umformung der Drehbewegung von drehbaren Organen
in Impulse In der Meßtechnik besteht vielfach das Bedürfnis, die Anzahl der Umdrehungen
irgendwelcher drehbaren Meßwerkteile oder Bruchteile davon elektrisch zu messen.
Eine weitverbreitete Methode dieser Messung besteht darin, daß mittels eines Meßwertumformers
der zu messende Drehwinkel in eine entsprechende Impulszahl derart umgeformt wird,
daß jeder einzelne Impuls der Zunahme um einen ganz bestimmten Betrag des Drehwinkels
entspricht. Durch Zählung der Impulse an der Empfangsstelle kann dann der insgesamt
zurückgelegte Drehwinkel bestimmt werden.
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Es kommt nun häufig darauf an, zur Erzeugung der Impulse Mittel zu
benutzen, die den drehbaren Meßwerkteil nicht mit einem zusätzlichen Drehmoment
belasten. Besonders geeignet hierfür ist das folgende bekannte Prinzip: Ein Magnetkern,
der die Schwingkreisspule eines Röhren- oder Transistoroszillators, gegebenenfalls
zusätzlich auch die Rückkopplungsspule trägt, weist einen Luftspalt auf, der es
gestattet, eine Blende aus leitendem Material mehr oder weniger weit in den Weg
des Magnetflusses hineinzuschieben. Je größer der in dem Weg des Magnefflusses liegende
Anteil der Blendenfläche ist, um so stärker wird der Schwingkreis bedämpft, und
um so kleiner wird die Amplitude sein, mit welcher der Hochfrequenzoszillator schwingt.
Die Schwingungsamplitude ist also ein Maß für die jeweilige Stellung der Blende.
Bei einer bekannten Einrichtung dieser Art wird der Hochfrequenzstrom gleichgerichtet
und so ein Gleichstrom gewonnen, dessen Stärke die Stellung der Blende repräsentiert.
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Anstatt den von dem Oszillator erzeugten Hochfrequenzstrom gleichzurichten
und den gleichgerichteten Strom als Signal zu verwenden, kann man auch, wie ebenfalls
bekannt, den am Gitterwiderstand eines Röhrenoszillators auftretenden Spannungsabfall
oder die Tatsache, daß der Speisegleichstrom eines Oszillators mit wachsender Schwingungsamplitude
abnimmt, zur Signalerzeugung ausnutzen.
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Das geschilderte Prinzip ist nun auch schon zur Fernmessung der Anzahl
der Umdrehungen von drehbaren Meßwerkteilen benutzt worden.
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Solche Meßwertumformer sind im Prinzip so aufgebaut, daß mit dem
drehbaren Meßwerkteil, dessen Drehwinkel ferngemessen werden soll, ein metallisches
Flügelrad derart gekuppelt ist, daß es synchron mit dem Meßwerkteil umläuft. Beim
Umlaufen des Flügelrades laufen seine Flügel bzw. seine vorspringenden Teile durch
den Luftspalt eines Magnetkernes hindurch, der eine im Schwingkreis eines Hochfrequenzoszillators
liegende Spule trägt. Jedes-
mal, wenn sich ein Flügel in dem Luftspalt befindet,
wird der Schwingkreis so stark gedämpft, daß der Oszillator nicht mehr schwingen
kann. Befinden sich jedoch in dem Luftspalt keine Teile des Flügelrades, so schwingt
der Oszillator.
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Auf diese Weise wird erreicht, daß die Anzahl der Zeitintervalle,
in denen der Oszillator schwingt, bzw. die Anzahl der dazwischenliegenden Schwingungspausen
je nach Anzahl der Flügel des Flügelrades ein digitales Maß für den von diesem zurückgelegten
Drehwinkel ist, wobei die einzelne Schwingzeit einem um so kleineren Drehwinkel
entspricht, je größer die Anzahl der Flügel des Flügelrades ist. Die einzelnen Schwingzeiten
des Oszillators stellen Hochfrequenzimpulse dar, die nach geeigneter Umformung dem
Empfänger zwecks Zählung zugeleitet werden können. Die beschriebene Anordnung hat
den wichtigen Vorteil, daß der drehbare Meßwerkteil, mit dem das Flügelrad gekoppelt
ist, dadurch mechanisch nicht belastet wird.
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Bei den bekannten Meßwertumformern dieser Art wird nun das Ziel verfolgt,
mit einer möglichst kleinen Stellungsänderung des umlaufenden Flügel- oder Zackenrades
den Oszillator aus einem Zustand, in dem er überhaupt nicht schwingt, in den Zustand
voller Schwingungsamplitude bzw. umgekehrt zu überführen. Man hat sich also bemüht,
für den Oszillator eine Zweipunktsteuerung zu schaffen, bei der der Zustandswechsel
des Oszillators hinsichtlich der Schwingungen einer oder mehreren, sich am Umfang
periodisch wiederholenden Stellungen des Zackenrades
möglichst
genau zuzuordnen ist. Eine bekannte Einrichtung sieht zu diesem Zweck in dem Luftspalt,
in den das Zackenrad eingreift, eine feste Metallblende vor, die in Umfangsrichtung
des Zackenrades nur einen schmalen Spalt für den ungehinderten Durchtritt des Magnetfeldes
frei läßt. Auf diese Weise erhält man Signalimpulse von größtmöglicher Impulshöhe,
die stets nur bei ziemlich genau definierten Stellungen des Zackenrades auftreten.
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Um die Signalimpulse hinsichtlich ihrer Form noch genauer festzulegen,
hat man auch schon die am Gitterwiderstand des Oszillators auftretenden Spannungsimpulse
zunächst dem Steuereingang eines monostabilen Multivibrators zugeführt, der somit
als Impulsformerstufe wirkt.
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Nicht nur bei Elektrizitätszählern, sondern auch bei anderen Meßwerken
oder bei drehbaren Organen anderer Art kommt es nun häufig vor, daß der betreffende
Teil, wenn er auf Grund des Betriebszustandes eigentlich stillstehen sollte, bei
einem Elektrizitätszähler also z. B. dann, wenn die hindurchfließende Leistung gleich
Null ist, in Wirklichkeit um eine nicht genau definierte Stellung herum kleine Pendelungen
ausführt.
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Diese Pendelungen sind so lange unschädlich, wie sie nur in einem
Bereich erfolgen, innerhalb dessen die Dämpfung des Schwingkreises sich nicht so
stark ändert, daß die Schwingungen des Oszillators ein-bzw. aussetzen. Schließt
jedoch die Pendelungsamplitude diejenige Flügelradstellung in sich ein, bei der
sich der Schwingungszustand des Oszillators ändert, so werden im Takt dieser Pendelungen
Impulse erzeugt, die eine gar nicht vorhandene Drehbewegung im Vorwärtssinn vortäuschen.
Nun sind zwar bei Elektrizitätszählern meist Rücklaufsperren vorhanden, die bei
der Vorwärtsdrehung des Zählers jedesmal nach Zurücklegung eines bestimmten Drehwinkels
einklinken, und man könnte daran denken, diese Rücklaufsperren dazu zu benutzen,
die zu ungewollten Impulsen Anlaß gebenden Pendelungen zu verhindem. Das ist jedoch
deshalb schwierig, weil die kritische Winkelstellung des Flügelrades, bei der die
Schwingungen des Oszillators gerade ein- oder aussetzen, nicht eindeutig festliegt,
sondern sich in Abhängigkeit von irgendwelchen äußeren Einflußgrößen oder infolge
Alterung von Oszillatorteilen ständig etwas verschiebt. Da die Rücklaufsperre jedesmal
erst nach Zurücklegung eines endlichen Drehwinkels einklinkt, kann die Gefahr, daß
Pendelungen gerade um die kritische Grenze herum erfolgen, mit Hilfe von Rücklaufsperren
nicht völlig ausgeschlossen werden Die Wahrscheinlichkeit, daß Pendelungen um die
kritische Grenze herum erfolgen, kann lediglich dadurch vermindert werden, daß man
die Anzahl der Stellungen je Umdrehung, in denen die Hemmung einschnappt, verhältnismäßig
groß wählt. Dem steht jedoch entgegen, daß die von der Rücklaufsperre hervorgerufene
Reibung mit der Zahl der Raststellungen anwächst, so daß es günstig ist, mit einer
möglichst niedrigen Zahl von Raststellungen auszukommen.
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Die Erfindung benutzt das bekannte Prinzip, nach welchem der mit
wachsender Schwingungsamplitude abnehmende Speisegleichstrom des Oszillators als
Maß für die Winkelstellung des gerade wirksamen Flügels des Zackenrades benutzt
wird. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß der Speisegleichstrom des Oszillators
an einem Widerstand die Steuerspannung für einen Schmitt-Trigger erzeugt, der bei
jedesmal
gem Kippen einen Zählimpuls abgibt und dessen oberer und unterer Kippschwellwert
innerhalb des gesamten, durch die Dämpfungsänderung bedingten Anderungsbereiches
der Steuerspannung liegen, und daß zwischen den die höchste und den die kleinste
Dämpfung bewirkenden Winkelbereichen des Zackenrades ein ausgedehnter Winkelbereich
einer mittleren Dämpfung liegt, innerhalb dessen die an dem Widerstand entstehende
Steuerspannung zwischen dem oberen und dem unteren Kippschwellwert des Schmitt-Triggers
liegt.
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Bei dem Meßwertumformer nach der Erfindung wird also bewußt dafür
gesorgt, daß die Schwingungsamplitude des Oszillators nicht nur zwei Grenzwerte
entsprechend einer Ein-Aus-Steuerung, sondern auch zwischen diesen Grenzwerten liegende
Werte annehmen kann.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.
Es zeigen F i g. 1, 2 und 3 verschiedene Ausführungsformen der Zackenradanordnung
mit dem zugehörigen Magnetkern der Schwingkreisspule, F i g. 4 ein Schaltbild des
Meßwertumformers und Fig. 5 und 6 Diagramme.
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In Fig. 1 ist mit 1 die Spule und mit 2 der Kondensator des Oszillatorschwingkreises
bezeichnet. Die Spule ist auf einem Eisenkern 3 angebracht, der durch einen Luftspalt
4 unterbrochen ist. In den Luftspalt 4 greift die Randzone des um die Achse 5 drehbaren
Zackenrades 6 ein. Die äußere Umrandung des Zackenrades 6 weist in regelmäßiger
Folge abwechselnd Bereiche mit drei verschieden großen Radien auf. In den Bereichen
7 ist der Radius so groß, daß diese Bereiche den Luftspalt 4 völlig abdecken können.
In den Bereichen 8 ist der Radius so klein, daß diese Umfangsstellen fast gar nicht
mehr in den Luftspalt hineinragen können. Zwischen je einem Bereich 7 und einem
Bereich 8 liegt ein Bereich 9 von mittlere Radius, so daß in diesen Bereichen der
Luftspalt etwa zur Hälfte abgedeckt ist.
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Befindet sich einer der Bereiche 7 in dem Luftspalt 4, so ist die
Dämpfung so groß, daß der Oszillator nur noch mit einer ganz geringen Amplitude
oder auch gar nicht mehr schwingt. Die Bereiche 8 rufen die kleinste Dämpfung hervor,
so daß in den entsprechenden Stellungen des Zackenrades 6 der Oszillator mit der
höchsten Amplitude schwingt. Befindet sich einer der Bereiche 9 in dem Luftspalt
4, so schwingt der Oszillator mit einer mittleren Schwingungsamplitude.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 ist der Magnetkern der
Schwingkreisspule 1 als Stiftkern 10 ausgebildet, und statt eines Zackenrades sind
zwei Zackenräder 6 und 61 auf der Achse 5 angebracht, die den Magnetkern 10 unter
Zwischenschaltung von Luftspalten zwischen sich einschließen. Gegenüber der Anordnung
mit einem bis auf den Luftspalt geschlossenen Eisenkern ergeben sich die Vorteile,
daß die Abmessungen, insbesondere die Radien der Zakkenräder 6 und 61, kleiner sein
können und daß die Schwingkreisspule 1 einfacher zu wickeln und auf dem Eisenkern
zu befestigen ist.
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Eine weitere Ausführungsmöglichkeit der Dämpfungseinrichtung zeigt
Fig. 3, bei der ebenfalls ein stiftförmiger Magnetkern 10 verwendet ist, wobei jedoch
unterschiedliche Zackenräder 11 und 12 vorgesehen sind. Das Zackenrad 11 besitzt
drei einfache Flügel 13, das Zackenrad 12 drei um 600 gegenüber
diesen
Flügeln versetzte Schlitze 14. In der gezeichneten Stellung, in der einerseits ein
Flügel 13, andererseits der Zwischenbereich zwischen zwei Schlitzen 14 vor den Stirnflächen
des Magnetkernes steht, ist die Dämpfung am größten, bei einer Drehung der Zakkenräder
um 600 gegenüber dieser Stellung dagegen am kleinsten. Zwischen diesen Extremstellungen
liegen jeweils Bereiche, bei denen nur das Zackenrad 12 dämpfend wirkt, das Zackenrad
13 jedoch auf die Dämpfung keinen nennenswerten Einfluß hat. Diese Konstruktion
ist besonders wenig justierempfindlich, da der Abstand des Stiftkernes 10 von der
Zackenradachse 5 nicht mehr kritisch ist.
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In dem Schaltbild nach Fig.4 stellt der durch strichpunktierte Linien
umrandete Teil 15 den Oszillator dar. Der daran angeschlossene Schmitt-Trigger 16
ist von normaler Bauart und braucht deshalb nicht im Detail gezeigt zu werden. Ihm
ist ein Impulsformer 17 nachgeschaltet, der verschiedene Ausführungen, z. B. als
monostabiler Multivibrator, erlaubt. Die von dem Impulsgeber ausgehenden Impulse
steuern ein Relais oder einen Blattschalter 18, dessen Kontakte 19 eine Wechselspannung
oder eine Gleichspannung während der Impulsdauer zum Empfangsort durchschalten.
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Der Oszillator 15 enthält als verstärkendes Glied einen Transistor
20, der bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als npn-Transistor ausgebildet
ist.
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Seine Basis ist über einen Widerstand 21 und einen dazu parallelgeschalteten
Kondensator 22 mit dem Pluspol 23 der speisenden Gleichspannungsquelle verbunden.
Zwischen dem Pluspol 23 und dem Kollektor des Transistors 20 liegt der aus der Schwingspule
1 und dem Kondensator 2 bestehende Schwingkreis. Der Emitter ist über einen Widerstand
24 mit dem Minuspol 25 der Gleichstromquelle verbunden.
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Weiterhin besteht zwischen dem Emitter und einer Anzapfung der Schwingkreisspule
1 eine Verbindung über einen Rückkopplungskreis, der den Kondensator 26 und in Reihe
damit den Widerstand 27 enthält. Schließlich ist an den Emitter auch noch der Steuereingang
28 des Schmitt-Triggers 16 angeschlossen, und zwar unter Zwischenschaltung eines
aus dem Widerstand 29 und dem Kondensator 30 bestehenden Siebgliedes, das dazu dient,
die hochfrequente Wechselspannung von dem Eingang 28 des Schmitt-Triggers 16 fernzuhalten.
Der Ausgang 31 des Schmitt-Triggers 16 ist, wie schon erwähnt, an den Eingang eines
Impulsformers 17 angeschlossen.
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Wenn der Oszillator 15 nicht schwingt, arbeitet der Transistor 20
als normaler Emitterfolger. Seiner Basis wird von dem positiven Pol 23, der zugleich
an Masse angeschlossen ist, über den Widerstand 21 Strom zugeführt. Da der Schmitt-Trigger
16 in diesem Fall in seiner Normalstellung verharrt, ist sein Eingang 28 sehr hochohmig,
so daß als Emitterwiderstand des Transistors 20 lediglich der Widerstand 24 erscheint.
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Als Kollektorlast des Transistors 20 erscheint der ohmsche Widerstand
der Schwingkreisspule 1. Das Potential des Emitters des Transistors 20 wird durch
einen Spannungsteiler bestimmt, der aus dem Widerstand 21 und dem mit der Stromverstärkung
des Transistors 20 multiplizierten Widerstand 24 gebildet wird. Von diesem Potential
subtrahiert sich noch die verhältnismäßig kleine Basis-Emitter-Spannung des Transistors
20. Das genannte Emitterpotential liegt in diesem Zustand auch an dem Eingang 28
des Schmitt-Triggers 16. Die Widerstände 21 und 24 sind
so gewählt, daß dieses Potential
am Emitter auch bei kleinster Stromverstärkung des Transistors 20 positiver ist
als der untere Steuerspannungsschwellwert des Schmitt-Triggers 16.
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Die durch den Schwingkreis 1, 2 bestimmte Oszillatorfrequenz möge
einige hundert Kilohertz betragen.
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Bei dieser Frequenz ist die Basis des Transistors 20 praktisch geerdet,
weil für sie der Kondensator 22 sehr niederohmig ist. Die Emittereingangsimpedanz
des Transistors 20 ist in diesem Fall sehr klein, so daß der Strom in dem aus dem
Emittereingang, dem Kondensator 26 und dem Widerstand 27 gebildeten Rückkopplungspfad
praktisch durch den Widerstand 27 bestimmt wird.
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Hat das Zackenrad eine solche Stellung, daß die Schwingkreisspule
1 am stärksten gedämpft ist, so kann der Oszillator 15 nicht anschwingen. Befindet
sich jedoch der Luftspalt des Schwingspulenkernes in einer solchen Lage relativ
zu dem Zackenrad 6 bzw. zu den Zackenrädern6, 61 bzw. 11, 12, daß die Dämpfung einen
mittleren Wert hat, so erregt sich der Oszillator 15 zu Schwingungen. Deren Amplitude
wird durch die Basisspannung des Transistors 20 begrenzt. In dem Zeitpunkt nämlich,
in welchem die Spannung der Schwingung diese Basisspannung erreicht und der Transistor
20 gesättigt ist, fließt ein Stromstoß über die Basis des Transistors 20, der den
Kondensator 22 auflädt und dessen Spannung um einen kleinen Betrag erhöht. Damit
wird auch die Basisspannung des Transistors 20 entsprechend erhöht. Das hat zur
Folge, daß in der nächsten Schwingungsperiode auch die Amplitude der Schwingung
einen größeren Wert erreichen kann. Dieses Anwachsen der Schwingungen setzt sich
fort, bis die in den Sättigungszeitpunkten fließenden Stromstößen dem Kondensator
22 ebensoviel Ladung zuführen, wie in der Zwischenzeit über den Widerstand 21 abfließt.
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Dieser Gleichgewichtszustand wird offenbar bei einer um so größeren
Basisspannung erreicht, je weniger der Schwingkreis 1, 2 gedämpft wird, denn bei
geringerer Dämpfung benötigt der Schwingkreis weniger Energie, so daß die obenerwähnten
Ladestromstöße für den Kondensator 22 kräftiger werden.
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Daraus folgt, daß sich das an der Basis und daher auch an dem Emitter
des Transistors 20 einstellende negative Potential stetig erhöht, wenn die Dämpfung
des Schwingkreises 1, 2 stetig vermindert wird, je mehr sich also das Zackenrad
der Stellung geringster Dämpfung nähert, bei welcher der nicht abgedeckte Querschnitt
des Luftspaltes genauso groß ist wie der gesamte von dem Zackenrad abgetastete Luftspaltquerschnitt.
Der Zusammenhang zwischen dem Gleichstrompotential Ue am Emitter des Transistors
20 mit dem Verhältnis des nicht abgedeckten Luftspaltquerschnittes Ql zu dem gesamten
Abtastquerschitt Q ist in Fig. 5 kurvenmäßig dargestellt. Der größte Wert des gegenüber
Masse negativen Emitterpotentials Ue wird erreicht, wenn das genannte Verhältnis
den Wert 1 annimmt.
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In Fig. 6 ist der beschriebene Vorgang in Form eines Diagramms dargestellt.
Mit 32 ist in Fig. 6 a der abgewickelte Umfang des Zackenrades bzw. der Zackenräder
nach der Fig. 1 oder 2 bezeichnet. 7 ist der Bereich des größten und 8 der Bereich
des kleinsten Zackenradradius, während mit 9 der Bereich mittlerer Dämpfung bezeichnet
ist. Das Rechteck 33 stelle die Stirnflache des Luftspaltes des Magnetkernes dar.
Denkt man sich das Zackenrad stillstehend,
so bewegt sich der Kern
3 relativ zu ihm, und zwar möge diese Bewegung in Richtung des Pfeiles 34 erfolgen.
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In Fig. 6b ist der Verlauf der Schwingungsamplitude bei dieser Bewegung
dargestellt. Die Schwingungsamplitude erreicht ihren Höchstwert, wenn sich der Luftspalt
des Eisenkerns3 in einem Bereich 8 des Zackenrades befindet. Die Schwingungen setzen
aus, d. h., die Schwingungsamplitude wird gleich Null, wenn sich dagegen der Luftspalt
in einem Bereich 7 befindet. Dem Bereich 9 ist eine mittlere Schwingungsamplitude
zugeordnet.
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Der höchsten Schwingungsamplitude entspricht das größte negative
Gleichstrompotential des Emitters des Transistors 20. Der entsprechende Verlauf
dieses Gleichstrompotentials, das zugleich das Potential am Eingang 28 des Schmitt-Triggers
16 bildet, ist in F i g. 6 c durch die Kurve UT dargestellt. Die Verhältnisse sind
nun so gewählt, daß der mittlere Wert des Potentials Ur sich etwa in der Mitte zwischen
dem oberen Steuerspannungsschwellwert UO und dem unteren Steuerspannungsschwellwert
Uu des Schmitt-Triggers befindet. Die negativen Höchstwerte des Potentials UT gehen
über den oberen ~ Steuerspannungsschwellwert U0 hinaus, während die kleinsten negativen
Werte von UT noch kleiner sind als der untere Steuerspannungsschwellwert U,. In
den Punkten, d. h. jedesmal, wenn das Potential UT von kleineren negativen Werten
aus den oberen Schwellwert UO in negativer Richtung überschreitet, wird der Schmitt-Trigger
16 in den Ausnahmezustand gekippt. In diesem Ausnahmezustand verbleibt er bis zu
dem nächstfolgenden Punkt, in dem der untere - Steuerspannungsschwellwert Ua unterschritten
wird. In diesen Punkten N kippt der Schmitt-Trigger 16 in seine Normalstellung zurück,
die er wiederum bis zu dem nächstfolgenden Punkt A beibehält. In F i g. 6 d ist
der entsprechende Verlauf des Zustandes des Schmitt-Triggers 16 dargestellt, wobei
die untere Linie 33 den Normalzustand, die obere Linie 34 den Ausnahmezustand bedeutet.
Jedesmal, wenn der Schmitt-Trigger 16 seinen Zustand ändert, gibt er einen Impuls
an den Impulsformer 17 ab, der daraufhin jedesmal einen Impuls gegebener Dauer liefert,
der das Relais 18 erregt. Diese Ausgangsimpulse I sind in F i g. 6 e dargestellt.
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Bei einem Rücklauf des Zackenrades wären die Punkte in Fig. 6 c,
die zu einer Zustandsänderung des Schmitt-Triggers 16 führen, die den Punkten e,
N entsprechenden Punkte A 1 bzw. N1. Man erkennt daraus, daß bei einem Rücklauf
des Zackenrades ungewollte Impulse nur dann entstehen können, wenn der Rücklaufwinkel
größer ist, als es dem Abstand zwischen zwei benachbarten Punkten A 1 und N bzw.
A und N1 entspricht. Pendelungen dieser Größe, die folglich zu falschen Impulsen
Anlaß geben könnten, sind nur wenig wahrscheinlich. Sollte mit so großen Pendelungen
aber doch zu rechnen sein, so kann man diese, wie schon erwähnt, durch den Einbau
von Rücklaufhemmungen, sofern diese nicht ohnehin vorhanden sind, verhindern. Dann
genügen für die Rücklaufhemmung aber nur wenige Sperrstellungen, und zwar wird man
diese zweckmäßig in die PunkteH1, H2, H3 usw. in Fig. 6a legen, d. h. in die Mitte
derjenigen Bereiche, in denen nur eine halbe Dämpfung vorhanden ist, wenn sie sich
im Luftspalt des Eisenkerns 3 befinden. Die geringe Zahl der notwendigen Sperrstellungen
bedingt
auch eine geringe Reibung der Rücklaufhemmungen, was für Elektrizitätszähler
von großer Bedeutung ist.