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Kolbensaschine mit Meßvorrichtung für die Kolben querbewegung und
das Kolbenlau£piel Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung, welche bei Kolbenmachinen
die Messung der Kolbenquerbewegung und des Kolbenlaufspieles erlaubt.
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Bei der Entwicklung eines Kolbens für eine Kolbenmaschine spielt das
Kolbenlaufapiel im Betrieb eine wichtige Rolle. Die Messung dieser Größe macht heute
noch Schwierigkeiten. Wenn das Kolbenlaufspiel wegen falscher Dimensionierung des
Kolbens oder als Folge von Verschleiß große Werte annimmt, treten Kolbenquerbewegungen
von solcher Größe auf, daß die dadurch verursachten Geräusche als unangenehm empfunden
werden. Außerdem gefährdet die Kolbenquerbewegung bei Hochleistungs-Dieselmotoren
mit WasserkUhlung die Lebensdauer der Zylinderrohre, weil diese Bewegung, sofern
sie eine gewisse Intensität erreicht, auf der Kühlwasserseite der Zylinderrohre
Kavitation verursacht.
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Wegen der Wichtigkeit der Meßaufgabe wurden in den letzten 20 Jahren
an verschiedenen Stellen Verfahren entwickelt, die unter Benützung von am Kolben
befestigten Spülen oder Kondensator-Platten die Messung der Querbewegung des Kolbens
gegenüber der Zylinderlaufbahn ermöglicht haben.( Literaturhinweise: A.Meier: "
Zur Kinematik der Kolbengeräusche" Automobiltechnische Zeits.chrift 1952 Seite 123/128
und H. Steinbrenner:"Messungen zur Erfassung des Kolbenringflatterns in schnellaufenden
Kolbenmaschinen" Motortechnische Zeitschrift 1961 Seite 261/265.) Die genannten
Meßverfahren machen bei jedem neu zu untersuchenden Kolben umfangreiche Vorbereitungen
notwendig. Bei Befestigung der Meßwertaufnehmer an dünnwandigen Stellen des Kolbenschaftes
wird die Elastizität des Kolbenschaftes beeinflußt. Die elektrischen
ZutUhrungsleltungen
zum Kolben haben Verschleiß oder sie unterliegen einer Biegewechelbeanspruchung.
Die höchsten zulässigen Drehzahlen und die Einsatzzeiten dieser Meßverfahren sind
deshalb begrenzt. Bei einigen Verfahren wird die Kolbenbewegung durch die Zuführungsleitungen
zum Kolben beeinflußt.
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Um die genannten Nachteile des heutigen Standes der Technik zu vermeiden,
wird die Aufgabe der Messung der Kolbenquerbewegung und des Kolbenlautspieles erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß in örtlich durchbohrten Zylinderwänden der Kolbenmaschine Meßspulen
angeordnet sind, die nach dem Prinzip der Induktivitätsänderung durch Flußverdrängung
den Abstand zwischen dem Kolben und der Zylinderlaufbahn messen. Die Meßspulen werden
in bekannter Weise durch Trägerfrequenz gespeist.
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Beim erfindungsgemäßen Meßverfahren findet die Abstandsmessung zwischen
Kolben und Zylinder stets in unveränderlichen Höhen der Zylinderlauffläche statt.
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Dies bedeutet eine Begrenzung des Anwendungsbereiches der einzelnen
Meßspulen auf einen bestimmten Kurbelwinkelbereich. Deshalb sind ae Zylinder beispielsweise
8 ortsfeste Meßspulen erforderlich. Der dadurch verursachte Aufwand ist aber bedeutend
geringer als der mit der Befestigung von 4 Kondensator-Platten oder 4 Meßspulen
im Kolben verbundene Aufwand an Zuleitungen zum Kolben.
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Ist schon der Aufwand für die Untersuchung eines einzelnen Kolbens
beim vorgeschlagenen Meßverfahren geringer als bei den bekannten Meßverfahren, so
wirkt sich die Verlegung der Geber vom Kolben in die Zylinderwand aber besonders
vorteilhaft aus, wenn in demselben Motor eine größere Zahl von Kolben untersucht
werden soll. An diesen Kolben sind in der Regel keine Anderungen nötig.
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Gegen,das vorgeschlagene MeSverfahren scheint zu sprechen, daß die
Empfindlichkeit der Abstandsmessung der Spulen infolge der balligen oder konischen
Kontur der Kolben in Abhängigkeit vom Kolbenhub Schwankungen unterliegt. Diese Schwierigkeit
wird erfindungsgemäß dadurch hinreichend vermieden, daß die Spulen gegenüber der
Zylinderlauffläche mit einem Rückstand von beispielsweise 0,7 bis 1,7 mm eingebaut
werden.
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Als Meßspulen werden vorzugsweise konzentrische Spulen, die ihrer
rorm nach als Topfmagnete bezeichnet werden können, eingesetzt. Sofern die Spulen
mit Rücksicht auf ihre höchste zulässige Temp2;tur vor den im Zylinderraum herrschenden
Temperaturen geschützt werden müssen, werden sie durch Schutzkappen stirnseitig
abgeschirmt. Diese Schutzkappen können aus tempe'raturbeständigem Kunststoff (z.B,
Polytetrafluor'äthylen) sein.
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Erfindungsgemäß sind die Meßspulen vorzugsweise so angeordnet, daß
sie in elektrischen Schaltungen paarweise zusammengefaßt werden können. Die Spulen
eines Spulenpaares sind möglichst exakt in gleicher Höhe montiert.
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Gelegentlich ist mit Rücksicht auf Stößelführungen des Ventiltriebes
oder aus anderen Gründen die Anordnung einer Meßspule in der gewünschten Meßebene
nicht möglich.
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Soll z.B.,die Kolbenquerbewegung in der Pleuelebene gemessen werden,
so kann die Spule aber auch etwas gegenüber dieser Ebene versetzt montiert werden,
sofern die zum Spulenpaar gehörende zweite Spule spiegelsymmetrisch um dasselbe
Maß versetzt angeordnet ist. Die Bewegung des Kolbens in Bolzenrichtung, die nicht,ins
Mergebnis eingehen soll, wird durch diese Anordnung bei Verwendung der sogenannten
Gegentaktschaltung eliminiert.
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In Ausgestaltung der Erfindung sind die Meßspulen oder ihre Halterung
so ausgebildet, daß sie hinsichtlich ihres Rückstandes gegenüber der Zylinderlauffläche
innerhalb
gewisser Çrenzen Justiert werden können.
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Dadurch ist es möglich, mehrere in einer elektrischen Schaltung zusammengefaßte
Spulen auf einheitliche Empfindlichkeit einzustellen.
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Hätte der Kolben in einem Sonderfall zylindrische Gestalt ohne Balligkeit,
Konizität usw., so entfiele der o.g. Grund für den Rückstand der Spulen gegenüber
der Zylinderlauffläche. Aber auch in diesem Fall wird der Rückstand erfindungsgemäß
so groß gewählt, daß bei Verwendung der Gegentaktschaltung bei jedem Spulenpaar
die Messung der Kolbenquerwege in dem Abschnitt der Kennlinie stattfindet, der gute
Linearität aufweist.
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Wird für. eine Abstandsmessung zwischen Kolben und Zylinderwand kein
Spulenpaar, sondern nur eine einzige Spule verwendet, so ist die sogenannte passive
Spule in einem Blindstopfen derart im Motor angeordnet, daß die passive und die
aktive Spule bei Änderung des Betriebszustandes etwa gleiche Temperaturänderungen
erfahren. Diese Anordnung wirkt sich günstig auf die Nullpunkt-Stabilität aus.
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Weitere Einzelheiten der Ausgestaltung der Erfindung sind in den Abbildungen
dargestellt.
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Bild 1 ist eine schematische Darstellung des Meßverfahren.
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Bild 2 zeigt in einer Querschnittszeichnung des Zylinders die Anordnung
der Meßspulen in'den verschiedenen Höhen.
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Bild 3 zeigt die Befestigung einer Meßspule mit Schutzkappe an der
Zylinderwand eines wassergekühlten Motors.
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Bild 4 stellt die Befestigung einer Meßspule mit Außengewinde unter
denselben Verhältnissen dar,
Die in Bild 9 abgebildete Befestigung
der Meßspule zeichnet sich durch besonders geringe Länge der Spulenhalterung aus.
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Bild 6 läßt eine spezielle Anordnung der Meßspulen erkennen.
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Bild 7 zeigt die Gegentaktschaltung eines Spulenpaarea.
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In Bild 8 sind zwei verschiedene Schaltungen zur Bildung des Mittelwertes
der Querbewegungen angegeben.
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Bild 9 enthält drei Vollbrückenschaltungen für verschiedene Meßaufgaben
am Motor Aus Bild 10 geht hervor, wie aus der Messung der Kolbenquerbewegung in
zwei verschiedenen Höhen auf die Kolbenquerbewegung in einer dritten Höhe geschlossen
werden kann.
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Bild 11 zeigt eine Möglichkeit für die indirekte Messung der Höhe
des Kolben-Drehpoles.
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In Bild 12 ist die Schaltung für die Messung der Kolbendrehung angegeben.
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Bild 13 enthält Schaltungen, welche die Messung des Kolbenlaufspieles
ermöglichen.
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In Bild 1 bezeichnet 1 den Kolben, dessen Querbewegung durch die im
Zylinder montierten Meßspulen 2 gemessen wird.
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Die Meßspulen sind durch ortsfeste Leitungen 3 mit den Trägerfrequenz-Meßverstärkern
verbunden.
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In Bild 2 sind die verschiedenen Meßspulen fortlaufend numeriert.
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In der Stellung des oberen Totpunktes, für die der Kolben mit vollen
Linien dargestellt ist, befindet sich der Feuersteg in der Höhe der Spulen 1 und
2. Während der Abwärtsbewegung passiert er das Spulenpaar 3 und 4 während er in
der gestrichelt gezeichneten Stellung des unteren Totpunktes in der Höhe der Spulen
5*¢ 6 ist. Die Querbewegung dieses als Beispiel gewählten Teiles des Kolbens wird
also bem vorgeschlagenen Meßverfahren in den verschiedenen Kurbelstellungen nacheinander
von verschiedenen Spulenpaaren gemessen.
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Bild 3 zeigt die Befestigung einer Meßspule 2 am Zylinderrohr 4.
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Die Spule ist durch die Schutzkappe 3 gegen unzulässige Aufheizung
geschützt. Durch die Dichtung 8 wird der zwischen dem Spulenhalter 6 und dem Kühlwassermantel
7 vorhandene Montagespalt abgedichtet. Die Spulen-Zuleitungsdrähte 10 werden außerhalb
des Motors an Lötstützpunkte 9 geführt. Der Rückstand der Spule 2 gegenüber der
Zylinderlauffläche 1 ist deutlich zu erkennen, Dieser Rückstand kann durch verschieden
starkes Anziehen der Befestigungsschrauben in dem Maße verändert werden, das wusch
die Elastizität der zugleich als wichtung wirkenden Schutzkappe bestimmt ist.
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Die Spulenbefestigung nach Bild 4 mit HilfeXeines Außengewindes der
Meßspule 3 und eines als Kontermutter dienenden Dichtungsrohres 7 erlaubt ebenfalls
ein feinfühliges Justieren des Spulen-Rückstandes gegenüber der Zylinderlauffläche
1.
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In Bild 5 ist das Außengewinde der Spule durch ein spezielles Gewinderohr
ersetzt. Das Justieren des SpulenrUckstandes ist ebenfalls möglich.
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In Bild 6 ist die Anordnung der Meßspulen für einen Fall mit erschwerten
Einbauverhältnissen dargestellt. Weil eine der beiden Spulen mit Rücksicht auf eine
Stößelführung des Ventiltriebes nicht in der als Meßebene vorgesehenen Pleuelebene
montiert werden konnte, wurde die zweite Spule des Spulenpaares spiegelsymmetrisch
ebenfalls gegenüber der Pleuelebene versetzt angeordnet.
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Für die Messung der translatorischen Kolbenquerbewegung in einer bestimmten
Höhe des Zylinders würde prinzipiell eine einzige Meßspule genügen. Das Meßprinzip
ist schematisch in Bild 7 dargestellt. Ändert sich der Abstand zwischen der Spule
A und der Aluminiumplatte, so ergibt sich in der Schaltung b1 als Funktion des von
der Platte zurückgelegten Weges y die Spannung UA. Die Spule A ist dabei zusammen
mit einer sogenannten passiven Spule, d.h.
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mit einer Spule, deren elektrische Daten unbeeinflußt bleiben, als
Halbbrücke an einen Trägerfrequenz-Meßver stärker angeschlossen. Die Kennlinie UA
hat eine deutliche Krümmung. Für die auf der gegenüberliegenden Seite angeordnete
Spule B gilt sinngemäß dasselbe. Ihre Kennlinie zeigt einen spiegelbildlichen Verlauf.
Speist man von den beiden Eingängen eines Differenzverstärkers den einen mit UA
und den anderen mit UB, so erhält man als Maß für die Stellung y der Aluminiumplatte
das in der oberen Kennlinie dargestellte Signal UÅ-- Ug. Dieses Differenzsignal
ist größer als jedes der beiden Einzelsignale. Im mittleren Bereich des Querweges
heben sich die Krümmungen von UA und UB gegenseitig so weitgehend auf, daß die Kennlinie
UA - UB gute Linearität zeigt Der Meßbereich muß auf diesen linearen Bereich beschränkt
werden.
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Die Verhältnisse ändern sich grundsätzlich nicht, wenn an die Stelle
der. dünnen Aiuminiumplatte der Kolben tritt und die Spulen mit ihren Luftspalten
nach links und rechts
verschoben werden. Die Spulenrückstände gegenüber
der Zylinderlauffläche sind so groß zu wählen, daß der Kolben sich nur in dem genannten,
durch gute Linearität gekennzeichneten Teil der Kennlinie UA - UB bewegt.
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Eine völlig gleichwertige Zusammenfassung der beiden Spulensignale
ist mit bedeutend geringerem Aufwand durch die in Bild 7 gezeigte Brückenschaltung
zu erzielen.
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Sie liefert ebenfalls das Signal UA - UB. Sie ist also empfindlicher
als. jede der beiden Brückenschaltungen mit nur einer Meßspule.
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Diese als Gegentaktschaltung iezeichnete Schaltung liefert selbsttätig
einen Mittelwert für die Abstandsänderung an der linken und an der rechten Spule.
Falls die Elastizität des Koalbenschaftes so groß ist, daß die Schaftverformung
gegenüber der Querbewegung nicht vernachlässigt werden kann, erhält man einen besseren
Einblick in die Vorgänge, wenn anstelle der Gegentaktschaltung für die beidei inander
gegenüberliegenden Spulen je eine einzelne Meßbrücke entsprechend Bild 7 bi und
7 b2 eingesetzt wird. Um auch in diesem ''Fall mit linearen Kennlinien arbeiten
zu können, wird vorgeschlagen, Rechenverstärker mit vorgespannten Dioden oder eine
gleichwertige Linearisierungsschaltung hinter den Trägerfrequenz-Meßverstärker zu
schalten.
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Soll der Mitelwert derin zwei verschiedenen Ebenen gemessenen translatorischen
Querwege registriert werden, so bestehen drei verschiedene Möglichkeiten für die
Schaltung; Die beiden Fälle, in denen Gegentakt-Halbbrücken verwendet werden, zeigt
Bild 8.
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Die gleichwertige Schaitmöglichkeit als VollbrAcke ist in Bild 9a
dargestellt. In allen drei Fällen ist der gebildete Mittelwert aus Schaltungsgründen
mit dem Faktor 2 behaftet.;( Im Meßverstärker eingebaute Abgleichorgane sind in
Bild 9 nicht {darget.eIlt)
Mit Hilfe der in Bild 9b dargestellten
Vollbrückenschaltung wird das Kippen des Kolbens gemessen. Die sals Kippen bezeichnete
Drehung wird aus den ein den Ebenen der beiden Spulenpaare .gemessenen unterschiedlichen
Querbewegungen ermittelt.
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Die Vollbrückenschaltung des Bildes 9c liefert durch gleichsinnige
Zusammenfassung der Anzeige der beiden Meßspulen eine Meßgröße für die Dicke des
Kolbens bzw.
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für das Laufspiel in der Ebene-der Meßspulen 5 und 6.
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Die entsprechend Bild 8 und Bild 9a gemittelte Querbewegung ist die
Querbewegung in einer gedachten Meßebene auf halber Höhe zwischen den zwei tatsächlichen
Meßebe-
nen. Geht man von diesem Sonderfall ab, so kann mit der in Bild 10 veranschaulichten
Uberlegung die Querbewegung in einer beliebigen Zylinderebene I-l, in der keine
Meßspule angeordnet ist, bestimmen, wenn die Querbewegungen in den Ebenen II-II
und III-III gemessen werden.
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Mit den Bezeichnungen von Bild 10 gilt b-a yI = yII + (yII-yIII) c-b
Um die gesuchte-Querbewegung yI aus den gemessenen Querbewegungen yII und yIII durch
eine Additionsschaltung mit zwei einfachen Summanden- (von denen jeder nur eine
Meßgröße enthält) zu erhalten, wird die Gleichung geringfügig umgestellt: b-a b-a
yI = (1 + ) yII - yIII c-b c-b Voraussetzung ist, daß die elastischen Verformungen
des Kolbens gegenüber den Kolbenquerbewegungen vernachlässigt werden können. (Abgleichorgane
und phasenempfindliche Gleichrichtung sind in Bild 10. nicht dargestellt.) Ist die
simulierte Meßebene" I-I eine feste Ebene im b-a b-a Zylinder, so können die Größen
(1 + ) und der c-b c-b Gleichung als feste Verstärkungsfaktoren eingestellt.
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werden. Soll aber die Messung in einer bestimmten Kolbenebene simuliert
werden, so ändern sich die Größen (1+ 5) und b-a der Gleichung in Abhängigkeit vom
Kolbenhub. In diesem Fall sind zusätzlich zwei elektronische Multiplizierer einzusetzen.
Die genannten Größen werden dann aus dem,gleichzeitig gemessenen Kolbenhub abgeleitet,
Wenn ein fUr.die Meßfrequenz geeigneter elektronischer Dividierer zur Verfügung
steht, kann mit Hilfe der durch Differentiation gewonnenen Geschwindigkeitssignale
der Kolbenquerbewegung entsprechend den in Bild 11 angegebenen Überlegungen fortlaufend
die Höhe des Kolbendrehpoles indirekt gemessen werden. Das Signal des Kolbenhubes
XKolben liefert dabei ein üblicher Kolbenweggeber.
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Es gilt hR stp l = h1 1 yI-yII hGangpol hRastpol + h5p0 Kolben Sollen
gleichzeitig die Kolbendrehung und die Einzelsignale für die Querbewegung in den
beiden Meßebenen registriert werden, so ist die Schaltung nach Bild 12 zweckmäßig.
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In dieser Schaltung kann der Differenzverstärker durch einen Summierverstärker
ersetzt werden, wenn in der unteren Meßbrücke die Spulen 5 und 6 vertauscht werden.
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Das Kolbenlaufspiel in den verschiedenen Höhen des Kolbens setzt sich
jeweils aus dem rechten und dem linken Abstand zwischen Kolben und Zylinderlauffläche
zusammen. Wird unter Bedingungen, unter denen die Kolbenverformung gering ist, das
Kolbenlaufspiel in den verschiedenen Höhen des Kolbens, d.h. als Funktion des Kolbenhubes
gemessen, so erhält man die Kolbenkontur in der Pleuelschwingebene.
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Für die Messung sind zwei auf gleicher Höhe einander gegenüberliegende
Spulen erforderlich. Ihre Einzelanzeigen können
entsprechend Bild
13a durch einen-Summierverstärker zum Laufspiel zusammengefaßt werden. Bei dieser
Schaltung können im Bedarfsfall die Einzelsignale der Spulen zusätzlich verwendet
werden, um gleichzeitig di Kolben querbewegung zu messen. Verzichtet man auf diese
zusätzliche Messung, so ist die Schaltung nach Bild 13b u bevorzugen, weil der Aufwand
an Verstärkern hier besonders gering ist. Bei dieser Schaltung sind die beiden Meßspulen
in Parallelschaltung in einem Brückenzweig angeordnet. Durch diese Art der Summenbildung
werden im vorliegenden Fall keine nennswerten Fehler verursacht, weil die Wechselstromwiderstände
der beiden parallel geschalteten Spulen sich nur um wenige Promille voneinander
unterscheiden, und weil die Änderung-eines jeden Wechselstromwiderstandes bei den
Messungen stets klein ist.