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Gerät zur Bestimmung bzw. Messung eines Stromes von schüttfähigen
oder strömenden Stoffen.
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Die ErÎindung betrifft Geräte zur Bestimmung bzw. Messung eines Stromes
von schüttfähigen bzw. strömenden Stoffen Bekannte Geräte zur Bestimmung des Durchstromes
oder Durch flusses, beispielsweise induktive Strömungsmesser, setzen im allgemeinen
eine gleichbleibende Gestalt des Strömungsweges und laminare Strömung voraus. Andere
Geräte, bei denen die je Zeiteinheit anfallenden Massen Jeweils gewogen werden,
zeigen bei empfindlicher Ausführung eine starke Abhängigkeit des Meesfehlere von
der Durchflußmenge oder arbeiten umgekehrt bei einer Beseitigung dieser Fehlerabhängigkeit
zu wenig empfindlich.
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Schließlich wird bei nochmals anderen Geräten die Luft- bzw.
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Gasverdrängung durch einen zu bestimmenden, in eineh im wesentlichen
abgeschlossenen Raum eintretenden Flüssigkeitsstrom zur Messung verwendet, indem
ein durch die Verdrängung erzeugter Gas strom einer Messung unterzogen wird. Hierbei
bereitet
es Schwierigkeiten9 die Trägheit der Anzeige und die störenden Einflüsse der Temperatur
und der Feuchtigkeit des Verdrängungs-Gasstromes auszuschalten.
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Durch die Erfindung soll l die Aufgabe gelöst werden, ein Gerät zur
Bestimmung eines Stromes von schüttfähigen oder strömenden Stoffen zu schaffen,
das nicht an eine definierte Gestalt des Strömungsweges oder eine bestimmte Beschaffenheit
der Strömung gebunden ist und ein bezüglich des Messfehlers von der Durchströmungsmenge
oder Durchflußmenge im wesentlichen unabhängiges, hochgenaues Messergebnis liefert.
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Diese Aufgabe wird durch eine Beschleunigungseinrichtung zur Beschleunigung
des Stoffes auf eine bestimmte Geschwindigkeit, ferner durch Mittel zum Zufihren
des Stoffes zur Beschleunigungseinrichtung derart, daß die kinetische Energie des
Stoffes vor Beschleunigung die Größe der zum Erreichen der genannten bestimmten
Geschwindigkeit erforderlichen Energie nicht oder nur in bekanntem Maße oder in
kompensierbarer Weise beeinflußt, sowie durch ein auf die Energie aufnahme eines
Antriebs für die J3eschleunigungseinrichtung ansprechendes Anzeige- bzw.
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Registriergerät mit einem in einer Energiezuleitung bzw.
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Energieübertragung des Antriebs angeordneten Meßwertaufnehmer gelöst.
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Die Erfindung geht im einfachsten Falle von dem Gedanken aus, daß
die zur Beschleunigung einer bestimmten Masse von der Geschwindigkeit Null auf eine
vorbestimmte, bekannte Geschwindigkeit erforderliche Energie zu der Masse entsprechend
der Gleichung E = 1/2mV² direkt proportional ist.
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Zur Beschleunigung der Massen des zu bestimmenden Stromes eignen sich
Schleuderscheiben, Schaufelräder, Förderbänder oder dergl., welche sicherstellen,
daß der betreffende Stoff, welcher ein Gas, eine Flüssigkeit oder ein Feststoff-Schüttgut
sein
kann, von einer bestimmten Anfangsgeschwindigkeit, insbesondere der Geschwindigkeit
Null, in seiner Gesamtheit auf eine bestimmte Endgeschwindigkeit beschleunigt wird.
Im Falle von Schleuderscheiben bzw. von Schaufelrädern handelt es sich am eine vorbestimmte
Umfangsgeschwindigkeit bzw. Drehgeschwin digkeit, während mittels der Förderbänder
eine bestimmte Lineargeschwindigkeit erreicht wird.
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Die Leistungsaufnahme des Antriebes der Fördereinrichtung kann über
das erforderliche Drehmoment gemessen werden, wenn die Abhängigkeit der Drehzahl
vom Drehmoment bekannt ist9 wobei sich die Ermittlung besonders einfach gestaltet,
wenn die Drehzahl konstant gehalten wird.
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Das Drehmoment kann seinerseits durch mechanische Messung beispielsweise
vermittels eines an der Übertragungswelle angeordneten Dehnungsmeßstreifens oder
mechanisch-elektrisch vermittels einer Pendelmaschine oder unmittelbar an einem
elektrischen Antriebsmotor bestimmt werden, indem dessen Stromaufnahme gemessen
wird. Bei Wechselstrommotoren kann auch der Phasenwinkel oder Lastwinkel zur Drehmomentmessung
und damit schließlich zur Ermittlung des Massendurchflusses herangezogen werden
ist die Drehzahl oder die Fördergeschwindigkeit der Fördereinrichtung von der Belastung,
nämlich von der Größe der zu beschleunigenden Massen abhängig und besitzt außerdem
das System eine beträchtliche Eigenmasse, so kann die Anzeige oder das zu registrierende
Ergebnis bei raschen Anderungen der zu bestimmenden Strömung nicht schnell genug
folgen, so daß es zu einem Anzeigefehler kommen würde. Vorzugsweise sind aus diesem
Grunde zum Antrieb der Fördereinrichtung ein Motor konstanter Drehzahl, beispielsweise
ein Synchronmotor oder
ein gut kompensiert er oder geregelter Gleichstrommotor
vorgesehen, so daß die Energie aufnahme des Motors aufgrund der Konstanz der Drehzahl
der zu beschleunigenden Masse direkt proportional bleibt.
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Soll aber der Antrieb der Fördereinrichtung bewußt eine drehmomentabhängige
Drehzahlkennlinie aufweisen, um im Bereich geringer, Je Zeiteinheit zu beschleunigender
Massen die Anzeigekennlinie auseinander zu ziehen, so kann hierfür ein Antriebsmotor
mit entsprechender Kennlinie eingesetzt und das Ergebnis durch nachträgliches Differenzieren
derart; korrigiert werden, daß die durch die Massenträgheit des Systems eingebrachten
Fehler beseitigt werden.
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Es ist also festzuhalten, daß durch entsprechende Auswahl des Antriebsmotors
wahlweise eine geradlinie, nach unten oder nach oben gekrümmte Kennlinie der Anzeige
abhängig von der Durchflußmenge erzeugbar ist.
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Andererseits ist es aber möglich, dann, wenn die Gestalt der Kennlinie
wegen der bereits getroffenen Auswahl des Antriebsmotors festliegt, eine beliebige
gekrümmte oder geradlinige Charakteristik aus einer hiervon verschiedenen Ausgangs-Kennlinie
mittels dem Fachmann geläufiger elektrischer bzw. elektronischer Schaltungsmaßnahmen
künstlich zu erzeugen.
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Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Bestimmung
von Flüssigkeits-Durchflußmengen für medizinische Untersuchungen, insbesondere die
Messung der Urinabgabe eines Patienten für urologische Untersuchungen. Für diesen
Anwendungsfall kann es notwendig sein, im Bereich sehr geringer Durchflußmengen,
beispielsweise bei tropfenweiser Abgabe, unabhängig von der Massenträgheit der die
Beschleunigung vor nehmenden Fördereinrichtung eine Anzeige zu erhalten, welche
den
Abgabevorgängen entspricht. Während diese Bedingung bei einem Antrieb gleichbleibender
Drehzahl erfüllt ist, tritt bei Antrieben mit drehmomentabhängiger Drehzahlkennlinie
eine starke Verzögerung des WiMerhochlauSens des Antriebs nach einer kurzzeitigen,
kleinen Belastung aufgrund der Trägheit des Antriebssystems auf, wodurch die Anzeige
verfälscht wird.
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Diese Verfälschung kann durch ein KorreStur-Setzwerk korrigiert werden,
welches vor das Lesegerät geschaltet wird.
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Im übrigen bilden zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung Gegenstand
der anliegenden Patentansprüche. Im folgenden werden einige Ausführungsbeispiele
der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
In den Zeichnungen stellen dar: Figur 1 eine schematische Abbildung einer Ausführungsform
der Erfindung, Figur 7a eine Ausführungsform eines Urin-Durchflußmessers in teilweiser
Schnittdarstellung, Figur 2 eine schematische Abbildung eines Teiles einer anderen
Ausführungsform der Erfindung, Figur 5 eine schematische Abbildung einer dritten
Ausführungsform der Erfindung, Figur 4 einen mehr ins einzelne gehenden Schaltplan
der Meß- und Anzeigeschaltung für das erfindungsgemäße Gerät und figur 5 ein Beispiel
für verschiedene Kennlinien der die Anzeige bewirkenden Ausgangsspannung abhängig
von der Durchflußmenge.
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Das in figur 1 schematisch gezeigte Gerät enthält einen Gleichstrommotor
1, der über eine Welle 2 ein Schaufelrad 3 mit im wesentlichen gleichbleibender,
konstanter Drehzahl antreibt.
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Das Schaufelrad 3 enthält einen fliegend auf die Welle 2 aufgesetzten
Teller 4, der mit einem niedrigen Rand 5 versehen ist. Auf der Innenseite des Randes
5 befinden sich jeweils dicht nebeneinander liegend Beschleunigungsschaufeln 6,
welche sicherstellen, daß die Teilchen eines zu untersuchenden, etwa in Kichtung
des Pfeiles 7 auf den Teller 4 aufgebrachten Stoffstromes in jedem Palle auf die
Umfangsgeschwindigkeit des Außenrandes des Schaufelrades 3 beschleunigt werden und
erst dann etwa in Richtung der Pfeile 8 nach augen abgeschleudert werden.
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Die Ausgangsanschlüsse des Gleichstrommotors 1 sind an die Eingangstlemmen
E1 und E2 einer Schaltung gelegt, welche eine Brückenschaltung 9 sowie eine als
Energiequelle dienende Baterie 10 enthalt. Der Antriebsmotor 1 bzw. dessen Ankerstromkreis
bildet einen Zweig der Brücke 9, in deren Meß-Diagonale ein Anzeigegerät 11 geschaltet
ist. Mittels des verschieblichen Kontaktes 12 für den Anschluß der Meß-Diagonale
an den Brückenwiderstand 13 kann das Meßgerät 11 auf Null-Stellung gebracht werden,
wenn kein Stoffstrom auf das SchauSelrad 3 aufgebracht wird.
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Vergrößert sich die Energieaufnahme des Antriebsmotors 1 aufgrund
eines zusätzlichen, für die Beschleunigung des aufgebrachten Stoffstrome3 erforderlichen
Energiebedarfes, so wird die Brückenschaltung 9 verstimmt und die Je Zeiteinneit
aufgebrachte Stoffmenge, beispielsweise eine bestimmte Flüssigkeitsmenge je Zeiteinneit,
läßt sich unmittelbar an dem Meßinstrument 11 ablesen, wenn dieses mit einer entsprechend
geeichten.
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Skala ausgerüstet ist.
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An die Klemmen E1 und E2 der in Figur 1 gezeigten Schaltung kann auch
der Anschluß der in figur 2 gezeigten Vorrichtung gelegt werden. Diese enthält ein
Förderband 14, das vermittels eines Antriebsmotors 1' in Umlauf versetzt wird. In
einer Auf bringstation 15 wird beispiels-weise vermittels eines Trichters ein zu
messender Teilchenstrom 16 aufgebracht, der von dem Förderband 14 zu einer Abwurfstation
17 gefördert und dabei in seiner Gesamtheit auf die Umlaufgeschwindigkeit des Förderbandes
14 beschleunigt wird, Die Energieaufnahme des Antriebsmotors 1' stellt wiederum
ein Maß für die Je Zeiteinheit durch die Aufbringstation 15 aufgebrachte Stoffmenge
dar.
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Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welcher ein
innerhalb einer Rohrleitung 18 angeordneter Antriebsmotor 1'' zum Antrieb eines
fliegend auf der Motorwelle befestigten Flügelrades 19 dient, welches koaxial zur
Rohrleitung 18 angeordnet ist.
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Wird durch die Rohrleitung 18 ein Strömungsmittel, also eine Flüssigkeit
oder ein Gas, geleitet, so hat die Strömung vor intreten in das Flügelrad 19 noch
keine Rotationskomponente und die Flüssigkeits- bzw. Gasmassen werden erst durch
das Flügelrad 19 entsprechend der Drehung der Motorwelle beschleunigt. Die Energieaufnahme
des Motors 1'' ist hierbei von der Strömungsgeschwindigkeit durch die Rohrleitung
18 abhängig.
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Auch bei der Anordnung nach Figur 3 ist durch die Axiallänge des Flügelrades
und/oder durch die Anzahl der einzelnen Flügel dafür Sorge getragen, daß im wesentlichen
das gesamte durchströmende Volumen auf eine bestimmte Drehgeschwindigkeit beschleunigt
wird.
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Figur la zeigt teilweise im Schnitt ein praktisches Ausführungsbeispiel
eines Teiles des erfindungsgemäßen Gerätes" welches
für urologische
Untersuchungen verwendet wird und zur Messung der Urinabgabe eines Patienten dient.
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An einem Stativ 20 ist höhenverstellbar ein Ausleger 21 angeordnet,
an dessen vorderem Ende sich ein Gehäuse 22 befindet.
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Auf den oberen Rand des Gehäuses 22 ist ein Deckel 23 abnehmbar aufgesetzt,
in welchem eine trichterförmige Öffnung 24 vorgesehen ist. Die Trichteröffnung mündet
nach innen zu auf einem Bereich eines Tellerrades oder eines Schaufelrades 25 aus,
wobei durch die Bemessung und Anordnung der Trichteröffnung mit Bezug auf das Schaufelrad
sicll-ergestel.lt ist, daß durch die Trichteröffnung hindurch auf das Schaufelrad
gelangende Flüssigkeit vor dem Abschleudern von dem Schaufe]-rad vollständig auf
dessen äußere Umfangsgeschwindigkeit beschleunigt wird.
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Die Beschleunigungsscheibe oder das Schaufelrad 25 ist fliegend auf
die Welle eines Motors 26 aufgesetzt, welcher in einem Hohlraum einer Mittelsäule
27 des Gehäuses 22 flüssigkeitsdicht gekapselt ist.
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Der Deckel 23 ist ferner mit einem Traufflansch 28 versehen, welcher
verhindert, daß von dem Schaufelrad 25 abgeschleuderte Plüssigkeit in den Spalt
zwischen dem Deckel 23 und dem Gehäuse 22 eintreten kann.
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Der di.e Mittelsäule 27 umgebende Ringraum hat über einen Auslaßkanal
29 Verbindung mit der freien Umgebung, so daß die über die Trichteröffnung 24 eingebrachte,
über das Schaufelrad 25 abgeschleuderte Flüssigkeit, welche sich in dem genannten
Ringraum sammeln kann, schließlich in einem Becherglas 30 aufgefangen werden kann,
das in ähnlicher Weise wie das Gehäuse 22 an dem Stativ 20 angeordnet bzw. befestigt
ist.
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Zuleitungen 31 zu dem Motor 26 sind über entsprechende Bohrungen in
dem Ausleger 21 zu dem den Motor 26 aufnehmenden Raum der Mittelsäule 27 geführt.
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Während nun in Figur 1 die Schaltung zur Messung der Energieaufnahme
des Motors 1 nur stark vereinfacht und schematisch angegeben ist, zeigt Figur 4
einen mehr ins Einzelne gehenden Schaltplan.
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Der Ankerstromkreis des Motors 1 ins in Figur 4 mit 32 bezeichnet
und liegt wiederum in einer Brückenschaltung, welche in einem in Figur 4 mit A1
bezeichneten Teil außerdem den Transistor T einen als Meßwertaufnehmer dienenden
Widerstand Rl, einen zur Null-punkteinstellung dienenden Regulierwiderstand R2 sowie-
den Widerstand R3 enthält0 Die genannte Brückenschaltung liegt über die Anschlußklemmen
33 und 74 an einer konstant gehaltenen Eingangsspannung.
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Der in figur 4 mi-t A2 bezeichnete Schaltungsteil dient zur Kompensation
des Spannungsabfalles im Ankerstromkreis 32 des Antriebsmotors für die Beschleunigungseinrichtung
derart, daß bei dem hier betrachteten Ausführungsbeispiel eine im wesentlichen geradlinige
Kennlinie zwischen der die Anzeige erzeugenden Ausgangsspannung und der Durchflußmenge
je Zeiteinheit erzielt wird.
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Zu diesem Zwecke wird an dem Widerstand R1 der Spannungsabfall abgegriffen,
welchen der den Ankerstromkreis durchfließende Strom In dem Widerstand R1 erzeugt.
Dieser Spannungsabfall bildet die Eingangsspannung für einen Operationsverstarker
35, dessen Ubertragungsverhalten durch das Verhältnis der Widerstände H4 und R5
gegeben ist. Durch entsprechende Wahl des Verhältnisses der Widerstände R4 und R5
kann die Gestalt der
Kennlinie der Ausgangs-Anzeigespannung zur
Durchflußmenge je Zeiteinheit eingestellt werden.
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Für ein praktisches Ausführungsbeispiel der Meßschaltung entsprechend
dem Schaltbild nach Figur 4 sind in Figur 5 einige Beispiele für Kennlinien angegeben,
wobei eine geradlinige Charakteristik entsprechend der Kurve 36 für ein Verhältnis
der Widerstände R4/ R5 von etwa 0,07 erhalten wird. Die etwas gekrümmte Kennlinie
37 ergibt sich bei einem Verhältnis R4/R5 von etwa 0,1 und die Kennlinie 38 entspricht
einem solchen Verhältniswert von 0,3.
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Die Verstärkerschaltung 35 erzeugt in Zusammenwirkung mit der Zenerdiode
39 an den Schaltungspunk-t 40 ein Steuerpotential zur Steuerung des Transistors
T in solcher Weise, daß die jeweils gewünschte Kompensation des Spannungsabfalles
im Ankerstroskreis erreicht wird.
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Die Messung der Energieaufnahme des Motors erfolgt über die Leitungen
41 und 42, welche die bei Verstimmung der Brückenschaltung auftretende Spannung
einer weiteren Verstärkerschaltung 43 zu-leiten, welche in dem Schaltplan nach Figur
4 innerhalb des Schaltungsteiles A3 gelegen ist.
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Die Ausgangsspannung der Verstärkerschaltung 43 wird über eine Lei-tung
44 abgegeben und gelangt dann im Schaltungsteil A5 zu einem Anzeigegerät 45 bzw.
über einen Spannungsteiler 46 zu einem nicht dargestellten Registriergerät.
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Besitzt der Antriebsmotor aus den oben angegebenen Gründen eine vom
Drehmoment abhängige Kennlinie der Drehzahl und hat außerdem die Beschleunigungseinrichtung
zusammen mit dem Antriebsmotor eine beträchtliche eigenmasse, so bewirkt eine kurzzeitige,
kleine Belastung der Beschleunigungseinrichtung durch eine geringe Flüssigkeits
oder Strömungemittelmenge einen kleinen Drehzahlabfall, welcher aber aufgrund der
geringen
Steigung der Drehzahl-Zeit-Kennlinie in diesem Bereich
außerordentlich langsam ausgeglichen wird, weshalb die Anzeige bezüglich geringer,
rasch veränderlicher Durehflußmengen, beispielsweise bei tropfenweiser Abgabe des
zu untersuchenden Bltissigkeitsstromes, sehr träge ist.
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Zur Beseitigung dieses Nachteiles ist der in Figur 4 gezeigte Schaltungsteil
A4 vorgesehen, welcher von einem Korrektur-Netzwerk gebildet ist, das parallel zum
Ausgang der Verstärkerschaltung 43 liegt.
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Das Korrekturnetzwerk hat die Form einer Reihenschaltung aus einer
R-O-Iaralleischaltung 47 und einer R-O-Reihenschaltung 48.
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In bestimmten Fällen ist es wünschenswert, mit einem Registriergerät
nicht eine den tatsächlichen Abgabevorgängen entsprechende stark schwankende Aufzeichnung
der Durchflußmenge oder der Abgabemenge zu erhalten,sondern eine geglättete Kurve
aufzuzeichnen, welche den allgemeinen zeitlichen Verlauf deutlicher iibersehen läßt.
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Zu diesem Zwecke besitzt die gezeigte Schaltung vermittels eines Schalters
49 wahlweise zuschaltbare Glättungseinrichtungen mit einem Glättungskondensator
50, welchem die Widerstände 51 und 52 als Dämpfungswiderstände zugeordnet sind.
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Die Parallelsohaltung des Widerstandes 51 zu einer Diode 53 stellt
eine symmetrische Glättung trotz des geringen ausgangsseitigen Widerstandes der
Verstärkerschaltung 43 sicher.
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Schließlich ist für Eichzwecke noch ein Umschalter 54 vorgesehen,
dessen Eichkontakt über einen Vorwiderstand 55 und einen Regulierwiderstand 56 Verbindung
mit der Spannungseingangsklemme 33 hat.