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Meßumformer für kapazitive Geber Die Erfindung betrifft einen Meßumformer
zur Ableitung von Ausgangsgleichspannungen und/oder -strömen aus der Kapazität kapazitiver
Geber mit einem einen Geber sowie mindestens eine zweite Kapazität speisenden Generator
und diesen jeweils zugeordneten, auf deren Stromaufnahme ansprechenden, gleichartig
aufgebauten, linearen, jeweils durch Gleichrichter abgeschlossenen Verstärkern,
denen ein Summierglied nachgeordnet ist.
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Derartige Meßumformer sind aus der XT-OS 1 951 942 bekannt.
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Die zweite Kapazität sowie der diesem nachgeordnete Verstärker sowie
Gleichrichter dienen im wesentlichen als Kompensationsglieder, auf die sich Ternperaturschwankungen
und andere, diese jeweis gemeinsam beeinflussende Störeinflüsse gleichmäßig auswirken,
so daß die Neßgenauigkeit gegenüber denen einfacher Einkanalanordnungen gesteigert
ist und bspw. Drifterscheinungen weitgehend ausgesehlosser; werden. Darüber hinaus
gestattet ein entsprechender Aufbau der zweiten Kapazität, Nullpunktskorrekturen
und Bereichsverschiebungen herbeizuführen sowie Fremdeinflüsse auf den kapazitiven
Geber mehr oder weniger auszugleichen.
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Die vorgliegende Erfindung geht von der Aufgabe aus, auch weitergehende
Störeninflüsse praktisch völlig auszuschalten und hierbei auch sämtliche Einflüsse
zu erfassen, die sich, gegebenenfalls trotz eventuell vorgesehener Stabilisierrungsmaßnahmen
des Generators, über diesen auszuwarken vermögen.
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Weiterhin soll die Linearität der Anzeige weiternen gestengert werden,
und eine lineare Anzeige @@@@ auch dann erhalten
werden, wenn einfache,
auf einer Änderung des Plattenabstandes basierende kapazitive Geber verwendet werden.
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Gelöst wird die Aufgabe, indem einem Meßumformer der bezeichneten
Gattung eine Regeleinrichtung zugeordnet ist, welche auf den Generator einwirkt
und die an einem der Gleichrichter anstehende Gleichspannung als Aufgabengröße konstant
hält.
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Die Regeleinrichtung gestattet nicht nur, die Amplitude des Generators
konstant zu halten; auch Abweichungen in der Speisung durch Auswanderung der Frequenz
oder bspw. durch Temperaturschwankungen bedingte Änderungen der Eigenschaften der
Kanäle lassen sich durch Amplituden- und/oder Frequenzänderungen des Generators
kompensieren, und durch Abgreifen der Aufgabengröße aus dem den Gebe aufweisenden
Zweig läßt sich ein reziprokes Verhalten des Meßumformers erzielen.
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Bewährt hat es sich, die Regeleinrichtung mit mindestens einem Eingange
für Führungsgrößen auszustatten. Zweckmäßig wirkt die Regeleinrichtung auf die Amplitude
des Generators als Stellgröße ein. Es kann aber, gegebenenfalls zusätzlich, die
Regeleinrichtung auf die Frequenz des Generators als Stellgröße zur Einwirkung gebracht
werden.
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Als nachahmenswert wurde erkannt, die Regieinrichtung mit einem Operationsverstärker
auszustatten, dessen Eingängen über Widerstände die an einem der Gleichrichter auftretende
Spannung sowie als Führungsgröße vorgegebene Spannungen zugeführt werden, und dessen
Ausgang Stellglieder des Generators betätigt.
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Als Führungsgröße können im Verstärker manuell einstellbare Spannungen
zugeführt werden. Andererseits können, gegebenenfalls zusätzlich, dem Verstärker
als Führungsgrößen aus Meß-, Regel-, Rechen- und/oder Speichervorgängen erhaltene
Spannungen zugeführt werden. Eine reziproke Anzeige bzw. ein reziprokes Verhalten
läßt sich erzielen, indem der den dem Geber zugeordnete Verstärker abschließende
Gleichrichter auf konstante Ausgangsspannung geregelt wird.
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Als Verstärker haben sich in Basisschaltung angeordnete Transistoren
bewährt, deren Arbeitspunkte für geringen Eingangswiderstand und lineare Verstärkung
eingestellt sind. Mit Vorteil werden die Gleichrichter kapazitiv an die Ausgänge
der Transistoren angekoppelt und weisen je eine zum Ladekondensator führende Diode
sowie, vom Kondensator aus invers gepolt, eine Ableitdiode auf.
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Insbesondere zur Füllstandsmessung mit erfindungsgemäß ausgebildeten
Meßumformern haben sich Geber und zweite Kapazitäten bewährt, die eine neutrale
Elektrode aufweisen, denen zwei jeweils Geber bildende Elektroden zugeordnet sind,
deren erste sich über die als Meßbereich vorgesehenen Füllstandshöhen sowie einen
unterhalb der minimalen Füllstandshöhe anstehenden Bereich erstreckt, während die
zweite nur innerhalb des letzten Bereiches vorgesehen ist.
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Im einzelnen sind die Merkmale der Erfindung an Hand der folgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit diese darstellenden und
charakterisierenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen hierbei; Figur 1 ein Prinzipschaltbild
des MeRumformers, Figur 2 Arbeitskennlinien des Meßumformers nach Fig. 1, Figur
3 einen als Füllstandsmesser ausgebildeten Geber für den Meßwertumformer nach Fig.
1 Figur 4 eine das Verhalten des Gebers nach Fig. 3 charakterisierende Kurve, Figur
5 schematisch einen kapazitiven, durch Abstandsänderung der Elektroden wirksamen
Geber und Figur 6 dessen Verhalten charakterisxrende Kurven.
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In Fig. 1 ist unter Vernachlässigung der Gleichstrompfade das Schaltbild
des Meßumformers dargestellt:
Ein Ton-, Mittel- bzw. Hochfrequenz
liefernden Generator 1 speist über einen Übertrager 2 einen kapazitiven Geber 3
sowie einen Vergleichskondensator 4. Geschlossen sind die Stromkreise des Gebers
3 sowie des Vergleichskondensators 4 durch die Basis-Emitter-Strecken der am Eingange
des Meßkreises 5 bzw. des Kompensationskreises 6 liegenden Transistoren 7 bzw. 8.
Die Transistoren 7 und 8 werden in Basisschaltung betrieben, so daß bei geeigneter
Wahl des Arbeitspunktes sich sowohl ein äußerst niedriger Eingangswiderstand als
auch eine lineare Verstärkung ergeben. Des geringen Eingangswiderstandes der Transistoren
sowie des geringen Widerstandes des Übertragers wegen liegen die vom Generator 1
induzierten Wechselspannungen damit praktisch ausschließlich am Geber 3 bzw. dem
Vergleichskondensator 4, so daß die in deren beiden Stromkreisen fließenden Ströme
praktisch allein von der übersetzten Generatorspannung, der Kreisfrequenz des Generators
sowie den jeweiligen Kapazitäten des Gebers und Vergleichskondensators abhängen.
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Aufgrund des hohen Ausgangswiderstandes der Basisschaltung der Transistoren
7 und 8 wird, abgesehen von den vernachlässigbar geringen Basisströmen, der jeweilige
Eingangsstrom über den Transistoren nachgeordnete Koppelkondensatoren den folgenden
Gleichrichteranordnungen eingeprägt. Im Meßkreis 5 wird der Ausgangsstrom des Transistors
7 über den nachgeordneten Koppelkondensator und die Diode 9 während der positiven
Halbwelle dem Ladekondensator 10 zugeführt, der somit positiv aufgela den wird.
Der während der negativen Halbwelle fließende Rückstrom wird über die Diode 11 abgeleitet.
Invers gepolt ist die Gleichrichteranordnung des Kompensationskreises 6: Der Transistor
8 speist den Ladekondensator 12 über einen Koppelkondensator und die Diode 13 während
der negativen Halbwellen, so daß der Ladekondensator 12 auch negativ aufgeladen
wird. Die positiven Halbwellen werden als Rückströme über die Diode 14 abgeleitet.
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Die inverse Polung der Gleichrichteranordnungen erlaubt ein einfaches
Kompensieren durch Summieren der jeweiligen Spannungen: Über Kopplungswiderstände
15 und 16 werden sie Spannungen der Ladekondensatoren eine Eingang eines aas Summierer
vogesehenen Operationsverstärkers 17 zugeführt, der durch den Rückkopplungswiderstand
18 überbrückt ist. Ein weiterer, gestrichelt dargestellter Kopplungswiderstand 19
gestattet die Aufschaltung weiterer zu summierender Spannungen, so bspw.
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einer manuell einstellbaren Spannung, welche zu den an den Laderkondensatoren
10 und 12 anstehenden Spannungen addiert wird und eine Nullpunktverschieburg erlaust,
wie diese durch den Doppelpfeil 25 der Fig. 2 angedenten ist; Die Kennlinie 26 der
Fig. 2, welche die Abbängigkeit der Ausgangsspannung Ua des Operationsverstärkers
17 in Abhängigkeit vom Verhältnis der Kapazitäten C 3 das Gebers 3 und C 4 des V@rgleichskondensators
4 angibt, laßt sich durch @niern der über den Kopplungswiderstand 19 zugeführten
Verspannung zur Kurve 27 verschieten.
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Die am Ladekondensator 12 anstebs Spannung wird über einen Regelkreis,
der auf den Generator einwirkt, konstant gehalten.
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Über den Kopplungswiederstand 20 wird die an Ladekondensator 12anstehende
Aufgabenspannung einem Eingang eines Operationsverstärkers 21 zugeführt, der durch
den Rückkopplungswiderstand 22 überbrückt ist. Weitere Spannungen könen dem Eingang
den Operationsverstärkers 21 über einen Kopplungswiderstand 2@ von der Klemme 24
zugeführt werden. Im Bedardsfalle werden mehrere solcher kopplungswiderstände mit
vorgeordneten Klemmen vorgesehen, so daß weitere Spannungen zur zur n den Regelkreises
herangezogen werden kbnnen. aber Ausgang rationsverstärkers 21 ist mit den Generato
verbunden ul: betätigt im hier verwendeten blocksymbol des Generators ni dargestllte
Stellglieder, welche auf die Frequenz und/oder die Amplitude, vornehmlich jedoch
auf letzterm, das Genera einwirken. Mittels des hier gebildeten. Regelkreis wird
am Ladekondensator 12 anstehende Spannung f @@@@ unter wel eingeregelt; besteht
bspw. die Tendent der Absinkens der Span nung am Ladekondensator 12, so wird die
Amplitude des Generators
1 entsprechend erhöht, so daß durch höhere
Speisespannung auch ein höherer Strom über den Vergleichskondensator 4 und den Eingang
des Transistors 8 fließt und der Tendenz des Absinkens der Ladespannung entgegengewirkt
wird. Bereits durch eine derartige Amplitudenregelung lassen sich auch Frequenzwanderungen
des Generators kompensieren, so daß Meßergebnisse durch sie nicht beeinflußt werden.
Sinkt die Kreisfrequenz des Generators ab, so besteht auch die Tendenz des Absinkens
der Ströme über den Geber 3 und den Vergleichskondensator 4 sowie des Absinkens
der Spannungen an den Ladekondensatoren. Hier beginnt die Regeleinrichtung zu wirken
und erhöht die Amplitude derart, daß beide Einwirkungen sich kompensieren und an
den Ladekondensatoren die ursprünglichen Spannungen entstehen.
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Im Betriebe werden, durch die inverse Polung auch um 1800 phasenverschoben,
den Ladekondensatren jeweils in einer Halbperiode der Perioden Ladungen zugeführt,
die den Kapazitäten der vorgeschalteten Kondensatoren, nämlich des Gebers 3 bzw.
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des Vergleichskondensators 4, streng proportional sind. Von den Ladekondensatoren
10 bzw. 12 werden diese Ströme, entsprechend geglättet, über die Kopplungswiderstände
15 und 16 abgegeben. Aufgrund der Mittelwertbildung stellen sich bei der in Fig.
1 dargestellten Polung der Dioden die folgenden Gleichspannungen U1O sowie U12 ein,
wenn unter û der Scheitelwert der Wechselspannung verstanden wird: (1) U10 = 1/*
û w C3 3 R15 (2) U12 = 1/2 u æ C4 . R16 Am Ausgange des als Summierer vorgesehenen
Operationsverstärkers i7 entsteht für R15 : R16 dann die Ausgangsspannung:
( C3 - C4 ) ; Hält man nun mit der Regeleinrichtung, insbesondere dem Kopplungswiderstand
20 sowie dem Operationsverstärker 21 und dem
diesem nachgeordneten
Stellglied des generators 1, das auf die Generatoramplitude und/oder auf die Generatorfrequenz
einwirkt, die Spannung U12 auf einer Führungswert Uf fest. so wird damit (4) 1/
fl . . C4 . R16 = U und
Die Gleichung (5) läßt das überraschende Ergebnis erkennen, daß die Ausgangsspannung
Ua des Operationsverstärkers 17 linear vom Quotienten C3 / C4 abhängt, und daß sie
außerdem proportional einer einstellbaren Spannung Jf ist, die im Schaltbild der
Fig. 1 über die Klemme 24 zuführbar ist. Damit ergibt sich zunächst die Möglichkeit,
auf einfache Weise die Steilheit der Meßanordnung auf gewünschte Werte einzustellen,
indem die pannung an der Klemme 24 geändert wird. Es besteht darüber hinaus aber
auch die Möglichkeit, über die Klemme 24 eine variable Spannung, bspw. die eines
weiteren Gebers, oder eine weitere Führungsgröße zuzuführen: Auf diese Weise ergibt
sich die Möglichkeit einer multiplikativen Verknüpfung einer über die Klemme 24
zugeführten Spannung Uf mit dem Quotienten C3 / C. Im Diagramm der Fig. 2 ist dies
wie folgt dargestellt: Durch Anderung der Spannung Uf wird die flachere Kennlinie
28 um ihren Ursprung in Richtung des Pfeiles 29 gedreht, bis die steilere Kennlinie
26 erhalten ist.
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Als wesentlich zeigt es sich, daß bei der erfindungsgemäßen Anwendung
der Regeleinrichtung die Ausgangsspannung vom Quotienten C3 / C4 abhängt. Solange
C3 die Kapazität des Gebers 3 ist, wird damit die gewünschte strenge Linearität
erzielt. Werden aber Geber 3 und Vergleichskondensator 4 miteinander vertauscht,
so entsteht eine reziproke Abhängigkeit, bei der die Ausgangsspannung Ua dem Kehrwert
der Kapazität des Gebers 3 streng proportional ist. Hierdurch ergeben sich weitere
Anwendungs- und Einsatzmöglichkeiten. In Einzelfällen kann es
interessant
sein, tatsächlich den Kehrwert der Kapazität als Kehrwert der mittels eines Gebers
zu überwachenden Größe zu erhalten. Andererseits besteht die Möglichkeit, bestimmte
Aufbauten von kapazitiven Gebern zu verwenden, bei deen der zu überwachende Wert
der Kapazität des Gebers reziprok ist. Durch Anwendung des erfindungsgemäß ausgebildeten
Meßumformers und Anschalten eines solchen Gebers nicht an den eigentlichen Meßkreis
5, sondern vielmehr an den Kompensationskreis 6 wird eine nochmals reziproke, d.h.
eine einfach proportionale Anzeige erhalten: Bei Änderung der Kapazität des Gebers
besteht die Tendenz der Änderung der Spannung am Ladekondensator 12.
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Hierdurch wird die Regeleinrichtung beaufschlagt, die diese Spannung
konstant hält, indem sie die Ausgangsfrequenz und/ oder die Ausgangsamplitude des
Generators 1 entsprechend ändert. Diese Änderung wirkt sich auch auf den eigentlichen
Meßkreis 5, dem in solchem Falle nur die Vergleichskapazität 4 vorgeordnet ist,
aus. Entsprechend der Amplituden - bzw. Frequenzänderung des Generators 1 wird also
der Strom über den Vergleichskondensator geändert und dementsprechend eine Anderung
der am Ladekondensator 10 auftretenden Spannung bewirkt, die durch die nachgeordnete
Summierschaltung erfaßt wird und die Ausgangsspannung Ua des Operationsverstärkers
17 beeinflußt.
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Die Möglichkeit, die Kennlinien des Meßumformers bei strenger Linearität
und weitgehender Kompensationen aller Störgrößen durch über den Kopplungswiderstand
19 zugeführte Spannungen additiv bzw. subtraktiv zu beeinflussen bzw. zu verschieben
und durch über die Klemme 24 multiplikativ zu beeinflussen, d.h., in ihrer Steilheit
zu verändern oder im Diagramm zu dreheu, sowie die weitere Möglichkeit der reziproken
Beeinflussung ermöglichen es, in den eigentlichen Meßvorgang weitere, manuell, durch
Speicher, Rechner, Geber oder dergleichen vorgegebene Größen einzubeziehen und den
Meßumformer als Prozeßrechner zu verwenden.
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Die bei der Anwendung als Meßumformer sich ergebenden Vorteile werden
im folgenden an Hand von Anwendungsbeispielen beschrieben.
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Zur Füllstandsmessung wird zweckmäßig eine besonders ausgebildete
Sonde verwendet, die den Geber mit dem Vergleichskondensator kombiniert: In einem
Bassin bzw. einem Behälter, dessen Füllstand zu überwachen ist, oder einem in diesem
angeordneten Schutzgehäuse 30 ist eine mittlere, neutrale Elektrode 31 angeordnet,
der zur Seite eine Meßelektrode 32 steht. Neben der eigentlichen Meßelektrode ist,
zweckmäßig in gleichem Abstande, so daß sich eine symmetrische Ausbildung der Anordnung
ergibt, eine Vergleichselektrode 33 vorgesehen. Sowohl die neutrale Elektrode 31
als auch die Meßelektrode 32 sind bis über den maximal zu überwachenden Flüssigkeitsspiegel
34 geführt, so daß zwischen den Elektroden 31 und 32 oberbald des jeweiligen Flüssigkeitsspiegels
ein Feld in Luft aufgebaut ist, während der unterhalb des Flüssigkeitsspiegels sich
erstreckende Bereich der Elektroden ein kapazitives Feld in der jeweiligen Flüssigkeit
aufbaut. Da Luft eine gegenüber den meisten Flüssigkeiten sehr geringe Dielektrizitätskonstante
aufweist, ist damit das wesentliche Feld in der Flüssigkeit aufgebaut, so daß die
zwischen den Elektroden 31 und 32 gebildete Kapazität ein Maß für den Füllstand
x ist. Ein Ausgleich wird durch die Vergleichselektrode 33 gegeben, die sich nur
über einen geringen Höhenbereich erstreckt, der auch bei minimalem Füllstand noch
von der Flüssigkeit bzw. anderem Füllgut angefüllt ist. Damit wird ein Vergleichskondensator
gewonnen, dessen Eigenschaften durch das gleiche Dielektrikum gebildet werden das
auch die wesentliche Kapazität des eigentlichen, durch die neutrale Elektrode de
31 in Verbindung mit der Meßelektrode 32 gebildeten Feldes bestimmt. Gegebenenfalls
kann der betreffende Behälter mrt einem engeren, unteren Ansatz ausgestattet sein,
der ausschließlich die Elektroden 3i bis 33 aufnimmt und ..ireSe derart umgibt,
daß noch keine wesentlichen Feldstörungen elntre ten, so daß der Füllstand des eigentlichen
Behälters bis zum Grunde desselben überwachbar ist, ohne daß die VergleLchselektrode
33
mit ihrem freien Ende über den minimal eu erfassenden Flüssigkeitsspiegel ragt.
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Im Ausführungsbeispiel werden die Elektroden 31 und 32 als Geber 3
des Schaltbildes der Fig. 1 benutzt, und da dessen Kapazität der Füllhöhe x proportional
ist, wird auch der Füllstand in gewünschtem Maße, nämlich proportional, angezeigt.
Der Vergleichskondensator 4 der Fig. 1 wird durch die neutrale Elektrode 31 der
Fig. 3 in Verbindung mit der Vergleichselektrode 33 gebildet. Es ergibt sich die
in Fig. 4 dargestellte lineare Anzeige, bei der die Ausgangsspannung Ua linear von
der jeweiligen Füllhöhe x abhängt. Da das gleiche Dielektrikum die Kapazitäten sowohl
des Gebers als auch des Ve¢eichskondensators bestimmt, wird die Aneige der Füllhöhe
praktisch unabhängig' von den dielektrischen Eigenschaften des in den Behälter eingefüllten
Mediums.
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Eine weitere Anwendung bietet sich bei der Verwendung sogenannter
Abstandsgeber, wie ein solcher schematisch in Fig. 5 gezeigt ist: Die Kapazität
eines solchen Gebers ändert sich bekanntlich umgekehrt proportional dem Plattenabstand
d. Beim Anschalten eines üblichen Meßumformers wird also eine Anzeige erhalten,
die dem jeweiligen Abstande d der Elektroden 35 und 35 und damit dem Meßwege reziprok
folgt, wie dies durch die Kennlinie 37 des Diagrammes der Fig. 6 gezeigt ist. Wird
ein solcher Abstandsgeber in Verbindung mit dem Meßumformer nach der vorliegenden
Erfindung verwendet und an die Stelle des Vergleichskondensators 4 des Schaltbildes
der Fig. 1 gesetzt, d.h., dem auf konstanten Ausgang geregelten Kompensationskreis
6 vorgeordnet, so ergibt sich entsprechend der Gleichung (5) eine Ausgangsspannung
U Ua, welche dem Kehrwert der Kapazität dieses Meßgebers proportional ist und damit
dem Plattenabstand bzw. Meßweg selbst proportional wird, wie dies die Kennlinie
38 in dem Diagramm der Fig. 6 zeigt. Es wird damit eine streng lineare Messung des
Stellweges erzielt, da einerseits die Kapazität diesem Meßwege d reziprok ist und
andererseits die Ausgangsspannung Ua der Kapazität reziprok folgt.
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Als wesentlich hat es sich herausgestellt, die auf einen konstanten
Wert einzuregelnde Aufgabengröße hinter der Gleichrichtung des Kompensationskreises
6 abzugreifen. Auf diese Weise werden alle Störungen in den gleichartig aufgebauten,
durch den Meßkreis sowie den Kompensationskreis dargestellten Kanälen sowie Drifterscheinungen
im Generator über die Regeleinrichtung ausgegliehen, so daß ein streng lineares
Verhalten unabhängig von äußeren Einflußen erzielt wird.
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Die Möglichkeit der Vertauschung der Eingänge, d.h. des Anschließens
des Gebers an den Kompensationskreis, ergibt darüber hinaus den Vorteil, die @ft
gewünschte streng reziproke Anzeige mit geringem Aufwande zu erreichen.
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Die Erfindung ist einer Anzahl von Vari@nten möglich. So kann bspw.
der Verstärkereingang anders gerchaltet werden; wesentlich ist jedoch, daß er eine
möglichst geringen Eingangswiderstand aufweist, damit die angestrebte Linearität
nicht beeinträchtig wird. Auch die Anordnung der Gleichrichter läßt sich abändern;
es hat sich jedoch gezeigt, daß bei der gewählten, eine Stromeinprägung bewirkenden
Anordnung temperaturbedingte Änderungen der Ventilkennlinie sich auf die Gleichrichtung
nicht auswirken sc daß auch Der die angestrebte Linearität gefördert wird. zur Meßumformer
eignet sich nicht nur zur Abgabe einer von ei.ne Geber abhängigen Spannung.
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Durch Zuführung von additiv, multiplikativ oder gar reziprok wirkenden
Spannungen lassen sich Verknüpfungen erzielen, welche im einfachsten Falle zur einfachen
Einstellung der gewünschen Kennlinie oder aber zur @@stellung von Meßbereichen verwendet
werden können, ind @i @@egengsamplitude bzw. -Frequenz des Generators 1 stuf@ weis
@@@dret werden. Die vielfältigen Beeinflussungsmögl@ b @l@en unter Wahrung strenger
Linearität erlauben die A@@ @ als Prozeßrechner.