DE2403874A1 - Differenzdruck-messgeber - Google Patents

Description

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Α-ητη.; I¹ISGHER & PORTER GMBH, 3401 Groß Ellershausen

Differenzdruck-Meßgeber

Die Erfindung "betrifft einen Differenzdruck-Meßgeber mit differenzdruckabhängigem Verstellglied und einem mit diesem gekuppelten elektrischen Rückstellmotor sowie einem die Abweichung des Verstellgliedes und des Rückstellmotors aus einer Nullpunktlage überwachenden und den Rückstellmotor im Sinne einer Beseitigung der Abweichung steuernden elektrischen Detektor.

Bei einem aus der US-PS 3 564 923 bekanntgewordenen Differenzdruck-Meßgeber dieser Art ist ein mit Membranen innerhalb von unterschiedlich beaufschlagten Druckkammern einer Kapsel gekuppeltes schwenkbares stabförmiges Verstellglied mit einem schwenkbaren bewickelten Motorteil des Rückstellmotors mechanisch gekuppelt. Mit dem Schwenkarm für den beweglichen Motorteil ist ein verstellbarer Detektor in Form eines Differential-Transformators gekuppelt, der den Stromkreis des Rückstellmotors beeinflußt. Die verwendeten mechanischen Kupplungsglieder und Justiereinrichtungen für die Meßbereichsverstellung sind aufwendig und empfindlich. Außerdem ist durch Umschaltung der in Abschnitte unterteilten Motorwicklung nur eine relativ grobe stufenweise Änderung des Meßbereiches möglich, so daß die feinstufige Änderung der einzelnen Stufen durch aufwendige mechanische Vorrichtungen erfolgen muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Einsparung an aufwendigen Kupplungsgliedern, Justiereinrichtungen und Yerstellvorrichtungen für die feinstufige Zwischenverstellung

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sowie unter Portfall einer in Abschnitte unterteilten und mit einer Vielzahl von Anschlußleitern versehenen Motorwicklung einen robusten, einfach aufgebauten und auf einfaohe Weise über den ganzen Meßbereich feinfühlig verstellbaren Differenzdruck-Meßgeber zu schaffen, der eine hohe, unveränderbare mechanische Übersetzung vom Rückstellmotor zum Angriffspunkt der Verstellkraft am Verstellglied hat.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt nach der Erfindung dadurch, daß der Detektor als verstellbare Kapazität ausgebildet und mit einem freischwingenden Multivibrator eines den Rückstellmotor beeinflussenden Rückkopplungskreises verbunden ist, und daß der durch elektrische Schaltmittel in seinem Meßbereich und seinem Nullpunkt gesondert einstellbare konstantspannungsbetriebene Rückkopplungskreis einen von der Detektorkapazität abhängig beeinflußten Nebenschluß am Rückstellmotor aufweist.

Die Meßbereichsänderung und gesondert davon die Nullpunktjustierung gelingt damit auf rein elektrische Weise.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind zum Gegenstand von tFnteransprüchen gemacht, wobei hervorzuheben ist, daß trotz der Beweglichkeit einzelner Teile des elektrischen Rückkopplungskreises keine biegebeanspruchten Verbindungsleiter notwendig sind.

Weitere Einzelheiten sind für ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den schematischen mechanischen Aufbau des Differenzdruck-Meßgebers nach der Erfindung,

Pig* 2 eine Draufsicht auf den kapazitiven Detektor des Meßgebers nach Pig. 1,

Pig. 3 ein Bockschaltbild des Rückkopplungskreises,

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I¹Xg. 4 ein Stromlaufbild des Rückkopplungskreises und Pig. 5 eine vereinfachte sohematische Darstellung des Meßbereichs/Nullpunkteinstellkreises.

Gemäß Pig. 1 hat der elektrische Differenzdruck-Meßgeber in bekannter Weise ein Meßelement zur Erfassung eines -Differenzdruckes und Umwandlung desselben in eine Verstellkraft, die an dem einen Ende eines stabförmigen schwenkbaren Verstellgliedes angreift, dessen anderes Ende von der Rückstellkraft eines Rückführmotors beaufschlagt wird.

Das Meßelement befindet sich unterhalb des Drehpunktes des Verstellgliedes 10 und enthält eine Kapsel mit zwei gleichen Druckkammern 11 und 12, in denen gewellte Membranen 11A und 12A aus Metall angebracht sind, die einen mit einer Püllflüssigkeit 13 gefüllten Zwischenraum einschließen. In den Druckkammern 12 bzw. 11- herrschen unterschiedliche Drücke, da sie über Plussigkeitsleitungen stromaufwärts und stromabwärts mit einer Lochblende innerhalb einer Prozeßleitung -verbunden sind, wobei der Differenzdruck zwischen den beiden Anschlußleitungen proportional der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit in der Prozeßleitung ist. Der Meßgeber kann daher unmittelbar in der Prozeßleitung an einer Stelle angeordnet sein, die von einer zentralen Regelstation entfernt ist, zu der die Meßdaten in Porm elektrischer Signale fernübertragen werden. Die dort empfangenen Signale können angezeigt, registriert oder zur Betätigung von Prozeßregelapparaten benutzt werden.

Die Membranen 11A und 12A sind miteinander durch eine waagrecht angeordnete Verbindungsstange 14 gekoppelt,,deren Mittelpunkt mit dem unteren Ende des senkrecht angeordneten stabförmigen Verstellgliedes 10 verbunden ist, das um einen Drehpunkt 17 im Bereich einer Verschlußmembrane 15 und durch nicht dargestellte senkrechte biegsame G-lieder schwenkbar gehalten ist. Abhängig von der Druckdifferenz an den Membranen 11A und 12A weicht die Verbindungsstange 14 nach links in

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einem entsprechenden Maße aus und verstellt dabei das stabförmige Verstellglied 10 im Uhrzeigersinn um den Drehpunkt

Die Füllflüssigkeit 13 dient als hydraulische Dämpfung von Störgrößen, wozu eine Drosselung der Flüssigkeitsströmung im Durchgang zwischen den Membranen durch ein im Zwischenraum eingefügtes Nadelventil 16 erfolgt. Zum Schutz der Membranen gegen Überlastung können sich diese an entsprechende gewellte Flächen der Kapsel anlegen.

Bei der Schwenkung des Verstellgliedes 10 um den Drehpunkt 17 wird an einem oberhalb des Drehpunktes 17 liegenden Hebelarm 18 des Verstellgliedes 10 eine nach rechts gerichtete Kraft übertragen, die an einer Kuppelstange 19 angreift, die rechtwinklig vom Hebelarm 18 absteht und deren anderes Bnde mit einer Kreuzschwenkachse 20 verbunden ist.

Mit der Kreuzschwenkachse 20 fällt der Drehpunkt 21A des Motorschwenkarms 21 zusammen, an dessen unterem Ende die bewegliche Spule 22 eines elektrodynamischen Rückstellmotors 23 angeordnet ist. Der Motorschwenkarm 21 mit der Spule 22 ist durch ein Auswuchtgewicht 24- am oberen Ende des Motorschwenkarmes 21 ausgewuchtet und dieses hierzu mit Justierschrauben 25 und 26 ausgestattet.

Eine Dämpfung des Rückstellmotors 23 wird in bekannter Weise durch eine rohrförmige Aluminiumhülse 27 erreicht, auf die die Spule 22 gewickelt ist. Die Spule 22 ist axial gegen den Pol 28 des Permanentmagneten 29 verstellbar, dessen anderes Ende am Motorgehäuse 30 befestigt ist. Der Rückstellmotor 23 ist temperaturkompensiert, indem der Permanentmagnet 29 durch ein nickellegiertes Hebenschlußelement 31 mit negativem Temperaturkoeffizienten der magnetischen Permeabilität geshuntet ist.

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Ebenfalls an der Kreuzschwenkachse 20 ist der schwenkbare Trägerarm 32 eines kapazitiven Detektors 33 gehalten, der eine dielektrische Platte 34 aus Borsilikatglas aufweist, deren Oberseite zur Bildung der festen unbeweglichen Elektroden 35» 36 entsprechend metallisiert ist.

Gemäß Pig· 2 wird die innere scheibenförmige Elektrode 35 unter Bildung eines ringförmigen metallfreien Spaltes 37 von der teilringförmigen Elektrode 36 umgeben. Der elektrische Anschluß zu den beiden Elektroden erfolgt an den Anschlußstellen 38 und 39. Die beiden Elektroden können auch als halbkreisförmige .Flächen ausgebildet und durch einen durchgehenden Spalt getrennt sein.

Die zwischen den Elektroden 35 und 36 bestehende Kapazität ist durch eine Metallarmatur 50 veränderbar, die einen veränderlichen Luftspalt an der Unterseite der dielektrischen Platte 34 bildet.Die Metallarmatur 50 ist am Trägerarm 32 durch ein dielektrisches G-laskugeIlager 40 isoliert und in einer bestimmten Position feststellbar gehalten. Der Detektor 33 ändert daher seine eingestellte Kapazität in Abhängigkeit von der Verstellung des Verstellgliedes 10. Somit bestimmt die Lage der Metallarmatur 50 zur Unterseite der Platte 34 die Kapazität zwischen den unbeweglichen Elektroden 35, 36, die mit gerätefesten und daher keinen Biegebeanspruchungen ausgesetzten Anschlußlei-tern an einen elektronischen Rückkopplungskreis angeschlossen sind, der ein Rüekführsignal erzeugt, das dem Rückstellmotor 23 zugeführt wird. Der Rück— Stellmotor 23 überträgt über den Motorschwenkarm 21 und die Kuppelstange 19 eine Rückstellkraft auf das Verstellglied entgegen der druckdifferenzabhängigen Verstellkraft.

Der durch die mechanische Übersetzung des Rückstellmotors 23 zur Kapsel bestimmte mechanische Meßbereich des Instruments ist unveränderlich und die gesamte Übersetzung deshalb einstufig. Das heißt, daß die zur Rückstellung notwendige

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Motorkraft an dem unveränderbaren Motorschwenkarm 21 auftritt, In der Praxis ist eine hohe mechanische Übersetzung (24 : 1) durch eine entsprechende Lage des Drehpunktes 21A des Motorschwenkarms 21, d.h. durch entsprechende Hebelübersetzung erreichbar.

In Fig. 3 ist der besagte·Rückkopplungskreis vereinfacht dargestellt. Die Verstellkraft wird dem Yerstellglied 10 an der Summenverbindung 41 zugeführt und dort mit der Rückstellkraft des Rückstellmotors 23 verglichen. Die verbleibende Differenzkraft bewirkt eine Verstellung des einstellbaren kapazitiven Detektors 33.

Der Detektor 33 ist mit einem freischwingenden Multivibrator 42 verbunden, dessen Tastverhältnis ein Maß für den jeweiligen Kapazitätswert des Detektors ist. Ein solcher freischwingender Multivibrator hat bekanntlich keinen stabilen Zustand. Die Änderung des Tastverhältnisses veranlaßt eine Änderung des Differenzgleichspannungsmittelwertes am Ausgang des Multivibrators 42. Diese Spannungsänderung wird in einem Integrator 43 summiert und einem Ausgangsverstärker 44 zugeführt.

Der Strom des Ausgangsverstärkers 44-bildet den in .einem Bereich veränderlichen "Gesamtstrom" J~ und stellt das Ausgangssignal des Meßgebers dar. Vom G-esamtstrom J„ fließt nur ein Teil J_M durch den Rückstellmotor 23, wobei das Verhältnis Gesamtstrom J_n zu Motorstrom J₁₁, bestimmt wird von einem Meßbereichs/Uullpunkteinstellkreis 45. Das Verhältnis gehorcht der linearen Beziehung:

J_M = S (J_ff) + Z,

wotoei S_ durch die Meßbereichsjustierung und Z durch die Nullpunkt justierung festgesetzt ist.

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Die vom Rückstellmotor 23 erzeugte Rückstellkraft ist dem Strom durch die Motorspule 22 proportional und wird mit der Verstellkraft an der Summenverbindung 41 verglichen. Wenn die Rückstellkraft kleiner als die Verstellkraft ist, "bleibt eine Differenzkraft übrig. Der Detektor 33 und der Integrator 43 sind so gestaltet, daß sie in diesem Fall eine Stromzunahme im Rückstellmotor herbeiführen, wodurch der Rückkopplungskreis in den abgeglichenen Zustand zurückgeführt wird.

Der Integrator 43 arbeitet dabei so, daß er eine sehr hohe Rückkopplungsverstärkung bei Nullfrequenz liefert (um die Differenzkraft zu beseitigen) und eine abnehmende Verstärkung sowie einen konstanten Verstärkungsbereich bei höheren Frequenzen ergibt, um eine dynamische Stabilität zu erhalten. Sein Verhalten kann etwa verglichen werden mit einem P-J-Verstärker (Kuo "Automatic Control System" Seite 141 bis 143).

Ein Spannungsregler 46 bildet eine KonstantSpannungsquelle für den Multivibrator 42, den Integrator 43, den Meßbereichs/ Nullpunkteinstellkreis 45 und den Stromregler 47. Der Stromregler 47 liefert einen Versorgungsstrom auch für den Verstärker A₁ im Meßbereichs/Nullpunkteinsteilkreis 45, wie dies nachfolgend näher erläutert wird.

Der von der positiven Klemme (+) der Speisequelle 48 zugeführte Gesamtstrom J~ teilt sich auf in den

1) Motorstrom J

2) Nebenschlaßstrom J„

3) Verstärkerstrom Jy und den

4) Kompensationsstrom J^-,

Der Stromregler 47 regelt die Summe aus Verstärkerstrom J-y und Kompensationsstrom J^ auf einen Festwert D, so daß gilt ^JG = ^JS ^{+ J}M ^{+ D}·

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Der Meßbereichs/Nullpunkteinstellkreis 45 bestimmt das Verhältnis zwischen Motorstrom J«, und Bebenschlußstrom Jq. Da der Summenstrom D auf einen konstanten Wert geregelt ist, kann das Verhältnis Motorstrom J™ zu Gesamtstrom J^₁ in gewünschter Weise festgelegt werden.

In Pig. 4 sind die Hauptelemente des Rückkopplungskreises dargestellt.

Der bekannte Multivibrator 42 enthält kreuzweise miteinander gekoppelte Transistoren Q^ und Q₂, deren Kollektoren einzeln mit den entsprechenden Eingängen eines Differenzverstärkers Ap im Integrator 43 verbunden sind. Wenn beispielsweise die Kapazität des Detektors 33 im Multivibrator unter den eingestellten Wert sinkt, dann ist der Transistor Qp langer gesperrt als der Transistor Q-. Somit ist der Spannungsmittelwert am Kollektor des Transistors Qp größer als der am Kollektor des Transistors Q., . Der Kollektor von Q₂ ist demnach positiv gegenüber dem Kollektor von Q^, wenn der Luftspalt des Detektors 33 größer als der eingestellte, und negativ, wenn der Spalt kleiner als der eingestellte Wert ist. Beim eingestellten Wert des Spaltes bei Nullage des Verstellgliedes 10 ist die Spannung des Multivibrators Null.

Die Ausgangsgröße des Differenzverstärkers Ap wird einem Transistor Qg zugeführt. Die Übertragungsfunktion des Differenzverstärkers Ap erzeugt einen Integralverstärkungsfaktor und einen Proportionalverstärkungsfaktor mit einer Hochfrequenzdämpfung. Due Übertragungsfunktion enthält also Proportional- und Integralglieder. Die Integralglieder bringen die Fehlerzustände gegen Null und die Proportionalglieder stabilisieren den Rückkopplungskreis.

Ein Kondensator G₇ stabilisiert den gewählten Teilverstärker kreis und der Widerstand Rp. bestimmt den Strom durch den Verstärker. Der Widerstand R₂₅ bildet eine Gegenkopplung für

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den Differenzverstärker Ap, während der Widerstand Rpg den Ausgangsstrom des Transistors Q₈ begrenzt und dadurch den Gesamtstrom J_& jeweils auf einen zulässigen Wert bei jedem Betriebszustand begrenzt.

Der Ausgangsverstärker 44 weist einen stromverstärkenden Transistor Qq auf, dessen Verstärkungsfaktor bestimmt wird durch das Verhältnis von Basiswiderstand R₁^, ^zum Emitterwiderstand B-OS* ^^er Aus gangs strom, d.h. der G-esamtstrom J_&, erscheint an der Klemme T. Der Kollektorwiderstand R₂Q ist notwendig, um einen Mindeststrom zu erhalten, der fließen muß, damit der Rückkopplungskreis beim Auftreten einer Verstellkraft arbeitsfähig ist.

Der Rückkopplungskreis wird von einer geregelten Spannungsquelle gespeist. Der Spannungsregler 46 ist ein Nebenschlußregler mit den Transistoren Q^ und Q.. Bei jedem Stromwert innerhalb des Regelbereiches ist der Spannungsabfall U, am Spannungsregler konstant und gleich dem Spannungsabfall an einer Zenerdiode OR^ und dem Transistor Q,. Die Zenerdiode CR_n, und der Transistor Q. sind so gewählt, daß sie gleiche aber entgegengesetzte Temperaturkoeffizienten haben, um den Temperatureinfluß zu beseitigen.

Der Stromregler 47 weist Transistoren Qp- und Qg auf, wobei der Basis des Transistors Qg eine konstante Spannung zugeführt wird. Die Emitter-Basis-Verbindungen der beiden Transistoren Q₁- und Qg sind so getroffen, daß die Netzspannung abfällt und dabei der Temperaturkoeffizient Hull wird. Somit ist der Spannungsabfall am Emitteriwderstand R._Q des Transistors Q₁-konstant.

Da der Strom durch den Emitterwiderstand R^₀ vom Strom des Differenzverstärkers A^ im Meßbereichs/Nullpunkteinsteilkreis 45 und vom Kompensationsstrom J^ durch den Transistor Qt- gebildet wird, ist die Summe dieser Ströme konstant.

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Es soll nunmehr die Schaltung und die Arbeitsweise des Meßbereichs/Nullpunkteinstellkreises 45 mit dem angeschlossenen Rückstellmotor 23 in Reihe mit der Diode CR. untersucht werden. Ein Nebenschlußpfad ist durch den Transistor Q„ gebildet, dessen Emitter mit der Diode CR. verbunden ist und dessen Kollektor über das Meßbereichspotentiometer R^₈ mit dem Rückstellmotor 23 in Verbindung steht. Der verstellbare Abgriff des Meßbereichspotentiometers R^ ist mit dem einen Ende eines ITullpunktpotentiometers R₁₁ verbunden, dessen verstellbarer Abgriff an einen Eingang des Differenzverstärkers A₁ angeschlossen ist.

In Mg. 5 ist für den Meßbereichs/lTullpunkteinstellkreis 45 ersichtlich, daß der Gesamtstrom J„ sich auf den Rückstellmotor 23 und den Transistor Q₇ als Iiebenschlußpfad aufteilt. Das Meßbereichspotentiometer R^o weist die beiden durch den verstellbaren Abgriff veränderbaren Teilwiderstandswerte A und B auf. Der Differenzverstärker A₁, dessen Ausgangsgröße der Basis des Transistors Q₇ zugeführt wird, arbeitet so, daß seine Eingangs spannung auf ITuIl gehalten wird. Daraus folgt also

J₃-A = (J_M.B) + E

mit J₃ als Strom durch den Transistor Q₇, J^ als Strom des Rückstellmotors 23 und E die dem einen Eingang des Differenzverstärkers A^ zugeführte Spannung.

Somit gilt: J₃ =

(J_M -B)₊E

(J_M -B)₊E J_n, + (E/A)

und J_M = J_& - J₃ = J_G £_ = ^J _& - ^jm <^B/A) + (VA),

also J«

Im Meßbereichs/Nullpunkteinstellkreis 45 ist die Spannung E bestimmt durch das Nullpunktpotentiometer R₁₁ und durch die spanimngsteilenden Widerstände R_1? und R_1ς.

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Die Widerstände R^g und R^₇ erlauben eine angenähert logarithmische Einstellung der Meßbereichscharakteristik. Dies ergibt einen konstanten Prozentsatz der Geschwindigkeitserfassung über den Einstellbereich. Der Spannungsabfall an der Diode CR. sichert auch bei sehr kleinem Motorstrom eine genügende Spannung für den Differenzverstärker A₁.

Die Anordnung ist so getroffen, daß der Meßbereich des Differenzdruck-Meßgebers mechanisch unveränderbar ist und die Nullpunkt- und Meßbereichseinstellung ausschließlich auf elektronische Weise bewerkstelligt wird, wobei das Meßbereichspotentiometer R.g für die Meßbereichseinsteilung und das HuIlpunktpotentiometer R^-, für die Nullpunkt eins te llung dient.

7 Patentansprüche
5 Figuren

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Claims (7)

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   Patentansprüche

   Differenzdruck-Meßgeber mit differenzdruckabhängigem Verstellglied und einem mit diesem gekuppelten elektrischen Rückstellmotor sowie einem die Abweichung des Verstellgliedes und des Rückstellmotors aus einer Nullpunktlage überwachenden und den Rückstellmotor im Sinne einer Beseitigung der Abweichung steuernden elektrischen Detektor, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (33) als verstellbare Kapazität ausgebildet und mit einem freischwingenden Multivibrator (42) eines den Rückstellmotor (23) beeinflussenden Rückkopplungskreises verbunden ist, und daß der durch elektrische Schaltmittel (R₁₁, R-iq) in seinem Meßbereich und seinem Nullpunkt gesondert einstellbare konstantspannungsbetriebene Rückkopplungskreis einen von der Detektorkapazität abhängig beeinflußten Nebenschluß (Q₇) zum Rückstellmotor (23) aufweist„
2. 2. Meßgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (33) eine gerätefeste dielektrische Platte (34) mit einseitig angeordneten Elektroden (35, 36) und Anschlußstellen (38, 39) sowie eine von der anderen Seite im Abstand gegen die Platte abhängig vom Verstellglied (10) bzw. dem Rückstellmotor (23) verstellbare Metallarmatur (50) zur Kapazitätsänderung aufweist.
3. 3. Meßgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückstellmotor (23) an einem schwenkbar gelagerten (21A) Motorschwenkarm (21) sitzt, der mit dem Verstellglied (10) über eine Kuppelstange (19) und mit einem Trägerarm (32) verbunden ist, an dem die Metallarmatur (50) feststellbar und isoliert durch ein G-laskugeIlager (40) gehalten ist.

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4. 4. Meßgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der von einem Spannungsregler (46) konstantspannungsgespeiste Multivibrator (42) einen ebenfalls konstantspannungsge— speisten Integrator (43) mit P-J-Verhalten beeinflußt, der ausgangsseitig einen.den G-esamtstrom (J^) des Rückkopplungskreises liefernden Ausgangsverstärker (44) steuert.
5. 5. Meßgeber nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenschluß von einem Transistor (Qy) gebildet ist, der in Steuerabhängigkeit von einem mit einem Stromregler (47) verbundenen Differenzverstärker (A..) gebracht ist, der über ein Nullpunktpotentiometer (R*-i) an den Spannungsregler (46) und über ein Meßbereichspotentiometer (R-tg) mit dem Rückstellmotor (23) verbunden ist und der Potentiometerabgriff über das Nullpunktpotentiometer (R^₁) mit dem Ausgangsverstärker (44, Qn) verbunden ist.
6. 6. Meßgeber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem einen verstellbaren Teilwiderstand (R-J₇) des Meßbereichs-. potentiometers (E-^q) sin Pestwiderstand (R-ig) parallelgeschaltet ist.
7. 7. Meßgeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator (43) aus einem eingangsseitig mit dem Multivibrator (42) gekoppelten Differenzverstärker (Ap) und einem in dessen Ausgang, angeordneten Transistor (Q₈) besteht.

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