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Einrichtung zum Messen der Dichte einer Plüssigkeit.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Messen der Dichte
einer Flüssigkeit, insbesondere der Säuredichte einer Akkumulatorbatterie eines
Kraftfahrzeuges zwecks Ermittlung ihres Ladezustandes, mit einem in die Flüssigkeit
eingetauchten, kapazitiven Meßfühler, dessen dichteabhängige Kapazitätsänderung
gemessen und angezeigt wird.
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Zur Messung der Dichte einer Flüssigkeit ist eine Einrichtung bekannt,
bei der der Druck der in einem Meßgefäß befindlichen Flüssigkeit unter Konstanthaltung
des Flüssigkeitsstandes ermittelt wird. Bei konstanter Temperatur der Flüssigkeit
ist dann die Dichte dem so gemessenen Flüssigkeitsdruck proportional.
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Diese Einrichtungen haben den Nachteil, daß sie einen relativ großen
Platzbedarf haben und darüber hinaus nur in den Fällen verwendet werden können,
wenn ein konstanter Flüssigkeitsstand im Meßgefäß aufrechterhalten werden kann.
Sie eignen sich infolgedessen nicht zur Messung der Säuredichte von Akkumulatorbatterien,
da sich in diesen der Säurestand ändert.
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Des weiteren ist eine Einrichtung zur Messung der Flüssigkeitsdichte
bekannt, die eine radioaktive Strahlungsquelle und einen Stahlungsdetektor aufweist,
zwischen denen sich die zu messende Flüssigkeit befindet. Die bekannte Einrichtung
nutzt die dichteabhängige Absorption von radioaktiven Strahlen aus. Auch bei dieser
Einrichtung muß dafür gesorgt werden, daß das zwischen der Strahlungsquelle und
dem Strahlungsdetektor vorhandene Flüssigkeitsvolumen konstant bleibt. Andernfalls
ergeben sich erhebliche Fehlmessungen. Hinzu kommt, daß bei Verwendung einer solchen
Einrichtung zur Messung der Säuredichte einer Akkumulatorbatterie eines Kraftfahrzeugs
der übliche Batteriebehälter
wegen des hohen Volumenanteils der
in-ihm befindlichen, die radioaktive Strahlung schwächenden- Elektroden und anderer
Feststoffe nicht unmittelbar als Meßgefäß benutzt werden kann, sondern ein mit dem
Batteriebehälter in Verbindung stehender Meßraum vorgesehen werden muß. Dies erfordert
aber eine konstruktive Änderung des herkömmlichen Batteriebeha#lters, was unerwUnacht
ist. Zudem eignet sich diese Einrichtung nur zur Messung größerer Dichteänderungen.
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Es sind des weiteren Einrichtungen bekannt, bei denen die Flüssigkeitsdichtemessung
mittels eines kapazitiven Wißfühlers durchgeführt wird, dessen dichteabhängige Änderung
seiner Dielektrizitätskonstanten bzw. seines Verlustwinkels mittels einer Brücke
gemessen und angezeigt wird. Diese Einrichtungen haben den Nachteil, daß zur Messung
insbesondere kleiner Änderungen dieser Größen, wie sie bei der Säuredichte einer
Akkumulatorbatterie vorkommen, aufwendige und teure Präzisionsbrücken erforderlich
sind. Darüber hinaus hat sich gezeigt, daß in dem in der Akkumulatorbatterie vorliegenden
Dichtebereich der Verlustwinkel ein Minimum durchläuft, also eine Funktion besitzt,
die nur unter hohem Aufwand auswertbar ist.
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Diese Nachteile der bekannten Einrichtungen sollen durch die Erfindung
überwunden werden. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen zu treffen, die
es gestatten, die Dichte einer Flüssig; keit und deren Änderung, insbesondere die
Säuredichteänderung einer Akkumulatorbatterie eines Kraftfahrzeugs mit möglichst
geringem Aufwand in einem Behälter unabhängig von dem jeweiligen Füllstandsniveau
zu messen.
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Ausgehend von der eingangs beschriebenen Einrichtung wird diese Aufgabe
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Meßfühler ein schwingungsbestimmendes Element
eines ersten Oszillators ist und ein zweiter, in eine Referenzflüssigkeit eingetauchter
Meßfühler
vorgesehen ist, der ein schwingungsbestimmendes Element eines zweiten Oszillators
ist, und beiden Oszillatoren eine eine von der Differenz der beiden Oszillatorfrequenzen
abhängige Spannung bildende Stufe nachgeschaltet ist, deren Ausgang mit einem Anzeigeinstrument
in Verbindung steht.
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Mit einer derartigen Einrichtung können, wie sich gezeigt hat, auch
geringe Flüssigkeitsdichteänderungen, wie sie bei der Säure von Akkumulatorbatterien
in Kraftfahrzeugen auftreten, einwandfrei gemessen und angezeigt werden, dies insbesondere
dann, wenn Oszillatoren verwendet werden, die gegen äußere Einflüsse unempfindlich
sind. Eine konstruktive Änderung des Flüssigkeitsbehälters bzw. Batteriegehäuses
ist, wie noch zu zeigen sein wird, nicht erforderlich. Schließlich kann die Einrichtung
unabhängig vom Jeweiligen Flüssigkeitsniveau betrieben werden. Voraussetzung hierfür
ist lediglich, daß der erste Meßfühler genügend tief in die Flüssigkeit ragt, was
olme Schwierigkeiten zu realisieren ist. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen
Einrichtung besteht darin, daß der Temperaturgang der Dichte der Flüssigkeit bei
geeigneter Anordnung der beiden Meßfühler weitestgehend aus der Messung eleminiert
werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist Jeder Oszillator als Phasendifferenzoszillator
mit zwei Weitwinkelphasenschieberstufen ausgebildet, die im Schwingungsfall eine
Phasendrehung von 360 Winkelgraden zwischen der Eingangs- und Ausgangsspannung des
Oszillators erzeugen. Solche Oszillatoren sind äußerst unempfindlich gegen äußere
Einflüsse, so daß auch kleine Änderungen der Meßfühlerkapazität bzw. -impedanz einwandfrei
gemessen werden können. An sich können auch Oszillatoren mit Verstärkern, die von
ihrem Ausgang über den kapazitiven Meßfühler auf den Eingang rückgekoppelt sind,
Verwendung ~5inden, jedoch hängt die Frequenz des so erzeugten Signals zu stark
von der Stabilität der Verstärkung und der Verzögerungszeit des Verstarkers ab,
von Größen also, die insbesondere in dem breiten Temperaturbereich, wie er für Kraftfahrzeugmeßgeräte
gefordert wird, nicht genügend konstant
gehalten werden können.
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Da bei einer Belastung der Ausgänge der Phasenschieber sich die Phasenlage
der Spannung verändern kann, empfiehlt es sich, die Weitwinkelphasenschieber mit
Darlingtontransistoren aufzubauen, d.h., die Spannungen an den Phasenschieberausgängen
hochohmig abzugreifen. Des weiteren hat es sich als zweckmäßig erwiesen, zur Erhöhung
der Frequenzkonstanz der Oszillatoren im Ausgang jedes Oszillators einen Amplitudenregelkreis
vorzusehen. Dieser kann durch einen Feldeffekttransistor realisiert werden, der
in den Cegenkopplungszweig der zweiten Stufe des Oszillators eingeschaltet ist.
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Die eine von der Differenz der beiden Oszillatorfrequenzen abhängige
Spannung bildende Stufe besteht in einer bevorzugten Ausführungsform aus einem mit
den beiden Oszillatorausgängen verbundenen Modulator, einem diesem nachgeschalteten
Tiefpass, einem mit dessen Ausgang in Verbindung stehenden Schmitt-Trigger und einem
Demodulator. Aus den im Modulator erzeugten Frequenzsignalen wird durch den Tiefpass
das Signal mit der Frequenz, die gleich der Differenz der beiden Oszillatorfrequenzen
ist, ausgefiltert. Dieses Signal wird mittels des Schmitt-Triggers zu Impulsen gleicher
Amplitude umgeformt und aus diesen im Demodulator eine frequenzproportionelle Spannung
gebildet.
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Im Hinblick darauf, daß sich insbesondere bei der Messung der Säuredichte
einer Akkumulatorbatterie die von den Oszillatoren herrührenden Frequenzen um weniger
als 10% unterscheiden und die Resonanzfrequenzen bei ungefähr einem Kilohertz liegen,
und sich daher die in der Hochfrequenztechnik üblichen Modulatoren weniger gut für
den vorliegenden Zweck eignen, ist am zweckmäßigsten als Modulator eine Summationsschaltung
mit einem dieser nachgeschalteten Gleichrichter vorgesehen. Die Summationsschaltung
erzeugt hierbei eine Schwebungsspannung, aus der durch die Nichtlinearität des Gleichrichters
ein Signal mit der Differenzfrequenz gebildet wird.
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Zur Umwandlung der vom Schmitt-Trigger abgegebenen Impulse gleicher
Amplitude in eine frequenzproportionale Spannung können die üblichen Demodulatoren
für frequenzmodulierte Schwingungen, wie Ratiodetektoren, Phasendiskriminatoren,
Schwingkreisflankengleichrichter oder dergleichen, verwendet werden. Da jedoch insbesondere
bei der Messung der Säuredichte einer Akkumulatorbatterie die Differenzfrequenz
bei den in der Akkumulatorbatterie vorkommenden Extremwerten der Dichte zwischen
O und 100 Hz liegt, ist am zweckmäßigsten als Demodulator ein Frequenzspannungs-Wandler
vorgesehen, dessen Eingang mit einem Rechteckimpulse konstanten Strom-Zeit- bzw.
Spannungs-Zeit-Integrals erzeugenden monostabilen Multivibrator beschaltet und an
dessen Ausgang ein Integrator angeschlossen ist. Eine andere Möglichkeit besteht
darin, als Demodulator ein differenzierendes RC-Glied vorzusehen, dem eine einen
Effektivwert bildende Stufe nachgeschaltet ist. Ein solcher Demodulator hat den
Vorteil, daß er aus wesentlich weniger Bauteilen besteht und somit erheblich billiger
ist als der zuvor beschriebene.
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Eine weitere Vereinfachung und damit Verbilligung läßt sich dadurch
erzielen, daß die den Effektivwert bildende Stufe durch das Anzeigeinstrument substituiert
ist.
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Bei sehr geringen Differenzfrequenzen kann es geschehen, daß der Zeiger
des Anzeigeinstruments schwingt. Ein derartiger Effekt kann durch eine Nullpunktsverschiebung
unterdrückt werden, die am zweckmäßigsten dadurch erreicht wird, daß das Anzeigeinstrument
mit einer einen dem Meßstrom entgegengesetzt gerichteten Strom durch das Anzeigeinstrument
leitenden Stromquelle verbunden ist, so daß das vom Anzeigeinstrument gebildete
Strom-Zeit-Integral für die niedrigste vorkommende Meßfrequenz, die der geringsten
Säuredichte zugeordnet ist, gerade Null ist, dann also kein Zeigerausschlag erfolgt.
Ein solcher entgegengesetzt gerichteter Strom kann mit Vorteil aus der Ausgangsspannung
des zweiten Oszillators gewonnen werden.
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Bekanntlich ist die Dichte einer Flüssigkeit temperaturabhängig und
zwar nimmt sie mit steigender Temperatur ab.
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Dies ist in gleicher Weise bei der Dichte der Säure in einer Akkumulatorbatterie
der Fall. Da jedoch die Viskosität der Säure mit steigender Temperatur ebenfalls
abnimmt und dieser Effekt den anderen überwiegt, kann bei zunehmender Temperatur
trotz abnehmender Dichte der Säure der Akkumulatorbatterie mehr Ladung entnommen
werden. Diese Abhängigkeit kann bei Verwendung einer Stromquelle zur Nullpunktsverschiebung,
wie sie zuvor beschrieben wurde, in besonders einfacher Weise dadurch berücksichtigt
werden, daß die Stromquelle in Abhängigkeit von der Temperatur der Flüssigkeit bzw.
Säure steuerbar ist. Zur Ansteuerung der Stromquelle kann ein Temperaturfühler benutzt
werden oder, was besonders vorteilhaft ist, der dem in die Referenzflüssigkeit eingetauchte
Meßfühler zugeordnete zweite Oszillator, da die Frequenz seines Ausgangssignals
ausschließlich von der Temperatur der Referenzflüssigkeit und somit, wenn Referenzflüssigkeit
und zu messende Flüssigkeit räumlich benachbart sind, von der Temperatur der auszumessenden
Flüssigkeit abhängt.
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Jeder Meßfühler besteht in bekannter Weise aus zwei im Abstand zueinander
angeordneten Elektroden. Die Elektrodenform kann nahezu beliebig gewählt werden.
Es hat sich jedoch als zweckmäßig erwiesen, Jeden Meßfühler aus zwei konzentrisch
zueinander angeordneten Elektroden aufzubauen. Dadurch können Störeinflüsse weitestgehend
ausgeschaltet werden. Die Auswahl des für die Elektroden verwendbaren Materials
richtet sich im wesentlichen nach den Eigenschaften der Flüssigkeit. Soll die Einrichtung
zur Messung der Säuredichte einer Akkumulatorbatterie eines Kraftfahrzeugs herangezogen
werden, so müssen die Elektroden
beständig gegen 25 bis 30Die Schwefelsäure
sein. Dies wäre beispielsweise bei Elektroden aus reinem Gold oder aus Cadmium oder
Blei in sehr hohen Reinheitsgraden der Fall. Die genannten Materialien sind jedoch
sehr weich, so daß die Elektroden bereits bei geringen mechanischen Belastungen
deformiert werden und daher für die vorliegenden Zwecke wenig geeignet sind. Ein
Aufbringen dieser Materialien auf einen säurebe#ändigen Träger mittels üblicher
Verfahren verbietet sich, da die hierbei erforderlichen Zwischenschichten von der
Schwefelsäure angegriffen werden.
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Diese Schwierigkeiten können dadurch umgangen werden, daß Jeder Meßfühler
aus zwei Trägern aus einem säurebeständigen Kunststoff besteht, auf die jeweils
eine Leitschicht, beispielsweise aus Silber, und darüber eine dünne Schutzschicht
aus einem säurebeständigen Kunststoff aufgebracht sind. Die Verbindung der Schutzschicht
mit dem Träger kann durch Verschweißen oder mittels eines geeigneten Klebers erfolgen.
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Als vorteilhaft hat sich die Verwendung von Polymethylmethacrylat
für die Träger und Schutzschichten erwiesen.
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Eine in fertigungstechnischer Hinsicht vorteilhaftere Ausführungsform
für die Meßfühler besteht darin, daß Jeder Meßfühler aus zwei- Metallelektroden
besteht, die mit einer säurebeständigen Glasur überzogen sind. Da die Glasuren bei
hohen Temperaturen auf die Metallelektroden aufgebracht werden, ist es zur Erzielung
eines rißfreien Überzuges erforderlich, daß die Metallelektroden den gleichen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten besitzen wie die Glasur. Diese Forderung läßt sich jedoch
ohne Schwierigkeiten erfüllen, da mahezu Jeder gewünschte thermische Ausdehnungskoeffizient
durch Legieren verschiedener Metalle realisiert werden kann. Als vorteilhaft hat
sich eine Glasur aus Titandioxyd erwiesen, ein Material, das sich besonders problemlos
verarbeiten läßt. Ebenfalls
möglich ist die Verwendung von polarisiertem
Bariumtitanat, das eine wesentlich größere Dielektrizitätskonstante wie die Schwefelsäure
besitzt und infolgedessen besonders gut für die vorliegenden Zwecke geeignet wäre.
Nachteilig ist jedoch, daß sich Metalle lediglich in Bariumtitanat einschmelzen
lassen und dieses Einschmelzen äußerst aufwendig ist.
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In-einer bevorzugten Ausführungsform ist der der Referenzflüssigkeit
zugeordnete Meßfühler von einem mit der Referenzflüssigkeit gefüllten Topf umgeben,
der mit dem Meßfühler eine Baueinheit bildet. Dies erleichtert die Handhabung der
Finrichtung beträchtlich.
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Des weiteren hat es sich bei einer zur Messung der Säuredichte einer
Akkumulatorbatterie vorgesehenen Einrichtung als vorteilhaft erwiesen, Jeden Meßfühler
an einem Ende als Batterieverschluß stopfen auszubilden. Ein derartiger Aufbau der
Meßfühler erfordert nicht nur keinerlei konstruktive Änderungen am Batteriegehäuse
sondern auch keine zusätzlichen Befestigungsmittel für die Meßfühler, so daß die
Montage der gesamten Einrichtung im Kraftfahrzeug von ungeschultem Personal und
damit auch vom Fahrzeughalter selbst durchgeführt werden kann.
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Die iinrichtung sei anhand der#Zeichnung, die in zum Teil schematischer
Darstellung ein Ausführungsbeispiel enthält, näher erläutert. Es zeigen Fig.1 einen
Längsschnitt durch einen Meßfühler, Fig.2 einen Längsschnitt durch einen Meßfühler
mit einem mit der Referenzflüssigkeit gefüllten Topf und Fig.3 ein Schaltbild der
Einrichtung.
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Jeder der beiden für eine Einrichtung zum Messen der Säuredichte einer
Akkumulatorbatterie vorgesehenen Meßfühler 1 und 2 besitzt zwei konzentrisch zueinander
angeordnete Elektroden 3 und 4, von denen jede aus einem elektrisch leitenden Metallteil
5 und einem Überzug 6 aus Titandioxyd besteht. Beide Elektroden 3 und 4 sitzen in
einer Halterung 7, die als Batterieverschlußstopfen ausgebildet ist. Die Halterung
7 umfaßt einen Kopf 8, dessen Umfang mit einer Rändelung 9 versehen ist und einen
Gewindeabschnitt 10, der zum Einschrauben der Halterung 7 in eine normalerweise
für einen Batterieverschluß stopfen vorgesehene Gewindebohrung im Deckel des Akkumulators
dient.
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Der der Referenzflüssigkeit zugeordnete Meßfühler 2 besitzt, wie aus
Figur 2 hervorgeht, einen weiteren Gewindeabschnitt ii geringerer Querschnittsabmessung,
auf den ein Topf 12 2 mit einem Innengewinde aufschraubbar ist. Der Topf 12 dient
zur Aufnahme der Referenzflüssigkeit, die in vorliegendem Fall Schwefelsäure mit
einer Konzentration ist, wie sie der im Batteriebehälter befindlichen Säure entspricht.
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Der elektrische Teil der Einrichtung umfaßt zwei Phasendifferenzoszillatoren
13 und 14, wovon lediglich einer detailliert dargestellt ist, da sie beide völlig
identisch aufgebaut sind, einen Modulator 15f einem diesem nachgeschalteten bekannten
Tiefpass 16, einen daran angeschlossenen Verstärker 17 üblicher Bauart, einen mit
diesem verbundenen Schmitt-Trigger 18 bekannten Aufbaus, und eine Endstufe mit einem
Demodulator 19, einem Anzeigeinstrument 20 und einer gesteuerten Stromquelle 21.
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Jeder der beiden Phasendifferenzoszillatoren 13 und 14 besteht aus
zwei Weitwinkelphasenschiebern 22 und 23, die Jeweils an Kollektor und Emitter eines
Darlingtontransistors 24 bzw. 25
liegen. Als phasenverschiebende
Elemente sind im ersten Phasenschieber 22 ein Widerstand 26 und die Impedanz des
Meßfühlers 1 bzw. 2 und im zweiten Phasenschieber 23 ein Widerstand 27 und ein Kondensator
28 vorhanden. Die Anschlüsse des Widerstandes 27 und des Kondensators 28 sind in
Bezug auf den ersten Phasenschieber 22 vertauscht, so daß am zweiten Phasenschieber
23 die Ausgangsspannung zur Eingangsspannung den Phasenwinkel# P (C,R, ) + t hat.
Die Phasenverschiebung der Gesamtschaltung beträgt also = « + + x, wobei der Phasenverschiebungswinkel
des ersten Phasenschiebers 22 ist.
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Der Oszillator schwingt, wenn Ausgangs- und Eingangsspannung phasengleich
sind, also wenn =2t ist. Da die beiden Darlingtontransistoren 24 und 25 keine Spannungsverstärkung
bewirken, ist zur Erzielung einer stationären Schwingung eine tnergierückführung
erforderlich, die durch das RC-Glied 29 realisiert ist.
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Um eine gute Frequenzkonstanz zu erreichen, ist ein Amplitudenregelkreis
30 vorhanden. Dieser enthält unter anderem einen Feldeffekttransistor 31, der in
den Gegenkopplungszweig des Darlingtontransistors 25 eingeschaltet ist. Wie sich
gezeigt hat, besitzt ein derartiger Oszillator eine sehr hohe Temperaturstabilität.
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Aus den von den beiden Oszillatoren 13 und 14 abgegebenen Frequenzsignalen
wird im Modulator 15 ein Differenzfrequenzsignal gebildet und zwar dadurch, daß
die beiden Signale in einer aus den beiden Widerständen 32 und 33 bestehenden Summationsschaltung
34 summiert werden und das so erhaltene Schwebungasignal dem als Gleichrichter arbeitenden
Feldeffekttransistor 35 zugeführt wird. Durch die Nichtlinearität der Gleichrichtung
entsteht dann unter anderem das Differenzfrequenzsignal.
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Das am Ausgang des Modulators 15 zur Verfügung stehende Signal enthält
als niedrigste Frequenz die Differenzfrequenz. Diese wird durch den Tiefpass 16,
der vom aktiven Typ ist, ausgefiltert.
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Nach Verstärkung des Differenzfrequenzsignals im Verstärker 17 wird
dieser mittels des Schmitt-Triggers in eine Impulsfolge mit Impulsen konstanter
Amplitude umgeformt, die dem Demodulator 19 über eine Verstärkerstufe zugeführt
wird. In diesem werden die einzelnen Impulse mittels des RC-Gliedes 36 differenziert
und man erhält eine Folge von einander gleichen Impulsen, mit denen das Anzeigeinstrument
20 gespeist wird, das den arithmetischen Mittelwert bildet, der der Differenz frequenz
proportional ist.
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Zur Nullpunktsunterdrückung und zur Temperaturbewertung der Anzeige
nach der bekannten Abhängigkeit des Ladungszustandes von Aklnumulatorbatterien steht
das Anzeige instrument 20 des weiteren mit der steuerbaren Stromquelle 21 in Verbindung,
die einen dem Meßstrom entgegengerichteten Impuls strom durch das Anzeigeinstrument
20 schickt. Die Steuerung der Stromquelle 21 erfolgt, wie ersichtlich, durch das
Ausgangssignal des zweiten Oszillators 14, der dem in die Referenzflüssigkeit eingetauchten
Meßfühler 2 zugeordnet ist.