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Potentiometerschaltung
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Die Erfindung betrifft eine Potentiometerschaltung mit einem Schleifer,
an dem ein der Stellung eines Stellgliedes oder dergl. entsprechendes Rückmeldesignal
abgreifbar ist.
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Zur Rückführung des Stellweges von Stellmotoren oder dergl., wie sie
beispielsweise für Verntile usw. vorgesehen sind, bzw. zur Erzeugung eines der Stellung
eines Stellgliedes entsprechenden Rückmeldesignals werden in den meisten Fällen
Potentiometerschaltungen verwendet, wobei der Schleifer des Potentiometers der Stellbewegung
des Stellmotors oder Stellgliedes folgt. Wenn Beginn und Ende des Stellweges durch
die Bauart des Stellgliedes festgelegt sind, dann genügt es, bei derartigen Potentiomterschaltungen
den Drehwinkel eines handelsüblichen Potentiometers ein für allemal auf den Stellweg
abzustimmen.
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In vielen Anwendungsfällen ist es jedoch erforderlich, oder jedenfalls
zweckmäßig, den Beginn und das Ende des Stellweges ersts dann an dem Stellglied
einzustellen, wenn dieses bei dem Einbau in einer bestimmten Anlage vorbereitet
wird bzw. nachdem es bereits in diese Anlage eingebaut ist.
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Eine derartige Einstellung des Stellweges in Abhängigkeit von dem
speziellen Verwendungszweck des Stellgliedes bringt nun insofern Schwierigkeiten
mit sich, daß bei Verwendung eines üblichen Rückführpotentiometers zur Erzeugung
eines Rückmeldesignales dessen Potentiometerbereich entweder über-oder unterschritten
wird. Im ersteren Fall muss dann ein anderes Potentiometer bestellt werden, was
unerwünscht ist. In letzterem Falle wird der Stellweg des Potentiometers nicht voll
ausgenutzt. Je kleiner jedoch der ausgenutzte Stellweg relativ zum maximalen Stellweg
ist,
umso größer ist der Fehler in dem von der Rückführpotentiometerschaltung
erzeugten Rückmeldesignal. Es ergibt sich dann also, daß das Stellungs-Rückmeldesignal,
welches einem Regler oder einer Anzeigeeinheit zugeführt wird, mit erheblichen Fehlern
behaftet ist.
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Ausgehend vom Stand der Technik und der vorstehend aufgezeigten Problematik
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Potentiometerschaltung
anzugeben, mit deren Hilfe auch bei einem innerhalb weiter Grenzen veränderlichen
Stellweg des Potentiometerschleifers ein genaues Rückmeldesignal erzeugbar ist.
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Diese Aufgabe ist bei einer Potentiometerschaltung der eingangs beschriebenen
Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei zusätzliche Schleifer vorgesehen sind,
die auf die gewünschten Endstellungen des das Rückmeldesignal bestimmenden ersten
Schleifers einstellbar sind und zwischen denen eine fest vorgegebene Speisespannung
an dem von ihnen abgegriffenen Bereich der Potentiometerbahn anlegbar ist.
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Der entscheidende Vorteil der Potentiometerschaltung gemäß der Erfindung
besteht also darin, daß mit Hilfe zweier zusätzlicher Schleifer über einem dem eingestellten
Stellweg entsprechenden Teilstück der Potentiometerbahn eine fest vorgegebene Speisespannung
anlegbar ist, so daß unabhängig von der Länge des Stellweges im Einzelfall für die
Erzeugung des Rückmeldesignals, welches an dem ersten Schleifer abgegriffen wird,
stets der volle Spannungshub zur Verfügung steht.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, daß die beiden
zusätzlichen Schleifer unmittelbar an die Pole der Speisespannungsquelle angeschlossen
sind, da es sich in diesem Fall als besonders einfach erweist, die fest vorgegebene
Speisespannung, nämlich die Ausgangsspannung der Speisespannungsquelle, an das von
dem ersten Schleifer überlaufene Teilstück der Potentiometerbahn anzulegen, dessen
Länge proportional zu dem jeweils eingestellten Stellweg des zugeordneten Stellgliedes
ist.
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Es kann in vielen Fällen auch mit Vorteil vorgesehen sein, dass die
beiden zusätzlichen Schleifer mit einem Regelkreis verbunden sind, mit dessen Hilfe
an die Enden der gesamten Potentiometerbahn eine solche Spannung anlegbar ist, daß
an dem von den beiden zusätzlichen Schleifern begrenzten Bereich der Potentiometerbahn
die fest vorgegebene Spibespannung anliegt. Durch diese Ausgestaltung kann nämlich
die Einspeisung der Speisespannung über die zusätzlichen Schleifer, was in gewissen
Fällen die Verwendung eines zusätzlichen Potentiometers erforderlich machen würde,
vermieden werden. Stattdessen erfolgt die Einspeisung über die üblichen Anschlüsse
an den Enden der Potentiometerbahn, so daß selbst bei geringem Abstand zwischen
den beiden zusatzlichen Schleifern ein billiges Schichtpotentiometer Verwendung
finden kann.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1-3 schematische Schaltbilder dreier verschiedener
bevorzugter Ausführungsformen von Rückführpotentiometerschaltungen gemäß der Erfindung.
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Fig. 1 zeigt eine besonders einfache Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Rückführpotentiometerschaltung, bei der als Potentiometer 10 insbesondere ein Drahpotentiometer
vorgesehen sein kann, welches einen ersten, mit einem Stellglied 9 oder dergl. gekoppelten
Schleifer 10a und zwei zusätzliche Schleifer 1Ob, 10c aufweist. Die zusätzlichen
Schleifer 1Ob, 10c des Potentiometers 10 sind unmittelbar mit den Polen 12 bzw.
14 einer Speisespannungsquelle verbunden. Stellt man nun die zusätzlichen Schleifer
10b,10c so ein, daß ihre Lage dem Anfang bzw. dem Ende des Stellglied-Stellweges
entspricht, so liegt an dem Teilstück der Potentiometerbahn des Potentiometers 10
zwischen den beiden zusätzlichen Schleifern 10b, 10c stets die volle Ausgangsspannung
der Speisespannungsquelle an, d.h.eine fest vorgegebene Speisespannung. An dieser
Speisespannung kann nun durch den durch das Stellglied 9 (bspw. ein Ventilstellglied,
ein Stellmotor oder dergl.) bewegten ersten Schleifer 10a ein dem jeweiligen Stellweg
des Stellgliedes entsprehender Anteil zwischen Null und 100t abgegriffen werden.
Beim Ausführungsbeispiel ist der erste Schleifer 10a mit dem einen Eingang (-) eines
Operationsverstärkers 16 verbunden, und zwar über einen hochohmigen Widerstand 18,
mit dessen Hilfe die Belastung des Potentiometers 10 auf ein Minimum reduziert wird.
Der zweite
Eingang (+) des Operationsverstärkers 16 erhält über
den Abgriff eines Spannungsteilers aus Widerständen 20 und 22 ein aus der Speisespannung
abgeleitetes Bezugspotentional. Der Operationsverstärker 16 dient als Impedanzwandler
und liefert an seinem ausgang 24 ein dem jeweiligen Stellweg des überwachten STellgliedes
9 entsprechendes Rückmeldesignal. Vorzugsweise ist dem Operationsverstärker 16 zur
Stabilisierung und zur Einstellung der Verstärkung ein Rückkopplungszweigmit einem
Widerstand 26 zugeordnet, wie dies in Fig. 1 mit gestrichelten Linien angedeutet
ist.
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Bei der Rückführpotentiometerschaltung gemäß Fig. 1 wird die Speisespannung
für den Operationsverstärker 16 mittels einer Gleichrichterbrücke 28 gewonnen, die
zwischen den. Polen 12, 14 der Speisespannungsquelle liegt und sicherstellt, daß
dem Operationsverstärker 16 stets eine Versorgungsspannung der richtigen Polarität
zugeführt wird, und zwar unabhängig davon, ob der Pol 12 den positiven Pol und der
Pol 14 den negativen Pll der als Gleichspannungsquelle ausgebildeten Speisespannungsquelle
bildet oder umgekehrt.
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Die zusätzlichen Schleifer 10b, 10c dienen, wie gesagt, der Festlegung
von Anfang und Ende des Stellweges und können bspw. mit Endschaltern eines Stellmotors
gekoppelt sein. Eine exakte Einspeisung über die zusätzlichen Schleifer 1Ob, 10c
ist bei der Schaltung gemäß Fig. 1 insbesondere bei kurzen Stellwegen nur dann gewährleistet,
wenn das Potentiometer 10 als Drahtpotentiometer ausgebildet ist. Bei der Verwendung
eines Schichtpotentiometers
in dieser Schaltung können sich nämlich
an den Einspeisepunkten, d.h. an den zusätzlichen Schleifern 1Ob, 10c in der Potentiometerbahn
überhöhte Stromdichten ergeben, die zu erheblichen Stellungsmeßfehlern führen können.
Diese Schwierigkeit läßt sich zwar bei der Verwendung von Schichtpotentiometern
dadurch weitgehend vermeiden, daß die zusätzlichen Schleifer 10b, 10c auf der gesamten
Breite der Potentiometerbahn bzw. der Widerstandsschicht aufliegen; doch bringt
auch dies in der Praxis Schwierigkeiten mit sich, da am Anfang bzw. am Ende des
Stellweges zwischen den zusätzlichen Schleifern 1Ob, 10c und dem ersten Schleifer
10a praktisch kein Abstand mehr vorhanden ist, so daß letzterer gewissermassen auf
die zusätzlichen Schleifer 10b, 10c auflaufen müßte.
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Andererseits läßt sich mit einem Drahtpotentiometer insbesondere bei
kleinen Stellwegen, d.h. bei einem geringen Abstand zwischen den beiden zusätzlichen
Schleifern 1Ob, und 10c nur eine begrenzte Auflösung erreichen und es fließt außerdem
ein relativ hoher Strom über das Potentiometer, da sich ein Drahtpotentiometer nicht
beliebig hochohmig herstellen läßt. Die Potentiometerschaltung nach Fig. 1 ist deshalb
bevorzugt für relativ lange Stellwege des ersten Schleifers 10a einsetzbar.
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Bei der abgewandelten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rückführpotentiometerschaltung
gemäß Fig. 2 ist dies vermieden und es
ist ebenfalls wieder ein
Potentiometer 10 vorhanden, das hier jedoch ohne weiteres ein Schichtpotentiometer
mit drei Schleifern 10a, 10b, 10c sein kann. Die Speisung des Potentiometers 10
erfolgt an den üblichen Endkontaktierungen 7, 7' der Potentiometerbahn (im Falle
eines Schichtpotentiometers ist dies die Widerstandsschicht) über Leitungen 30,
32. Die Leitungen 30, 32 stellen die Ausgangsleitungen zweier Operationsverstärker
34 und 36 dar. Zwischen den Polen 12, 14 der Speisespannungsquelle liegt ein Spannungsteiler
aus drei Widerständen 38, 40, 42, zwischen denen feste Abgriffe 44, 46 vorgesehen
sind, die jeweils mit dem einen Eingang (+) eines der Operationsverstärker 34 bzw.
36 verbunden sind. Der zweite Eingang (-) der beiden Operationsverstärker 34,36
ist jeweils mit einem der beiden zusätzlichen Schleifer 1Ob, bzw. 10c verbunden.
Aufgrund der beschriebenen Schaltung regeln die Operationsverstärker 34 und 36 die
Spannungsänderungen an den Anschlüssen 7 und 7' des Potentiometers 10 derart, daß
sich die Spannung zwischen den zusätzlichen Schleifern 1Ob und 10c auf den Wert
des Spannungsabfalles über dem Widerstand 40 des Spannungsteilers 38, 40, 42 und
damit auf eine fest vorgegebene Speisespannung einstellt. Durch diese Art der Speisung
des Potentiometers 10 wird eine gleichmäßige Stromdichte über der gesamten Widerstandsschicht
bzw. Potentiometerbahn erreicht und die bei einem Schichtpotentiometer nachteilige
punktförmige Einspeisung vermieden. Außerdem ist bei gleichmäßiger Stromverteilung
über die gesamte Breite der Potentiometerbahn das von dem ersten Schleifer 10a abgetastete
Potential ein sehr genaues Maß für dessen
Lage zwischen den beiden
zusätzlichen Schleifern. Damit die Abtastung des Potentials durch den ersten Schleifer
10a praktisch leistungslos erfolgen kann, ist wieder, d.h.
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wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1, der als Impedanzwandler
dienende Operationsverstärker 16 vorgesehen, welcher bei der gezeigten äußeren Beschaltung
eine Verstärkung von 1 hat. Ferner ist wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.
1 wieder eine Gleichrichterbrücke 28 vorgesehen, welche der Speisung der Operationsverstärker
16, 34, 36 dient und außerdem die Möglichkeit eröffnet, durch Vertauschen der Pole
12, 14 eine Invertierung des Rückmeldesignals am Ausgang 24 zu erreichen, d.h. eine
Umkehrung der Zuordnung des abgegriffenen Potentials zu den beiden Endstellungen.
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Ein besonderer Vorteil der Schaltung gemäß Fig. 2 besteht auch darin,
daß bei Verwendung eines Schichtpotentiometers als Potentiometer 10 der Widerstandswert
der Potentiometerbahn, d.h. der Widerstandsschicht beliebig hochohmig gewählt werden
kann, so daß der Mindestabstand zwischen den zusätzlichen Schleifern lOb, 10c wesentlich
geringer gewählt werden kann als bei einem Drahtpotentiometer, ohne daß es dadurch
zu einer Überlastung des Potentiometers kommt. Ferner ist das vom ersten Schleifer
abgegriffene, dem Stellweg des Stellglieds 9 entsprechende Signal unabhängig vom
Abstand der zusätzlichen Schleifer 10b, 10c. Ein weiterer Vorteil der Verwendung
eines Schichtpotentiometers liegt in seinem gegenüber einem Drahtpotentiometer wesentlich
günstigerem Preis. Schließich kann die Potentiometerbahn bzw. Widerstandsschicht
ausreichend breit gewählt werden, um den ersten Schleifer 10a mit
genügendem
Querabstand bis in Höhe der zusätzlichen Schleifer 1Ob, 10c bewegen zu können. Gegenüber
diesen Vorteilen fallen die zusätzlichen Kosten für die Operationsverstärker 16,
34, 36 kaum ins Gewicht, zumal diese Operationsverstärker Bestandteile eines in
einem einzigen Gehäuse untergebrachten Mehrfachoperationsverstärkers sein können,
wie er auf dem Markt preiswert erhältlich ist.
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Die Rückführpotentiometerschaltung gemäß Fig. 3 entspricht in ihrer
Wirkungsweise und ihren Vorteilen im wesentlichen der Schaltung gemäß Fig. 2. Abweichend
von dieser vorbeschriebenen Schaltung ist jedoch der als Impedanzwandler dienende
Operationsverstärker 16, derart beschaltet, daß das von dem ersten Schleifer 10a
leistungslos abgetastete Potential verstärkt werden kann.
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Hierdurch ist es möglich, die Spannung zwischen den zusätzlichen Schleifern
1Ob, 10c extrem niedrig zu wählen, ohne daß dadurch der Spannungshub des Rückmeldesignales
am Ausgang 24 des Operationsverstärkers 16 verringert würde. Andererseits ist es
aufgrund der geringen Potentialdifferenz zwischen den zusätzlichen Schleifern lOb,
10c möglich, die Schaltung mit einer niedrigen Speisespannung zu betreiben, und
bei großen Ausgangsrestspannungen der Operationsverstärker sehr kleine Abstände
zwischen den zusätzlichen Schleifern 1Ob, 10c einzustellen.
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Im einzelnen wird dies dadurch erreicht, daß der Widerstand 40 der
Schaltung gemäß Fig. 2 in zwei Teilwiderstände 40' und 40" aufgeteilt wird, deren
Verbindungspunkt
A mit dem einen Eingang (+) eines vierten Operationsverstärkers
48 verbunden ist. Dieser vierte Operationsverstärker 48 dient als Impedanzwandler
mit einer Verstärkung von 1 und sein Ausgang ist über einen Widerstand 50 mit dem
zweiten Eingang (-) des Operationsverstärkers 16 verbunden, an dessen erstem Eingang
(+) das von dem ersten Schleifer 10a abgetastete des Potentiometers 1° Potential/liegt.
Der Operationsverstärker 16 besitzt ferner einen Rückkopplungszweig mit einem Widerstand
52.
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Auf diese Weise besitzt der Operationsverstärker 16 eine Verstärkung,
die um das Verhältnis des Widerstandes 52 zu dem Widerstand 50 über dem Wert 1 liegt.
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Zusätzlich kann in der Schaltung gemäß Fig. 3, wie dies mit gestrichelten
Linien angedeutet ist, parallel zu dem Spannungsteiler 38, 40, 40', 40'', 42 ein
Trimmpotentiometer 54 vorgesehen sein, dessen Abgriff hochohmig über einen Widerstand
56 mit dem Schaltungspunkt A verbunden ist. Das Trimmpotentiometer 54 ermöglicht
einen besonders genauen Abgleich der Bezugsspannung für den als Impedanzwandler
dienenden vierten Operationsverstärker 48, ist aber andererseits nicht unbedingt
erforderlich.
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Zusätzlich zu den bereits im Zusammenhang mit der Erläuterung der
Schaltung gemäß Fig. 1 dargelegten Vorteilen besitzen die Rückführpotentiometerschaltungen
gemäß Fig. 2 und 3 einen weiteren wichtigen Vorteil, der darin besteht, daß diese
Schaltungen auch dann noch befriedigend arbeiten, wenn der erste Schleifer 10a über
das durch die zusätzlichen Schleifer 1Ob, 10c begrenzte Teilstück der Potentiometerahn
hinausläuft. Ein solcher Überlauf des ersten Schleifers 1Oa kann dann eintreten,
wenn die Lage der weiteren
Schleifer 10b, 10c nicht dem tatsächlich
eingestellten Stellweg des von der Rückführpotentiometerschaltung überwachten Stellgliedes
entspricht oder an diesem ein das Überlaufen seines Stellweges erlaubender Fehler
auftritt.
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Bei einer solchen Falscheinstellung der zusätzlichen Schleifer 1Ob,
10c wird bei den Schaltungen gemäß Fig. 2 und 3 zwar der für einen Stellweg zwischen
Null und 100% festgelegte Bereich überschritten, der abgetastete Potentialwert liegt
jedoch auf einer Verlängerung der zwischen den Schleifern 10b, 10c vorliegenden
Potentialwertkurve. Ein sich in richtiger Richtung änderndes Rückmeldesignal blei
also auch bei einem Überlauf erhalten, was eine einwandfreie Funktion eines mit
dem Rückmeldesignals beaufschlagten Regelkreises auch bei falscher Einstellung der
zusätzlichen Schleifer 10b, 10c oder einen Fehler am Stellglied gewährleistet.
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In nicht dargestellter Weise kann ferner in vielen Fällen mit Vorteil
vorgesehen sein, daß die beiden zusätzlichen Schleifer 1Ob und 10c mechanisch mit
dem Stellglied zugeordneten, verstellbaren Endschaltern mechanisch gekoppelt sind,
so daß bei jeder Verstellung eines oder beider Endschalter zwecks Verstellung der
Endpunkte des Stellweges des Stellgliedes die beiden zusätzlichen Schleifer 1Ob
und 10c in die den neuen Stellwegendpunkten des Stellgliedes angepaßtenStellungen
selbsttätig mitverstellt werden. Diese Endschalter können durch das Stellglied oder
ein von ihm bewegtes Organ, bspw.
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auch durch den Schleifer lQLbetätigt werden. Letzteres hat den Vorteil,
daß die Endschalter am Potentiometer 10 angeordnet werden können.