DE2732765A1

DE2732765A1 - Drehspulinstrument mit linearer kennlinie

Info

Publication number: DE2732765A1
Application number: DE19772732765
Authority: DE
Inventors: Peter Marie Joseph Peeters
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1976-08-02
Filing date: 1977-07-20
Publication date: 1978-02-09
Also published as: JPS5335154A; US4179655A; FR2361662B1; GB1589027A; NL7608559A; FR2361662A1

Description

PHN

groe/fk/va

"Drehspulinstrument mit linearer Kennlinie¹

Die Erfindung bezieht sich auf ein Drehspulinstrument mit linearer Kennlinie, dass einen Magnetkern mit Joch, eine in dem Luftspalt des Joches um eine Achse drehbare Spule und Mittel zur Korrektur des nichtlinearen Verhaltens zwischen der WinkelVerdrehung der Spule infolge eines durch die Spule fliessenden Gleichstroms und einer dem Instrument angebotenen Gleichstromgrösse enthält.

Bei derartigen Drehspulinstrumenten ist ein

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Dauermagnetfeld in einem Luftspalt vorhanden, in dem eine Spule bewegbar ist, an der ein Zeiger befestigt ist, der eine Anzeige auf einer Skala liefert. Wenn ein Strom durch die Spule fliesst, wird die Spule einer Kraft ausgesetzt, die dem Strom und der Stärke des örtlich vorhandenen Magnetfeldes proportional ist. Durch eine Feder wird der Bewegung der Spule infolge der Kraft entgegengewirkt, so dass eine vorgegebene Winkelverdrehung der Spule erhalten wird, die u.a. durch Federeigenschaften, Strom., Magnetfeld und die Gesamtlänge der sich im Magnetfeld befindenden Spulendrähte bestimmt wird. Es leuchtet ein, dass die Genauigkeit der Anzeige eines derartigen Instruments durch mechanische Toleranzen bestimmt wird.

Beim Entwerfen und beim Herstellen können

diese Toleranzen klein gemacht werden, so dass genaue und reproduzierbare Zeigerausschläge als Funktion des Stromes durch die Messerspule erhalten werden können. In derartigen Fällen kann auch eine' Anzeigeskala gefertigt werden, die, wenn sie einmal nach der gewünschten anzuzeigenden Grosse geeicht worden ist, serienmässig hergestellt werden kann. Dabei stellt sich meistens heraus, dass die Skalenteilung, die nach Eichung erhalten wird, einen nichtlinearen Charakter aufweist. Als eine der Ursachen dafür kann ein inhomogenes Magnetfeld in dem Luftspalt angegeben werden.

Ein Nachteil der nichtlinearen Skala ist

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der, dass die Uebersichtlichkeit und die Ablesbarkeit nicht gefördert werden. Ausserdem ist die Herstellung derartiger Drehspulmesser kompliziert und kostspielig. Dagegen könnten, wenn von einer linearen Standardskala ausgegangen werden könnte, diese Nachteile grösstenteils beseitigt werden.

Es ist aus der DT-OS 20 56 323 für das

erwähnte Problem eine Lösung bekannt, bei der davon ausgegangen wird, dass die Magnetfeldstärke in dem Luftspalt nach einer bestimmten Formel verläuft. Dazu sollen die Formen des Joches und des innerhalb der Spule angeordneten Magneten bestimmten Bedingungen entsprechen.

Auch wird in der genannten DT-OS angegeben, dass auf dem Joch oder dem Magneten Korrekturelemente angebracht werden können, um ein konstantes Magnetfeld über den Gesamtdrehwinkel zu erhalten. Dieses Anbringen muss während des Herstellungsvorgangs stattfinden und bereitet gewisse Schwierigkeiten.

Beide bekannte Lösungen eignen sich nicht

zur Herstellung genauer Drehspulmesser. Die mechanischen Toleranzen bleiben vorhanden, so dass die Messer nur eine geringe Genauigkeit aufweisen.

Die Erfindung hat die Aufgabe, ein sehr genau wirkendes Drehspulinstrument mit linearer Skala zu schaffen.

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Dazu ist von dem Gedanken ausgegangen, dass mechanische Toleranzen bei der Herstellung doch unvermeidlich sind, dass diese daher in gewissem Masse akzeptiert werden müssen, dass diese Toleranzen zwar unbekant sind, aber durch die Wahl von Materialien pro Instrument wohl konstant gemacht werden können, d.h., dass sie sich nicht durch Alterung ändern, und weiter dass ihr Einfluss auf die Anzeige mit Hilfe elektrischer Schaltungen beseitigt werden kann. Diese elektrischen Schaltungen sind genau und zuverlässig und können bei. der Herstellung auf einfache Weise pro Instrument abgeglichen werden.

Ein Drehspulinstrument der eingangs genannten Art ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Spule in einem Dioden-Widerstands-Netzwerk mit zwei Eingangsklemmen, an die die Gleichstromgrösse angeschlossen ist, angeordnet ist, und dass die Gleichstromverteilung über Dioden, Widerstände und Spule derart ist, dass die WinkelVerdrehung eine nahezu lineare Funktion der Gleichstromgrösse ist.

Der Vorteil eines Drehspulinstruments

nach der Erfindung ist der, dass ein sehr genau wirkender Messer mit linearer Skala erhalten wird, der sich auf billige Weise herstellen lässt, wobei also von einem ungenau wirkenden Messer ausgegangen und ein elektrisches Netzwerk hinzugefügt wird. Dabei sei noch bemerkt, dass diese Netzwerke an sich bekannt sind.

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Auch ist es bekannt, Messinstrumente mit

einem Drehspulmesser herzustellen, in denen Dioden-Widerstands-Netzwerke angeordnet sind. Diese Netzwerke befassen sich stets mit linearisierenden bzw. korrigierenden Funktionen, die beim Messen von Wechselstromgrössen mit einem Gleichstrommesser mit Hilfe von Gleichrichterdioden erforderlich sind. D_abei wird stets davon ausgegangen, dass der Drehspulmesser ein richtig anzeigendes Einzelteil in der Schaltung ist. Beispiele solcher Vorrichtungen sind in der DT-PS 697058 und in der DT-OS 14 66 677 beschrieben. Die Erfindung bezieht sich dagegen auf das Drehspulinstrument selber, dem eine Gleichspannung angeboten oder durch das ein Gleichstrom geschickt wird.

In einer einfachen Ausführungsform enthält ein Drehspulinstrument nach der Erfindung mindestens einen Zweig, der aus einer Reihenschaltung eines ersten Widerstandes mit einer ersten Parallelschaltung besteht, die einen zweiten Widerstand parallel zu mindestens einer ersten in der Durchlassrichtung geschalteten Diode enthält. Indem die Spule in Reihe angeordnet wird, wird ein genau wirkender Spannungsmesser erhalten. Indem zu diesem ein Widerstand parallel geschaltet wird, wird ein genau wirkender Strommesser erhalten.

In anderen Ausführungsformen wird der genannte Zweig zu der Spule in Reihe mit einem Widerstand

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parallel geschaltet. Ein genauer Strommesser wird dann erhalten, während ein Spannungsmesser erhalten wird, wenn mit diesem ein anderer Widerstand in Reihe geschaltet wird.

Kombinationen mehrerer in Reihe oder parallel geschalteter Zweige ergeben die Möglichkeit, kompliziertere Korrekturen vorzunehmen.

Veiter haben sich die genanten Zweige als

für die genaue Linearisierung von Drehspulmessern, deren Nullpunkt in der Mitte der Skala liegt, als besonders geeignet erwiesen. In Ausführungsformen der Erfindung wird dazu der genannten Diode oder der Reihe in Serie geschalteter Dioden ein Antiparallelzweig von Dioden hinzugefügt, mit dem gegebenenfalls ein Widerstand in Reihe angeordnet ist, um asymmetrische Abweichungen links und rechts von dem Nullpunkt zu korrigieren. Auch können dabei mehrere Zweige in Reihe oder parallel geschaltet werden.

Es hat sich in der Praxis gezeigt, dass diese einfachen und preiswerten Einzelteile in diesen genannten Zweigen genügend sind, um Klasse-1,5-Instru- mente (Genauigkeit 1,j>$) zu erhalten, die eine Genauig keit der linearen Skala mit einer Toleranz von weniger als 0,55^ aufweisen.

Für verwickeitere und örtliche Korrekturen können natürlich andere Kombinationen von Widerständen

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und Dioden gefunden werden.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind

in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch ein Drehspulinstrument mit hinzugefügtem Netzwerk,

Figuren 2, 3, k und 5 einige zu korrigierende Kennlinien,

Fig. 6 eine einfache Ausführungsform eines Dioden-Viderstands-Netzwerks,

Fig. 7 das Netzwerk nach Fig. 6 für Messer mit dem Nullpunkt in der Mitte,

Fig. 8 das Netzwerk nach Fig. 7 für asymmetrische Kennlinien,

Fig. 9 einen Spannungsmesser, der für die Kennlinie nach Fig. 2 korrigiert ist,

Fig. 10 einen Spannungsmesser, der für die Kennlinie nach Fig. 3 korrigiert ist,

Fig. 11 einen Strommesser nach Fig. 2, Fig. 12 einen Strommesser nach Fig. 3, Fig. 13 einen Spannungsmesser nach Fig. k, und

Fig. Ik einen Strommesser nach Fig. k. In Fig. 1 ist schematisch mit 1 das Gehäuse eines Drehspulinstruments bezeichnet. Dieses Instrument enthält ein Magnetsystem mit einem Joch 2 und einem

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Luftspalt 3, in dem eine Spule k infolge eines über Zuführungsdrähte 5 und 6 zugeführten Gleichstroms bewegbar ist. An dem Spulensystem ist ein Zeiger 7 befestigt, der infolge der WinkelVerdrehung der Spule k eine Anzeige auf einer linearen Skala 8 liefert. Nach der Erfindung ist ein Dioden-Widerstands-Netzwerk 9 hinzugefügt, das Anschlussklemmen 10 und 11 aufweist, über die dem Instrument die zu messende Gleichstromgrösse, z.B. eine Gleichspannung oder ein Gleichstrom, zugeführt wird. Die Zuführungsdrähte 5 ^und 6 sind an dieses Netzwerk angeschlossen.

Fig. 2 zeigt eine Kennlinie 12, die die Beziehung zwischen der Winkelverdrehung θ der Spule und dem

Gleichstrom I durch die Spule angibt. Die Abweichung von m

der Geraden 13 ist der Deutlichkeit halber etwas übertrieben dargestellt.

Fig. 3 zeigt eine Kurve lh, die eine Abweichung von der Geraden 13 zeigt, die der nach Fig. 2 entgegengesetzt ist.

Fig. U zeigt eine Kurve 15 und eine Kurve 16 mit je einem Wendepunkt. Derartige Kurven werden meistens durch Randeffekte erhalten, die sich vor allem beim Nullpunkt und bei Vollausschlag bemerkbar machen.

Fig. 5 zeigt eine Kurve, wie sie bei Messern mit dem Nullpunkt in der Mitte der Skala auftreten

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In Fig. 6 ist ein Dioden-Widerstands-Netzwerk dargestellt, das Tür die meisten Drehspulinstrumente bereits geeignet ist.

Ein Widerstand 19 ist in Reihe mit einer Parallelschaltung 20 angeordnet, die aus einem Widerstand 21 und einer Diode 22, gegebenenfalls in Reihe mit einer oder mehreren Dioden 23, besteht. Einer Klemme 2k- wird Strom zugeführt, der an einer Klemme 25 abgeführt wird. Bei geringen Strömen oder Spannungen an den Klemmen üben die Dioden 22, 23 noch keinen Einfluss aus. Bei zunehmendem Strom oder zunehmender Spannung werden die Dioden immer stärker leitend und nimmt ihr Gleichstromwiderstand ab, so dass die Parallelschaltung 20 immer niederohmiger wird.

In Fig. 7 ist das Netzwerk nach Fig. 6

dargestellt, dem noch eine antiparallel geschaltete Di ode 26 hinzugefügt ist. Dieses Netzwerk eignet sich zum Erhalten einer Linearisierung für die Kurven 17 und in Fig. 5» wenn diese symmetrisch zum Nullpurit sind. Soll te in diesen Kurven Asymmetrie auftreten, so kann ein Widerstand 27 in Reihe mit der Diode 26 angeordnet wer den, wie in Fig. 8 dargestellt ist.

Fig. 9 zeigt schematisch ein Drehspulinstrument nach Fig. 1, wobei der Drehspulteil mit der Spule k als Nesser M bezeichnet ist. Eine Kurve nach Fig.

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2 ist mit dem Dioden-Widerstands-Netzwerk 9 nach Fig. 6 korrigiert. Der Messer M mit der Spule U ist in Reihe mit dem Netzwerk 9 angeordnet.

In Fig. 10 ist ein Drehspulinstrument dargestellt, das Spannung misst und mit einem Netzwerk 9 nach Fig. 6 für eine Messerkurve 1^ nach Fig. 3 korrigiert ist.

Die Spule des Messers M ist mit ihren Zuführungsdrähten 5 und 6 in Reihe mit einem Widerstand angeordnet. Darüber ist ein Netzwerk nach Fig. 6 parallel geschaltet. Ein Reihenwiderstand 29 ist mit dieser Parallelschaltung zwischen den Klemmen 10 und 11 angeordnet. Durch die Potentiometerwirkung des Widerstands 29 mit dem anderen Teil der Schaltung nimmt die Spannung über diesem Teil infolge einer zunehmenden Eingangsspannung an den Klemmen 10 und 11 zu.

Durch die Wirkung der Diode 22 nimmt jedoch der Gesamtwiderstand dieses Potentiometerteiles ab und nimmt also relativ die Spannungszunähme in bezug auf eine Eingangsspannungszunähme ab. Weiter fliesst relativ mehr Strom durch das Netzwerk 9 in bezug auf den Strom durch den Messer M.

Dies entspricht also der KuZ¹Ve 1Ί in Fig.

3» in der bei zunehmendem Strom I durch den Messer die

Winkel Verdrehung 0 mehr als lineal* zunimmt; mit anderen

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Worten: bei zunehmender Winkelverdrehung ist relativ, d.h. in zunehmenden Masse, weniger Messerstrom erforderlich. Fig. 11 zeigt einen Strommesser nach dem Schaltbild in Fig. 9 ι wobei jedoch ein Parallelwiderstand 30 noch zwischen den Klemmen 10 und 11 angeordnet ist. Die Kennlinie nach Fig. 2 ist damit korrigiert. Je nachdem der Strom durch das Instrument von der Klemme zu der Klemme 10 zunimmt, wird infolge der Wirkung der Dioden 22 und 23 eine Stromverteilung erhalten, bei der relativ mehr Strom durch den Messerkreis auf Kosten des Stroms durch den Parallelwiderstand 30 fliesst. Dies entspricht der Kurve 12 nach Fig. 2, in der bei zunehmendem Winkel θ in zunehmendem Masse mehr Messerstrom I er-

forderlich ist.

In Fig. 12 ist ein Strommesser nach dem

Schaltbild in Fig. 10 dargestellt, wobei jedoch der Widerstand 29 nicht erforderlich ist. Die Stromverteilung über den Zweig mit dem Messer M und dem Reihenwiderstand

und

28/über das Netzwerk 9 ist wieder derart, dass bei zunehmendem Strom von der Klemme 11 zu der Klemme 10 relativ weniger Strom durch den Messerteil fliesst, wie durch die Kurve 14 in Fig. 3 dargestellt ist.

Fig. 13 zeigt eine Kombination der Schaltbilder nach den Figuren 9 und 10. Es sind ein Reihenzweig 9 nach Fig. 6 und ein Parallelzweig 90 gemäss dem Netzwerk 9 nach Fig. 6 vorgesehen. Die Bemessung dieser

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Zweige kann derart gewählt werden, dass das Netzwerk 9 bei kleineren Eingangsspannungen einen grösseren Einfluss als das Netzwerk 90 ausübt, was bedeutet, dass die Anfangskennlinie nach Fig. 2 erhalten wird, wonach bei grösseren Eingangsspannungen das Netzwerk 90 vorherrschend wird, so dass der Endteil der Kurve 1^ nach Fig. 3 erhalten wird.

Das Ganze ergibt die Kurve 15 nach Fig. k.

Ist die Diodenreihe im Netzwerk 9 bei kleinen Strömen noch nicht, die entsprechende Reihe im Netzwerk 90 jedoch wohl aktiv, so wird zunächst die Wirkung nach dem Schaltbild der^ig. 10 mit zugehöriger Anfangskurve i4 nach Fig. 3 erhalten, wonach die Wirkung nach dem Schaltbild der Fig. 9 mit der Endkurve 12 nach Fig. 2 vorherrschend wird. In diesem Falle wird eine Korrektur für die Kurve 16 in Fig. k erhalten.

Die Kurven I5 und 16 der Fig. k können auch

für Strommesser korrigiert werden. Dazu können die Schaltbilder nach Fig. 11 und Fig. 12 kombiniert werden. Dies ist in Fig. lU dargestellt.

Venn die Wirkung nach dem Schaltbild der Fig. 11 gegenüber dem Netzwerk 90 in Fig. I¹» vorherrschend ist, wird bei kleinen Strömen zunächst die Kurve 12 nach Fig. 2 erhalten, wonach das Netzwerk 90 vorherrschend wird und der Endteil der Kurve 1k nach Fig. erhalten wird. Dies ergibt also die Kurve 15 nach Fig. k

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als Korrekturkurve. Bei einer umgekehrten Reihenfolge bei zunehmendem Strom wird nach der Kurve 16 in Fig. k korrigiert.

Die Drehspulinstrumente nach den Figuren

9 bis '[k können auch mit einem oder mehreren Netzwerken nach Fig. 7 oder Fig. 8 für Messer mit dem Nullpunkt in der Mitte der Skala bestückt werden. Der Uebersichtlichkeit halber ist diese Möglichkeit in diesen Figuren nicht angegeben. In der Praxis stellt sich heraus, dass für die Korrektur der Nichtlinearität zwischen Messerstrom und Zeigerausschlag meistens die in den Figuren beschriebenen Dioden-Widerstands-Netzwerke genügend sind.

Der Erfindungsgedanke kann auch bei verwickeiteren nichtlinearen Beziehungen, gegebenenfalls mit mehreren Wendepunkten, angewandt werden. Mehrere und anders angeordnete Dioden und Widerstände sind dann erforderlich. Ausserdem wird der Abgleichvorgang etwas schwieriger sein.

Es sei noch bemerkt, dass die Temperaturempfindlichkeit eines Drehspulinstruments nach der Erfindung in einem angemessenen Temperaturbereich innerhalb der gewünschten Genauigkeitsgrenzen bleibt. Es bleibt selbstverständlich möglich, bekannte Ausgleichsmassnahmen, wie Korrektur im Messerteil oder Anwendung temperaturabhängiger Widerstände, zu treffen, um eine grössere Genauigkeit in einem grösseren Temperaturbereich zu erzielen.

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L e e r s e i f e

Claims

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PATENTANSPRUECHE;

' 1 ./ Drehspulinstrument mit linearer Kennlinie,

das einen Magnetkern mit Joch, eine in dem Luftspalt des Joches um eine Achse dreHare Spule und Mittel zur Korrektur des nichtlinearen Verhaltens zwischen der Winkelverdrehung der Spule infolge eines durch die Spule fliessenden Gleichstroms und einer dem Instrument angebotenen Gleichstromgrösse enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (k) in einem Dioden-Widerstands-Netzwerk (9) mit zwei Eingangsklemmen (1O, 11), an die die Gleichstromgrösse angeschlos-sen ist, angeordnet- ist, und dass die Gleichstromverteilung über Dioden, Widerstände und Spule derart ist, dass die WinkelVerdrehung eine nahezu lineare Funktion der Gleichstromgrösse ist.

2. Drehspulinstrument nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, dass das Dioden-Widerstands-Netzwerk (9) mindestens einen Zweig enthält, der aus einer Reihenschaltung eines ersten Widerstandes (19) mit einer ersten Parallelschaltung besteht, die einen zweiten Widerstand (21) parallel zu mindestens einer ersten in der Durchlassrichtung geschalteten Diode (22, 23) enthält. 3· Drehspulinstrument nach Anspruch 2, dadurch

gekennzeichnet, dass in der ersten Parallelschaltung pa rallel zu der ersten Diode (22) eine Reihenschaltung eines dritten Widerstandes (27) mit mindestens einer zwei ten Diode (26), die in der der ersten Diode (22) entgegen-

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gesetzten Durchlassrichtung geschaltet ist, angeordnet ist.

4. Drehspulinstrument nach Anspruch 2 oder 3»

dadurch gekennzeichnet, dass die Spule {k, M) in Reihe mit dem ersten Zweig angeordnet ist (Fig. 9)· 5· Drehspulinstrument nach Anspruch h_t dadurch

gekennzeichnet, dass parallel zu der Spule (k, M) und dem ersten Zweig ein vierter Widerstand (30) angeordnet ist (Fig. 11).

6. Drehspulinstrument nach Anspruch 2 oder 3»

dadurch gekennzeichnet, dass in einer zweiten Parallelschaltung die Spule (4, M) in Reihe mit einem fütften Widerstand (28) parallel zu dem ersten Zweig angeordnet ist (Fig. 12).

7· Drehspulinstrument nach Anspruch 6, dadurch

gekennzeichnet, dass ein sechster Widerstand (29) in Reihe mit der zweiten Parallelschaltung angeordnet ist (Fig. 10).

8. Drehspulinstrument nach Anspruch 5t dadurch

gekennzeichnet, dass parallel zu dem vierten Widerstand (30) ein zweiter Zweig (90) nach Anspruch 2 oder 3 angeordnet ist (Fig. 14).

9· Drehspulinstrument nach Anspruch h, dadurch

gekennzeichnet, dass in einer dritten Parallelschaltung ein dritter Zweig (90) nach Anspruch 2 oder 3 über der

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Reihenschaltung der Spule und des ersten Zweiges angeordnet und ein siebenter Widerstand mit der dritten Parallelschaltung in Reihe geschaltet ist (Fig. 13).

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