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Elektromechanisches FU lstandsmeßgerät
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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromechanische Füllstandsmeß.vorrichtung
mit einer von einem Elektromotor angetriebenen Seiltrommel, auf der ein Meßseil
aufspulbar ist, das an seinem abgewickelten Ende ein Tastgewicht trägt und dessen
abgespulte Länge beim Auftreffen des Tastgewichts-euf das Füllgut ein Maß für die
FU standshöhe ist, wobei durch das Auftreffen des Tastgewichts auf das Füllgut ein
Signal zur Umkehr der Drehrichtung der Seiltrommel auslösbar ist, auf die das Meßseil
wieder aufgespult wird.
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Eine derartige Füllstandsmeßvorrichtung ist bereits bekannt (DE-AS
2 151 094). Die Seiltrommel enthält bei dieser Vorrichtung mehrere Permanentmagnete,
die während der Trommeldrehung an einem Schutzrohrkontakt vorbeilaufen und diesen
kurzzeitig schließen. Wenn das Tastgewicht die Oberfläche des Füilguts berührt,
zeigt die seit Beginn des Meßvorgangs vom Schutzrohrkontakt erzeugte Anzahl von
Impulsen den Füllstand an. Die Seiltrommel ist bei der bekannten Vorrichtung frei
drehbar auf einer Welle angeordnet und mit dieser durch eine federnde Kupplung verbunden.
Die Welle, die in einer
Trennwand gelagert ist, trägt an ihrem anderen
Ende ein Getriebe, an dem ein Elektromotor befestigt ist. Der Elektromotor, dessen
Welle senkrecht zu der die Seiltrommel tragenden Welle verläuft, hängt ohne weitere
Befestigung an der Welle und kann um diese innerhalb einer von zwei Mikroschaltern
bestimmten Strecke geschwenkt werden. Die beiden Mikroschalter, an denen der Elektromotor
beim Auftreffen des Tastgewichts auf dem Füllgut und beim Anliegen des Tastgewichts
in der oberen Endlage anschlägt, dienen zur Erzeugung von Signalen für die Steuerung
der Umkehr der Drehrichtung und. die Abschaltung des Motors. Das vorstehend erläuterte
FU lstandsmeßgerät arbeitet intermittierend, d.h. das Tastgewicht befindet sich
in seiner oberen Grenzstellung außerhalb der Berührung mit dem Füllgut und wird
nur für die Durchführung der Messung auf das Füllgut abgesenkt. Das Meßgerät eignet
sich daher für die Feststellung der FU lstandshöhe von flüssigen, staubförmigen,
pulverförmigen oder körnigen Gütern.
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Es'sind auch FülIstandsmeßgeräte bekannt, bei denen das am Ende eines
Meßseils hängende Fühigewichtfals Schwimmer ausgebildet ist, der nur für flüssige
Füllgüter geeignet ist. Neben der Seiltrommel für das Meßseil ist eine zweite Seiltrommel
vorhanden, die ein zweites Seil enthält, an dessen Ende ein Gegengewicht aufgehängt
ist, mit dem das erste Meßsetl gespannt gehalten wird. Das vom Gegengewicht erzeugte
Drehmoment reicht nicht aus, um den Schwimmer von der Flüssigkeitsoberfläche abzuheben.
Der Schwimmer nimmt somit immer die Lage des jeweiligen Flüssigkeitsspiegels ein.
Dadurch entstehen Drehbewegungen der SeiItrommel, die mittels eines Impulsgebers
zur Anzeige der Füllstandshöhe ausgenutzt werden (DE-GM 18 78 599).
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Bei einem anderen bekannten, kontinuierlich arbeitenden Füllstandsmeßgerät
taucht ein an einem Seil hängender Schwimmer ebenfalls in die Oberfläche einer Flüssigkeit
ein. Das Seil ist auf eine Trommel aufwickelbar, deren Welle mit einem radial abstehenden
Arm ausgestattet ist, der durch eine Feder mit einer Scheibe verbunden ist, die
von einem Elektromotor angetrieben wird. Die Scheibe trägt Schaltkontakte, die beiderseits
des Arms angeordnet sind und vom Arm nicht betätigt werden, wenn das vom Schwimmer
ausgehende Drehmoment dem
von der Feder ausgeübten Gegendrehmoment
entspricht. Wenn sich der Schwimmer mit dem FlUssigkeitsspiegel hebt oder senkt,
stimmen die Drehmomente nicht mehr überein, so daß die Feder den Arm an einen der
Schaltkontakte preßt. Uber diesen Kontakt wird der Elektromotor eingeschaltet, der
durch die Drehung der Scheibe die Gleichgewichtslage wieder herstellt (GB-PS 639
339).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Füllstandsmeßvorrichtung
der eingangs erwähnten Gattung derart weiterzuentwickeln, daß das Auftreffen des
Tastgewichts auf das Fllgut ohne die Bewegung mechanischer Teile und die Betätigung
von Schaitkontakten feststellbar ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die bei Berührung
zwischen dem Tastgewicht und dem Füllgut durch die -Belastungsänderungen des Elektromotors
auftretenden Änderungen der elektrischen Eingangsgrößen des Elektromotors durch
eine Uberwachungsschaltung feststellbar sind, die das Signal zur Drehrichtungsumkehr
für den Elektromotor erzeugt. Diese Anordnung hat einen sehr einfachen mechanischen
Aufbau und kann kostengünstig hergestel lt werden. Am Elektromotor, bei dem es sich
zum Beispiel um einen Getriebemotor handeln kann, an der Welle oder an der Seiltrommel
sind keine elektrischen Schalter notwendig. Damit entfällt der Aufwand sowohl für
die Anbringung der Schalter als auch für die Verlegung der Anschlußleitungen zu
den Schaltern. Die Anordnung läßt sich deshalb schneller ud einfacher montieren
und in den betriebsbereiten Zustand bringen. Durch den Wegfall der mechanisch betätigten
Schalter wird die Störanfälligkeit erheblich vermindert. Die zu überwachende Eingangsgröße
bildet vorzugsweise der vom Elektromotor aufgenommene Strom.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform sind durch das Signal die Eingangsgrößen
des Elektromotors kurzzeitig zur Verstärkung des abgegebenen Drehmoments vergrößerbar.
Das Tastgewicht wird daher mit einem größeren Drehmoment vom Füllgut abgehoben.
Von Vorteil ist
diese Maßnahme dann, wenn das Tastgewicht nach dem
Auftreffen auf das Füllgut verschüttet wird. Das Tastgewicht läßt sich durch die
Vergrößc3rung des Drehmoments ohne Schwierigkeit in seine Ruhelage zurückziehen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß das Tastgewicht
über den mit elektrischen Eingangsgrößen beaufschlagten Elektromotor in der oberen
Ruhelage gegen eine Dichtungsfläche angedrückt ist und daß die elektrischen Eingangsgrößen
bei der Berührung von Tastgewicht und Dichtungsfläche Werte aufweisen, di zu keiner
unzulässigen Erwärmung des Elektromotors bei stehendem Rotor führen. Mit dieser
Anordnung läßt sich ein dichter Abschluß des Behälterinnenraums an der Durchlaßöffnung
für das Meßseil erreichen.
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Eine günstige Ausführungsform besteht darin, daß ats Elektromotor
ein Gleichstrommotor eingesetzt ist und daß durch die Uberwachungsschaltung die
Änderung der Stromrichtung oder auch nur der Größe des Stroms beim Ubergang vom
Generator- in den Motnrbetrieb feststellbar ist. Durch das Abspulen des Tastgewich-ts
wirkt auf den Rotor des Gleichstrommotors ein Drehmoment im Sinne einer Erhöhung
der Drehzahl ein. Hieraus ergibt sich eine Steigerung der Motordrehzahl, die eine
Zunahme der in der Motorwicklung induzierten EMK bewirkt.
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Diese EMK übersteigt die von außen an den Motor angelegte Spannung,
wobei sich die Stromrichtung im Motor umkehrt.
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Bei einer anderen zweckmäßigen Ausführungsform ist vorgesehen, daß
als Elektromotor ein Asynchronmotor eingesetzt ist und daß durch die Überwachungsschaltung
die Änderung der Phasenlage des Stroms beim Übergang vom Generator- in den Motorbetrieb
feststellbar ist.
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Während des Abspulvorgangs erhöht das vom Tastgewicht hervorgerufene
Drehmoment die Drehzahl des Asynchronmotors, so daß dieser in den Generatorbetrieb
übergeht. Dabei ändert sich die Phasenlage des vom Motor aufgenommenen Stroms.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der folgenden Beschreibung mehrerer zeichnerisch dargestellte Ausführungsbeispiele.
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Es zeigen: Fig. 1 eine elektromechanische Füllstandsmeßvorrichtung
in perspektivischer Ansicht mit einem Schaltbild der Steueranordnung für den Elektromotor,
Fig. 2 ein Schaltbild einer anderen Anordnung zur Steuerung des Elektromotors in
einer elektromechanischen Füllstandsmeßvorrichtung.
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Ein Elektromotor 10, der mit einem nicht näher dargestellten Untersezungsgetriebe
vereinigt sein kann, ist an eine Welle 12 aneschlossen, deren zweites Ende eine
Seiltrommel 14 trägt. Die Welle 12 ist in einer Wand 16 drehbar gelagert. Der nicht
näher bezeichnete Stator des Elektromotors 10 ist mit einem ruhenden Träger fest
verbunden. Bei dem nicht dargestellten Träger kann es sich um eine an der Wand 16
befestigte Konsole handeln.
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Auf der Seiltrommel 14 ist ein Meßseil 18 aufgespult, an dessen abgespultem
Ende 20 ein Tastgewicht 22 hängt. Das Meßseil 18 ragt durch eine Öffnung 24 eines
Flanschs 26, der in eine nicht näher bezeichnete Behälterwand eingesetzt ist. In
dem Behälter befindet sich das Füllgut 28, dessen Füllstandshöhe festgestellt werden
soll.
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Der Flansch 26 hat eine dem Innern des Behälters zugewandte kegelstumpfförmige
Dichtfläche 30, gegen die das konisch ausgebildete obere Ende 32 des Tastgewichts
22 in der oberen Ruhelage angedrückt ist.
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Die Seiltrommel 14 erzeugt bei der Drehung in an sich behannter Weise
in einem Impulsgeber eine Reihe von Impulsen, deren Anzahl der abgespulten Länge
des Meßseils 18 proportional ist.
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Der mechanische Teil der Füllstandsmeßvorrichtung ist oberhalb des
Behälters angeordnet, dessen Füllstand gemessen werden soll.
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Das Tastgewicht 22 ragt in das Innere des Behälters. In der oberen
Ruhelage schließt das Tastgewicht 22 das Behälterinnere dicht gegen den Außenraum
ab.
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Der Elektromotor 10, bei dem es sich um einen Gleichstrommotor handelt,
ist über Anschlußleitungen 34, 36 mit einem magnetisch gesteuerten Schalter 38 verbunden,
der zwei Kontakte mit je zwei Schaltstellungen hat. Die beiden Schaltstellungen
sind jeweils an unterschiedliche Pole der Netzgleichspannung angeschlossen. Den
beiden Stellungen des Schalters 38 entsprechen unterschiedliche Drehrichtungen des
Gleichstrommotors 10.
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Im Zuge der Leitung 36 ist eine Uberwachungsschaltung 40 angeordnet.
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Diese Schaltung 40 spricht auf bestimmte Änderungen der einen, dem
Gleichstrommotor 10 zugeführten elektrischen Eingangsgröße, nämlich auf Änderungen
des über den Motor 10 fließenden Gleichstroms an.
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Bei den Anderungen handelt es sich um diejenigen, die bei Berührung
zwischen dem Tastgewicht 22 und dem Füllgut 28 durch die Belastungsänderungen des
Gleichstrommotors 10 entstehen. Auf diese Stromänderungen hin erzeugt die Schaltung
40 ein Signal, das auf den Schalter 38 einwirkt und ihn in eine Stellung bringt,
in der die Polarität der am Gleichstrommotor 10 abfallenden Spannung umgekehrt wird.
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Die Leitungen 34, 36 sind an die Ankerwicklung des Gleichstrommotors
10 angeschlossen. Die Uberwachungsschaltung 40 enthält einen vom Ankerstrom durchflossenen
Widerstand 42, dessen Enden an Eingänge eines Differenzverstärkers 44 angeschlossen
sind, mit dem ein Eingang
einer monostabilen Kippstufe 48 verbunden
ist. Die monostabile Kippstufe 48 speist einen Eingang eines Flipflop 50. Der Ausgang
der Kippstufe 48 steht weiterhin mit der Spule eines Relais 52 in Verbindung, dessen
Arbeitskontakt 46 parallel zu einem Widerstand 54 gelegt ist, der im Zuge der Feldstromzuleitungen
des Gleichstrommotors 10 angeordnet ist. Der zweite Eingang des Flipflop 50 steht
über einen Schalter 56 mit einer Betriebsstromquelle in Verbindung. An das Flipflop
50 ist die Spule des Schalters 38 angeschlossen.
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Zur Messung des Füllstandes wird der Schalter 56 betätigt. Dadurch
wird der Schalter 38 in eine Stellung gebracht, in der die Polarität der Ankerspannung
dem Motor 10 und der mit ihm verbundenen Seiltrommel 14 eine Drehrichtung aufzwingt,
bei der sich das Meßseil 18 abspult. Das Tastgewicht 22 übt auf die SeiItrommei'.14
und den Gleichstrommotor 10 ein Drehmoment im Sinne einer Drehzahlerhöhung aus,.
Dadurch steigt die Drehzahl der Seiltrommel 14 und des Gleichstrommotors 10 etwas
über die Leerlaufdrehzahl an. Dabei überschreitet die in der Ankerwickl ung induzierte
EMK die Klemmenspannung, was zu einer Umkehr der Ankerstromrichtung führt. Der Motor
10 arbeitet während des Abspulens des Meßseils 18 daher als Generator.
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Sobald das Tastgewicht 22 auf das Füllgut 28 auftrifft, entfällt das
auf die Seiltrommel 14 ausgeübte Drehmoment. Es verbleibt lediglich der vom Gewicht
des abgespulten Teils des Seils ausgehende Zug, der jedoch so klein ist, daß er
die Lagerreibung der Welle 12 nicht überwindet. Die Generatorwirkung setzt mit der
Beendigung des Drehmoments aus. Dabei kehrt sich die Stromrichtung im Anker um.
Diese Richtungsänderung wird vom Differenzverstärker 44 erfaßt, der durch eine Änderung
seines Ausgangssignals die monostabile Kippstufe 48 anstößt, die den Schalter 38
über das Flipflop 50 in seine erste Lage zurückversetzt. Dadurch kehrt sich die
Drehrichtung des Gleichstrommotors 10 und der Selltrommel 14 um und das Meßseil
18 wird wieder aufgespult. Während der Ansprechzeit der monostabilen Kippstufe 48
überbrückt
der Kontakt 46 den Widerstand 54,so daß der Feldstrom im Motor 10 ansteigt. Der
Motor 10 gibt deshalb kurzzeitig ein erhöhtes Drehmoment ab, das ausreicht, um das
Tastgewicht 22 auch dann vom Füllgut 28 abzuheben, wenn das Tastgewicht 22 beim
Auftreffen teilweise im Füllgut 28 versunken ist.
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Nach Beendigung des von der monostabilen Kippstufe 48 abgegebenen
Impulses öffnet sich der Arbeitskontakt 46 wieder, womit über eine Schwächung des
Feldstroms das vom Gleichstrommotor 10 abgegebene Drehmoment vermindert wird. Dieses
Drehmoment reicht aber aus, um das Tastgewicht 22 hochzuziehen und das Meßseil 18
aufzuspulen.
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Der Aufspulvorgang ist beendet, wenn das konische Ende 32 in der kegelstumpfförmigen
Anschlagfläche 30 sitzt. Unter der Einwirkung des vom Gleichstrommotor 10 ausgeübten
Drehmoments wird dabei das Ende 32 gegen die Anschlagfläche 30 gedrückt. Das,Gleichstrommotor
10 liegt ständig an Spannung, so daß die auf das Tastgewiclit 22 ausgeübte Kraft
erhalten bleibt. Der Ankerstrom, der Feldstrom und die angelegte Spannung sind so
an d.ie Motorcharakteristik angepaßl, daß bei einem hinreichend großen Drehmoment
zum'Anheben des Tastgewichts 22 und zum Anpres-sen des Tastgewichts 22 an die Anschlagfläche
30 der Gleichstrommotor 10 bei stillstehendem Rotor nicht unzulässig hoch erwärmt
wird.
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Es ist auch möglich, einen Gleichstrommotor zu verwenden, dessen magnetisches
Feld von permanenten Magneten erzeugt wird. In diesem Fall wird die aus dem Arbeitskontakt
46 und dem Widerstand 54 bestehende Anordnung im Zuge der Stromzuleitungen für die
Ankerwicklung vorgesehen. Durch die Öffnung des Arbeitskontakts 46 werden bei dieser
Schaltungsanordnung sowohl der Ankerstrom als auch das abgegebene Drehmoment des
Motors vermindert. Über die Wahi des Werts des Widerstands 54 kann das Drehmoment
ausreichend hoch eingestellt und die Erwärmung im Stillstand auf einen zulässigen
Wert begrenzt werden.
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Bei der Verwendung eines Getriebemotors kann es vorkommen, daß das
vom Tastgewi cht 22 ausgehende Drehmoment nicht ausreicht, um die Reibungskräfte
des Getriebes und des Rotors zu überwinden. Sind die Reibungskräfte so groß, daß
beim Abspulen des Meßseils kein Generatorbetrieb entsteht, dann werden mittels des
oben erläuterten Prinzips die beim Auftreffen des Tastgewichts 72 auf das Füllgut
28 entstehenden Schwankungen des Ankerstroms überwacht. Die Überwachungsschal 1
ng 40 läßt sich in diesem Falle für die Feststellung einer Änderung des Stroms um
einen bestimmten Betrag und, falls erforderlich, innerhalb einer vorgebbaren Zeit,
ausl-gen. Genügt die Stromänderung diesen Bedingungen, dann gibt die Überwachungsschaltung
40 das Signal für die Umkehr der Drehrichtung ab.
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eben Leitungen für die Übertragung der Zählimpulse sind bei der vorstehend
beschriebenen Anordnung noch die Leitungen für die Energieversorgung des Gleichstrommotors
10 bis an den Behälter zu verlegen. Die Überwachungsschaltung 40 und die Teile 52,
46, 54 zur Beeinflussung des Motordrehmoments sowie die Schalter 38 und 56 können
an einer entfernt vom Behälter angeordneten Auswertstel le untergebracht sein. Der
Aufwand für die Verkabelung der mechanische Füllstandsmeßvorrichtung ist daher gering.
Falls der Motor 10 permanGntmagnetische Pole hat, entfallen noch die Zuleitungen
für Feldwicklungen.
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Als Antrieb für die Seiltrommel 14 kann auch, wie in Fig. 2 dargstellt,
ein Asynchronmotor 58 verwendet werden, der über Leitungen 60, 62, 64 an das Drehstromnetz
angeschlossen ist. Im Zuge der Leitungen 60, 62 ist ein magnetisch gesteuerter Umschalter
6 für die Vertauschung zweier Phasen angeordnet. Die Spule 68 des Umschalters 66
ist in gleicher Weise wie die Spule des in Fig. 1 gezeigten Schalters 38 an ein
Flipflop 50 angeschlossen, dessen Eingang ebenfalls mit einem von Hand betätigbaren
Schalter 56 verbunden ist. Der zweite Eingang des Flipflop 50 wird von der monostabilen
Kippstufe 48 gespeist, die an eine Phasendelektorschaltung 70 angeschlossen ist.
Der Phasendetektorschaltung 70 wird einer der
Phasenspannung sowie
ein dem Phasenstrom proportionales Signal zugeführt. Das dem Phasenstrom proportionale
Signal wird von einem im Zuge der Leitung 64 angeordneten Widerstand 72 abgegriffen.
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Alle Enden der Wicklungen des Ständers des Motors 58 sind nach außen
geführt und an einen weiteren magnetisch gesteuerten Umschalter 74 gelegt, der eine
Stern/Dreiecksumschaltung durchführt. Die Spule 74 wird von der monostabi len Kippstufe
48 aus gespeist.
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Die Teile 48, 50, 70 und 72 bilden eine Überwachungsschaltung 78,
deren wesentlicher Bestandteil, die Phasendetektorschaltung 70, die Phasenverschiebung
des Motorstroms im Generator- und Motorbetrieb feststellt. Beim Absenken des Tastgewichts
22 arbeitet der Asynchronmotor 58 im Generatorbetrieb. Der Motorstrom ist dabei
voreilend gegen die Phasenspannung verschoben. Wenn das Tastgewicht 22 auf das Füllgut
28 auftrifft, nimmt der Motorstrom mit der Beendigung des Generatorbetriebs eine
nacheilende Phasenverschiebung gegenüber der Phasenspannung ein. Diese Änderung
wird vom--Detektor 70 festgestellt, der die Kippstufe 48 anstößt. Die monostabile
Kippstufe 48 bewirkt über das Flipflop 50 eine Umschaltung des Schalters 66, wobei
sich die Drehrichtung des Motors 58 umkehrt. Für die Dauer des Ausgangssignals der
monostabilen Kippstufe 48 wird über den Schalter 74 eine Dreiecksverbindung der
Motorwicklung hergestellt, so daß sich das Motordrehmoment erhöht. Anschließend
geht der Schalter 74 wieder in seine eine Sternverbindung der Motorwicklung erzeugende
Stellung über, die auch in der oberen Ruhelage des Tastgewichts 22 erhalten bleibt.
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L e e r s e i t e