DE2929437A1 - Anordnung zur bestimmung der abgegebenen leistung eines induktionsmotors - Google Patents

Description

der Firma Kao Soap Company Limited, 1-1 Nihonbashi-Kayabacho, Chuoku, Tokyo / Japan

betreffend:

"Anordnung zur Bestimmung der abgegebenen Leistung eines Induktionsmotors"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Bestimmung der abgegebenen mechanischen Leistung eines Induktionsmotors sowie auf deren Anordnung.

Bekanntlich ist die abgegebena mechanische Leistung von umlaufenden Maschinen definiert al.3 das Produkt aus Lastmoment und Drehzahl. Sowohl das Drehmoment als auch die Drehzahl können mittels im Handel erhältlicher Geräte gemessen werden. Für die Drehmomentenmessung sind mechanische Arbeiten auszuführen, um eine Lastmeßzelle zu installieren und die Kapazität und Empfindlichkeit der Lastzelle müssen bestimmt werden je nach der vorliegenden Meßaufgabe. Solche mechanischen Vorarbeiten sind unerwünscht für schnelle und einfache Messungen und die Auswahl der Lastzellen ist unerwünscht für vielseitig einsetzbare Meßgeräte.

Bekanntlich können Watt-Stunden-Zähler, ausgestattet mit einer umlaufenden Scheibe, den elektrischen Leistungsverbrauch von Incl aktionsmotoren unabhängig von d im Leistungsfaktor (D messen. Demgemäß entspricht die Differenz der Ablesungen, gewonnen für einen im Leerlauf arbeitenden und einen belasteten Motor der mechanischen Leistungsabgabe des Motors. Bei dieser Messung ist eine Auswahl des Watt-Stunden-Zählers notwendig, abhängig von dem Stromverbrauch des Motors und, man muß

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Verdrahtungsarbeiten durchführen, um den Zähler anzuschließen. Dies ist in ähnlicher Weise unerwünscht, wie oben für den Fall der Drehmomentenmessung beschrieben. Zusätzlich zeigt ein Watt-Stunden-Zähler nicht den augenblicklichen Leistungsverbrauch an; er liefert nur eine Anzeige für den akkumulierten Verbrauch. Dies ist unerwünscht, wenn die Messung erfolgen soll, um variablen Belastungsbedingungen des Motors zu folgen.

Durch Verwendung von drei Amperemetern kann n an eine jederzeitige Ablesung des Leistungsverbrauchs erhalten, doch ist es für eine Durchschnittsperson beinahe unmöglich, drei Amperemeter gleichzeitig abzulesen, wenn die Belastungsbedingungen sich schnell ändern.

Für die meisten Induktionsmotoren, die kommerziell gefertigt und in den Handel gebracht werden, siad die Beziehung zwischen Drehmoment und Strom und/oder Drehmoment und Drehza il bekannt. Durch Verwendung eines Tachometers oder eines Amperemeters läßt sich die abgegebene Leistung messen, obwohl Berechnungen unter Berücksichtigung der oben erwähnten Beziehur g erforderlich sind. Zwischen der Messung mittels Amperemeter und mittels Tachometer ist die letztere zu bevorzugen, da keine Verdrahtungsarbeiten und keine Auswahl der Kapazität erforderlich sind.

Unter den oben als Beispiel angegebenen bekannten Meßverfahren scheint das Verfahren mittels Tachoneter das beste zu sein, vva.s die Leichtigkeit und Bequemlichkeit angeht, doch gibt es noch immer ein ziemlich ernsthaftes Problem. Dies soll anhand der Fig. 1 der Zeichnungen erläutert werden:

Fig. 1 zeigt die Abhängigkeit zwischen dem Lastdrehmoment und der Drehzahl eines Induktionsmotors, wobei Tm das maximal zulässige Lastmomont angibt, H die Drehzahl bei Maximalbelastun j und S die Synchrondrehzahl.

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Die Synchrondrehzahl läßt sich aus der Frequenz f des
Netzes oder allgemein der Wechselstromquelle berechnen sowie aus der Anzahl von Polen P des Motors entsprechend der nachfolgenden Gleichung, und zwar unabhängig von der sonstigen Bemessung des Motors:

S =

S: Synchrondrehzahl in upm

f: Netzfrequenz in Hz

P: Anzahl der Pole des Motors.

Der "Schlupf" Sl des Motors ist durch die folgende
Gleichung definiert:

(S - H)/s χ 100 (%)

Bei den meisten Induktionsmotoren liegt der Schlupf zwischen 0,3 und 5 %. Wegen des sehr kleinen Wertes des Schlupfes ist nur ein sehr schmaler Bereich der Skala des Tachometers als
eigentlicher Äblesebereich verwendbar und d:.e Genauigkeit
der Skalenablesung ist deshalb schlecht.

Wenn beispielsweise die abgegebene Leistung eines vierpoligen Motors zu bestimmen ist, dessen Schlupf 5 % beträgt, und der aus einem Netz mit 50 Hz gespeist wird, so reicht cie Drehzahl des Motors von 1500 bis 1425 Upm für eine sich ändernde Last zwischen 0 und 100 % der Maximalbelastung. Mit der Annahme, daß das Tachometer eine Skala aufweist, auf der dem Ablesebereich von 0 bis T500 Upm 100 Teilstriche zugeordnet sind, so führt eine Fehlablesung uip einen Teilstrich nur zu einem Fehler von 1 %, wenn das Tachometer im üblichen Sinne eben als Drehzahl'-messer benutzt wird, doch wenn das Tachometer als Leistungsmesser benutzt wird, so verursacht die gleiche Fehlablesung
von einem Teilstrich bereits einen Fehler von 20 %.

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Die unmittelbare Verwendung eines Tachometers als Meßgerät für die abgegebene Leistung hat noch einen weiteren Nachteil. Denn mit zunehmender Belastung des Mt tors sinkt der auf der Skala angezeigte Wert, was psychologisch ungünstig ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung zur Bestimmung der abgegebenen mechanischen Leistung eines Induktionsmotors zu schaffen.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Patentanspruch 1 .

Die Anordnung umfaßt demgemäß drei funktionale Hauptblöcke, nämlich einen Spannungssignalerzeuger zum Erzeugen einer Spannung entsprechend der Synchrondrehzahl des Motors, einen Spannungssignalerzeuger zum Erzeugen einer Spannung proportional der Ist-Drehzahl des Motors und einen Verstärker, der in der Lage ist, die Leistung des Motors zu berechnen und anzuzeigen in Ausdrücken entsprechend dem Verhältnis Ist-Leistung/maximal zulässige Nennleistung. Darüber hinaus können Hilfsschaltkreise vorgesehen sein für Erweiterungen, etwa zwecks Alarmauslösung und/oder für Steuerzwecke sowie für größere Bequemlichkeit bei der eigentlichen Messung.

Solche Aspekte bilden den Gegenstand von 'Jnteransprüchen.

Ausführungs- und Anwendungsbeispiele des Segenstandes der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eir Drehzahl/Lastmoment-Diagranun eines

Induktionsmotors und wurde oben bereits erläutert; beinahe alle Induktionsmotoren haben zumindest teilweise einen geraden Verlauf der Kurve, wie in der Zeichnung angegeben,

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Fig. 2 zeigt das Schaltungsdiagramm des Grundschaltkreises der erfindungsgemäßen Anordnung,

Fi< . 3 ist das vollständige Schaltungsdiagramm einer ausgeführten Anordnung gemäß der Erfindung, und

Fig. 4, 5 und 6 beziehen sich auf Anwendungen der Anordnung gemäß der Erfindung.

Fig. 1 wurde oben bereits erläutert. Anzumerken ist, daß mit geringem Fehler die Differenz zwischen Synchrondrehzahl und Leerlaufdrehzahl des Motors vernachläßigt werden kann.

Fig. 2 zeigt die Grundschaltung der Anordnung gemäß der Erfindung.

Mit E(5) ist ein Spannungserzeuger für ein Spannungssignal entsprechend der Frequenz der Wechselstromquelle bezeichnet, aus der der Motor gespeist wird. Das erzeugte Spannungssignal kann entweder eine gleichgerichtete und stabilisierte Gleichspannung sein oder der Ausgang eines Frequenz/Spannungswandlers, an dem die Frequenz der Wechselstromquelle als Eingangssignal anliegt. Das letztere ist theoretisch gegenüber dem ersteren zu bevorzugen, weil das Ausgangssignal automatisch Änderungen der Synchrondrehzahl folgt, doch ist das erstere praktischer und einfacher, vorausgesetzt, daß die Frequenz stabil genug ist, und dies trifft im allgemeinen zu.

Wegen der Proportionalität zwischen Synchrondrehzahl und Wechselstromquellenfrequenz entspricht das Spannungssignal aus E(5) der Synchrondrehzahl.

Das Spannungssignal entsprechend der Wechselstromquellenfrequenz liegt an den Eingängen von zwei Verstärkern. Mittels des integrierten Schaltkreises, der den Operations-

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verstärker 18 bildet, wird das Signal entweder verstärkt oder herabgesetzt durch Einstellung des variablen Widerstände:; 19, derart, daß die Spannung zwischen dem invertierenden und dem nicht invertierenden Eingang des integrierten Schaltkreises 3 dem Schlupf des Motors entspricht (vergl. Gleichung für Sl).

Das Meßwerk 9 wird auf Skalenvollausschlag eingestellt durch Verstellen des Potentiometers 8, wobei der Schalter 2 in der Schaltposition B steht.

FV(1) ist ein Frequenz-Spannungswandler, der ein Spannungssignal erzeugt proportional der Drehzahl des Motors. Mit der oben beschriebenen Justage und mit dem-Schalter in Position A zeigt das Meßwerk 9 einen Wert zvischen Null und 1oo% an, wenn die abgegebene Leistung des Mctors zwischen Null und Tm schwankt, entsprechend der Ände: ung der Drehzahl von S nach H.

Der integrierte Schaltkreis 21 und der Transistor 22 bilden eine Treiberstufe für ein Relais 23, das dai Schalter in der Position B hält, wenn die Ausgangsspannung von VF1 niedriger ist als die Spannung, welche dem Wert H entspricht, um das Meßwerk dagegen zu schützen, daß es über den Vollausschlag hinaus ausschlägt.

Dar integrierte Schaltkreis 11 und der Transistor 14 bilden aine Treiberstufe für ein Relais 15 für die Steuerung von weiteren angeschlossenen Komponenten. Die Steuergrenze Vs oder ein Sollwert ist mittels Potentiometer 12 einstellbar.

VF(1) kann entweder ein kleiner Generator sein (Tachometer-Generator) , dessen Ausgangsspannung proportional der Drehzahl des Motors ist, oder ein Frequenz/Spannungswandler, der mit Wechselstrom aus einem elektromagne ische^n oder

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fotoelektrischen Sensor als Eingangssignal beaufschlagt ist, und es in eine Gleichspannung umwandelt, proportional der Eing.ingsf requenz. Die Wandlerschaltung kann entweder unter Verwendung diskreter Komponenten aufgebaut werden, oder als integrierter Schaltkreis ausgeführt sein, der als Di gital-/.nalog-Wandler arbeitet.

Der Differentialverstärker 3 kann ebenfalls entweder ein integrierter Schaltkreis sein oder aus diskreten Komponenten aufgebaut werden.

Der Verstärker 18 kann durch eine Dividierschaltung versetzt werden, bestehend aus zwei Festwiderständen, oder vollständig weggelassen werden, wenn die Anordnung dauernd für Messungen an ein und demselben Motor verwendet wird. In einem solchen Falle sind die Quellenfrequenz und damit die Synchrondrehzahl wie auch der Schlupf konstant. Die Eichung des Skalenvollausschlages kann dann während der Montage der Anordnung erfolgen. In diesem Fall kann auch das Potentiometer 8 als Einstellwiderstand ausgebildet sein.

Die Anordnung kann aus dem normalen Wechselstromnetz oder aus geeigneten Batterien betrieben werden. In beiden Fäl en ist die Versorgungsspannung vorzugsweise stabilisiert, ode· zumindest sollte die an E (5) anliegende Spannung stabilisiert sein, wenn das Spannungssignal für die Synchrondrehzahl durch den Dividierkreis gemäß Fig. 2 gegeben ist.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel für eine ausgeführte Schaltung der Anordnung. Die Tragweite der Erfindung erstreckt sich natürlich nicht auf diese Schaltung allein.

Die Ziffernangaben in den Kreisen dieser Figur oder daneben bezeichnen die Klemmenzahlen auf der gedruckten Schaltungsplatte. Alle Komponenten mit Ausnahme der Block-

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kondensatoren (0,1 μ F an den Anschlüssen 4 und 7 jedes integrierten Schaltkreises gegen Masse) und der Gleichspannungsquelle sind in dem S chaltungs diagramm dargestellt. Der Schaltungsteil, der von der gestrichelten Linie eingeschlossen ist, dient der Außensteuerung und kann weggelassen werden oder ersetzt werden durch ein Meßrelais. Die Diodenbrücke an den Klemmen 2 und 3 kann weggelassenverden, wenn ein Gleichspannungstachometergenerator oder ein Digital-Anälog-Wandler als Sensor für die Drehzahl eingesetzt wird.

Alle integrierten Schaltkreise Q1 bis Q6 sind vom Typ u A 741, also Operationsverstärker. Man kann jedoch auch andere Typen einsetzen, je nach den Anforderungen an Genauigkeit, Stabilität, Kosten usw..

Im Vergleich mit der Schaltung nach Fig. 2 bilden die integrierten Schaltkreise Q3, Q4 und C>5 einen Differentialverstärker, äquivalent dem Schaltkreis 3 aus Fig.2, während Q1 äquivalent ist zu dem integrierten Schaltkreis18. Q2 wird als Pufferverstärker für einen Differenzeingang verwendet und als Verstärker für den Überlastschutz äquivalent zu integriertem Schaltkreis 21 aus Fig. 2.

Die Funktionen der Hauptkomponenten in Fig. 2 sollen nachstehend zusammenfassend beschrieben werden.

Der Schalter am nicht invertierenden Eingang von Q1 dient der Auswahl der Frequenz des Wechselstromnetztes. Der Schalter am Eingang von Q2 dient der Auswahl der Polzahl. Wenn der Motor,dessen abgegebene mechanische Leistung gemessen werden soll, mit Synchrondrehzahl läuft, sollten die Ausgangsspannungen von QI und 0.2 gleich sein. Zwei variable Widerstände 47 kOhm in Serie mit 1oo kOhm-Widerstände an den invertierenden Eingängen von Q1 und Q2 dienen der Justage der Amplitude, um die beiden Ausgleichs-

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spannungen gleich zu machen. Der Ausgang von Q1 wird geteilt mittels Einstellwiderstand R1 und Festwiderstand R2. Das Verhältnis von R1/R1+R2 bestimmt den maximal zulässigen Schlupf gemäß Gleichung 1. Die Einstellwelle von R1 ist mechanisch verbunden mit einer Präzisionsskala, um so das Einstellen des Schlupfes zu ermöglichen, abhängig von dem zu messenden Motor, wobei die Anzeige an einer Frontplatte erfolcit.

Wenn der Eingang von Q4 dauernd an den Ausgang von Q2 angeschlossen ist, übersteigt die Eingangsdifferentialspannung die zulässige Grenze für den Skalenvollausschlag des Meßwerks, solange nicht die Drehzahl des Motors (oder de; Tachometergenerators) den Wert H gemäß Fig. 1 erreicht. Vc r der Messung wird Schalter Sw1 in der Justierposition gehalten, in welcher der Eingang von Q4 an R1 angeschlossen ist, der seinerseits auf den Schlupf eingestellt ist, und der Ausgangswiderstand von Q5 wird so eingestellt, daß das Meßwerk Skalenvollausschlag zeigt. Um das Meßwerk gegen Überlastung zu schützen, ist die Meßposition von Schalter Sw1 mit dem Wechselkontakt von Schalter Sw2 verbunden, und der Eingang von Q4 ist verbunden mit dem Ausgang von Q1 über Sw1 und Sw2, so daß die Differentialeingangsspannung Null gemacht wird. Demgemäß kann mit den in Fig. 3 gezeichneten Schalterpositionen von Sw1 und Sw2 die Nullpunkteichung des Meßwerks erfolgen, indem R3 zwischen den beiden invertierenden Eingängen von Q3 und Q4 eingestellt wird. R1 und R4 können Festwiderstände für eine Dauerinstallation an einer bestimmten Anlage sein. Durch Verwendung von zwei variablen Widerständen auf ein- und derselben Einstellwelle anstelle von R1 und R4 ist die Einstellung der Schalterposition von Rs2 viel einfacher, obwohl Änderungen in Widerständen und Zefonerdiode erforderlich sind.

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Der Widerstand zwischen dem Meßwerk und Masse überbrückt die Ausgangsklemmen, die für ein angeschlossenes Aufzeichnungsgerät oder andere externe Indikatoren Verwendung finden.

Nach Eichung des Skalenvollausschlags und des Nullpunktes und mit dem Schalter Sw1 in der Me ^position ist die Anordnung für die Messung vorbereitet. Der Gummikonus auf der Welle des Tachometergenerators wird an die Welle des Motors angepreßt, und danach zeigt das Meßwerk die mecnanisch abgegebene Leistung des Motors als Prozentsatz der Vollast (Tm).

Nachstehend sollen Anwendungsbeispiele der Anordnung gemäß der Erfindung erläutert werden.

Bei Bauarbeiten ist die Vielfähigkeit von Beton vor dem Abbinden sehr wichtig für die Produktivität und Kompaktierbarkeit beim Ausbringen. Die Fließfähigkeit wird üblicherweise durch den Setzwert ausgedrffakt entsprechend der amerikanischen Norm ASTM C 143/77; es handelt sich dabei um die Höhenabnahm<5 von Beton, der einen Se ;zkonus eingefüllt wurde, nach Entfernen des Konus. Bekanntlich verliert Beton sehe Fließfähigkeit kurz naoh der Zugabe von Wasser. Um die Fließfähigkeit noch für einige Zeit vor dem Ausbringen aufrechtzuerhalten,wird häufig ein Fließhilfsmittel oder eine wasserreduziarende Mischung verwendet, und um solche Chemikalien richtig zu verwenden, ist eine automatische oder dauernde Messung der Fließfähigkeit wünschenswert.

Fig. 4 und 5 zeigen die Beziehung zwischen der Fließfähigkeit von Beton und der abgegebenen mechanischen Leistung das Motors, der ein entsprechendes Mischwerk antreibt, wobei die Datei mit der Anordnung gemäß Fig. 3

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gewoinen wurden. Als weiteres Beispiel sei angegeben, daß der Setzwert des Betons im Mischer bei 15 + 3 cm während mehr als zwei Stunden gehalten wurde durch Regelung der Mischpumpe mittels der Anordnung.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Anwendungsbeispiel der Anordnung gemäß der Erfindung. Das Diagramm gemäß Fig. 6 wurde aufgenommen für einen Induktionsmotor, der zu einer Installation gehört für cas Rühren eines Reaktionsgemisches in einem Behälter für die Durchführung dhemischer Reaktionen. In dem Behälter nimmt mit fortschreitendem Reaktionsverlauf die Viskosität der Mischung zu. Dieser Reaktionsverlauf ist in der chemischen Industrie sehr häufig bei der Synthese von Polymerverbindungen. Damit das Produkt Sdie richtige Qualität bekommt, muß die Reaktion beendet werden, etwa bei «iiner Viskosität von beispielsweise 1,5oo,ooo Centipdse. Wenn die Reaktion zu dem richtigen Zeitpunkt nicht beendet wird, wird das Produkt zu viskos, um aus dem Behälter ausgetragen zu werden, oder der gesarite Behälterinhalt bindet ab, womit das Rührwerk und überhaupt die gesamte Anlage beschädigt werden.

Wie in Fig. 6 erkennbar, erfolgt die Änderung im Ablesewert des Amperemeters in einem sehr engen Bereich. Eine zuverlässige Kontrolle der Reaktion kann nicht erwartet werden, wenn ein Amperemeter für die Erfassungder Viskosität eingesetzt wird. Das Lastmoment des Motors, gemessen mittels der Anordnung gemäß der Erfindung, bietet einen besseren Meßwert für die Überwachung der Reaktion wegen der höheren Empfindlichkeit und Verfolgbarkeit als die Ablesung eines Amperemeters.

Ein sehr breiter Meßbereich ist ein wichtiges Merkmal der Anordnung gemäß der Erfindung. Eine einzige Anordnung

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kann die abgegebene mechanische Leistung eines Induktionsmotors messen, der entweder mit Einphasen- oder Dreiphasen-Wechselspannung betrieben wird, und zwar aus einer Mehrzahl von Netzfrequenzen. Die Anordnung kann die abgegebene Leistung des Motors messen, unabhängig von der Netzspannung, mit der der Motor arbeitet. Die Nennleistung des Motors beschränkt die Anwendung der Anordnung nur in dem Falle, daß die Nennleistung extrem klein ist. Um ein Spannungssignal der Betriebsdrehzahl zu gewinnen, verbraucht die Anordnung ein sehr niedriges Drehmoment, äquivalent einem Wert von wenigen Watt-Stunden. Dies kann zu einem gewissen Fehler bei der Messung führen, wenn die Motorenergie selbst bei nur wen gen Watt-Stunden liegt.

Es ist aber darauf hinzuweisen, daß eι η so breites Anwendungsspektrum für bisher bekannte Meßii strumente für diesen Zweck nicht bekannt ist.

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4S.

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Claims (11)

1. Patentansprüche

   ί \ Anordnung für die Bestimmung der abgegebenen mechanischen Leistung eines Induktionsmotors, gekennzeichnet durch

   - einen ersten Spannungserzeuger zum Erzeugen eines der Synchrondrehzahl des Motors entsprechenden Spannung,

   - einon zweitenSpannungserzeuger zum Erzeugen eines der Ii. t-Drehzahl des belasteten Motors entsprechenden Spannung, und

   - eine Schaltungsanordnung für die Ermittlung einer Größe, die proportional ist zur Differenz beider Spannungen.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung mindestens einen Differentialverstärker umfaßt.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung Komponenten umfaßt zum Schutz eines mit der Größe beaufschlagten Meßwerks gegen Überlastung.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 2 und 3, dedurch gekennzeichnet, daß die Komponenten für die automatische Umschaltung eines Eingangs des DifferentialVerstärkers zwischen einer Meßposition und einer Eichposition ausgebildet sind, wobei in der Eichposition eine Überlastung des Meßwerks ausgeschlossen ist.
5. 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung auf überschrei-

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   ten von vorgegebenen Werten der Größe ansprechende Komponenten zum Erzeugen von Warn- oder Steuersignalen für mit dem Motor bestückte Installtionen aufweist.
6. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung Klemmen zum Anschluß eines Meßwertschreibens und/oder eines digital anzeigenden Meßgeräts aufweist.
7. 7. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein digital anzeigendes Meßwerk für die ermittelte Größe.
8. 8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Spannungserzeuger für die der Ist-Drehzahl des Motors entsprechende Spannung ein Gleich- oder Wechselspannung liefernder Tachometerganerator vorgesehen ist.
9. 9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Tachometergenerator erzeugte Spannung zugleich als Versorgungsspannung für die Anordnung dient.
10. 10. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten ein Meßrelais umfassen.
11. 11. Anwendung der Anordnung nach einom der vorangehenden Ansprüche bei der überwachung, Steuerung oder Regelung von Mischprozessen, bei denen der Induktionsmotor als Rührwerksantrieb verwendet wird und die Ausgangsgröße der Anordnung als Maß für die Konsistenz der Mischung dient.

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