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Bezeichnung: Meßbremse
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßbremse zur Bestimmung des Drehmoments
eines Motors, bei der zwischen einem, durch den zu messenden Motor antreibbaren
Primärrotor und einem Sekundärrotor ein Bremsmoment angreift, das den Sekundärrotor
gegen die Rückstellkraft einer Feder aus der Ruhelage auslenkt und bei der eine
die Winkelauslenkung des Sekundärrotors anzeigende Winkelmeßvorrichtung vorgesehen
ist.
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Derartige Meßbremsen, auch Bremsdynamometer genannt, dienen zur Bestimmung
des Drehmoments und hieraus der Leistung einer Kraftmaschine. Die Arbeit der Maschine
wird zwischen dem Primärrotor und dem Sekundärrotor vernichtet, indem sie in den
allermeisten Fällen in Wärmeenergie umgesetzt wird.
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Meßbremsen der eingangs genannten Art sind in BUSSIEN, Automobiltechnisches
Handbuch (Technischer Verlag Herbert Cram, Berlin, 1953, erster Band, Seiten 295
folgende), beschrieben. Bei diesen bekannten Meßbremsen sind optisch oder mechanisch
arbeitende Winkelmeßvorrichtungen bekannt, die eine Leuchtbildproduktion oder eine
Aufzeichnung des
über den Winkel gemessenen Drehmoments ermöglichen.
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Diese Winkelmessvorrichtungen sind jedoch in der Praxis schwierig
zu handhaben und einzujustieren. Sie eignen sich nicht für Leistungsprüfstände,
die kurzfristig auf- und abgebaut werden, also zum Beispiel für Lernversuche in
Ubungslabors von Schulen. Weiterhin sind die bekannten Winkelmessvorrichtungen sperrig
und erfordern sorgfältige Handhabung, falls man ein Dejustieren vermeiden will.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Meßbremsen
zu vermeiden und eine Meßbremse zu schaffen, die bei robustem und kompaktem, insbesondere
für Schulversuche geeignetem Aufbau eine gute Anzeigegenauigkeit aufweist, deren
Winkelmeßwert sich einfach mit vorhandenen Meßgeräten und Meßeinrichtungen weiterverarbeiten
läßt und die eine anschauliche, leicht zu verstehende Konstruktion aufweist.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Winkelmeßvorrichtung eine
am Sekundärrotor befestigte Blende mit mindestens einer Blendenkante aufweist, die
in Abhängigkeit von der Aus lenkung des Sekundärrotors aus seiner Ruhelage mehr
oder weniger ein von einer Lichtquelle zu einer Photozelle laufendes Lichtbündel
abschattet.
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Diese Winkelmeßvorrichtung für eine Meßbremse ist ausgesprochen einfach
aufgebaut und setzt sich aus wenigen handelsüblichen Bauteilen zusammen. Die Winkelmeßvorrichtung
benötigt wenig Platz und läßt sich bequem im oder am Gehäuse der Bremse anordnen,
so daß sie von äußeren Einwirkungen geschützt ist. Als Meßwert für die Auslenkung
des Sekundärrotors aus der Ruhelage wird ein elektrischer Spannungswert ausgegeben,
der Schwankungen im Drehmoment praktisch trägheitslos wiedergibt und der sich mit
herkömmlichen Meßinstrumenten und Meßeinrichtunqen weiterverarbeiten und anzeiqen
läßt, ohne daß es einer zusätzlichen Verstärkunq bedürfte. Die Arbeitsweise der
Winkelmeßvorrichtunq ist einfach und anschaulich, so daß die
beim
Messen ablaufenden Vorqänqe leicht verstanden werden.
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Die erfindunqsqemäße Meßbremse eiqnet sich daher für Lernversuche.
Schließlich läßt sich ohne zusätzliche Mittel eine Anzeiqe für Links- und Rechtslauf
der antreibenden, zu messenden Maschine erreichen, indem bei Ruhelage des Sekundärrotors
das Lichtbündel die Photozelle zur Hälfte abschattet.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Blende
in jeder Drehrichtung von jeweils einer radial verlaufenden Blendenkante begrenzt
wird und jeder Blendenkante eine Photozelle zugeordnet ist. Hierdurch wird eine
Verdoppelung der MeBgenauigkeit erreicht, da zwei, allerdings gegenläufige elektrische
Spannungswerte ausgegeben werden. Zudem ist die Anzeige in größerem Maße als bei
lediglich einer Photozelle von äußeren Einflußgrößen unabhängig.
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Die Meßbremse läßt sich besonders einfach und aus wenigen Teilen
aufbauen, wenn der Lichtfluß des auf die Photozelle auftreffenden Lichtbündels so
groß ist, daß stets eine Sättigungsbelichtung erreicht wird. Hierzu ist es vorteilhaft,
als Photozelle ein Photoelement zu verwenden. Schwankungen in der Lichtintensität
der Lampe -seien sie kurzfristig, zum Beispiel durch Schwankungen der Versorgungsspannung
bedingt oder langfristig, zum Beispiel durch Alterung hervorgerufen - wirken sich
auf den Meßwert nicht aus. Es können einfache, handelsübliche Glühlampen verwendet
werden, ohne daß das von diesen ausgehende Licht durch eine Streuscheibe oder eine
Spiegelanordnung homogenisiert werden muß. Als Folge wird der Aufbau der Anzeigevorrichtung
besonders anschaulich, da ein Lernender während des praktischen Versuchs die Arbeitsweise
der Winkelmeßvorrichtung beobachten kann, insbesondere wenn der Schatten der Blendenkante
auf der Photozelle verfolgt werden kann.
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Als energievernichtende Bremse hat sich eine Magnet-
pulverkupplung/Bremse
als besonders vorteilhaft erweisen, da ihr Bremsmoment bequem über den elektrischen
Magnetisierungsstrom zu regeln und zudem weitgehend temperaturunabhängig ist. Daneben
können auch andere Bremsen eingesetzt werden, beispielsweise eine Wirbelstrombremse
oder ein Generator mit angeschlossenem, regelbaren Verbraucher.
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Weitere Merkmale der Erfindung gehen aus den Ansprüchen hervor.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von drei Ausführungsbeispielen,
die in der Zeichnung dargestellt sind, erläutert. In der Zeichnung zeigen: Figur
1 eine Vorderansicht auf eine Meßbremse, bei der die Rückstellkraft über Schraubenfedern
angreift, die Träger-platte für die Photozellen ist entfernt und strichpunktiert
eingezeichnet, Figur 2 eine Draufsicht auf die Trägerplatte gemäß Fig. 1, Figur
3 eine Seitenansicht auf die Winkelmeßvorrichtung, Figur 4 eine Vorderansicht einer
Meßbremse mit Torsionsstab, Figur 5 ein Schnitt entlang der Schnittlinie V-V in
Fig. 4, Figur 6 eine schnittbildliche Darstellung einer kinematischen Umkehrung
der Vorrichtung gemäß Fig.4,und Figur 7 ein Schnittbild entlang der Schnittlinie
VII-VII in Fig. 6.
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In ein Gehäuse 1 ist ein Stator 2 einer Magnetbremse 3 eingepreßt,
so daß eine gute Wärmeleitung vom Stator 2 zum Gehäuse 1 erreicht wird. Das Gehäuse
1 ist mit Kühlrippen 4 ausgestattet und über Füße 5 mit einer Bodenplatte verschraubt.
Das Gehäuse 1 hat die Form eines Zylinders. Es ist ein typisches Motorengehäuse.
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Konzentrisch zum Stator 2 sind ein Primärrotor 6 und ein Sekundärrotor
7 angeordnet. Der Primärrotor 6 wird von einer (nicht dargestellten) zu messenden
Maschine, zum Beispiel einem Elektromotor angetrieben und über ein
Bremsmoment,
das zwischen dem Sekundärrotor 7 und dem Primärrotor 6 angreift, abgebremst. Bei
einer Magnetpulverkupplung befindet sich in einem Ringspalt zwischen Primärrotor
6 und Sekundrrotor 7 Magnetpulver, das je nach Magnetisierung den Ringspalt mehr
oder weniger verklebt und dadurch mehr oder weniger mechanische Reibung zwischen
dem Primärrotor 6 und dem Sekundärrotor 7 bewirkt. Über die Reibung wird die mechanische
Energie des Motors in Wärme umgesetzt.
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Das Bremsmoment zwischen Primärmotor 6 und Sekundärrotor 7 ist bestrebt,
den Sekundärrotor mltzudrehen.
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Dieser wird jedoch durch ein Rückstellmoment gehindert, Drehbewegungen
auszuführen. Gemäß Figur 1 sind zwischen dem Stator 2 und dem Sekundärrotor 7 vier
Schraubenfedern 8 angeordnet, die ein Rückstellmoment bewirken und in Abhängigkeit
von ihrer Aus lenkung das Bremsmoment kompensieren. Zweckmäßigerweise können die
Angriffspunkte der Federn 8 quer zur Federrichtung justiert werden, um Einzelfedern
mit unterschiedlichen1 herstellungsbedingte Toleranzen aneinander anptsen zu können,
wodurch wieder in beiden Drehrichtungen gleiche Empfindlichkeit erreicht wird.
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Die Auslenkung des Sekundärrotors 7 aus seiner in Fig. 1 gezeigten
Ruhelage wird über eine Winkelmessvorrichtung 9 ermittelt. Hierzu ist am Sekundärrotor
7 eine radial bis zum Stator 2 vorspringende Blende 10 befestigt, die im Bereich
des Stators 2 in jeder Drehrickung von einer in Radialrichtung verlaufenden Blendenkante
11, 12 begrenzt wird. Unter jeder Blendenkante 11,12 befindet sich eine handelsübliche
Niederspannungs-Glühfadenlampe 13, 14, die als Licht<uelle dient. Wie in Fig.
3 gezeigt, sind diese Lichtquellen 13, 14 auf einer Platte 15 untergebracht, die
am Gehäuse 1 befestigt ist. Die Spannungszuführung erfolgt in bekannter Weise.
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Das von den Lichtquellen 13,14 ausgehende Lichtbündel
fällt
teilweise auf die Blende 10, teilweise passiert es diese'Blende 10 oberhalb bzw.
unterhalb der Blendenkanten 11 bzw. 12 und fällt auf Photozellen 18,19, die hinter
den Blendenkanten 11,12 angeordnet sind. Bei der in Fig. 3 gezeigten 0-Stellung
der Winkelmeßvorrichtung 9 schattet die Blende 10 die Photozelle 18,19 zur Hälfte
ab. Dadurch wird für beide Drehrichtungen eine Anzeige erzielt. Aus der Anzeige
kann zudem die Richtung erkannt werden. Die Abstimmung des Rückstellmoments aufgrund
der Federn 8 und des maximalen Bremsmoments ist so ausgeführt, daß bei maximalem
Bremsmomement die eine Photozelle, zum Beispiel 18, noch nicht vollständig, sondern
nur zu beispielsweise 80 % abgeschattet ist und die andere Photozelle, zum Beispiel
19, noch nicht auf ihrer gesamten Fläche, sondern nur auf 80 % ihrer Fläche belichtet
wird. Damit können auch momentane Schwankungen bei Vollast noch erkannt werden,
der Restbereich gewährt Sicherheit.
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Die Photozellen 18,19 sind auf einer der Platte 15 der Lichtquellen
13,14 gegenübergestellten Trägertafel 20 befestigt. Dabei ist der Abstand der Blende
10 von der Trägertafel 20 wesentlich kürzer als der Abstand der Blende 10 von den
Lichtquellen 13,14. Hierdurch wird der Einfluß von Streulicht und Umgebungslicht
verringert.
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Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist die Trägertafel 20 mit Schlitzen
21,22 ausgestattet, die. konzentrisch zur Achse von Primärrotor 6 und Sekundärrotor
7 verlaufen.
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Hinter ihnen befinden sich die Photozellen 18,19. Über die Form, insbesondere
die Breite der Schlitze wird die gewünschte Anzeigecharakteristik, also die Abhångigkeit
des elektrischen Meßwertes von der Winkelauslenkung erreicht. Zudem können Photozellen
beliebiger Abmessungen, beispielsweise auch mit runder Aufnahmefläche, eingesetzt
werden.
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Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, ist der Pluspol 23 des oberen Photoelements
18 mit einer Leitung 24 ver-
bunden. Der Minuspol 25 desselben
Photoelements 18 ist mit dem Minuspol 23 des unteren Photoelements verbunden und
über eine Leitung 25 abgreifbar. Der Pluspol 26 des unteren Photoelements 19 ist
über eine dritte Leitung 26 angeschlossen. Die Photoelemente 18,19 sind daher in
einer Halbbrückenanordnung angeordnet. Sind die Photoelemente hinter gleichförmigen
Schlitzen 21,22 angeordnet, wie in Fig. 2 gezeigt, so bleibt die Gesamtspannung
bei der Schaltung der Photoelemente 18,19 gemäß Fig. 3 stets Null. Schwenkt die
Blende 10 in eine Drehrichtung, so wird die Kompensation (Brückenabgleich) aufgehoben
und eine Spannung zwischen den Leitungen 24 und 26 ausgegeben, deren Vorzeichen
von der Drehrichtung abhängt. - Alternativ können die Photoelemente 18,19 auch in
Serie geschaltet werden1 unabhängig von der Winkelstellung der Blende wird dann
zwischen den Leitungen 24 und 25 stets dieselbe Gesamtspannung abgegriffen, das
Potential der Leitung 25 aber ist von der Winkelstellung der Blende 10 abhängig.
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Ändert sich die Temperatur der Photoelemente 18,19, so ändern sich
Gesamtspannung und Zwischenpotential, der Einfluß der Temperatur oder auch anderer
Parameter läßt sich elektronisch ausschalten.
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Im Ausführungsbeispiel nach den Figuren 4 und 5 ist die das Rückstellmoment
aufbringende Feder 8 ein Torsionsstab 8', der mit einem Ende am Sekundärrotor 7
und mit dem anderen Ende am Stator 2 festliegt und axial nach vorn vorsteht. Auf
den Sekundärrotor 7 ist frontal und koaxial ein Spannbock 28 mittels Schrauben 29
aufgeschraubt. In diesem Spannbock 28 liegt das hintere Ende der als Drehstab 8'
ausgebildeten Feder fest. Das vordere Ende des Drehstabs 8' liegt in einem Spannteil
30 fest, das über ein innen hohles Verbindungsteil 31 mit dem Stator 2 fest verbunden
ist.
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Die Blende 10 ist zwischen dem Sekundärrotor 7 und dem Spannbock
28 nicht festgelegt, hinter ihr befinden sich die
Photoelemente
18,19 in dichtem Abstand. Vor ihr ist eine Halterung 32, die für die Lichtquellen
13,14 vorgesehen ist. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach den Figu- -ren 1
bis 3 liegen die Lichtquellen 13, 14 außerhalb der Blende 10. Sie sich daher leicht
auswechselbar, zudem kann der Schatten der Blendenkanten 11,12 auf den Photoelementen
18,19 beobachtet werden.
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Die in den Figuren 6 und 7 dargestellte Ausführung der Meßbremse
mit Winkelmeßvorrichtung ist eine exakte kinematische Umkehrung der in den Figuren
1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiele. Der Stator ist mit dem zu messenden
Motor drehfest verbunden, der Motor überträgt sein Drehmoment über die als Torsionsstab
8' augebildete Feder auf den Sekundärrotor 7. Das zwischen diesem und dem Primärrotor
angreifende Bremsmoment tordiert den Torsionsstab 8' aus seiner Ruhelage aus, der
Primärrotor 6 wird festgehalten.
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In Figur 6 ist ein Torsionsstab gezeigt, der an seinem einen, beispielsweise
dem rechten Ende, mit dem zu messenden Motor drehfest verbunden ist und an seinem
anderen Ende mit dem Sekundärrotor 7 einer Bremse, beispielsweise einer Magnetpulverbremse,
verbunden wird. Durch das übertragene Drehmoment wird der Torsionsstab 8' tordiert.
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Die Verdrehung des Torsionsstabes 8' ist ein Maß für das übertragene
Drehmoment.
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Auf beide Endbereiche 33,34 des Torsionsstabes 8' sind Hülsen 35,36
so aufgeschoben, daß zwischen ihren freien Enden in der Mitte ein schmaler Luftspalt
bleibt. Die Hülsen 35,36 sind auf den Endbereichen 33,34 mittels Madenschrauben
37 befestigt. Ihre freien, zur Mitte reichenden Enden übertragen die Winkelstellung
der Endbereiche 33,34 zur Mitte hin auf Lochscheiben 38,39. Die große Lochscheibe
38 ist mit der rechten Hülse 35 drehfest verbunden. In engem Abstand steht sie konzentrisch
der kleinen Loschscheibe 39 gegenüber, die am freien Ende der Hülse 36
angeordnet
ist.
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Sie hat zwei radial versetzte Fensterreihen mit in gleichen Teilungswinkeln
angeordneten Fenstern 40,41, den auf dem kleineren Radius liegenden Fenstern 40
stehen axial in gleicher Entfernung vom Drehmittelpunkt und in gleichen Teilungswinkeln
wie die Fenster 40 angeordnete Fenster 42 gegenüber. Die Fenster 41 dienen zur Drehzahlerfassung,
im gezeigten Ausführungsbeispiel (Figur 7) sind zwanzig Fenster vorgesehen. Besonders
vorteilhaft ist es jedoch, sechsig Fenster 41 auf dem großen Radius zu verteilen.
Mit handelsüblichen Frequenzzählern kann dann unmittelbar die Umdrehungszahl pro
Minute ermittelt und ausgegeben werden.
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Die Fenster 40 und 42 dienen, wie im Ausführungsbeispiel nach den
Figuren 1 bis 5,zur Drehmomenterfassung.
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In Figur 7 ist ein Momentbild der Lochscheiben 38,39, also der Fenster
40, 42, gezeigt, das einer Torsion des Stabes 8' entspricht. Bei Torsion 0 fluchten
die Fenster 40,42 vollständig, so daß der volle Durchgang frrigegeben wird. Gemäß
Figur 7 hat die linke Blendenkante des Fensters 40 sich in die Fensteröffnung des
Fensters 42 geschoben, so daß die gesamte Durchlaßfläche gegenüber der Null-Stellung
des Torsionsstabes 8' verkleinert ist.
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Entsprechend kleiner ist der Spannungswert, den das Photoelement 18
abgibt.
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Das Photoelement 18 bzw. die das Photoelement abdeckende Blende erstreckt
sich entlang der in Figur 7 gestrichelt eingezeichneten Fläche 43. Diese Fläche
überdeckt einen Winkelbereich, der dem Winkelbereich eines Fensters 40 bzw. 42 plus
dem Winkelbereich der undurchsichtigen Scheibenfläche zwischen zwei Fenstern 40
bzw. 42 entspricht. In radialer Richtung ist die Abmessung der Fläche 43 der entsprechenden
Höhe der Fenster 40,42 angepaßt.
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Hierdurch wird erreicht, daß am Ausgang des Photoelements 18 stets
eine Gleichspannung auftritt, obwohl sich die
Fenster 40,42 über
das Photoelement 18 hinwegbewegen.
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Durch die angegebene Abmessung in Bogenrichtung wird nämlich erreicht,
daß die beleuchtete Fläche des Photoelements 18 stets konstant bleibt. Sobald die
in Drehrichtung vorne liegende Blendenkante des in Fig. 7 gezeigten, vor dem Photoelement
befindlichen Fensters 42 die rechte Begrenzung der Fläche 43 erreicht (Drehrichtung
im Uhrzeigersinn), tritt die rechte in Drehrichtung vorn liegende Kante des linken
Nachbarfensters 42' über die linke radiale Begrenzung der Fläche 43.
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Das Photoelement 18 und die zugehörige Lichtquelle 13 sind in einem
ortsfesten Joch 44 angeordnet. Dieses Joch 44 nimmt auch die Lichtquelle 45 und
einen Phototransistor 46 für die Drehzahlerfassung auf. Die Lichtquellen 13,45 sind
Lumineszenzdioden.
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In geänderter Ausführung können die Fenster 40,42 auch so zueinander
justiert werden, daß sie sich bei Null-Stellung des Torsionsstabes 8' gegenseitig
abdecken.
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Wählt man bei dieser Ausbildung eine in Bogenrichtung kürzere Aufnahmefläche
als die Fläche 43 des Photoelements 18 gemäß Fig. 7, so erhält man als Ausgang am
Photoelement 18 annähernd Rechteckimpulse. Ihre Höhe ist proportional dem vom Torsionsstabe
8' übertragenen Drehmoment, ihre Frequenz ist ein Maß für die Umdrehungszahl der
Welle 8'.
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Addiert man also die Impulshöhen (Amplituden) der in einer festen
Zeiteinheit vom Photoelement 18 abgegebenen Impulse, so hat man ein direktes Maß
für die Leistung.
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Eine Halbbrückenanordnung, wie sie im Ausführungsbeispiel nach den
Figuren 1 bis 5 gezeigt ist, ist auch im Ausführungsbeispiel nach den Figuren 6
und 7 möglich, wenn auf den Locoscheiben 38, 39 noch jeweils eine weitere Fensterreihe
vorgesehen und ein zweites Photoelement am Joch 44 angeordnet wird.
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Befestigt man das Photoelement 18 dagegen an der Scheibe 38 und die
Lichtquelle 13 an der Scheibe 39, so daß beide
sich mitdrehen können,
so liegen exakt die Verhältnisse nach dem Ausführungsbeispiel gemäß Figuren 1 bis
5 vor.
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Im praktischen Gebrauch hat sich gezeigt, daß es zweckmäßig ist,
die Photoelemente im Kurzschlußbetrieb zu betreiben. Hierzu wird die von ihnen gelieferte
Spannung an den Eingang eines Regelverstärkers gelegt, dessen Ausgangsspannung auf
Null gehalten wird. Der hierzu notwendige Strom wird gemessen, er liefert die Signalspannung.
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Handelsübliche Photoelemente haben Flächen höherer und Flächen qeringerer
EmpfintilichkeiL. Um die hieraus resultierenden Fehler weitgehend auszuschalten,
wird immer mindestens ein Drittel der Gesamtfläche der Photoelemente beleuchtet.
Um eine möglichst gleichmäßige Beleuchtung zu erzielen, werden drei Lampen eingesetzt,
von denen die beiden äußeren schwenkbar angeordnet sind, so daß Übernahmeverzerrungen,
die auftreten, wenn ein Lichtfleck das Photoelement verläßt und ein neuer Lichtfleck
gerade auf das Photoelement fällt, durch Justierung der beiden schwenkbaren Lampen
kleingehalten werden können. Die mittlere der drei Lampen sowie eine der beiden
äußeren Lampen sind zudem in der Helligkeit regelbar, die Helligkeit wird so eingestellt,
daß möglichst optimale Linearität erzielt wird.
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Es hat sich als zweckmäßig herausgestellt, bei Nullage des Torsionsstabes
die Lochscheiben 38,39 so zu justieren, daß die Fenster 40, 42 einander um die Hälfte
überdecken. So ist immer eine gewisse Fläche beleuchtet. Das Ausgangssignal des
an das Photoelement angeschlossenen Regelverstärkers wird auf eine Subtrahierstufe
gegeben, an der eine konstante Referenzspannung anliegt. Die Ausgangsspannung ist
damit Null Volt. Sollte sich der Lichtfluß der Lampen ändern, sollten die Photoelemente
18 ihre physikalischen Eigenschaften, zum Beispiel durch Altern, ändern oder dergleichen,
so wird
das Ausgangs signal des Verstärkers am Eingang der Subtrahierstufe
kleiner. Regelt man nun die Verstärkung des Verstärkers höher, bis wieder der Pegel
der Referenzspannung erreicht wird, hat man die gesamte Meßwerterfassung abgeglichen.
Das Ausgangssignal hinter der Subtrahierstufe hängt dann im wesentlichen nur noch
von den physikalischen Eigenschaften des Torsionsstabes 8' ab. Ein Benutzer kann
somit die Meßwerterfassung seiner Meßbremse einfach eichen.