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Elektrische Neigungswaage Die vorliegende Erfindung betrifft eine
hochempfindliche Waage, die eine zu messende beliebig kleine veränderliche Meßgröße
selbsttätig auswiegt gegen eine beliebig große veränderliche elektrische Größe,
z. B. Stromstärke, derart, daß Jedem Wert der Meßgröße ein bestimmter Wert der elektrischen
Größe zugeordnet ist. Die bekannten Waagen ähnlicher Art beruhen auf der Nullstellungsmethode.
Bei einem gewissen Mindestausschlag dieser Waagen wird an der Grenze des Nullstellungsbereichs
eine Auslösung betätigt z. B. ein Kontakt geschlossen oder ein Steuerkolben verschoben,
wodurch eine Vorrichtung in Tätigkeit gesetzt wird, die die elektrische Größe so
lange verändert, bis die Waage sich wieder innerhalb des Nullstellungsbereichs befindet.
Die Nullstellungsmethode bringt unvermeidliche Nachteile mit sich. Mit Rücksicht
auf das sonst eintretende dauernde Pendeln der Waage kann der Nullstellungsbereich
nicht beliebig klein gewählt werden, so daß ein merklicher toter Gang und entsprechende
Meßfehler entstehen. Innerhalb des Nullstellungsbereichs muß zur Verhütung des Pendelns
_ eine zusätzliche Richtkraft vorgesehen werden, so daß die veränderliche elektrische
Größe nicht gegen die von der Meßgröße ausgeübte Kraft, sondern gegen die Differenz
zwischen dieser Kraft und einem unbekannten Bruchteil der zusätzlichen Richtkraft
ausgewogen wird. Durch diese Nachteile wird der Hauptvorteil der Waage an sich,
die große Meßgenauigkeit, zerstört. Außerdem bedingen die Auslösevorrichtungen teure
und umständliche Einrichtungen, die leicht zu Betriebsstörungen Anlaß geben.
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Durch die Erfindung werden alle diese Nachteile vermieden. Die Erfindung
besteht darin, daß bei einer selbsttätigen Waage der beschriebenen Art, die eine
von einer veränderlichen Meßgröße ausgeübte Kraft gegen eine von einer veränderlichen
elektrischen Größe, die .,gleichzeitig zur Fernanzeige, Fernregistrierung oder Fernzählung
oder zur Betätigung von Signalen oder Fernsteuerungen benutzt wird, ausgeübte Gegenkraft
durch . selbsttätige Veränderung der elektrischen Größe auswiegt, die elektrische
Größe eine stetige Funktion des Ausschlages der. Waage ist und bei Veränderungen
der von der Meßgröße ausgeübten Kraft so mit dem Ausschlag der Waage verändert wird,
daß eine neue Gleichgewichtslage erreicht wird.
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Der Erfindungsgegenstand ist ini Gegensatz zu den nach der Nullstellungsmethode
arbeitenden selbsttätigen elektrischen Waagen eine nach . der Ausschlagmethode arbeitende
Waage. Er unterscheidet sich von den Waagen der bekannten Art in der gleichen Weise,
wie eine Neigungswaage sich vor,#einer Gewichtswaage mit selbsttätiger Einstellung
der Gewichtsbelastung unterscheidet. Ebenso wie bei einer Neigungswaage nimmt auch
beim Erfindungsgegenstand mit zunehmendem Ausschlag der Waage die Gegenkraft selbsttätig
zu bis zur Erreichung der neuen Gleichgewichtslage. Neben den auch der Neigungswaag@eigent@mlichen
Vorteilen der Einfachheit,
Betriebssicherheit und Schnelligkeit
bei großen Genauiglceit--w@igt der Erfindungsgegenstand nach besondere Vorteile
auf. Da die veränderliche elektrische Größe als.Maß der Meßgröße dient, braucht
die Größe der Gegenkraft nicht aus dem Ausschlag der. Waage abgelesen zu werden.
Der Ausschlag der Waage kann daher kleingehalten werden und braucht nicht geeicht
zu werden. Hierdurch wird einerseits die Genauigkeit der Waage vergrößert, andererseits
durch den Wegfall der Eichung die Herstellung sehr verbilligt.
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Die neue elektrische Waage eignet sich insbesondere zur Fernübertragung
und zur Regelung von Meßgrößen beliebiger Art. Ferner ermöglicht sie die überraschend
einfache genaue Lösung zahlreicher rxießtechnischer Aufgaben, die bisher nicht auf
einfache selbsttätige Weise gelöst werden konnten.
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Durch die Abb. i bis io wird die Erfindung in einigen allgemeinen
und einigen besonderen Ausführungsformen schematisch dargestellt.
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In Abb. i bedeutet i -einen Waagebalken, der auf einer Schneide 2
ruht. 3 ist die Meßgröße, die als Kraft bzw. Drehmoment auf den Waagebalken i einwirkt.
Der Waagebalken trägt außerdem eine Spule q., -welcher durch die Drähte 5 -und 6
Strom zugeführt wird. Die Spule befindet sich im Felde eines konstanten Magneten
7, der so angeordnet ist, daß zwischen der Spule und seinem Felde eine zum Waagebalken
senkrecht gerichtete Kraft entsteht. In Abb. i ist der Magnet der Einfachheit halber
nur einseitig dargestellt, so daß nur ein Teil der Spule wirksam ist; er kann aber
auch, wie in Abb. i dargestellt; so ausgebildet werden, daß die ganze Spule zur
Erzeugung der Kraft oder des Drehmoments ausgenutzt wird. Die Drähte 5 und 6 sind
über einen Widerstand 8 an zwei Flüssigkeitsgefäße 9 und io angeschlossen, die ihrerseits
über einen Widerstand i i an die beiden Pole einer Gleichstromquelle 12 angeschlossen
sind. In die Flüssigkeitsgefäße 9 und io taucht ein Bügel 23 ein, von dem ein oder
beide Schenkel aus Widerstandsmaterial bestehen und der am, Waagebalken T befestigt
ist. Parallel zu dem Widerstand 8 sind einige elektrische Anzeige-, Registrierinstrumente
oder Zähler 14 geschaltet, parallel zur Spule q. ein Justierwiderstand 15. Die,
Wirkungsweise ist folgende: Nimmt das von -der Meßgröße 3 ausgeübte Drehmoment zu,
so hebt sich der Bügel r3 etwas aus den Flüssigkeitsgefäßen und vergrößert den zwischen
diesen befindlichen Widerstand und damit auch den Strom in der Spule q. so @veit,
bis die Anziehung zwischen der Spule q. und dem Magnetfeld dem von der Meßgröße
ausgeübten Drehmoment wieder das Gleichgewicht hält. Der Strom, der durch die Spule
q. fließt, ist also zu einem Maß für die Meßgröße 3 geworden. Dieser Strom oder,
wie, in Abb. i dargestellt, sein Spannungsabfall in einem festen Widerstand 8 kann
von den Instrumenten 14 angezeigt, registriert, gezählt oder zur Betätigung von
Signalen oder Steuerungen herangezogen werden. Im vorliegenden Falle ist der Strom
oder der Spannungsabfall am Widerstand 8 dem von der Meßgröße ausgeübten Drehmoment
proportional.. Durch, den justienviderstand 15 kann der Proportionalitätsfaktor
beliebig eingestellt und die Waage auf einfachste Weise justiert werden. Der Einfluß
des wechselnden Auftriebes des Bügels 13 in >den Flüssigkeitsgefäßen würde
eine unerwünschteStabilität der Waage, diemechanisch indifferent seinmuß,zur Folge
haben. Dieser Einfluß kann dadurch ausgeglichen werden, däß der Waagebalken an sich
eine bei- den kleinen Abweichungen der Waage -aus der Mittelstellung die Wirkungen
des Auftriebes gerade aufhebende Labilität erhält. Das Drehmoment des über der Drehachse
liegenden Schwerpunktes des Waagebalkens wirkt dann dem Drehmoment der Auftriebsänderungen
entgegen und hebt es bei entsprechender Bemessung der Teile stets auf.
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In Abb. 2 ist eine andere allgemeine Ausführungsform der elektrischen
Waage schematisch dargestellt. Die Zahlen z bis 14 haben die gleiche Bedeutung wie
»in Abb. i. Der Waagebalken i trägt einerseits ein Gegengewicht-r6, andererseits
einen Kern 17, der in eine Drosselspule 18 eintaucht und so geformt ist, daß er
bei geringen Bewegungen des Waagebalkens prozentual möglichst große Veränderungen
des magnetischen Widerstandes für die Kraftlinien der Spule herbeiführt. Die Drosselspule
18 ist über einen Widerstand i9 an ein Wechselstromnetz 2o angeschlossen. Parallel
zu dem Widerstand i9 sind die Anzeige-, Registrierinstrumente o. dgl. 1q, geschaltet.
21 ist ein zum Zweck der Justierung parallel zum Kern 17 angeordneter einstellbarer
Eisenbügel. Die Wirkungsweise ist folgende: Bei einer Zunahme desvon der Meßgröße
3 ausgeübten Drehmoments wird der Kern 17 etwas aus der Drosselspule 18 herausgehoben,
so daß deren Selbstinduktion verringert wird und die Stromstärke entsprechend zunimmt.
Damit; nimmt jedoch auch die Anziehung zwischen der Spule 18 und dem Kern 17 zu,
bis sie der Zunahme des von der Meßgröße, ausgeübten Drehmoments wieder das Gleichgewicht
hält. Die Stromstärke in der Drosselspule 18 wird auf diese Weise zu einem Maß für
das von der Meßgröße ausgeübte Drehmoment. Die Meßgröße kann daher mittels der Instrumente
1q. indirekt gemessen werden.
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In Abb. 3 ist noch eine allgemeine Ausführungsform
der
elektrischen Waage schematisch dargestellt. Die Zahlen i bis 2o haben die gleiche
Bedeutung wie in Abb. 2. Der Waageballen i trägt zwei Sekundärspulen 22 und 23,
die von zwei Primärspulen 24 und 25 induziert werden. Die Sekundärspulen sind über
einen Widerstand 26 gegeneinandergeschaltet, so daß in der Mittelstellung der Waage
kein Strom in ihnen fließt. Die Primärspulen sind über eine Eisendrahtlampe 27 an
das Wechselstromnetz. 2o angeschlossen. Die Wirkungsweise ist folgende: Bei einer
Zunahme des von der Meßgröße ausgeübten Drehmoments wird die Spule 23 weiter von
der Spule 25 entfernt. Infolge der nun ungleichen Induktion fließt ein Strom durch
die Spulen 22 und 23, der zwischen 22 und 2q. Abstoßung, zwischen 23 und 25 Anziehung
bewirkt, also der Zunahme des von der Meßgröße ausgeübten Drehmoments entgegenwirkt.
Dieser Strom, der durch die Instrumente 1q. direkt oder indirekt als Spannungsabfall
am Widerstand 26 gemessen werden kann, ist wiederum ein Maß für das von der Meßgröße
ausgeübte Drehmoment. Er ist diesem Drehmoment proportional, falls man den Spulen
24 und 25 durch Vorschaltung der Eisendrahtlampe 27 konstanten Strom zuführt. Falls
die Spulen 24 und 25 konstante Spannung erhalten, ist der Strom angenähert der Wurzel
aus dem Drehmoment proportional. Bei der dargestellten Anordnung der elektrischen
Waage kann das durch die Meßgröße ausgeübte Drehmoment auch in entgegengesetztem
Sinne wirken (wie durch den Pfeil 3' angedeutet) ; es kehrt sich dann die Stromrichtung
in den Spulen und Instrumenten um, die somit positive und negative Werte des Drehmoments
messen können. Falls das Drehmoment nur in einem Sinne wirkt, kann durch Anordnung
eines Gegengewichts der beiderseitige Ausschlag der Waage nutzbar gemacht werden;
dem stromlosen Zustand der Spulen ist dann ein mittlerer Wert des Drehmoments zugeordnet.
An Stelle der beiden getrennten. Spulen 22 und 23 kann auch eine einzige Sekundärspule
verwendet werden, die von zwei Primärspulen entgegengesetzt induziert wird und bei
Abweichungen der Waage aus der Mittelstellung so verschoben wird, daß sie von der
einen Primärspule stärker, von der anderen schwächer induziert wird; andererseits
können auch zwei gegeneiziandergeschaltete Sekundärspulen und eine Primärspule verwendet
werden. Ferner ist es nicht erforderlich, wie in Abb.3 der Einfachheit halber dargestellt,
eisenlose Spulen zu verwenden. Es können auch eisengeschlossene Spulen verwendet
werden, wobei ein Luftspalt für die Verschiebung der Sekundärspule oder -spulen
vorhanden sein muß. Eine solche Ausführung mit zwei Primär- und einer Sekundärspule
ist schematisch in A$b. 3 dargestellt.
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Abb. q. zeigt schematisch eine Ausführungsform der elektrischen Waage
in Verbindung mit einem Wärmestrahlsteüerwerk. Ein Wärmestrahlsteuerwerk ist eine
Einrichtung zur stetigen Veränderung eines elektrischen Stromes in einer oder beiden
Strömungsrichtungen entsprechend den Verschiebungen eines Schirmes, der eine Wärmeausstrahlung
oder Wärmeeinstrahlung entsprechend seinen Verschiebungen verändert. Wenn nur geringe
Stromstärken benötigt werden, kann unmittelbar die Wärmeausstrahlung oder Wärmeeinstrahlung
von Widerstandsdrähten und hierdurch die Stromstärke verändert werden. Wenn größere
Stromstärken benötigt werden, können durch die Änderungen der Wärmestrahlung zunächst
Ausdehnungsänderungen temperaturempfindlicher Körper und hierdurch elektrische Widerstands--
und Stromänderungen bewirkt werden. Wesentlich ist, daß durch die Verschiebung des
die Wärmestrahlung verändernden Schirmes stetige Änderungen einer Stromstärke oder
sonstigen zur Auswiegung mittels der elektrischen Waage geeigneten elektrischen
Größe herbeigeführt werden und daß auf die -die Verschiebung bewirkende Einrichtung
keine mechanische Rückwirkung ausgeübt wird. Durch die Verbindung der elektrischen
Waage mit einem solchen Wärmestrahlsteuerwerk wird erreicht, daß schon- durch äußerst
kleine Abweichungen der Waage aus ihrer Mittellage große-Veränderungen der elektrischen
Größe herbeigeführt werden können, ohne daß ein Arbeitsaufwand an der Waage erforderlich
ist. Die Auswiegung wird infolgedessen äußerst genau und feinfühlig. Die Zahlen
i bis 15 haben die gleiche Bedeutung wie in Abb. i. 28 ist das Wärmestrahlsteuerwerk,
z. B. in Ausführung mit nur einem veränderlichen Widerstand zur Veränderung der
Stärke eines elektrischen Stromes in nur einer Strömungsrichtung. 2g ist die .Strömungsquelle,
3o der Schirm, der von dem Waagebalken i betätigt wird. Die Spule q_ ist über den
Widerstand 8 parallel zum veränderlichen Widerstand des Wärmestrahlsteuerwerks geschaltet,
und beide sind über den Widerstands 31 an eine Gleichstromquelle 32 angeschlossen.
Die Wirkungsweise isst folgende: Bei einer Zunahme des von der Meßgröße ausgeübten
Drehmoments wird nach geringer Lageveränderung des Schirmes 3o der veränderliche
Widerstand im Wärmestrahlsteuerwerk vergrößert und damit auch die Stromstärke in
der Spule q., bis die magnetische
Wechselwirkung zwischen der Spule
q. und dem Magneten 7- deni, vön. der Meßgröße ausgeübten Drehmoment wieder das
Gleichgewicht hält. Der Ström in der Spule 4, der als Spannungsabfall an dem Widerstand
8 durch die Instrumente 14 gemessen werden kann, ist hierbei dem Drehmoment
proportional. -'Durch den Justierwiderstand 15 kann wie bei der Anordnung nach Abb.
z der Proportionalitätsfaktor zwischen dem Spannungsabfall arn Widerstand 8 und
dem Drehmoment beliebig eingestellt und die Waage auf einfache Weise justiert werden.
Um Pendelun-.gen der Waage zu vermeiden, erhält sie eine Dämpfung, die der thermischen
Trägheit des Wärmestrahlsteuerwerkes gleichwertig ist. .
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In Abb. 5 ist eine Ausführungsform der elektrischen Waage schematisch
dargestellt, die vor allem zur elektrischen Fernmessung und Fernzählung von Flüssigkeits-,
Dampf-und Gasmengen bestimmt ist. Anordnung und Bezeichnungen stimmen- mit denen
der Abb. 4 überein, nur ist der Magnet 7 ersetzt durch-.einen Elektromagneten bzw.
zwei Spulen 33 mit gegeneinandergerichteten Feldern, die mit der Spule 4 und dem
Widerstand 8 in Reihe geschaltet sind. Die Wirkungsweise ist die gleiche wie bei
der Anordnung nach Abb. 4; da jedoch jetzt das Feld, in welchem sich die Spule 4
befindet, proportional dem durch Spule 4 fließenden Strom 'ist, wird die "von dem
veränderlichen Strome auf die Waage ausgeübte Kraft proportional dein Quadrate seiner
Stärke, Der Strom ist also proportional der Quadratwurzel aus dem von der Meßgröße
ausgeübten Drehmoment,- öder, falls dieses proportional der Meßgröße ist, -ist der
Strom proportional der Quadratwurzel aus der Meßgröße. Bei allen Mengenmessengen
von Flüssigkeiten, Dämpfen und Gasen mittels Stauorgans wird als Meßgröße der Differenzdruck
-am Stauorgan gewonnen, der proportional dem Quadrate der zu Inessenden Menge ist.
Der- veränderliche Strom, der durch die Instrumente 14 gemessen wird, ist also direkt
proportional der zu messenden Menge. Alle bei sonstigen Mengenmessern erforderlichen
mechanischen - Radizierungsvorrichtungen mit ihren vielerlei Nachteilen kommen in
Wegfall. Vor allem für die elektrische Zählung der zu messenden Mengen ist dies
von großem Wert, weil. die Mengenzählung in die Zählung -eines genau der Menge proportionalen
Stromes übergeführt wird. Die Anordnung- nach Abb.5 kann selbstverständlich auch
zur Messung - jeder anderen Meßgröße, die direkt oder indirekt ein Drehmoment auf
den Waagebalken z auszuüben vermag, benutzt werden. Ferner kann an Stelle des Gleichstromes
auch Wechselstrom verwendet werden. Bei Mengenmessungen von Dämpfen und Gasen ist
die Druckdifferenz am Stauorgan abhängig von Druck und Temperatur des zu messenden
Mediums, angenähert proportional der absoluten Temperatur T und umgekehrt proportional
dem absoluten DruckP. Es ist daher für die Mengenmessung eine Temperatur- und eine
Druckberichtigung. erforderlich. Bei gleichbleibender Druckdifferenz am Stauorgan
muß der Strom, der an den Instrumenten 14 gemessen wird, proportional
sein. Die Temperaturberichtigung läßt sich bei der elektrischen Waage in sehr einfacher
Weise erreichen, wie in Abb. 5 dargestellt ist. Die Spulen 33 werden nicht in- Reihe,
sondern parallel geschaltet. In Reihe mit der einen Spule wird ein temperaturempfindlicher
Widerstand 34 geschaltet, der der Temperatur des zu messenden Mediums ausgesetzt
wird. Die Widerstände der beiden Zweige und die Windungszahlen der Spulen werden
so gewählt, daß bei dem gewünschten Nullpunkt der Temperatur die Wirkungen der beiden
Spulen 33 auf die Spüle 4 sich aufheben würden. Durch diese einfache Schaltung wird
erreicht, däß der. veränderliche, durch den Widerstand 8 fließende Strom nicht nur,
der Wurzel aus der Druckdifferenz proportional, sondern auch der Wurzel aus der
Temperatur umgekehrt proportional ist. Die Druckberichtigung läßt sich ebenfalls
in einer überraschend einfachen Weise bewerkstelligen. In Reihe mit der Spule 4
wird ein veränderlicher Widerstand so angeordnet, daß die Spule 4 und der veränderliche
Widerstand einerseits und der Justierwiderstand i5 andererseits die beiden Zweige
einer Stromverzweigung bilden. Der veränderliche Widerstand wird linear mit dem
Druck des zu messenden -Mediums verändert. Da. bei einer Druckmessung stets große
Kräfte zur Verfügung stehen, ist eine solche Veränderung jenes Widerstandes leicht
selbsttätig ausführbar. Wenn der veränderliche Widerstand so verändert wird,,
daß sich die Grö@3e des justierwiderstandes 15 zur Summe der Widerstände
beider Zweige verhält-wie ein beliebig wählbarer Druck, bei dem der -Mengenmesser
ohne Justierwiderstand 15 . richtig anzeigen würde, zu dem wirklichen Druck des
Mediums (was in einfachster Weise-ausführbar ist), dann. zeigen die,Instrumente
14 bei jedem Druck des zu .messenden Mediums dessen Gewichtsmenge richtig an, da,
der durch den Widerstand 8 fließende Strom stets der Menge proportional ist. Es
kann auch der Zweig mit der Spule 4 einen konstanten Widerstand erhalten und der
Justierwiderstand 15 durch einen im entgegengesetzten@ Sinne in Abhängigkeit vom
Druck
veränderlichen Widerstand ersetzt werden. Wenn Temperatur- und Druckberichtigung
gleichzeitig angewendet werden, dann ist die Mengenmessung unabhängig von den -Zustandsänderungen
des zu messenden Mediums stets richtig, was sich bei keiner anderen Mengenmeßeinrichtung
in so einfacher und vollkommener Weise erreichen läßt.
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Abb. 6 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer elektrischen Waage,
mittels deren die Veränderungen eines elektrischen Widerstandes 35 gegen eine veränderliche
Stromstärke ausgewogen werden. Die Zahlen z bis 32 haben die gleiche Bedeutung wie
in den vorhergehenden Abbildungen. 35 ist ein veränderlicher Widerstand, dessen
Größe laufend gemessen-werden soll, z. B. ein Widerstandsthermometer. Der Widerstand
35 ist in Reihe mit der Spule oder den Spulen 36 eines Elektromagneten in einen
Zweig einer Stromverzweigung eingeschaltet, die von der gleichen Stromquelle gespeist
wird wie das Wärmestrahlsteuerwerk 28. Im anderen Zweige der Stromverzweigung befindet
sich ein konstanter Widerstand 37. In Reihe mit den Widerständen 35 und 37 ist je
eine der beiden gegenläufigen Wicklungen der Spule 38 geschaltet. Die Windungszahlen
der beiden Wicklungen und die Widerstände der beiden Stromzweige sind. so gewählt,
daß beieinem bestimmten Widerstandswert des Widerstandes 35, dem der Nullpunkt der
Instrumente 14 entsprechen soll, die Amperewindungen entgegengesetzt gleich sind.
Die Wirkungsweise ist folgende: Falls, der Widerstand 35 zunimmt, .nimmt der durch
die ihm nachgeschaltete Wicklung der Spule 38 fließende Strom ab, die Wechselwirkung
zwischen dem Magneten 7 und der anderen Wicklung also zu. Dadurch kommt die Waage
aus dem Gleichg ewicht, und der durch die Spule q. fließende Strom wird so weit
verstärkt (oder verringert), bis die Wechselwirkung zwischen der Spule 4 und den
Spulen 36 das Gleichgewicht wiederhergestellt hat. Der durch Spule 4 fließende Strom,
der durch die Instrumente r4 gemessen wird, ist somit ein eindeutiges Maß für die
Veränderungen bzw. die Größe des Widerstandes 35. Wie ohne weiteres ersichtlich
ist, ist diese Widerstandsmessung völlig unabhängig von der Spannung der Stromquelle
32, trotzdem zur - Messung die einfachen Strommesser-14 verwendet werden. Bei den
bisherigen Methoden der direkten Widerstandsmessung mußten entweder Kreuzspulinstrumenbe
verwendet werden, oder es mußte durch besondere Vorrichtungen die Meßspannung genau
konstant gehalten werden. Ein besonderer Vorteil dieser Meßanordnung besteht ferner
darin, daß vollkommene 'Proportionalität zwischen dem veränderlichen Strome und
den Änderungen des Widerstandes 3'5, bei Temperaturmessungen mittels Widerstandsthermometers
also auch den Änderungen der Temperatur, besteht.
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Abb.7 zeigt eine Ausführungsform der elektrischen Waage zur Messung
des Widerstandsunterschiedes zweier veränderlicher Widerstände 35 und 39. Die Anordnung
ist ähnlich wie bei Abb. 6. In den beiden Zweigen der Stromverzweigung liegen die
beiden veränderlichen Widerstände 35 und 39 je in Reihe geschaltet mit einer der
gegenläufigen Wicklungen der Spule 38 und mit den Spulen 36 bzw. der Spule 4. Die
an der Stromverzweigung liegende Spannung wird durch das Wärmestrählsteuerwerk 28
in einer oder beiden Richtungen verändert und durch die Instrumente 14 gemessen.
Die Wirkungsweise ist folgende: Bei Gleichheit der Widerstände 35 und 39 heben sich
die Amperewindungen in der Spule auf, es wird kein Drehmoment -auf die Waage ausgeübt.
Infolgedessen nimmt die an der Stromverzweigung und den Instrumenten 14 liegende
Spannung den Wert Null an. Tritt ein Widerstandsunterschied-zwischen den Widerständen
35 und 39 auf, so wird durch die Wechselwirkung zwischen der Spule 38 und .dem könstanten
Magneten 7 ein Drehmoment auf den Waagebalken z ausgeübt, dem der durch die Spulen
4 und 36 fließende veränderliche Strom bzw. die an der Stromverzweigung liegende
Spannung das Gleichgewicht halten muß. Eine einfache Nachrechnung zeigt, daß diese
veränderliche Spannung vollständig proportional der Widerstandsdifferenz oder, falls
es sich um Widerstandsthermometer handelt, proportional der Temperaturdifferenz
ist. .Mit den bisher bekannten Meßeinrichtungen war eine derart einfache und genaue,
obendrein proportionale und spannungsunabhängige Widerstandsdifferenz- oder Temperaturdifferenzmessung
nicht möglich.
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. Für den Fall, daß die veränderlichen Widerstände ständig von einem
bestimmten Strom durchflossen werden sollen, kann die Anordnung nach Abb. 6 angewendet
werden, wobei der zweite veränderliche Widerstand an die Stelle des konstanten Widerstandes
37 tritt und die Spulen 36 zweckmäßig vor die Stromverzweigung geschaltet werden,
so daß sie vom Strom beider Zweige durchflossen werden.
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In manchen Fällen, z. B. bei elektrischen Rauchgasprüfern, ist eine.
Abhängigkeit der Anzeige außer von der Widerstandsdifferenz auch von der Stärke
des durch die Stromverzweigung fließenden Stromes oder von der an sie angelegten
Spannung erforderlich.
Auch hierfür ermöglicht die elektrische Waage
einfache' und vollständige Lösungen. Es braucht nur parallel zu dem konstanten Magnet
ein Elektromagnet, der von dem Strom der Stromverzweigung durchflossen wird, oder
parallel zu den Spulen 36 ein konstanter Magnet «angeordnet zu werden. Es läßt sich
auf diese Weise jede gewünschte Abhängigkeit zwischen dem veränderlichen Strome
und der Widerstandsdifferenz und auch dem Strome und der Spannung der Stromverzweigung
erzielen. -Falls es sich nicht um die Messung kleiner Widerstandsänderungen, sondern
um Messung stark unterschiedlicher Widerstände handelt, ermöglicht die elektrische
Waage eine unmittelbare Widerstandsmessung durch gleichzeitige Strom- und Spannungsmessung.
Der veränderliche Strom wächst linear mit dem unbekannten Widerstande und ist ein
unmittelbares Maß für diesen. Abb. 8 zeigt schematisch die Anordnung. Die Zahlen
r bis 36 haben die gleiche Bedeutung wie in den vorhergehenden Abbildungen. 40 ist
der zu messende Widerstand, q.1 eine einfache Spule, die parallel zu dem Widerstand
40 und den mit ihm in Reihe geschalteten Spulen 36 geschaltet ist. Die Wirkungsweise
ist folgende: Durch die Spulen 36 und den un= bekannten Widerstand 40 fließt ein
Strom vor,_,belii-ebiger Stärke, durch die Spule 41 ein Strom, der dem Spannungsabfall
in den Spulen 36 und dem Widerstand 4o proportional ist. Infolgedessen ist auch
das von der Spule 41 auf den Waagebalken ausgeübte Drehmoment proportional dieser
Spannung. Der durch die Spule 4 fließende Strom wird daher durch die Waage so eingestellt,
daß das Produkt aus ihm und dem durch die Spulen 36 fließenden Strom ebenfalls jener
Spannung proportional ist. Damit ist aber der veränderliche, durch Spule 4 und die
Instrumente 14 fließende Strom direkt proportional der Summe aus dem unbekannten
Widerstand und dem Widerstand der Spulen 36. Da dieser bekannt ist, können die Instrumente
14 unmittelbar die Ohmzahl des unbekannten Widerstandes 4o anzeigen. oder registrieren,
unabhängig von der an den Widerstand 40 angelegten Spannung.
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Wie bereits eingangs erwähnt, läßt sich die elektrische Waage mit
besonderen Vorteilen auch als Regler für alle erdenklichen Zwecke verwenden. In
Abb. 9 ist schematisch eine solche Ausführungsform der elektrischen Waage -zur Betätigung
eines beliebigen Steuerorgans dargestellt. Die Zahlen i bis 32 haben die gleiche
Bedeutung wie in den vorhergehenden Abbildungen. - 42 ist eine einstellbare, dem
von dem Sollwert der Meßgröße ausgeübten Drehmoment auf den Waagebalken i entgegenwirkende-Gegenkraft,
z. B. eine Feder oder ein Gegengewicht. 43 ist ein- Wärmestrahlsteuerwerk, ähnlich
dem Wärmestrahlsteuerwerk 28 in Abb. 8, jedoch mit zwei veränderlichen- Widerständen.
Es erzeugt zwischen der Leitung 44 und der Leitung 45 oder 46 eine zwischen
Null und einem Höchstwert veränderliche Spannung, während gleichzeitig die Leitung
44 mit .der anderen der beiden Leitungen 45 und 46 kurzgeschlossen ist. In- der
Mittelstellung sind alle drei Leitungen kurzgeschlossen. Der an die drei Leitungen
angeschlossene Motor 47 hat infolgedessen. Nebenschlußverhalten und eine von der
Spannung zwischen Leitung 44 und Leitung 45 oder. 46 abhängige Drehrichtung und
Drehzahl, die der Spannung proportional ist. Zwischen die Leitungen 45 und 46 sind
ferner hintereinander die Widerstände 48 und 49 geschaltet. Zwischen beiden ist
die Leitung .5 angeschlossen, während Leitung 6 an Leitung 44 angeschlossen ist.
Die Wirkungsweise ist folgende: Der durch die Leitungen 5 und 6 und die Spule 4
fließende Strom ist proportional der Größe und Richtung der zwischen Leitung 44
und einer der beiden Leitungen 45 und 46 vorhandenen Spannung, somit auch der Drehzahl
und Drehrichtung des Motors 47. Bei einer Abweichung der Meßgröße 3 von ihrem Sollwert
wird diese Abweichung ausgewogen gegen eine Spannung zwischen den Leitungen 44 bis
46, die in Richtung und Größe der Abweichung proportional ist. Der Motor 47, der
irgendein Steuerorgan zur Regelung der Meßgröße- betätigt, läuft daher in einer
Drehrichtung und mit..einer Drehzahl, die der - Größe der Abweichung der Meßgröße
von ihrem Sollwert entspricht. Im Gegensatz zu den vorher beschriebenen Ausführungsformen
werden in diesem Falle von der elektrischen Waage an Stelle-der Meßgröße die Abweichungen
der Meßgröße von einem Sollwert ausgewogen gegen eine durch die Waage veränderliche
elektrische Größe, die ein Maß ist für die Verstellgeschwindigkeit und Verstellrichtung
eines durch die Waage gesteuerten Regelorgans für die Regelung der Meßgrößeauf den
Sollwert: Die Abweichungen der Meßgröße werden also ausgewogen gegen eine durch
die Waage entsprechend ihren Ausschlägen stetig veränderliche Verstelrgeschwindigkeit.
Die elektrische Waage wirkt in dieser Anwendungsform als Isodromregler und erfüllt
vor. allem in idealer Weise die Bedingung"daß die Verstellgeschwindigkeit jeweils
der Abweichung der Meßgröße von ihrem Sollwert proportional ist. Gegenüber anderen
Reglern hat die elektrische Waage hierbei den Vorteil; daß sie auch die Regelung
von Meßgrößen ermöglicht, die nur
äußerst geringe Drehmomente auszuüben
vermögen. Durch den Justierwiderstand 15 läß.t sich in einfachster Weise die Regelgeschwindigkeit
einstellen. Durch ungleiche Größe der Widerstände 48 und 49 läßt sich außerdem verschiedene
Regelgeschwindigkeit in der einen und der anderen Richtung einstellen. Durch Einschalten
der Instrumente 14 in den Stromkreis der Spule 4 kann eine Fernanzeige oder Fernregistrierung
der Abweichungen der Meßgröße vom Sollwert erreicht werden, ohne daß dadurch das
Arbeiten der elektrischen Waage als Regler beeinflußt würde. An Stelle des Motors
47 kann natürlich irgendeine andere Vorrichtung treten, die ein Regelorgan für die
Meßgröße in Abhängigkeit von der veränderlichen elelctrischen Größe verstellt.
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In Abb. io ist schematisch eine Ausführungsform der elektrischen Waage
dargestellt, die den Differentialquotienten der Meßgröße nach der Zeit und gleichzeitig
die Meßgröße selbst elektrisch mißt und fernüberträgt. Die Zahlen i bis 47 haben
die gleiche Bedeutung wie in den vorhergehenden Abbildungen. Die Meßgröße 3 wird
ausgewogen. gegen den durch die Spule 4 fließenden Strom, so daß durch die Instrumente
14 die Meßgröße in beliebiger Entfernung gemessen werden kann. Die Veränderung des
durch die Spule 4 fließenden Stromes erfolgt durch einen von dem Motor-47 verstellten
Spannungsteiler So. Die Steuerung des Motors 47 erfolgt in gleicher Weise wie bei
der Anordnung nach Abb.9. Die Widerstände 48 und 49 sind als gegenläufige Wicklungen
in die Spule 51 verlegt, die sich im Felde eines konstanten Magneten 52 bewegen
kann. 53 und 54 sind Justiernebenwiderstände zu den Widerständen 48 und 49. 55 ist
ein in die von dem Punkt zwischen den beiden Widerständen 48 und 49 nach Leitung
44 führende Leitung eingeschalteter Widerstand, durch den mit wechselnder Richtung
der wirksame Strom der Spule 51 fließt. Parallel zum Widerstand 55 sind Instrumente
56 geschaltet zur Fernmessung des Differentialquotienten der Meßgröße nach der Zeit.
Statt daß -die Widerstände 48 und 49 in die Spule 5, verlegt werden, können
sie auch wie bei der Ausführung nach Abb. 9 angeordnet werden; es wird dann der
durch Widerstand 55 fließende Strom durch die Spule 5 1 geführt. Die Wirkungsweise
ist folgende: Bei irgendeiner Änderungsgeschwindigkeit der Meßgröße entsteht ein
Unterschied zwischen dem von der Meßgröße und dem von dem Strom der Spule 4 ausgeübten
Drehmoment. Dieser Unterschied wird durch das Wärmestrahlsteuerwerk 43 ausgewogen
gegen eine entsprechende Drehzahl und Drehrichtung des Motors 47. Es ist ohne weiteres
ersichtlich, daß der Unterschied der Drehmomente so lange zunimmt, bis die Verstellgeschwindigkeit
des Motors 47 der Änderungsgeschwindigkeit der Meßgröße gleich ist. Die Instrumente
56, welche die die Verstellgeschwindigkeit bedingende veränderliche Spannung messen,
zeigen also unmittelbar diese Verstellgeschwindigkeit und damit den Differentialquotienten
der Meßgröße nach der Zeit an. Für die Beobachtung mancher Meßgrößen, die sich auf
einem kleinen Teil eines großen Meßbereichs nur langsam ändern, z. B. zur Beobachtung
der steigenden oder fallenden Tendenz des Dampfdrucks in Dampfzentralen, ist diese
Möglichkeit der Messung, Fernmessung und Fernsignalisierung des Differentialquotienten
nach der Zeit sehr von Vorteil.
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Zusammenfassend wird zu allen Ausführungsformen noch bemerkt, daß
an der Stelle des symbolisch dargestellten Waagebalkens auch jede andere Vorrichtung
verwendet werden kann, die in. gleichwertiger Weise mittels eines indifferenten
Systems das Auswiegen zweier Kräfte gegeneinander ermöglicht. Die beschriebenen
Ausführungsformen sind nur einige der wichtigsten Anwendungsmöglichkeiten des neuen
Meßprinzips der selbsttätigen elektrischen Waage, das auf den Gebieten der Meß-
und Regeltechnik zahlreiche neue vollkommene Lösungen ermöglicht, wo bisher keine
oder nur unvollkommene Lösungen möglich waren.