-
Elektrische Zeigerrückführung, insbesondere für elektrische Meßgeräte
mit geringer Richtkraft Geräte, die nach Art selbstabgleichender Brückenschaltung
arbeiten, erfreuen sich in neuerer Zeit immer größerer Beliebtheit. Der Grund hierfür
sind die mannigfaltigen Vorteile, die diese Geräte gegenüber anderen Übertragungssystemen
(Drehspul- bzw. Mehrspulinstrumenten) besitzen. Neben vielen anderen Vorteilen sind
die wichtigsten: Spannungsunabhängigkeit in weiten Grenzen, praktisch vollkommene
Temperaturunabhängigkeit, hohe Genauigkeit bei robustem Aufbau, ruhige Anzeige bei
starken Erschütterungen und kräftiges Einstellmoment. Da diese Gecäte an die durch
den Geber vorgeschriebene Stellung bei Stromlosigkeit in der Spule gebunden sind,
erfolgt die Einstellung ohne Vorhandensein einer Gegenfeder. Dieses Fehlen einer
Feder wirkt sich besonders bei Geräten, die starken Erschütterungen unterworfen
sind, recht günstig aus, da das System absolut ausgewuchtet werden kann und daher
in keiner Stellung das Bestreben hat, durch die Erschütterungen seine Lage zu verändern.
Aus diesem Grunde ist es möglich, das Gerät auch für Brückenschgltungen zu verwenden,
bei denen, wie z. B. bei Temperaturanzeigern mittels Widerstandsthermometer nur
geringe Verstellkräfte aufgebracht werden können. Da aber die Verstellkräfte bei
solchen Schaltungen in der Größenordnung der Kraft liegen, die die schwächste herstellbare
Feder mindestens besitzt, so würde die Anzeige sehr weich sein und große Fehler
mit sich bringen, ganz abgesehen davon, daß der Zeiger sehr unruhig liegt.
-
Leider birgt das Fehlen der, Feder insofern einen Nachteil in sich,
als die Geräte bei Wegbleiben der Spannung nicht von allein auf Null zurückgehen.
Man hat dadurch keine Kontrolle, ob das Gerät noch einwandfrei
arbeitet.
Da es sich nun aber in jahrelanger Praxis herausgestellt hat, daß diese Forderung
an den größten Teil der elektrischen Geräte gestellt werden muß, hat man auch Geräte,
die nach selbstabgleichender Brückenschaltung arbeiten, mit Rückstellfedern ausgerüstet.
Besonders für Bordgeräte von Luftfahrzeugen hat sich diese Forderung als unbedingt
notwendig erwiesen. Obwohl ein Anbringen der Rückstellfeder an einem Gerät, das
nach Art selbstabgleichender Nullmethoden arbeitet, die eingangs erwähntdn guten
Eigenschaften etwas verschlechtert, kann man bei Geräten, die größere Verstellkräfte
besitzen, diese Verschlechterung in Kauf nehmen. Nur bei Schaltungen, bei denen
nur geringe Verstellkräfte zur Verfügung stehen, wie es besonders bei den eingangs
erwähnten Temperaturgeräten mit Widerstandsthermometern oder bei elektrisch arbeitenden
Rauchgasprüfern der Fall ist, ist die Verschlechterung durch Anbringung einer mechanischen
Rückstellfeder so erheblich, daß die Geräte in der Anzeige große Fehler machen.
Besonders fühlbar ist der Mangel, wenn nur kleine Gehäuse zur Verfügung stehen,
so daß durch die Kleinheit der Geräte auch die Verstellkräfte sehr klein werden
müssen.
-
Gemäß der Erfindung wird nun eine elektrische Zeigerrückführung vorgeschlagen,
die ein einwandfreies Zurückführen der Anzeigeinstrumente auf Null beim Wegbleiben
der Spannung oder - beim Unterbrechen irgendeiner der notwendigen Zuführungsleitungen
bewirkt, ohne daß im Betrieb eine Gegenkraft wie etwa bei einer mechanischen Leiter
auftritt. Es wird dadurch erreicht, daß die eingangs hervorgehobenen Vorzüge des
Systems voll und ganz erhalten bleiben, was besonders für Instrumente mit geringer
Richtkraft von ausschlaggebender Bedeutung ist, aber auch allen anderen Instrumenten
dieser Art zugute kommt.
-
Der allgemeine Lösungsgedanke der Erfindung besteht darin, durch die
Ladung eines von einer Betriebsstromquelle aufgeladenen Kondensators bei Ausfallen
der Betriebsstromquelle den Zeiger des Anzeigegerätes in die Null- oder eine andere
beliebige Endlage selbsttätig zurückzuführen. Das hat den Vorteil, daß sich die
Höhe der Spannung des Kondensators stets nach den vorliegenden Betriebsverhältnissen
des Gebers und Empfängers richtet. Ferner sind noch einige aus den Beschreibungen
der Abbildungen sich ergebende, zweckmäßigerweise vorhandene zusätzliche Geräte,
wie Widerstände usw., dazu erforderlich.
-
Das Anwendungsgebiet der Erfindung liegt vorzugsweise bei Geräten,
die nach Art selbstabgleichender Brückenschaltungen arbeiten, insbesondere bei solchen,
bei denen die Verstellkräfte gering sind, so z. B. bei Geräten zur Anzeige von Widerstandsänderungen
oder auch bei Geräten, bei denen Kompaßau5-schläge, Kreiselabweichungen usw. unmittelbar
elektrische Spannungen abgreifen sollen. Jedoch läßt sich die Erfindung auch ohne
Verwendung einer Brückenschaltung mit Erfolg anwenden, wie z. B. Abb. i zeigt.
-
Wenngleich das Hauptanwendungsgebiet bei Instrumenten mit nur sehr
geringen Verstellkräften liegt, bei denen zum Teil mechanische Federn unmöglich
sind, so läßt doch die Einfachheit und Sicherheit der Arbeitsweise dieses Gerätes
erkennen, daß es zweckmäßig ist, auch in den Fällen, in denen stärkere Auslenkungskräfte
zur Verfügung stehen, die elektrische Zeigerrückführung gegenüber anderen wirkungsgleichen
Einrichtungen, insbesondere mechanischen Federn, zu bevorzugen. Bei den Ausführungsbeispielen
ist als Kraftquelle für den Strom, der die Rückführung des Zeigers bewirkt, stest
ein Kondensator schematisch dargestellt. Dies ist die einfachste Art, da die Betriebsspannung
gleichzeitig zur Aufladung des Kondensators verwendet werden kann.
-
Zur besonderen Erläuterung des Wesens und der Wirkungsweise der Erfindung
dienen die Abb. i bis q.. Hierbei sind alle nicht unbedingt zum Verständnis erforderlichen
Teile weggelassen.
-
Abb. i zeigt eine Brückenschaltung, bei der als Geber ein veränderlicher
Widerstand i dient. Dieser veränderliche Widerstand wird bei einem Temperaturanzeigegerät
durch das Widerstandsthermometer dargestellt, das aus einem Widerstand besteht,
dessen Material eine möglichst große Widerstandsänderung bei Temperaturänderungen
aufweist. Der Widerstandsgeber i liegt im linken Zweig der oberen Brückenhälfte,
während der andere Zweig der oberen Brückenhälfte durch den Festwiderstand z gebildet
wird. Durch Änderung der Temperatur am Widerstandsgeber i und eine dadurch erzielte
Widerstandsänderung verschiebt sich der Punkt 3 potentialmäßig in Abhängigkeit der
Temperatur, die in der Umgebung des Widerstandsgebers i herrscht. Die andere Hälfte
der Brücke wird von dein Potentiometer q. des durch die Spule 5 und das Permanentmagnetfeld
N. . S angedeuteten Empfangsgeräts gebildet, wobei rechts und links diesem Potentiometer
die Widerstände 6 und 7 vorgeschaltet sind. Gemäß der bekannten Brückenschaltung
ist nun das eine Ende der Drehspule 5 im Anzeigegerät mit dem Punkt 3 verbunden,
während das andere Ende an den von der Drehspule getragenen Abgreifer 8 gelegt ist,
der auf dem Potentiometer 4
schleift. Der Wicklungssinn der Spule
5 ist so gewählt, daß die Drehspule sich in die Lage hineindreht, bei der sie stromlos
ist, so daß hierbei das Potential des Punktes 8 dein des Punktes 3 entspricht. Der
Abgreifer 8 teilt das Potentiometer ¢ in die beiden Hälften 9 und g'. In diesem
Falle verhält sich
| Widerstandswert von t == Widerstandswert 7 und
g |
| Widerstandswert von a - Widerstandswert 6 und g' |
Der Widerstandswert von 7 -f- g ist also proportional dem Widerstandswert des Widerstandsgebers
i. Bringt man außer dem Abgreifer 8 daher noch einen Zeiger an der Drehspule an,
so zeigt dieser die Veränderung des Widerstandes i, d. h. also die diesen umgebende
Temperatur an. Die Widerstände 6, 7, die dem Potentiometer 4 vorgeschaltet sind,
sind deshalb als Festwiderstände ausgebildet, @veil die Veränderung von i nur in
gewissen Grenzen erfolgt und der Widerstandsabgriff 8 diese Widerstände nicht bei
der Einstellung auf Nullstrom bestreichen könnte. Da die maximale Verstellkraft
dieser Brückenschaltung schon deshalb klein ist, weil die Verstellung nur in einer
Seite der oberen Brükkenhälfte erfolgt und außerdem der Strom, der durch den Geber
i im Höchstfalle fließt, nur sehr klein sein darf, um eine wesentliche zusätzliche
Erwärmung, die einen Fehler hervorrufen würde, zu vermeiden, ist die Kraft, mit
der die Spule 5 durch den Abgreifer 8 automatisch das Gleichgewicht herzustellen
bestrebt ist, verhältnismäßig klein. Eine mechanische Rückstellfeder anzubringen,
erlaubt daher dieses Gerät nicht. Um nun- aber doch die eingangs erwähnte Bedingung
zu erfüllen, daß das Gerät beim Wegbleiben der Spannung oder bei Bruch einer der
drei Zuleitungen i o, i i, 12 oder Kontaktschwierigkeiten an dem diese drei Leitungen
mit dem Gerät verbindenden Stecker auf Null zurückgeht und dadurch augenscheinlich
macht, daß irgend etwas am Gerät nicht in Ordnung ist, wird et-findungsgemäß eine
elektrische Zeigerrückführung vorgesehen. Diese Zeigerrückführung besteht, wie in
der Zeichnung angegeben, aus einem Kondensator 13 und einem ihm zweckmäßig vorgeschalteten
Widerstand 14, wobei die eine Betegutig des Kondensators an der Leitung i2 liegt,
während die andere Belegung über den Widerstand 14 an die Leitung i i angeschlossen
ist. Zwischen den Leitungen io und i i ist der Widerstand 1
5 eingefügt.
-
Die Wirkungsweise der Zeigerrückführung ist nun folgende: Wird das
Gerät an den Punkten 16, 17 an die Netzspannung gelegt, so lädt sich der Kondensator
13 entsprechend der zwischen den Leitungen i i, 12 herrschenden Spannung
auf. Der Ladestrom fließt hierbei, wenn an 16 der ---Pol gelegt wird, von i i nach
12. Ist der Ladevorgang abgeschlossen, so beeinflußt der Kondensator die Brücke
nicht, da die Verbindungsleitung, in der er liegt, in jeder Stellung des Abgreifers
stromlos ist, wenn man von den geringen Spannungsschwankungen durch das Einstellen
des Gerätes und damit verbundenem Hinundhergleiten des Abgreifers 8 absieht. Bleibt
nun aus irgendeinem Grund an dem Empfangsgerät, das zweckmäßig sämtliche in der
unteren Brückenhälfte gezeichneten Widerstände enthält, die Spannung weg, so entlädt
sich der Kondensator 13. Der Entladestrom fließt größtenteils über die Spule
5 und wirkt im Sinne einer Rückführung auf Null. Der Kondensator muß also groß genug
sein, damit der Entladestrom den Zeiger aus jeder Stellung auf Null zurückführt.
Damit ein Zurückprellen des Zeigers verhindert wird, wenn der Abgreifer 8 nur eine
kleine Auslenkung von Null erfahren hat, muß der Widerstand 14 entsprechend bemessen
werden. Damit das Gerät auch beim Bruch der mittleren Diagonalleitung i i auf Null
zurückgeführt wird, liegt der Widerstand 15 zwischen den Leitungen io und
i i. Dieser Widerstand bildet zu dem Widerstand i einen Parallelwiderstand und bewirkt
durch seine Unveränderlichkeit, daß der Wert, um den sich der Widerstand i in Abhängigkeit
von der ihn umgehenden Temperatur ändert, um einen gewissen Prozentsatz verringert
wird. Diese Verminderung beträgt jedoch in der Regel kaum mehr als i °/a, da der
Widerstand 15
sehr groß bemessen werden kann, weil der Strom, der notwendig
ist, um die Spule 5 in die Nullage zurückzuführen, sehr klein ist.
-
Während eine mechanische Feder bei starken Erschütterungen auch selbst
bei stärkeren Einstellkräften ein Pendeln des Zeigers und damit eine unruhige Anzeige
bewirkt, ist der besondere Vorteil dieser elektrischen Zeigerrückführung, daß sie
jede aufkommende Pendelung des Zeigers bei Erschütterungen unterdrückt. Hat die
Spule infolge einer Erschütterung nämlich das Bestreben, sich zu drehen, so verändert
sich durch Ver-. schieben des Abgreifers 8 auf dem Potentiometer 4 die Spannung
an dem Kondensator 13, und es fließt über die Spule 5 ein Lade-bzw. Entladestrom,
der eine Kraft entgegengesetzt der Pendelung des Zeigers ausführt.
-
Abb. 2 zeigt eine weitere Brückenschaltung für Temperaturmessung.
Diese Schaltung unterscheidet sich jedoch von der in Abb. i dargestellten dadurch,
daß die Brückendiagonale 19 widerstandslos ist' und das Drehspulsystem von
zwei mechanisch miteinander verbundenen Spulen ig, 2o gebildet wird, die an Stelle
der Vorwiderstände 6, 7 bei Abb. i treten. Die Nullstellung des aus ig, 20 gebildeten
Drehspulsystems,
das den Abgreifer 2i, der auf dem Potentiometer 22 schleift, trägt, wird durch Stromgleichheit
in den beiden gegeneinander wirkenden Spulen i9, 2o erreicht. Die Schaltung der
Zeigerrückführung ist genau wie bei Abb. i.
-
Schaltungen, bei denen als Geber veränderliche Widerstände benutzt
werden, können außer für Temperaturanzeiger auch für die verschiedensten anderen
Gebiete zur Anwendung gelangen, z. B. für Rauchgasmesser, bei denen sich der Widerstand
in Abhängigkeit der Zusammensetzung der Rauchgase ändert.
-
Bei Abb.3 ist die elektrische Zeigerrückführung in Verbindung mit
einer Brückenschaltung gebracht. Der Geber besteht aus einem Potentiometer 23, das
über den Winkel gewickelt ist, über den der maximale zu erwartende Zeigerausschlag
übertragen werden soll. Der Zeiger selbst trügt den Abgreifer 24, der auf dem Potentiometer
23 schleift. Das Potentiometer 23 bildet die obere Brückenhälfte einer Brückenschaltung;
durch den Abgreifer 24 kann jedes Potential in Grenzen der an den Punkten 25, 26
angelegten Spannung abgegriffen werden. Der Empfänger besitzt ebenfalls ein zweckmäßig
über den gleichen Winkel gewickeltes Potentiometer 27, auf dem der Abgreifer
28 schleift, der das eine Ende der in einem magnetischen Feld N..S gelagerten Spule
29 bildet und von ihr getragen wird. Verschiebt der Geber den Abgreifer 24, so wird
eine Potentialdifferenz zwischen dem Abgreifer z4 und 28 hervorgerufen, derzufolge
ein Strom durch die Spule 29 fließt. Bei richtig gewähltem Wicklungssinn der,Spule
dreht sich nun die Spule in der Richtung, daß der Abgreifer 28 dasselbe Potential
annimmt wie der Abgreifer 24 des Gebers. Nach Erreichung dieses Potentialwertes
wird das Drehmoment der Spule 29 Null, da der Strom infolge Potentialgleichheit
ebenfalls Null geworden ist. Auch bei diesem Anzeigegerät, das durch die Spule 29,
den Abgreifer 28, das Potentiometer 27 und durch den Magneten N. . S dargestellt
ist, ist für die Übertragung der Anzeige naturgemäß eine Rücksteltfeder nicht erforderlich.
Dennoch kann von der eingangs gestellten Forderung nicht abgegangen werden, daß
beim Wegbleiben der Spannung bzw. Bruch einer Leitung bzw. bei Kontaktschwierigkeiten
an den in diesen Leitungen liegenden Steckkontakten der Zeiger auf Null zurückgeht.
Obwohl ein Anbringen einer mechanischen Feder bei dieser Schaltung eher möglich
wäre als bei den Schaltungen nach Abb i und 2, da hier die Verstellkräfte größer
sind, bringt es unbedingt Vorteile mit sich, wenn auch dieses Gerät mit einer elektrischen
Zeigerrückführung, wie vorher beschrieben, ausgerüstet wird. Diese elektrische Zeigerrückführung
wird auch hier durch den Kondensator 3o gebildet, der mit dem in Reihe geschalteten
Widerstand 31 im Empfänger zwischen die Leitungen 32, 33 geschaltet ist.
-
Abb.4 gibt prinzipmäßig die innere und äußere Schaltung eines Kreuzspulgeräts
bekannter Ausführung an. In der angegebenen Schaltung dient das aus den beiden Spulen
34, 35 und dem Permanentmagnetfeld N. . S bestehende Kreuzspulgerät dazu, um die
Veränderung des Widerstandes 36 anzuzeigen. Praktisch tritt dieser Fall ein bei
Temperaturanzeigegeräten, bei denen der Geber ein elektrischer Widerstand ist, dessen
Widerstand sich mit der Temperatur verändert. Die Wirkungsweise des Gerätes ist
nun folgende: Die Spulen 34, 35 sind mit einem Wickelungsende miteinander verbunden
und liegen an einem Pol der Batterie 37. Das andere Wickelungsende der Spule 34
liegt über einen festen Vorwiderstand 38 an dem anderen Pol der Batterie 37, an
dem auch das andere Wickelungsende der Spule 35 über den veränderlichen Geberwiderstand
36 liegt. Die Einstellage dieses Spulensystems und des von diesem getragenen Zeigers
39 ist gegeben durch die Drehmomentengleichheit der beiden Spulen. Der Strom der
Spule 34, die entgegengesetzt der Spule 35 wirkt, ist immer konstant. Der Strom
der Spule 35 wird je nach dem Wert, den der Geber 36 annimmt, geändert. Da das Magnetfeld,
in dem sich das Spulensystenn bewegt, nicht homogen ist. so dreht bei Veränderungen
des Widerstandes 36 das Spulensystem sich nur um einen bestimmten Winkel, bis Kräftegleichheit
zwischen den beiden Spulen eintritt. Obwohl zur Einstellung bei diesen Geräten eine
Feder nicht notwendig ist, ist dagegen eine Feder erforderlich, um das . Gerät bei
Wegbleiben der Spannung auf Null zurückzuführen. Die Verwendung einer-mechanischen
Feder wirkt sich schädigend aus,da die Anzeigekraft des Instrumentes dadurch geschwächt
wird. Dieser Nachteil wird beseitigt, indem erfindungsgemäß zu der Spule 34 der
Kondensator 4o gelegt wird, der bei Anschluß des Gerätes an die Spannungsquelle
37 geladen wird und bei Wegbleiben der Spannung sich über die Spule 34 entlädt und
im Sinne der Rückführung des Zeigers in eine Endlage, zweckmäßig die Nullstellung,
wirkt.