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Meßvorrichtung mit einer dem Quadrat der Meßgröße proportionalen Stellkraft
Bei der Strömungsmengenmessung nach der Kompensationsmethode und auch auf anderen
Gebieten der Mefitedlinilt wird häufig eme dem Quadrat der Meßgröße proportionale
Stellkraft benutzt. Daraus ergibt sich die Aufgabe, lein Meßwerk zu schaffen, das
trotz der genannten quadratischen Beziehung zwischen der gesuchten Größe und der
für sie als Maß dienenden Stellkraft eine lineare Abhängigkeit des Verstellweges
bzw. -winkiels des Zeigers von der gesuchten Größe aufweist.
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Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung mit einer dem Quadrat
der Meßgröße proportionalen Stellkraft, die nach der Kompensationsmethode zur Erzielung
einer der Meßgröße linear proportionalen Stellgröße in der Weise gemessen wird,
daß sowohl die Stellkraft als auch die von einer Feder gelieferte kompensierende
Kraft an den Enden eines doppelarmigen Hebels angreifen und die Drehmomente beider
Kräfte durch von dem Servomotor - bewirkte Änderung des Hebelarmverhältnisses abgeglichen
werden. Das wesentliche Kennzeichen der Erfindung besteht darin, daß der Drehpunkt
des Hebels ortsfest ist und die Kompensation durch das veränderliche Drehmoment
einer Feder erfolgt, deren eines Ende durch den Servomotor längs einer Führung verschoben
wird, die ein Kreisbogen ist, und deren anderes Ende an !einem Punkt ;angreift,
der bei erfolgter Kompensation den Mittelpunkt des Kreisbogens bildet.
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Es ist bereits eine Meßvorrichtung nach der Kompensationsmethode
bekanntgeworden, bei der die Kompensationskraft von einer Feder geliefert wird die
an einem zweiarmigen, unter Änderung des Angriffswinkels der Federkraft durch einen
Servomotor schwenkbaren Hebel angreift. Bei dieser Meßvnrnchtung muß zur Herstellung
einer linearen Beziehung zwischen Verstellweg und gesuchter Größe die Kompensationsfeder
auf sehr umständliche Weise gelagert und eine Radizierungskurve mit spiralförmiger
Führungskante verwendet werden. Nach erfolgter Kompensation ist nicht nur eine Änderung
des Angriffswinkels der Feder, sondern auch eine Änderung der Federspanrnung einem
treten. Es ergeben sich also außerordentlich verwickelte Verhältnisse, die die Berechnung
und Herstellung einer solchen Radizierungskurve schwierig gestalten.
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Bei einer anderen bekannten Meßvorrichtung nach der Kompensationsmethode
mit linearer Anzeige wirkt die der Meßgröße quadratisch proportionale Stellkraft
auf das eine Ende eines fliegend gelagerten doppelarmigen Hebels ein, während am
anderen Ende eine Feder angreift, die die Kompensationskraft liefert. Das erforderliche
Gleichgewicht der beiden Kräfte wird dabei durch Verschieben des Hebeldrehpunktes
hergestellt.
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Nach erfolgter Kompensation der Stellkraft ist die Spannung der Kompensationsfeder
immer die gleiche, es wird also, ähnlich wie bei der erfindungsgemäßen Einrichtung,
das
Gleichgewicht lediglich durch Änderung der Hebelarmverhältnisse
erzielt. Bei dieser Meßvorrichtung ist die Anordnung eines fliegend gelagerten doppelarmigen
Hebels für Meßinstrumente eine konstruktiv ungünstige Anordnung, so daß auch in
dieser Hinsicht die erfindungsgemäße Lösung vorteilhafter ist.
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Die Zeichnung veranschaulicht einige Ausführungsbeispiele in schematischer
Darstellung. Bei der in Fig. I gezeigten Ausführung ist bei I eine Membran o. dgl.
angedeutet, auf die von der einen Seite die mit der gesuchten Größe in quadratischer
Beziehung stehende und für sie als Maß dienende Kraft Q einwirkt. Auf die andere
Seite der Membran I wird von einem bei A drehbar gelagerten Dopeplhebel 2 die der
Kraft Q entgegengesetzt gerichtete KompensationskraftP übertragen, die nach erfolgtem
Ausgleich entsprechend dem Kompensationsprinzip die gleiche absolute Größe wie die
Kraft Q aufweisen muß. An dem oberen Teil des doppelarmigen Hebels 2 greift eine
Zugfeder 3 an, die mit ihrem einen Ende an einem festen Teil des Gehäuses 0. dgl.
befestigt ist und nach erfolgter Kompensation eine an dem Hebel 2 rechtwinklig angreifende
Zugkraft von der konstanten Größe K1 entwickelt. Der untere Arm des Hebels 2 verläuft
nach einem Viertelkreis mit dem Mittelpunkt in B. Mit 4 ist ein in der Längsrichtung
elastisch dehnbares Organ bezeichnet, das um eine durch den Punkt B gehende Drehachse
drehbar ist und mit seinem anderen Ende mittels einer Rolle 4a auf dem kreisförmigen
Arm 9 des Hebels 2 geführt ist. Der Teil 4 kann beispielsweise aus zwei teleskopartig
ineinander verschieblichen Teilen bestehen, die eine Zugfeder in der zusammengeschobenen
Lage zu halten sucht. Diese Feder bzw. das Organ 4 entwickelt nach Herstellung des
Gleichgewichtes zwischen P und Q eine Kraft von der Größe K2. Mit dem Organ 4 wird
ein Zeiger linear gekuppelt. Gegebenenfalls kann, wie das in Fig. I dargestellt
ist, das Organ 4 den Zeiger 5 unmittelbar tragen oder bilden. 6 ist die dem Zeiger
5 zugeordnete Skala.
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Man ersieht aus der Zeichnung, daß bei Änderung des Ausschlagwinkels
z des Organs 4 sich der strichpunktiert eingezeichnete wirksame Hebelarm A C der
von dem Organ 4 ausgeübten Kraft ändert wd damit auch das von dem Organ 4 auf den
Hebel 2 übertragene Moment geändert wird. Mit der Membran I, an deren Stelle auch
ein anderes verschiebliches Element treten kann, wird in der bei Kompensationseinrichtungen
üblichen Weise eine Kontakt- oder Relaiseinrichtung kombiniert, mittels der bei
einer Auslenkung des Elementes I im einen oder anderen Sinne ein nicht dargestellter
Antrieb im einen oder anderen Sinne eingeschaltet wird. Dieser Antrieb verstellt
das Organ 4, und zwar so lange und in solchem Sinne, bis das Element I wieder in
die Nullage zurückgekehrt ist und die Kraft P eine mit der Kraft Q übereinstimmende
Größe erreicht hat. Der Ausschlag des Organs 4 nach erreichtem Ausgleich gibt also
ein eindeutiges Maß für die Größe der Kraft Q und damit auch für die gesuchte Meßgröße.
Die Teilung der Skala 6 ist dabei linear, wie sich aus folgender Beweisführung ergibt.
Im Gleichgewichtszustand gilt P# l3 = K1 # l1 - K2 12 cos a; wird 11 = 12 gewählt,
so gilt weiterhin Kt = K2 12 = Ct. Damit ergibt sich für die erste Gleichung die
Form P 13 = C1 # (1 - cos a); P = C (1 - cos a), worin C2=1,' ist. Entwickelt man
cos x nach einer Reihe, so ergibt sich a2 a4 a6 cos a 1 - + 6! '+ 2! 4. 6! Daraus
ergibt sich bei Vernachlässigung des dritten und der folgenden Glieder a 2 cos a
= I ~~ 2 ! . Führt man diesen Wert in die obige Gleichung ein, so erhält man α
2 P = C2 (1 - (1 - 2 !)) = C5 a 2 worin C3 eine neue Konstante ist.
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Die Gegenkompensationskraft P ändert sidi also quadratisch bei linearem
Verstellwinkel a. Besteht nun zwischen der gesuchten Meßgrößex und der als Maß für
sie dienenden Kraft Q die Beziehung Q = C4 # X2, worin C4 eine Konstante ist, so
ergibt sich in Verbindung mit der vorhergehenden Gleichung für den Gleichgewichtsfall
der Meßeinrichtung C3 # α² = C4 # x² und daraus z = C5 worin C, wieder eine
Konstante ist. Es ist also in der Tat eine lineare Beziehung zwischen dem Ausschlagswinkel
z des Zeigers und der gesuchten Meßgröße x erreicht.
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Die obige Entwicklung läßt erkennen, daß infolge der Vernachlässigung
des dritten und der folgenden Glieder der für cos a angegebenen Reihe eine Näherungsmethode
vorliegt.
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Berechnet man die Glieder α4 und α6 (alle 4! 6! xteiberen
Glieder sind von so geringem Einfluß, daß sie unberücksichtigt bleiben können) für
verschiedene Werte zwischen a = 0° und a= go0, so ergibt sich die in Fig. 2 dargestellte
Fehlerkurve. Man sieht, daß im unteren Bereich der Fehler klein ist. Durch Beschränkung
des Maximalausschlages auf
diesen unteren Bereich kann man also
den maximalen Fehler klein halten. Statt dessell kann man natürlich auch den Fehler
durch eine leichte im allgemeinen nicht störende Abweichung von der linearen Teilung
der Skala 6 beseitigen.
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Das Ausführungsbeispiel nach Fig. I läßt sich gemäß der Darstellung
nach Fig. 3 und 4 abwandeln. Diese Ausführung unterscheidet sich im wesentlichen
dadurch von der nach Fig. I, daß erfindungsgemäß das Organ 4 mit seinem einen Ende
an dem unteren, zweckmäßig'geraden Arm des Hebels 2 drehbar oder leicht biegsam
befestigt und mit seinem anderen Ende an einem sich auf der Kreisbahn g bewegenden
Punkt 8 des Zeigers 5 befestigt ist, wie das aus der Seitenansicht gemäß Fig. 4
deutlicher sichtbar ist. Die Drehachse des Zeigers 5 ist in gleicher Weise wie bei
der Ausführung, nach Fig. I das Organ 4 mit dem Kompensationsantrieb gekuppelt.
Die Wirkungsweise ist im übrigen die gleiche wie bei der Ausführung nach Fig. I.
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Gemäß der Darstellung nach Fig 5 wird die Feder 4 vermittels einer
Rolle 7 auf der Kreisbahn 9 geführt. Die Feder 4 und der mit ihr bewegbare Zeiger
5 sind wiederum um einen unveränderlichen Punkt an dem Hebel 2 drehbar gelagert.
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Es ist klar, daß an die Stelle des Zeigers auch ein von dem Meßwerk
zu beeinflussendes Regelorgan oder der drehbewegliche Teil eines Fermneßgebers usw.
treten kann. Wenn daher hier und in den Ansprüchen der klareren Bezeichnung wegen
der Ausdruck Zeiger verwendet ist, so ist dieser Ausdruck in weiterem Sinne zu verstehen.
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Endlich kann auch die beschriebene Einrichtung benutzt werden, um
für geeignete Zwecke eine mit der linearen Verstellung eines Organs quadratisch
anwachsende Kraft P zu erzeugen.
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Die neue Einrichtung ist u. a. für Strömungsmesser bestimmt, bei
denen bekanntlich die Formel v = 1/ 2 gh gegeben ist und ein der Größer entsprechender
Druck zur Verfügung steht. Die Einrichtung kann aber auch sonst Anwendung finden,
z. B. auch dann, wenn die ein Maß für die gesuchte Größe gebende Größe zwar zu der
ersten in einer quadratischen Beziehung steht, aber nicht als Kraft, sondern z.
B. als elektrische Größe zunächst zur Verfügung steht. Mail kann hier leicht, wie
es an sich bekannt ist, durch elektrische Steuerung von Blasvorrichtungen usw. aus
der zur Verfügung stehenden elektrischen Größe eine proportionale Kraft bilden,
die somit zu der' gesuchten Größe in einer quadratischen Beziehung steht.
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Diese Kraft kann dann in die beschriebene Einrichtung an der Stelle
I - eingeführt werden.
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PATENTBNSPRCHE: I. Meßvorrichtung mit einer dem Quadrat der Meßgröße
proportionalen Stellkraft, die nach der Kompensationsmethode zur Erzielung einer
der Meßgröße linear proportionalen Stellgröße in der Weise gemessen wird, daß sowohl
die Stellkraft als auch die von einer Feder gelieferte kompensierende Kraft an den
Enden eines doppelarmigen Hebels angreifen und die Drehmomente beider Kräfte durch
von dem Servomotor bewirkte Änderung des Hebelarmverhältnisses abgeglichen werden,
dadurch gekennzeichnet, daß der Drehpunkt des Hebels ortsfest ist und die Kompensation
durch das veränderliche Drehmoment einer Feder erfolgt, deren eines Ende durch den
Servomotor längs einer Führung verschoben wird, die ein Kreisbogen ist, und deren
anderes Ende an einem Punkt angreift, der bei erfolgter Kompensation den Mittelpunkt
des Kreisbogens bildet.