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Anordnung zur Uniwandlung einer Meßgröße in Impulse, deren Häufigkeit
der Meßgröße entspricht Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Umwandlung einer
Meßgröße in Impulse, deren Häufigkeit der Meßgröße entspricht, mit Hilfe einer Kompensationsschaltung,
in welcher ein durch die Impulse eingeregelter Strom mit dem Meßwert verglichen
wird. Bei den Meßgrößen kann es sich sowohl um elektrische als auch um mechanische
Größen handeln. Wenn man vorn mechanischen Größen ausgeht, kann man sie entweder
unmittelbar zur Erzeugung der Impulse heranziehen, man kann sie aber auch in elektrische
Größen umwandeln und dann mit den so gewonnenen elektrischen Größen arbeiten. Ein
wichtiges Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Fernmessung, bei der die Einrichtung
gemäß der Erfindung sowohl zur Erzeugung der Impulse als auch als Empfangsgerät
für beliebige Fernmeßv erfahren angewendet werden kann. Für die Zwecke der Fernmessung
sind bereits mit Kompensationsschaltungen arbeitende Einrichtungen bekannt, bei
welchen ein aus Fernmeßimpulsen durch Umladung von Kondensatoren gebildeter Summenstrom
mit einem Strom verglichen wird (Vergleichsstrom), welcher der Häufigkeit von Impulsen
entspricht, die durch einen Wattstundenzähler erzeugt werden. Dieser Wattstundenzähler
wird von einer Entladungsröhre (Hochvakuumglühkathodenröhre) gespeist, die in Abhängigkeit
vom Meßstrom und dem Vergleichsstrom durch Beeinflussung des Gitterpotentials gesteuert
wird. Bei dieser bekannten Anordnung ist zur Impulsgabe ein besonderer Zähler erforderlich,
der eine gewisse Trägheit besitzt. Es dauert infolgedessen bei einer Änderung des
Meßwertes stets einige Zeit, bis der Zähler dieser Änderung folgt und seine Drehzahl
entsprechend einstellt.
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Die Erfindung vermeidet diesen Nachteil dadurch, daß die Impulse von
einem ruhenden Impulsgenerator erzeugt werden, welcher durch das Vergleichsgerät
der Kompensationsschaltung gesteuert wird. Das Vergleichsgerät der Kompensationsschaltung
steuert dabei die Häufigkeit der vom Impulsgenerator erzeugten Impulse.
Als
Impulserzeuger kommen Schwingungserzeuger bekannter Art in Betracht, und zwar insbesondere
solche, die in der Lage sind, Schwingungen ziemlich geringer Frequenz zu erzeugen.
Hierher gehören insbesondere die unter Benutzung von Hochvakuum- oder Gasentladungsgefäßen
(Glimmlampen) arbeitenden Kippschwingungserzeuger. Ausführungsbeispiele dieser Art
sind in den Abb. 1, 2 und 3 dargestellt.
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In Abb. i ist mit i ein Raum bezeichnet, dessen Temperatur fernübertragen
werden soll. Zu diesem Zwecke wird die Temperatur finit Hilfe des Thermoelementes
2 gemessen, das an die eine Wicklungshälfte 3 des Drehspulgerätes :I angeschlossen
ist. Dieses Drehspulgerät dient als Vergleichsgerät zwischen dem vom Therinoelement
gelieferten Meßstrom bzw. Meßspannung und einem der erzeugten Impulshäufigkeit entsprechenden
Strom. Als Impulserzeuger dient der Kippschwingungsgenerator 5, welcher die Glühkathodenröhre
6 enthält. Im Gitterkreis dieser Röhre liegt die Induktiv ität 7, die mit der im
Anodenkreis liegenden Spule 8 gekoppelt ist. Der Gitterkondensator 9 wird durch
zwei feststehende Belegungen io und i i gebildet, deren gegenseitige Kapazität durch
die vom Meßgerät d. bewegte Fahne 12 verändert werden kann. Der Gitterkondensator
9 ist durch den Widerstand 13 überbrückt. Durch richtige Bemessung der Kopplung
der Spulen 7, 8 und ihrer gegenseitigen Induktion erhält man in bekannter Weise
Kippschwingungen, deren Frequenz von der Größe des Gitterkondensators abhängt. Durch
Verändern der Lage der Fahne 12 kann also durch Beeinflussung der Kapazitäten io
und i i die Frequenz der Kippschwingungen verändert werden. Im Anodenkreis der Röhre
6 liegt das Relais 1q., das die durch die Kippschwingungen entstehenden Impulse
einerseits auf das an einem entfernten Ort aufgestellte Empfangsgerät für die Impulsfrequenzfernmessung
15 überträgt und anderseits die Impulse auch der Schaltanordnung 16 zuführt, welche
über die zweite Spule 17 des Drehspulgerätes :I einen Strom leitet, welcher der
Impulshäufigkeit proportional ist. Zu diesem Zwecke dient. die bekannte Empfangsschaltung
für das Impulsfrequenzverfahren, die die Kondensatoren 18 und das Relais i9 enthält.
Diese Schaltelemente sind so miteinander verbunden, daß bei jedem Impuls die Kondensatoren
18 über die Spule 17 entladen werden. Die Spulenhälften 3 und 17 sind so geschaltet,
daß sich die darin fließenden Ströme aufzuheben suchen. Es ist zweckmäßig dafür
zu sorgen, daß auf das drehbare System des Meßgerätes .I keine merklichen Richtkräfte
einwirken, so daß die Fahne 12 in jeder Stellung liegenbleiben kann. Die beschriebene
Einrichtung wirkt nun in folgender Weise: Durch die Spulenhälfte 3 fließt ein Strom,
welcher der fernzuübertragenden Temperatur entspricht. Durch diesen Strom wird die
Fahne 12 so gegenüber den feststehenden Teilen io und ii bewegt, daß sich eine verhältnismäßig
hohe Frequenz einstellt. Im Rhythmus dieser Frequenz werden die Kondinsatoren i8
über die zweite Spulenhälfte 17 des Meßgerätes 4. entladen, so daß ein Strom entsteht,
der die Fahne 12 im entgegengesetzten Sinne, d. h. im Sinne einer Erniedrigung der
Frequenz zu drehen sucht. Die dadurch eingeleiteten Bewegungen der Fahne hören auf,
sobald sich die Wirkungen der Spulenhälften 3 und 17 aufheben, d. h. sobald die
Impulsfrequenz dem durch die Spule 3 fließenden, der Temperatur proportionalen Strom
entspricht.
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Die Höhe des Impulsstromes und damit indirekt der Frequenz läßt sich
durch Verändern der Kondensatoren 18, durch Verändern der Höhe der Speisespannung
dieser Kondensatoren sowie durch Verändern der Windungszahlen der Spulenhälften
3 und 17 und durch Parallelschalten von Widerständen zu diesen Wicklungshälften
in weiten Grenzen beeinflussen.
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Obwohl beim Ausführungsbeispiel nach Abb. i die Messung einer Temperatur
dargestellt ist, so kann man mit der gleichen Einrichtung jede beliebige andere
elektrische oder mechanische Größe messen, sofern man einen dieser Größe entsprechenden
Strom der Spule 3 zuführt oder ein der betreffenden Größe entsprechendes Drehmoment
gegebenenfalls auch auf mechanischem Wege auf das drehbare System des Meßgerätes
.I einwirken läßt. Es lassen sich auch mehrere Einflüsse summieren.
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Die Art des Empfangsgerätes 15 ist an sich für die Erfindung ohne
wesentliche Bedeutung. Abb. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in der
Anwendung als Ernpfangs-bzw. Zeitgerät für das Impulsfrequenzverfaliren. Abweichend
von der Einrichtung nach Abb. i wird dabei die Frequenz des Kippschwingungserzeugers
durch Beeinflussung des Rückkopplungsgrades zwischen den Spulen 7 und 8 geändert.
Die mit der Abb. i übereinstimmenden Teile tragen die gleichen Bezugszahlen. Der
Gitterkondensator 9 ist hier als Blockkondensator ausgebildet. Das Meßgerät q. trägt
eine Fahne 20, welche zwischen den Spulen 7 und 8 beweglich ist und den Rückkopplungsgrad
beeinflußt. Im Anodenkreis der Röhre 6 liegen zwei Relais 21 und 22, welche die
gleichen Funktionen ausüben wie das mit zwei Kontakten versehene Relais i.1 nach
Abb. i. Der Strom, der der Spulenhälfte 3 des Meßgerätes 4 zugeführt wird,
wird
mit Hilfe einer Empfangseinrichtung nach dem Iinpulsfrequenzverfahren erzeugt, deren
eigentliche Empfangselemente mit 23 und 24 bezeichnet sind: Die Meßkondensatoren
18, welche den der Impulshäufigkeit entsprechenden Strom liefern, werden bei der
Schaltung gemäß Abb. 2 unmittelbar vom Relais 22 gesteuert. Die vom Relais 21 weitergegebenen
Impulse werden der Empfangseinrichtung für das Impulsfrequenzverfahren 25 bekannter
Bauart zugeführt, die ohne weitere Erläuterung an Hand der Zeichnung verständlich
sein dürfte.
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Die Anordnung nach Abb.2 wirkt in folgender Weise: Die Summe der von
den Empfangselementen 23, 24 erzeugten Ströme wird über die Wicklungshälfte 3 des
Gerätes 4 geleitet, welches unter dem Einfluß dieser Ströme die Fahne 2o so zu verdrehen
sucht, daß sich eine große Impulshäufigkeit einstellt. Durch die entstehenden Impulse
wird in der gleichen Weise wie bei der Einrichtung nach Abb. i der Spulenhälfte
17 ein im entgegengesetzten Sinne wirkender Strom zugeführt, unter dessen Einfluß
die Fahne 2o die Impulshäufigkeit zu vermindern sucht. Sobald Gleichgewicht zwischen
beiden Einflüssen herrscht, bleibt die Fahne stehen, so daß die eingestellte Impulshäufigkeit
bestehen bleibt. Diese Impulshäufigkeit entspricht der Summe der Meßwerte.
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Durch Verändern der Kondensatoren 18 läßt sich das Verhältnis der
erzeugten Impulse zu der Summe der von den Empfangssystemen 23, 24 aufgenommenen
Impulse in weiten Grenzen beeinflussen. Der gleiche Einfluß läßt sich durch Verändern
der Windungszahlen der Wicklungshälften 3 und 17 und durch Parallelschaltung von
Widerständen hierzu ausüben. Je nach den besonderen Verhältnissen kann die erzeugte
Impulshäufigkeit zahlenmäßig kleiner oder größer sein als die Häufigkeit der ankommenden
Fernmeßimpulse. Mit Rücksicht auf eine auch bei geringen Meßwerten schwingungsfreie
Anzeige durch das Meßgerät 25 kann eine ziemlich hohe Impulshäufigkeit erwünscht
sein. Mit Rücksicht auf die Leitungskapazitäten und auf Störungen benachbarter Fernsprechanlagen
wird man aber kaum über 12 oder 15 Impulse pro Sekunde hinausgehen. Wo solche Rücksichten
nicht zu nehmen sind, kann man aber auch bis zu 5o Impulse pro Sekunde und mehr
benutzen. Handelt es sich dagegen nur darum, an einem entfernten Ort ein Zählwerk
zu betreiben, so wird man eine möglichst kleine Impulshäufigkeit anwenden.
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Zur Erzeugung von Impulsen kann man auch Kippschaltungen verwenden,
die unter Zuhilfenahme von Glimmlampen arbeiten und bei weichen ein Kondensator
über diese Glimmlampen entladen wird. Den Ladestrom bzw. die Ladespannung dieses
Kondensators kann man durch ein Vergleichsinstrument, welches die Meßgröße mit einer
der Impulshäufigkeit entsprechenden Größe vergleicht, beeinflussen lassen. Zu Veränderungen
des Ladestromes bzw. der Ladespannung eignet sich besonders eine mit einer Glühkathodenröhre
arbeitende Hochfrequenzschaltung, bei der durch das Vergleichsgerät der Anodenstrom
dieser Röhre beeinflußt wird. Eine solche Anordnung ist in Abb. 3 dargestellt.
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In Abb. 3 sind. mit 26, 27 und 28 drei Empfangsanordnungen für das
Impulsfrequenzverfahren bekannter Bauart bezeichnet. Diese Anordnungen sind parallel
geschaltet und werden nun aus der Stromquelle 29 über die eine Wicklungshälfte
30 eines Differentialinstrumentes 31 gespeist. Die mit 32 bezeichnete Einrichtung
dient zur Erzeugung einer Impulshäufigkeit, welche dem in der Leitung 33 fließenden
Strom entspricht. Zu diesem, Zweck werden die von dieser Einrichtung erzeugten Impulse
der nach Art einer Empfangsschaltung für das Impulsfrequenzverfahren gebauten Anordnung
34 zugeführt, die mit der zweiten Wicklungshälfte 35 des- Gerätes 31 und der Batterie
29 in Reihe geschaltet ist. Parallel zur Einrichtung 34 können weitere Empfangseinrichtungen
für das Impulsfrequenzverfahren liegen, welche zur Einführung negativer Summanden
dienen. Eine solche Einrichtung ist mit 36 bezeichnet. Die Einrichtung 32 enthält
die in Rückkopplungsschaltung betriebene Glühkathodenröhre 37. Der schwingungsfähige
Kreis enthält die Induktivität 38 und die Kapazität 39. 40 ist die Rückkopplungsspule,
die mit dem Gitter der Röhre über den Kondensator 41 und den Ableitew iderstand
42 verbunden ist. Zwischen den Spulen 38 und 40 ist eine am Zeiger des Gerätes 31
befestigte Metallfahne 43 befestigt, die den Rückkopplungsgrad beeinflußt und auf
diese Weise eine stetige Änderung des Anodenstromes der Röhre 37 herbeiführen kann.
Im Anodenkreis der Röhre 37 liegen die Kondensatoren 44 und 45, zu welchen Glimmlampen
46 und 47 parallel geschaltet sind. Zwischen die Verbindungspunkte der Glimmlampen
bzw. Kondensatoren sind die Wicklungen der Relais 48 und 49 geschaltet. Das polarisierte
Relais 49 besitzt den Kontakt 5o, durch den abwechselnd die Kondensatoren 44 und
45 kurzgeschlossen werden können. Der Kontakt 51 des Relais 48 steuert das Relais
der Anordnung 34, dessen Wicklung mit einem zur Weitergabe der Summe dienenden Relais
52 in Reihe geschaltet oder parallel geschaltet ist.
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Die beschriebene Einrichtung arbeitet in folgender Weise:
Der
Wicklungssinn der Spulenhälfte 30 ist so gewählt, daß der über diese Spulenhälfte
fließende Strom die Fahne .i3 in den Raum zwischen den Spulen 38 und .4o zu schieben
sucht. Die Folge davon ist, daß die Hochfrequenzschwingungen schwächer werden und
dadurch das Gitterpotential der Röhre 37 steigt und deshalb der Anodenstrom zunimmt.
In diesem Falle wird den Kondensatoren .L4, 45 verhältnismäßig viel Strom zugeführt,
so daß sie sich in kurzer Zeit aufladen und über die zugehörige Glimmlampe wieder
entladen. Nach jeder Entladung wird der Kontakt So umgelegt, so daß die Restspannung
des Kondensators, welche der Löschspannung der zugehörigen Glimmröhre entspricht,
beseitigt wird. Diese Maßnahme hat den Zweck, ein möglichst gleichmäßiges Arbeiten
der Relais 48 und 49 herbeizuführen. Die durch das Entladen der Kondensatoren 44,
4.5 entstehenden Impulse werden durch den Kontakt 5z- auf den Umschaltkontakt der
Anordnung 34. übertragen, durch die bei jedem Impuls ein Stromstoß über die zweite
Hälfte 3.5 der Wicklung des Meßgerätes 3 1 geleitet wird. Die hierdurch ausgeübten
Kräfte wirken den von der Spulenhälfte 3o erzeugten Kräften entgegen und suchen
die Fahne .43 aus dem Raum zwischen den Spulen 38 und 4.o herauszudrücken. Die Bewegung
der Fahne :I3 wird beendet, sobald auf sie von den Spulenhälften 30 und 35
keine Kräfte ausgeübt werden. Das ist der Fall, wenn sich die Wirkungen dieser Spulen
aufheben, d. h. wenn der Meßstrom dem durch Umladen der Kondensatoren der Einrichtung
34. entstehenden Strom und damit der von den Relais 4.8 und 49 erzeugten Impulshäufigkeit
entspricht.
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Die auf das Meßgerät 31 wirkenden Richtkräfte werden zweckmäßig
so gering wie möglich gehalten, damit die Fahne 43 in jeder beliebigen Lage stehenbleiben
kann. Die Dämpfung und die Trägheit dieser Fahne können durch Parallelschalten von
Widerständen und Kondensatoren zu den Wicklungen 30 und 35 erhöht werden.
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Da es bei der beschriebenen Einrichtung nur auf den Vergleich zwischen
den die Spulenhälften 30 und 35 durchfließenden Strömen ,ankommt, so arbeitet diese
Einrichtung unabhängig von der Batteriespannung 29.
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Das übersetzungsverhältnis zwischen Meßgröße und Impulshäufigkeit
ist einerseits vom Verhältnis der Windungszahlen der Wicklungshälften
30 und 35 und von, der Größe der Kondensatoren der Einrichtung 3.4 bzw. ihrer
Ladespannung abhängig. Man kann durch Veränderung dieser Größen die von der Einrichtung
32 erzeugte Impulshäufigkeit den jeweiligen Verhältnissen anpassen. Man kann die
Impulsgebereinrichtung auch vereinfachen etwa in der Weise, wie in Abb. 4. dargestellt
ist. Diese Abbildung zeigt nur den zwischen dem positiven Pol der Anodenbatterie
und der Anode der Röhre 37 eingeschalteten Teil. Dieser besteht aus dem Kondensator
53, der Glimmlampe 5:4, dem Vorwiderstand 55 sowie dem Relais 56. Dieses Relais
versieht die gleichen Funktionen wie das Relais 1a nach Abb. r bzw. die Relais 48,
49 nach Abb.3. Die Geschwindigkeit der Rufladung des Kondensators 53 ist bei der
in Abb. .4 dargestellten Einrichtung abhängig von dein durch die Fahne .I3 beeinflußten
Anodenstrom. Deshalb ist auch die Häufigkeit seiner Entladung über die Glimmlampe
54. und das Relais 56 von der Stellung dieser Fahne abhängig.
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Eine andere für den gleichen Zweck brauchbare Schaltung zeigt Abb.5.
Hier werden zwei Kondensatoren 57, 58 verwendet, die durch Glimmlampen 59 und 6o
sowie zwei im entgegengesetzten Sinne wirkende Teilspulen 61 und 62 eines polarisierten
Relais überbrückt sind, deren Umschaltkontakt mit 63 bezeichnet ist. (?,4 ist ein
Vorwiderstand. Diese Einrichtung, die ebenfalls in den Anodenkreis der Röhre 37
nach Abb. 3 eingeschaltet wird, arbeitet in der Weise, daß die Kondensatoren abwechselnd
aufgeladen und über die zugeordnete Glimmlampe entladen «-erden. Ein weiterer nicht
dargestellter Korntakt des polarisierten Relais kann zur Weitergabe der Impulse
dienen, die ebenso wie bei der Einrichtung nach Abb. z oder 2 einer Impulssumme
entsprechen können. Die beschriebene Einrichtung kann nicht nur bei Summierungsanlagen
verwendet werden, sondern beispielsweise auch dann, wenn es darauf ankommt, die
Impulshäufigkeit zu erhöhen oder zu vermindern. Die Verminderung kommt beispielsweise
für die Zwecke der Zählung in Betracht, die Erhöhung der Impulshäufigkeit dagegen
dann, wenn es darauf ankommt, bei verhältnismäßig geringer Impulshäufigkeit eine
ruhigere Anzeige zu erhalten.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Impulse
durch Sch-%vbbungen erzeugt werden, ist in Abb. 6 dargestellt. Das Vergleichsgerät
ist mit 7o bezeichnet. Es enthält die Teilspulen 71, 72. Die Teilspule
7 1 wird von einem einer beliebigen Meßgröße entsprechenden Strom durchflossen.
Der Spule 72 wird in der bei den übrigen Ausführungsbeispielen bereits beschriebenen
Weise mit Hilfe der Schaltanordnung 73 ein der erzeugten Impulshäufigkeit entsprechender
Strom zugeführt.
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Zur Erzeugung der Schwebungen dienen die Röhren 7¢, 75, die in Rückkopplungsschaltung
betrieben
werden und in deren Gitterkreise die Induktivitäten 76, 77 eingeschaltet sind. Parallel
zu diesen Induktivitäten liegen zwei Kapazitäten, die durch die Fahne 78 des Vergleichsgerätes
70 und zwei feststehende Platten 79 und 8o gebildet werden. Im Anodenkreis
der Röhren 7q., 75 liegen die Spulen 81, 82, die mit den Spulen 83, 84 gekoppelt
sind. Diese Spulen sind in Reihe geschaltet und speisen den Gleichrichter 85.
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Die Induktivitäten 76, 77 sind annähernd gleich groß gewählt, so daß
etwa in der mittleren Stellung der Fahne 78 die erzeugten Frequenzen gleich sind
und keine Schwebungen entstehen. Weicht die Fahne 78 aus ihrer Mittellage ab, so
verändern sich die beiden Frequenzen im entgegengesetzten Sinne, so daß Schwebungen
entstehen, die nach Gleichrichtung durch den Gleichrichter 85 als Wechselstrom geringer
Periodenzahl der Fernleitung 86 und dem Empfangsgerät 87 zugeführt werden. Die Frequenz
dieser Wechselströme, die auch als Impulse aufgefaßt werden können, wird in bekannter
Weise, beispielsweise mit Hilfe einer Empfangseinrichtung für das Impulsfrequenzverfahren
gemessen. Mit Hilfe des Relais 88, das ebenfalls von den Schwebungen erregt wird,
wird die Schaltanordnung 73 gesteuert, welche den Vergleichsstrom liefert. Die Einrichtung
wirkt in. folgender Weise: Durch das von der Spulenhälfte 71 ausgeübte Drehmoment
wird die Fahne 76 derart verstellt, daß Schwebungen entstehen. Im Rhythmus dieser
Schwebungen werden die Kondensatoren der Schaltanordnung 73 über die Wicklungshälfte
72 umgeladen. Dadurch wird ein der Spulenhälfte 71 entgegenwirkender Einfluß ausgeübt.
Die Fahne 78 bewegt sich deshalb im Sinne einer Verkleinerung der Schwebungsfrequenzen.
Die Bewegungen der Fahne werden beendet, sobald sich die Wirkungen der Spulenhälften
71, 72 aufheben. Dann entspricht die erzeugte Schwebungsfrequenz der Meßgröße. Die
Frequenz läßt sich in der bereits bei den anderen Ausführungsbeispielen beschriebenen
Weise durch Verändern der Kondensatoren der Schalteinrichtung 73 und der Speisespannung
dieser Kondensatoren in `weiten Grenzen verändern. Die gleiche Wirkung kann man
durch Verändern der Windungszahlen der Spülen 71, 72
bzw. durch Parallelschalfen
von Widerständen erhalten. Auch bei der Anordnung nach Abb. 6 empfiehlt es sich,
ebenso wie bei den übrigen Ausführungsbeispielen, die auf das bewegliche System
des Vergleichsgerätes einwirkenden Richtkräfte (Federkraft) so klein wie möglich
zu machen.
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Bei sämtlich dargestellten Ausführungsbeispielen ist das Vergleichsgerät
als Differentialgerät ausgebildet. Die gleiche Wirkung kann man auch unter Benutzung
eines gewöhnlichen Meßsystems erreichen, wenn man den Vergleich der Meßgröße mit
dem der Häufigkeit der erzeugten Impulse entsprechenden Strom in einer Brückenschaltung
durchführt,- wobei zwei Zweige der Brückenschaltung von einer Stromquelle gebildet
werden können.