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Tauchspulenmeßwerk mit Zusatzwicklungen Für Meß- und iiisl)esondere
Regelzwecke werden, soweit es sich um die Regelung elektrischer Größen oder solcher
Größen, die elektrisch gemessen werden, handelt, vorteilhaft an und für sich bekannte
Tauchspulenmeßwerke verwendet. Bei diesen bIeßwerken 1)c-,vegt sich eine konzentrisch
angeordnete Steuerwicklung im Ringluftspalt eines Permanent- oder Elektromagneten
in Achsrichtung. Dabei kann einerseits die Masse des Wicklungsträgers sehr klein
gehalten werden. Im allgemeinen verwendet man Aluminiumr ährnchen, doch sind auch
Verfahren bekannt, die Wicklung frei tragend auszuführen, so daß praktisch nur das
Gewicht der Steuerwicklung als Meßwerkmasse auftritt. Andererseits kann die Größe
der Zugkraft durch entsprechende Dimensionierung des ,i-regerinagneten und damit
der 1_uftsl)altiiidul<tion relativ -hoch gehalten werden, so daß sich ein sehr
günstiges Verhältnis von Masse zu Zugkraft ergibt, ein Kriterium, das bekanntlich
für die Güte des Meßwerks als Regelglied ausschlaggebend ist.
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Mit der weiteren wichtigen Eigenschaft eines Meßwerks für Regelzwecke,
nämlich der Einhaltung einer bestimmten Regelkennlinie aus Stabilitätsgründen oder
aus Gründen der Regelgenauigkeit, befaßt sich dlie Erfindung. Bei den bekanntgewordenen
Tauchspulenmeßwerken erfolgt diese Stabilisierung durch mechanische Mittel, z. B.
durch mechanische Federn in verschiedener Kombination. Hierdurch wird z. B. erreicht,
daß der Meßwerkausschlag x proportional dem Steuerstrom ist (statisches Meßwerk)
ist oder quadratisch mit dem Steuerstrom wächst. Diese mechanischen Mittel sind
jedoch wegen schwieriger Justierung, der Hub der Tauschspule beträgt nur
wenige
Millimeter, und ihrer beschränkten Variationsmöglichkeit unbefriedigend. Es wird
daher erfindungsgemäß vorgeschlagen., zur Erzielung bestimmter Meß- und Regelkennlinien
außer der Steuerwicklung oder den Steuerwicklungen an einer konstanten Gleichspannung
angeschlossene Zusatzwicklungen vorzusehen, d.ie aus gleichartigen, räumlich getrennten,
aber parallel geschalteten Wicklungen bestehen und deren Zugkräfte in entgegengesetzter
Richtung wirken.
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In den Abb. i bis 3 der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele der
Erfindung dargestellt. Abb. i a zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines Tauchspulenmeßwerks
mit einem Elektromagneten. Das Ringluftspaltfeld wird vom Elektromagneten i, dessen
Wicklung i' mit Gleichstrom .erregt wird, erzeugt. In diesem Feld kann sich eine
Tauchspule 2 in axialer Richtung bewegen. Sie ist im Falle eines Anzeigemeßwerks
mit einer Anzeigevorrichtung oder im Falle eines Reglermeßwerks mit einem Kraftschalter
elektrisch oder hyd.rau-' lisch verbunden. Die Tauchspule trägt die Steuer-Wicklung
3. Bei Stromfluß in dieser Wicklung bewegt sich die Tauchspule je nach der Stromrichtung
nach oben oder unten. Die Steuerwicklung kann auch in zwei Hälften aufgeteilt sein,
wobei die untere Hälfte Strom erhält, wenn sich die Tauchspule nach oben bewegen
soll, und die obere Hälfte Strom führt, wenn sich die Tauchspule abwärts bewegen
soll.
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Die Gegenkraft wird in Ausführung des Erfindungsgedankens elektrisch
durch die beiden Zusatzwicklungen 4 und 5 erzeugt, die von einem konstanten Gleichstrom
durchflossen sind:. Die Pfeile in Abb. i a geben die Kraftrichtungen an. Abb. il)
zeigt das elektrische Schaltbild der Steuerwicklung 3 und der Zusatzwicklungen und
5. An die Klemmen 6 und 7 wird die elektrische Meß- oder Steuergröße (Strom oder
Spannung) und an die Klemmen 8 und 9 eine konstante Gleichspannung gelegt. Der Regelwiderstand
io dient zum Einstellen der Gegenkraftkennlinien. Die Pfeile in Ab1>. 11)
geben die Stromrichtung an. i i ist ein Widerstand für die Nulljustierung der Tauchspule.
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Die Wirkungsweise der Zusatzwicklungen 4 und 5 ist folgende: In der
Nullage (x = o) heben sich die Kräfte dier Zusatzwicklungen 4 und 5 gerade auf.
Sobald die Tauchspule in der einen oder anderen Richtung aus der Nullage gezogen
wird, nimmt die Gegenkraft linear zu, da immer mehr Windungen der in Zugrichtung
wirkenden Zusatzwicklung aus dem Luftspaltfeld heraustreten und damit keinen Beitrag
zur Zugkraft gehen. Wird die Tauchspule z. B. nach oben bewegt, so bleibt die Gegenkraft
der Wicklung 5 voll erhalten, während, die. Zugkraft der Wicklung 4, die nach oben,
also in Richtung + x wirkt, mit wachsendem x linear abnimmt.
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Die vorliegenden linearen Zusatzwicklungen 4 und 5 stellen also eine
»elektrische Feder« dar, deren Federkonstante durch Einstellen des Stromes in den
Zusatzwicklungen 1 und 5 mittels Widerstandes io beliebig geändert werden kann.
Sie gibt dem Meßwexk ein statisches Verhalten, wie es z. B. für Anzeigezwecke oder
zum Zwecke der Dampfung von Regelschwingungen (Stabilisi.erung) erwünscht ist. Mit
Hilfe des Widerstandes i i ist durch Verschieben des Abgriffes eine genaue Nulljustierung
der Tauchspule möglich, ohne daß mechanische Eingriffe nötig sind.
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Die Steuerkraft- und Cregenkraftkennlinien eines derartigen Tauchspulenmeßwerks
mit linearen Zusatzwicklungen ergeben sich aus Abb. i c. In den Neiden in dieser
Al)lüldung gezeigten Kurven stellt die eine die Abhängigkeit der Steuerkraft Pst
als Funktion von x dar, und zwar mit verschiedenen Steuerstromwerten ist
als Parameter, während die andere Kurve die Ab-
hängigkeit der Gegenkraft
Pg als Funktion von _x bei verschiedenen Gegenkraftstromwerten ig als Parameter
wiedergibt. Der Schnittpunkt einer Kurve von Pst = f (x) mit einer Kurve
von P, = f (x) bei bestimmten Werten ist bzw. ig ergibt als Schnittpunkt
die jeweilige Auslenkung x.
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Abb. i d zeigt die Auslenkung als Funktion von ist bei verschiedenen
Erregerströmen is als Parameter.
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In vielen Fällen ist es erwünscht, einen beliebigen funktionellen
Zusammenhang zwischen Meßgröße und Ausschlag des Tauchspulenmeßwerks zu haben, um
das Meßwerk der geforderten Meß- oder Regelaufgabe am besten anpassen zu können.
Nach Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist dies durch Ausbildung der Zusatzwicklungen
als Funktionswicklungen möglich. In den. Abb. 2 und 3 sind zwei Ausführungsbeispiele
einer solchen Funktionsw@icl:lung dargestellt, und zwar in Alb. 2 der Fall der Verminderung
der Meßempfindlichkeit und in Abb.3 der Fall der ,Erhöhung der Meßempfindlichkeit
in Nullpunktnähe.
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Ih Abd>. 2 a stellen 3 wieder die Steuerwicklung und 4, 5 die Zusatzwicklungen
dar. Bei tetzte.ren nimmt die Wickeldichte linear gegen die Tauchspulenmitte a1).
Die Kraftrichtungen sind die gleichen wie in Alb. i a. Aus All>. 21> ist ersichtlich,
daß die Gegenkraft bei größeren Ausschlägen x nur noch unwesentlich zunimmt. Ein
derartiges Verhalten ist in Regelanordnungen, z. B. wegabhängigen Reglern, sehr
erwünscht. Im eingelaufenen Zustand, d. 11. bei geringerem Meßwerkausschlag x ist
die Anordnung durch die große Statik (starke Federfesselung) gut stabilisiert. Andererseits
vermag das Meßwerk die größte verlangte Geschwindigkeit noch einzustellen, da, der
vorhandene Steuerstrom infolge der nicht linearen Zunahme der Gegenkraft ausreicht,
um den vollen Meßwerkausschlag x = H zu erzielen. In AN). 2 c ist der Zusammenhang
zwischen Meßwerkausschlag x und Steuerstrom ist für den Fall der Verminderung
der Meßempfindlichkeit in der Nullpunktnähe dargestellt. l)i#-se Anordnung eignet
sich auch für Meßzwecke, wenn z. B. nur die Atz weichungen von einem bestimmten
Sollwert der
\Ießgr<il.le interessieren, so claß der untere Meßbereich
nicht erfaßt zu werden braucht.
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Abb. 3 zeigt den Fall der Erhöhung der Meßetnpfindlichkeit, wobei
in Abb.3a der Aufbau der Wicklungen dargestellt ist. Die Steuerwicklung 3 ist umverändert.
Die Zusatzwicklungen 4, 5 sind wieder als Funktionswicklungen ausgebildet, und zwar
nimmt die Wickeldichte linear zur "I auchspulenmitte hin zu. Dadurch wird nach A11.
31> erreicht, daß die Gegenkraft 1'g quadratisch mit dem bleßwerkhu h _r zunimmt.
In der Nähe des Nullpunktes werden nach Ahb. 3 c schon hei kleinen Abweichungen
des Steuerstromes große Ausschla.gs.inderungen erzielt.
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Der Gegenstand der 1?rfindung ist nicht auf die drei angeführten Fälle
beschränkt. Es lassen sich durch Absetzen der Zusatzwicklungen und Ausbildung als
Funktionswicklungen beliebige Meß-bzw. kegelkennlinien erzielen.