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Meßvorrichtung, insbesondere Fahrtmesser, nach der Kompensationsmethode
Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung nach der Kompensations- od-er Nullrückstellmethode,
bei der bekanntlich die Ausschläge eines Stellorgans einen Servo-motor steuern,
der eine Hilfskraft auf das, Stellorgan zur Wirkung br-ingt im Sinne der Rückführung
des Stellorgans in seine Nullage. Die Stellkraft wird also laufend und selbsttätig
durch die Hilfskraft (Komp-ensationskraft) lkompensiert; aus der Hilfskraft oder
deren Verstellung wird eine, Anzeigegröße abgeleitet, die ein Maß für die Stellkraft
bzw. für den zu messenden Vorgang darstellt. Insbesondere betrifft die Erfindung
eine Meßvorrichtung mit einem fest gelagerten Hebel als Stellorgan, der einerseits
unter dem Einfluß der aus demzu messenden Vorgang abgeleiteten Stellkraft, andererseits
unter der Wirkung einer die Kompensationskraft liefernden, um ihren Angriff spunkt
am Hebel schwenkbaren Feder steht, die vom Servomotor entlang einer Führung verschwenkt
wird; ,der Schwenkwinkel ist der abzulesende Meßausschlag. Das wesentliche erfindungsgemäße
Kennzeich,en besteht darin, daß beim Meßausschlag Null die Feder und der Hebel etwa
parallel verlaufend nebeneinander angeordnet sind. Die Feder kann bei den Meßausschlägen
in bekannter Weise entlang einer zum Federangriffspunkt zentrischen. Kreisbogenführung
oderentlang einer beliebigen anderen Kurve verschoben, werden;- in letzterem Fall
findet
gleichzeitig eine Längung der Feder statt. Die Form dieser
Kurve- ist abhängig von der Gesetzmäßigkeit .des Meßvorganges bzw. von der Ausbildung
der Anzieigeskala. Bei Benutzung der erfindungsgemäßen Einrichtung als Fahrtmesser
nach dem Staudruckprinzip würde sich bei einer Kreisbogenf ührung mit konstanter
Federkraft eine quadratische Anzeigeskala, ergeben; will man, lineare Anzeige hähen,
so muß mit wachsendem Schwenkwinkel der Feder deren Spannkraft größer werden, also
eine Federlängung eintreten, was durch entsprechend gestaltete Kurvenform erre.icht
wird.
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Es. ist eine Meßvorrichtung der in Rede stehenden Art bekannt, bei
der Stellhebel und Schwenkfeder beim Anzeigewert Null senkrecht zueinander stehen;
bei: einer anderen bekannten Meßvorrichtung, sind. Stellhebel und Schwenkfeder in
der Nullstellung in -
2> gleicher Richtung hintereinanderliegend. Wie aus
der Beschreibung und den Figuren hervorgeht, besitzt die erfindungsgemäße Einrichtung
gegenüber diesen bekannten Meßgeräten wesentliche Vorteile.
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In den Fig. i und :2 s ' ind bekannte bzw. von der Erfindung
abweichende Ausführungsformen dargestellt, an Hand welcher der erfindungsgemäße
Fortschritt. deutlich gemacht werden soll. Die Fit-'- 3
bis, 5 zeigen
in schernatischer. Form erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele.
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Gemäß Fig. i sind in der gezeichneten Nullstellung, d. h. Meßausschlag
Null, der Stellhebel i und die S chwenkfeder 2 in gleicher Richtung hintereinanderlie,gend
angeordnet. In Fig. 2 ist die gleiche Anordnung mit dem 1vIeßausschlag
99 der Schwenkfeder:dargeste-Ilt. 3 ist der feste Drehpunkt des Stellhebels,
-um den er seine Steuerausschläge ausführt. Die Schwenkfeder 2 ist mit dem oberen,
Ende 4 des Stellhebels gelenkig verbunden und kann von dem von den- Steuerausschlägendes
Hebelst i gesteuerten Antriebsmator der Kompeensationsschaltung uni 4 als Mittelpunkt
entlang einer festen Kurvenbahn6 verschwenkt werden, gegen die sich --die das andere
Federende aufnehmende Rolle 5 legt. Eine Ausführung dieser Meßanordnung ist
in der Form als Fahrtmesser bekannt, daß die Verschwenkung -der Feder 2 unter Zwischenschaltung
eines Winkelhebels erfolgt, der sich einerseits gegen eine Kurvenführung legt, andererseits-
am oberen Ende der Feder:2 angreift. Der Einfachheit halber zeigen, die Fig. i und
2 die unmittelbare Verschwenikung der Feder 2 entlang der Führung 6. Für
die nachfolgenden Betrachtungen. ist dieser Unterschied belanglos, Ferner soll die
Kurvenbahn 6 einen Kreisbogen mit dem Anlenkpunkt 4 (Stellhebel i in Mittelstellung)
der Feder als Mittelpunkt darstellen.
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In der Entfernung a vom Drehpunkt, 3 des Stellhehels i wirkt
eine veränderliche Kraft P auf ihn ein, die gemessen, wer-den soll. Das Moment P
- a
muß durch ein Gegenmoment der Feder 2 kompensiert werden,
indem diese durch denKompensationsantrieb so, weit verschoben wird (Fig. 2), daß
P - a = Q - b - sin 99 ist (Q =
Spannkraft der Feder). Im Gleichgewichtszustand ist also. P proportional sin
99 oder angenähert direkt proportional dem Meßausschlaggg, der an der Skala
der Führu ng 6 albgelesen wird.
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Dieselbe Meßvorrichtung in erfindungsgemäßer Anordnung zeigt Fig.
3 für die Nullstellung und Fig. 4 für den Meßausscl-daig 99. Der hier
zweckmäßig zweiarmig ausgeführte Stellhebel 7 hat bei 8
seinen festen
Drehpunkt. An dem kurzen Hebelarm a wirkt die auszumessende Kraft P, am langen Heb-elarm
b mit der wirksamen Komponenteb - sin,(p die Schwenkfeder
9, deren Spannkraft Q ist. Sie ist in der Nullstellung in der durch
ihren Angriffspunlkt i i und den Drehpunkt 8 des Hebels gehenden Richtung
innerhalb des entsprechend gekröpften Hebel& angeordnet. Die Kreisbolgenflihrung
io. hat ihren Mittelpunkt im Anlenkpunkt i i der Schwenkfeder 9; diese gleitet
mittels der Rolle 1:2 entlang der Führung io. Die Federspannkraft Q bleibt
dabei unverändert.
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Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung nach Fig.
3 und 4 ist dieselbe wie bei der Einrichtung nach Fig. i und 2. In Anwendung
zur Fahrtmessung bedeutet P den Staudruck der Wasserströmung, der z. B. mittels.
einer Meßdose auf den Stellhebel Übertragen wird. Da zwischen dem Staudruck P und
der Fahrgeschwindigkeit v eine quadratische Beziehung besteht (P = C -
V2, c = Konstante), ist -der Meßatisschlag (p nur- dann ein unmittelbares
Maß für die Geschwindigkeit v, wenn die Führungsbahn io eine quadratisch geteilte
Skala erhält. Erwünscht ist je-doch im allgemeinen eine lineare Skala, was zu der
Forderung führt, daß der Meßausschlag (p dem Wurzel-wert der auszumessenden Kraft
F proportional ist. Um dies zu erreichen, erhält gemäß weiterer Erfindung
die Führungsbahneine derartige Form, daß die Feder mit Zunehmendem Ausschlag etwa
proportional dem Sch-wenkwinkel 99 gelängt wird. Alsdann wächst nämlich bei lineaxem
Ansteigen des Moments P - a das Gegenmoment Q - b -
sin (p quadratisch, so daß der Schwenkwinkel den Wurzelwert des Staudruckes P darstellt.
Fig. 5 zeigt ein derartiges Ausführungsbeispiel. Gestrichelt ist die zum
Mittelpunkt ii gehörende Kreisbogenbahn 13 eingezeichnet. Man sieht ohne -weiteres,
daß mit zunehmendem Schwenkwinkel die Federlänge etwa propc,rtio-nal anwächst -und
so-mit die Spannkraft Q
linear ansteigt. Bei der Ausführung nach Fig.
5
kann zur Erreichung einer linear wachsenden Federkraft die Kurvenführung
io auch nach einem Kreisbogen'verlaufen, der jedoch alsdann zum Anlenkpunkt ii der
Feder exzentrisch ist.
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Der Vergleich der Anordnung nach Fig. i und, 2 mit den erfindungsgemäßen
Anordnungen nach Fig. 3 bis 5 läßt bei den letzteren sofort den Vorteil
der geringeren Bauhöhe erkennen.
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Ein anderer- wichtiger Vorteil ergibt sich an Hand der Fig. i und
3 durch die folgenden Überlegungen. Um mit der Meßvorrichtung die automatische
Nichlaufeinrichtung- der Kornpensationsschaltung zu betäti.gen, muß der Stellhebel
i kleine Stetierausschläge um seine Nullage machen. Die Ansprechempfindlichkeit
des Gerätes wird um so größer, je kleiner die Widerstände sind, die den,
Steuerauss,chlägen
entge-,c-enwiirlzen. Neben der unvermeidlichen Reibung entsteht der Hauptwiderstand
durch die Meßfeder selber, die bei einem Steuerausschlag des Meßhebels i etwas gelängt
wird. Die Kraft für diese Pederlängung muß von dem Meßdruck P aufgebracht werden,
so daß also ein Steuerausschlag und die Einwirkung des Nachlaufmotors einen bestimmten
Mindestbetrag des Meß,druckes P bzw. seiner Änderung zur Voraussetzung hat. Diese
Federlängung A i ist in den Fig. i und 3 für einen Ste-,ueratisschlag
A a, der der Deutlichkeit halber übertrieben groß dargestellt ist, eingezeichnet.
Ein Vergleich der beiden Figuren zeigt, daß in der Nullstellung des Gerätes (Meßausschlag
99 = o) diese unerwünschte Längung der Meßfeder bei der erfindungsgemäßen
Anordnung nach Fi-"- 3 wesentlich geringer ist. Das hat eine. erheblich größere
Ansprechempfindlichkeit im unteren Meßgebiet zur Folge.
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Mit wachsendem Ausschlag (p der Meßfeder 2 ändern, sich die Verhältnisse
bei den Fig. i und 3
gegensinnig# indem die auf den Steuerausschlag des Meßhebels
i zurückzuführen& Federlärigung in Fig. i abnimmt, in Fi;-. 3 dagegen
zunimmt. Schließlich ist die Federlärigung A i bei dein Gerät nach Fig. i
und 2 geringer als bei dem Gerät nach Fig. 3 und 4, d. h. daß m-it
zunehmender MeßkraftP die Ansprechempfindlichkeit bei der erfin#dungsgemäßen Einrichtung
zurückgeht. Dies ist jedoch nicht, wie es scheinen sollte, ein Nachteil, sondern
ein weiterer Vorteil -gegenüber dem Meßgerät nach Fig. i und 2, namentlich bei der
Benutzung zur Messung der Schiffsgeschwindigkeit. Im unteren Meßgebiet, z. B. bei
einer Schiffsgeschwindigkeit von i Seemeile, steht, -um die Änderung dieses Wertes
auf den Betrag von i, i Seemeile anzuzeigen, nur eine kleine Stell kraft P bzw.
Stellkraftsänderun:-AP zur Verfügung. Diesem Umstand. trägt die erfindungsgemäße
Anordnung dadurch Rechnung, daß, wie oben gezeigt wurde, die Ansprechempfindlichkeit.
im unteren Meßgebiet sehr groß ist. Ändert sich dagegen die Schiffsgeschwindigkleit
im Gebiet ihrer größten Werte von z. B. 30 Seemeilen auf 30J Seemeilen, dann.
ist die zugehörige Stellkraft P, ebenso auch wegen des quadratischen Ansteigens
des Staudruckes die Stellkraftsünderung -,1 P, wesentlich größer a,1,s im
ersten Fall, so daß sich die Abnahme der Ansprechempfindlichkeit nicht nachteilig
auswirkt. Diese Erscheinung ist sogar ein Vorteil gegenüber dem umgekehrten Vor-Cran:-
bei den. Einrichtungen nach Fig. i und :2, wo ,die ZD l# im oberen Anzeigegebiet
vorkommenden 7' verhältilismäß-ig hohen Staudrucksschwankungen eine unruhige -und
flatterhafte Anzeige, ein Ansprechen bei jeder Störung oder Unregelmäßigkeit des
Strömungsvorgariges zur Folge haben würde. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ergibt
sich dagegen prakti sch eine im ganzen Meßbereich gleichbleibende Ansprechempfindlichkeit.
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Die erfindungsgemäße- Einrichtung hat ferner noch den Vorteil der besseren
Anzeigegenauigkeit im unteren Gebiet. Durch das Ausschwenken der Meßfeder 2 entsteht
nänilich (vgl. Fig. 2 und 4) an dem GelenkPunkt4 bzw. ii Reibung, wodurch .das Kräftepaar
R, mit dem Hebelarm e erzeugt wird. Dieses Kräftepaar hat ein restiltierendes Moment
R - b um den Drehpunkt 3 bzw. 8 des Stellhebels zur
Fölge. Ein Vergleich der Fig. ?- und 4 zeigt, daß dieses resultierend-, Moment
dem zu kompensierenden Moment P - a in Fig. 2 entgegengesetzt gerichtet
ist, in. Fig. 4 jedoch den gleichen Drehs,inn hat wie das Moment P -
a. Streng genornmen müßte also, eine Messung mit der Anordnung nach Fig. 2 zu geringe
Werte ergeben, während die Anzeige mit der Anordnung nach Fig. 4 zu groß ausfallen
sollte. Andererseits treten jedoch dem Meßausschlag entgegenwirkende andere Widerstände
(Spannung an der Meßinembran usw.) aufwo-durchder zu große Auf schlag wieder aufgehoben
wird, während bei der Anordnung nach Fig. 2 die Differenz noch mehr vergrößert wird.
Auf jeden Fall ergibt somit die erfindungsgemäße Anordnung eine größere Anzeigegenauigkeit,
vor allen Dingen im unteren Gebiet; bei den höherenMeßwerten wird ,das, Moment R
- b gegenüber dem zu messenden Moment P - o, so, klein,
daß sein Einfluß nicht mehr wesentLich ist.
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Die soeben beschriebenen Vorteile der Anordnung nach Fig.
3 und 4 g enüber der Anordnung z# , e#g` nach Fig. i -und 2
geltenn in gleichem Maße auch für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5. Die
dabei auftretende! Federlängung während des Verschwenkens der Meßfeder
9 entlang der Führungsbahn io beeinflußt deshalb nicht weder die Anzei0,leempfindl-ichkeit
noch Genauigkeit, weil ja die dazu erforderliche Kraft vom Komperisationsantrieb
aufgebracht wird und,daher den eigentlichen Meßvorgang nicht stört.
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Geggenüber der bekannten Meßariordnung mit einer Schwenkfeder, die
in der Nullstellung senkrecht zum Stellhebel gerichtet ist, weist das erfindungsgemäße
Gerät in gleicher Weise den Vorteil der größeren: und gleichmäßigeren Ansprechempfindlichkeit
auf. Ferner kommt nun noch hinzu, ,daß das neue Gerät nur eine einzige Feder benötigt,
während das Gerät mit rechtwinkliger Schwenkfeder noch eine weitere Feder benötigt
und als Kompensationskraft die- Differenz der bei-den Federwirkungen benutzt wird.
Die Federkräfte werden damit sehr groß.
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