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Vorrichtung zur Anzeige, Registrierung oder regeltechnischen Auswertung
von verschieden gearteten Meßwerten
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung
zur Anzeige, Registrierung oder regeltechnischen Auswerdung von verschieden gearteten
Meßwerten.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Meßwerte verschiedener Art
in einfacher Weise anzuzeigen bzw. zu registrieren, und zwar mittels einer Anordnung,
die es auch gestattet, die Anzeige bzw. Registrierung nach einem von der Meßgröße
verschiedenen Progressionsgesetz durchzuführen.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird dadurch gelöst,
daß die Meßwerte verschiedener Art (elektrische, mechanische usw.) auf Schaltglieder
zur Wirkung kommen bei gleichzeitiger Beeinflussung dieser Schaltglieder durch sich
stetig ändernde, durch Kompensationswirkung, Differenzwirkung, Erreichen von Schwelliverten
od. dgl. erzeugte Vergleichswerte und Einleitung der Anzeige bzw. Registrierung
der Meßwerte im Abgleichpunkt durch diese Schaltglieder.
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In der Zeichnung sind Ausführungsformen der Erfindung dargestellt.
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Fig. I zeigt in schematischer Form ein System zum Messen hochfrequenter
Ströme, Fig. 2 ein System zum Messen und Aufzeichnen von Flüssigkeitsdurchflußmengen,
Fig. 3 ein Temperaturschreibersystem, Fig. 4 ein System zum Messen eines Widerstandes
und Fig. 5 ein System zur elektrischen Leistungsmessung.
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In allen diesen Zeichnungen ist das Primärgerät oder der Stromkreis,
der die zu messende Größe bzw. die
Größe, die eine Reaktion auslösen
soll, gibt, mit P bezeichnet. Der Mechanismus, der in Abhängigkeit von der zuletzt
genannten Größe zu steuern ist, trägt die BezeichnungM, der elektrische Steuerstromkreis
zur Betätigung oder Steuerung des Mechanismus heißt C, die Relaismittel sind durch
R gekennzeichnet, und die Mittel, die gemeinsam mit der primären Größe eine Differentialwirkung
zur Steuerung der Relaismittel hervorrufen, sind mit S benannt. Dies erleichtert
einen Vergleich der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung miteinander und
trägt dazu bei, daß die nachstehende Beschreibung leichter verständlich wird.
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Aus demselben Grunde sind die letzten beiden Ziffern der in den verschiedenen
Zeichnungen verwendeten Bezeichnungsnummern identisch; wenn sich diese Nummern auf
Elemente beziehen, die in ihrer Funktion einander ähnlich sind.
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Die in Fig. I gezeigte Ausführungsform stellt ein elektrisches System
dar, das zum Anzeigen eines hochfrequenten Stromes mittels eines Thermoumformers
dient. Eine Stromquelle IoI, z.B. das Wechsdstrom-oder Gleichstromnetz, liefert
den Betriebsstrom. Der Thermoumformer ist mit irr bezeichnet. Er enthält einen von
dem zu messenden hochfrequenten Strom durchflossenen Heizwiderstand 113 und ein
Thermoelement 112, das durch den Widerstand II3 konduktiv erhitzt wird und mit der
Drehspule 121 eines Differentialrelais R verbunden ist. Das zur Spule I2I gehörende
permanente Magnetsystem ist mit 122 bezeichnet. Die die Spule 121 tragende Achse
ist durch die strichpunktierte Linie 123 gekennzeichnet. Auf der Achse befinden
sich ein Magnetanker 124 (ungesättigtes Dreheisen) und ein Relaiskontakt 125. Letzterer
arbeitet mit den feststehenden Kontakten I26 und I27 zusammen. Ein Elektromagnet
128 dient dazu, den Anker 124 ZU betätigen. Der durch das Thermoelement 112 erzeugte
und der Spule 121 zugeführte Strom hat das Bestreben, die Achse 123 so zu drehen,
daß der bewegliche Kontakt I25 vom Kontakt I27 auf den Kontakt I26 umgelegt wird.
Diesem Bestreben wird jedoch durch den den Anker 134 beeinflussenden Elektromagneten
128 entgegengewirkt. Infolgedessen hängt die Umschaliebewegung des I(ontaktes I25
von einer Differentialwirkung ab, genauer gesagt von dem Eintritt des Ausgleichszustandes
zwischen den durch die beiden Elemente 121 und I24 ausgeübten Drehmomenten.
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Der Magnet 128 wird durch einen Stromkreis S gespeist, der durch
ein Potentiometergerät mit dem Widerstand 13I und dem rotierenden Gleitkontakt I32
gesteuert wird. Die Endpunkte des Widerstandes 131 sind mit der Stromquelle in Reihe
mit einer Stabilisatorröhre I33 verbunden, so daß ein konstanter Strom durch diesen
Widerstand fließt. Ein Endpunkt des Widerstandes ist außerdem mit dem Magneten I28
verbunden, dessen zweites Wicklungsende zum Schleifkontakt 132 geführt ist. Infolge
dieser Schaltungsanordnung variiert die Erregerspannung des Magneten 128 während
eines vollständigen Umlaufes des Gleitkontaktes zwischen Null und Maximalwert. Während
eines jeden solchen Umlaufes variiert das auf die Spule I24 ausgeübte Drehmoment
innerhalb eines Bereiches, der den Ausgleichszustand in sich einschließt und daher
ein Umlegen des Kontaktes herbeiführt, wodurch die weiter unten erläuterte Wirkung
erzielt wird.
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Der im Endeffekt zu steuernde Mechanismus ist durch ein Anzeigegerät
dargestellt, das eine feststehende, linear eingeteilte Skala 141 und einen rotierenden
Arm I42 enthält, der eine Glimmlampe I44 trägt.
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Der Arm I42 und der Gleitkontakt I3.2 rotieren synchron. Dies ist
schematisch durch eine strichpunktierte Verbindungswelle I43 angedeutet, die durch
einen aus der Stromquelle IoI gespeisten Synchronmotor 151 angetrieben wird. Die
Lampe 144 ist mit dem Relaiskontakt I26 verbunden sowie mit einem Kondensatorstromkreis,
der einen an dem beweglichen Relaiskontakt 125 liegenden Kondensator I6I und eine
über einen Röhrenwiderstand 163 mit dem Relaiskontakt I27 verbundene Batterie I62
enthält. In der dargestellten Kontaktiage wird der Kondensator I6I aus der Batterie
I62 aufgeladen. Sobald der Kontakt I25 auf den Kontakt 126 umlegt, wird der Kondensator
über die Lampe entladen, wodurch letztere zum Autblitzen gebracht wird.
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Das System arbeitet wie folgt: Der Synchronantrieb des Potentiometers
und des Anzeigegerätes wird so in Tätigkeit gesetzt, daß eine Widerstandsänderung
während der Meßperiode bewirkt wird. Infolgedessen geht die Erregung des Magneten
128 dauernd durch eine Größe hindurch, bei der das auf den Anker 124 einwirkende
Drehmoment dem die Spule 121 beeinflussenden Drehmoment gleich ist, das durch die
vomThermoelement 111 zugeführte Spannung erzeugt wird. Der Augenblick, in dem innerhalb
eines jeden Umlaufs der Ausgleich eintritt, hängt ab von der Größe der primären
Spannung an der Stromquelle P, d.h. wenn diese Spannung niedrig ist, wird der Gleitkontakt
den Punkt der entsprechenden Gegenspannung eher erreichen als bei einer höheren
Primärspannung. Infolgedessen ist die Augenblicksstellung des Gleitkontaktes I32
beim Eintritt des Ausgleichs in einer gegebenen Korrelation zu der zu messenden
Spannung. Da der Arm I42 synchron rotiert, ist seine Augenblicksstellung zur Skala
I4I beim Eintritt des Ausgleichszustandes ebenfalls ein Maß für die Primärspannung,
und da der Relaiskontakt I25 eine plötzliche Kondensatorentladung im gleichen Augenblick
hervorruft, zeigt der in der Lampe I44 erzeugte Lichtblitz durch seine Winkelstellung
den zu bestimmenden Spannungswert an. Die Abhängigkeit der so bewirkten Anzeigen
von der Primärspannung ist nicht direkt proportional, sondern folgt einer nichtlinearen
Funktion, genauer gesagt ist sie proportional der Quadratwurzel aus den Änderungen
der Primärspannung. Dies wird im nachstehenden näher erläutert werden.
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Die beiden Betätigungsglieder I22-I2I und 128-124 des Relais R sind
verschieden hinsichtlich ihres Funktionsgesetzes, d. h. hinsichtlich der Abhängigkeit
ihrer Steuerwirkung auf den Relaiskontakt von ihrer jeweiligen Erregung. Das Glied
122-121 folgt einem linearen Gesetz, da die durch die Drehspule erzeugte Wirkung
(Drehmoment T1) der der Spule zugeführten Erregerspannung (bzw. dem Erregerstrom)
linear proportional ist, während das Funktionsgesetz des zweitenBetäti gungsgliedes
nichtlinear ist, da die durch den Elektromagneten 128 erzeugte Wirkung (Drehmoment
T2) auf
seinen nicht klebenden und ungesättigten Anker I24 dem Quadrat
der dem Magneten I28 zugeführten Erregerspannung (bzw. des Erregerstromes) proportional
ist.
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Andererseits wird die Ausgangsspannung des Primärkreises P, die sich
mit dem Quadrat des zu messenden Heizstromes im Widerstand II3 ändert und daher
einem nichtlinearen (quadratischen) Progressionsgesetz folgt, dem linearen Betätigungsglied
des Relais zugeführt, während die sich in einem linearen Anstiegsverhältnis ändernde
Spannung aus dem Potentiometer dem nichtlinearen Betätigungsglied zugeleitet wird.
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Die in solch einem System zu erreichenden Ausgleichsbedingungen werden
aus den nachstehend aufgeführten Gleichungen verständlich werden, in denen die folgenden
Zeichen Verwendung finden: T1 = das durch die Spule 121 erzeugte Drehmoment, T2
= das durch den Anker I24 erzeugte Drehmoment, Heizstrom im Widerstand 113, I2 =
Erregerstrom im Elektromagneten I28, a Winkelabweichung der Anzeigelampe 144 im
Augenblick eines Lichtblitzes; C1, C2, C3, C4 und C stellen Konstanten dar.
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Im Augenblick des Ausgleichs, d. h. im Augenblick eines Lichtblitzes,
ist das Drehmoment T1 der Spule 121 gleich dem entgegenwirkenden Drehmoment T2 des
Ankers 124. Das Drehmoment T1 ist der vom Thermoelement III zugeführten Spannung
proportional, und diese Spannung ist wiederum proportional dem Quadrat des Heizstromes
Iz: T1=C1 Ix2.
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Wie oben erläutert, erfolgt das durch den Elektromagneten 128 auf
den Anker 124 ausgeübte Drehmoment gemäß einer quadratischen Funktion. Daher ist
T2 = C2 122.
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Der Erregerstrom im Magneten I28 ist im wesentlichen proportional
der Winkelstellung a des Schleifkontaktes 132, so daß I2 = C3 a cr ist.
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Im Augenblick des Ausgleichs ist T1 = T2 also C11,2 = C2 I2 daher
C1 In2 = C4 a2 und a= CBIze Hieraus ergibt sich, daß die Winkelstellung des Schleifkontaktes
und daher auch die im Augenblick des Ausgleichs erfolgende Anzeige der Größe des
primären Stromes (bzw. der Spannung) proportional ist. Infolgedessen ist das System
gemäß Fig. I ein Hitzdrahtamperemeter, das sich durch eine lineare oder im wesentlichen
lineare Skala auszeichnet, während gewöhnliche Hitzdrahtamperemeter prinzipiell
eine quadratisch eingeteilte Skala haben.
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Falls der Strom Iz nicht hochfrequent, sondern ein direkt an die
Spule 121 angeschlossener Gleichstrom ist, kann das gleiche Gerät verwandt werden,
um ein Schreibgerät zu schaffen, das, obgleich seine Skala nichtlinear ist, eine
höhere Anfangsempfindlichkeit aufweist. In diesem Falle ist I1 = Ci Tx I2 = C2 T22
= CS a2, so daß
Die Bedeutung dieses Übertragungssystems ist am folgenden einfachen Zahlenbeispiel
zu erkennen.
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Falls der aufzuzeichnende Höchststrom I als roo 0/, angenommen wird
und die entsprechende Winkelabweichung a des Schreibgerätes ebenfalls als 100 0/o,
bestehen folgende angenäherte Relationen: Bei I = IOO a = IOO Bei 1 = 50 a = 70
Bei 1 = IO a = 3I Bei 1 = 5 a= 22 Bei I= O,I a = 3 Bei 1 = O,OI a = 1 Infolgedessen
ist die Empfindlichkeit des Systems bei I = O,I hundertmal so groß wie bei einem
Strom von I . 100. Dies bedeutet, daß dank der Erfindung ein großer Meßbereich überstrichen
werden kann, während gleichzeitig eine höhere Empfindlichkeit und eine größere Genauigkeit
bei niedrigen Meßwerten erzielt werden. In dieser Hinsicht bietet die Erfindung
einen erheblichen Vorteil gegenüber den bekannten Anzeige-und Schreibgeräten mit
linearer Stromskala, wie sie besonders für Widerstands- und Isolationsschreiber
verwandt wird. Die Anfangsempfindlichkeit solcher Instrumente übertrifft sogar die
Empfindlichkeit von Brückeninstrumenten (Megohmmeter mit zwei und drei Drehspulen),
und die neuen Instrumente haben den wichtigen Vorteil, daß das Gesetz der Skaleneinteilung
nicht durch die Stellung der Dreh spule in Luftspalten von sehr verschiedenen Längen
längs dem Bewegungsweg der Drehspule bestimmt wird, sondern nur durch ein feststehendes
und einfaches Gesetz, so daß die Skala gedruckt werden kann und keine manuelle Eichung
von Strich zu Strich erforderlich macht.
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Es liegt auf der Hand, daß die Erfindung nicht auf die in Fig. I
als Beispiel dargestellte Verwendungsart beschränkt ist und daß der zu betätigende
Mechanismus M nicht nur zur Anzeige dienen kann. Zum Beispiel können in einem anders
konstruierten System gemäß Fig. I die durch den Stromkreis C erzeugten Steuerimpulse
dazu dienen, eine bleibende Aufzeichnung hervorzurufen oder einen Mechanismus zur
Steuerung eines Elektromotors, eines Ofens oder irgendeiner anderen Maschinenanlage
bzw. Apparatur zu betätigen, die in Abhängigkeit von den Veränderungen einer variablen
primären Meßgröße arbeiten soll.
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Es wird auch darauf hingewiesen, daß, während Fig. I automatischen
Betrieb mit Hilfe eines Synchronmotors 151 zeigt, das System auch durch Handbetätigung
der synchron laufenden Potentiometer- und Anzeigeglieder betrieben und mit anderen
Anzeigevorrich-
tungen als der in Fig. I gezeigten rotierenden Neonlampe
versehen werden kann. Zum Beispiel kann in einem manuell betriebenen Gerät, das
sonst wie das in der Figur gezeigte System konstruiert ist, ein Amperemeter in den
den Potentiometerwiderstand I3I speisenden Stromkreis eingeschaltet werden, und
der Steuerstromkreis C könnte mit der Drehspule des Amperemeters statt mit einer
Glimmlampe verbunden werden, um das Amperemeter im Augenblick des Ausgleichs kurzzuschließen.
Der Zeiger des Amperemeters geht auf Null zurück, sobald das System durch die Ausgleichsstellung
hindurchgeht. Auf diese Weise dient das normalerweise zur Anzeige des konstanten
Speisestromes benötigte Amperemeter gleichzeitig auch als Anzeigeinstrument für
den Ausgleichszustand.
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Aus Fig. I erkennt man, daß in der dargestellten Ausführungsform
sowohl die primäre Größe wie die Gegengröße elektrischer Art sind und dadurch eine
Differentialwirkung auf den Relaiskontakt ausüben, daß jede mit magnetischen Mitteln
ein Drehmoment erzeugt. Nach anderen Gesichtspunkten der Erfindung kann jede der
beiden voneinander verschiedenen und verschiedenartigen Progressionsgesetzen unterworfenen
Größen auch durch nichtelektrische Mittel erzeugt werden und auf das Relais auch
anders einwirken als durch magnetische Vorrichtungen. Um diese anderen Möglichkeiten
zu erläutern, wird auf die in Fig. 2 und 3 dargestellten Beispiele hingewiesen.
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Fig. 2 zeigt ein auf Grund der Erfindung entwickeltes System, in
dem die Mittel P, die zur Erzeugung der primären Größe dienen und diese veranlassen,
auf das Relais einzuwirken, nicht elektrischer Art sind. Die zu messende Größe ist
die Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit, z. B. Dampf, durch ein Rohr 2I6.
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Die Flüssigkeit strömt durch eine Staudüse 217, die bewirkt, daß an
beiden Seiten der Staudüse verschiedener Druck herrscht. Die Druckdifferenz hängt
von der Strömungsgeschwindigkeit ab. Diese Differenz läßt man auf eine Manometereinrichtung
einwirken, die durch das eine Membran 211 enthaltende und durch die Rohrleitungen
2I9 bzw. 220 mit den entsprechenden Stellen des Rohres 2I6 verbundene Gehäuse 2I8
dargestellt ist. Die Membran 211 ist mit Hilfe einer Stange 221 mit einem beweglichen
Relaiskontakt 225 verbunden. Der Kontakt 225 ist mit einem Weicheisenanker 224 versehen,
auf den ein Solenoid 228 einwirkt. Infolgedessen spricht das Relais R auf eine Differentialwirkung
an und veranlaßt mittels seiner feststehenden Kontakte 226 und 227, daß ein Kondensator
26I während des unausgeglichenen Zustandes aus einem Batteriestromkreis 262, 263
aufgeladen und im Augenblick des Ausgleichs entladen wird.
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Das Solenoid 228 wird durch ein Potentiometer erregt, dessen Widerstand
23I unter Dauerstrom steht und dessen Schleifkontakt 232 periodisch im Gleichlauf
mit der Schreibstiftelektrode 242 eines Registriergerätes M bewegt wird. Das Registriergerät
hat eine Trommel 241, die durch einen hier nicht gezeigten Synchronmotor bzw. Uhrwerksmechanismus
in Zeitabhängigkeit angetrieben wird, während die Schreibstiftelektrode mittels
eines motorischen Antriebes 270 und einer schematisch durch die strichpunktierte
Linie 274 dargestellten geeigneten Übertragung in Richtung des Pfeiles 252 geradlinig
hin und her geführt wird. Die Schreibstiftelektrode 242 und der Schleifkontakt 232
sind miteinander verbunden und werden synchron betätigt. Der Apparat zeigt automatisch
die Strömungsgeschwindigkeit nach der Zeit auf einem Registrierstreifen 244 an.
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Da der auf die Membran 211 und über das Verbindungsgestänge 22I auf
den Relaiskontakt 225 wirkende Druck proportional dem Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit
ist und die magnetische Gegenkraft ebenfalls eine quadratische Funktion des durch
das Potentiometer gelieferten periodisch sich ändernden Stromes ist, bewirkt das
System aus den gleichen, in Zusammenhang mit Fig. I dargelegten Gründen ein Ziehen
der Quadratwurzeln.
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Das in Fig. 3 gezeigte System ist ein Beispiel für solche Apparattypen
gemäß der Erfindung, bei denen die die primäre Größe dem Relais zuführenden Mittel
P elektrisch und elektromagnetisch sind, während die zur Erzeugung der oben beschriebenen
Differentialwirkung dienende Gegenkraft durch mechanische Mittel herbeigeführt wird.
Das System ist insofern dem in Fig. 1 gezeigten ähnlich, als es eine veränderliche
Stromquelle 3II hat, die, falls erforderlich über einen Verstärker, mit der Drehspule
32I eines Relais verbunden ist. Die Spule 32I ist auf einer einen beweglichen Kontaktarm
325 tragenden Achse 323 angebracht. 322 ist das Magnetsystem des Relaisinstrumentes
R. Der bewegliche Kontakt 325 steht in Wechselwirkung mit den feststehenden Kontakten
326 und 327 und steuert einen abgezweigten Steuerstromkreis 361, 362, 363, der mit
der Trommel 341 und der Schreibstiftelektrode 342 eines Registriergerätes M verbunden
ist, um eine Aufzeichnung auf einem über die Trommel laufenden Registrierstreifen
344 herbeizuführen.
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Eine Spiralfeder 33I ist mit ihrem einen Ende an der Achse 323 befestigt
und mit ihrem anderen Ende an dem Schneckenrad 332, das mit dem Schneckengewinde
355 einer Antriebswelle 343 im Eingriff steht.
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Die Schreibstiftelektrode 342 ist auf einer Mutter 353 montiert, die
auf einem anderen Gewindeteil der Achse 343 sitzt.
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Im Betriebszustand wird die Achse 343 durch geeignete, hier nicht
gezeigte Antriebsmittel in beiden Richtungen, wie durch den Pfeil 352 angedeutet,
in Umdrehung versetzt, so daß der Schreibstift 342 längs der Trommeloberfläche hin
und her geführt wird.
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Gleichzeitig wird das Schneckenrad 332 im Gleichlauf mit dem Schreibstift
rückwärts und vorwärts gedreht.
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Hieraus ergibt sich, daß sich die Spannung der Feder 33I zwischen
einem positiven und einem negativen Wert ändert, wobei jede Augenblicksgröße des
auf die Relaisachse ausgeübten Drehmomentes mit der Augenblicksstellung des Schreibstiftes
auf seinem Bewegungspfade übereinstimmt. Der Spielraum für die Änderung der Federspannung
ist so gewählt, daß der Ausgleich des Relais innerhalb des gesamten gewünschten
Meßbereiches herbeigeführt werden kann. Die Änderung des durch die Feder auf das
bewegliche Relaissystem ausgeübten Drehmomentes ist proportional dem Winkel a der
Abweichung des Rades 332. Infolgedessen arbeitet der Federmechanismus als das mechanische
Äquivalent eines Potentiometergerätes gebräuchlicher
Ausführung,
und das System bewirkt eine Aufzeichnung, die der zu bestimmenden primären Größe
(Spannung oder Stromstärke der Stromquelle 3II) proportional ist. Diese Methode
ist besonders für die Aufzeichnung von Ampere, Volt, Watt, Gleichstrom und Wechselstrom
anwendbar.
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Ein Federmechanismus der soeben beschriebenen Art erfordert keine
dauernde Stromzufuhr und hat für gewisse Anwendungsgebiete auch Vorteile hinsichtlich
des Raumbedarfs. Wenn die Feder richtig konstruiert ist, ändert sich ihr Drehmoment
in einem vollkommen linearen Verhältnis zu der Winkelverstellung des einen Federendes
und hat einen hohen Genauigkeitswert, der sehr lange unverändert bleibt. Es ist
jedoch nicht erforderlich, daß die Feder eine lineare Charakteristik hat. Irgendein
anderes gegebenes Verhältnis zwischen dem Drehmoment und der Verstellung des Federendes
kann zweckdienlich sein, je nach den besonderen Umständen.
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Die Notwendigkeit, eine Dauerstromquelle vorzusehen wie in den Geräten
gemäß Fig. I und 2, kann in Systemen ausgeschaltet werden, deren Gegenkraft elektrisch
erzeugt wird. Zu diesem Zweck können die Stromkreise für die Erregung der beiden
Betätigungsmittel des Differentialrelais miteinander verbunden werden, so daß eine
störende Strom- oder Spannungsschwankung in der Stromzufuhr beide Betätigungsglieder
beeinflußt, wodurch ein Ausgleich herbeigeführt wird. Dieser Gesichtspunkt der Erfindung
wird in Verbindung mit dem in Fig. 4 dargestellten Beispiel näher erläutert werden.
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In Fig. 4 bezeichnet 441 die Trommel und 442 den Schreibstift eines
Registriergerätes M für die Aufzeichnung einer Kurve auf einem Registrierstreifen
444.
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Die Trommel wird durch gebräuchliche Antriebsmittel, z. B. durch ein
Uhrwerk (nicht dargestellt), mit konstanter Geschwindigkeit gedreht. Das gezeigte
System stellt ein Ohmmeter dar zur Bestimmung der elektrischen Widerstandsschwankungen
eines Prüflings 411.
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Der Prüfling ist mit den Widerständen 402, 403 und 404 in einer Brückenschaltung
P verbunden, die über die Leitungen 406 und 407 aus einer Stromquelle 40I gespeist
wird, in Hintereinanderschaltung mit einem Potentiometerwiderstand 431, der einen
Schleifkontakt 432 besitzt. Der Schleifkontakt ist mit dem Schreibstift 442 des
Tintenschreibers so verbunden, daß beide Teile im Gleichlauf arbeiten. Ein aus der
Stromquelle 40I über die Leitungen 409 gespeister Motor 470 dient zur Betätigung
des Schleifkontaktes 432 und der Registrierfeder 442 mittels einer Schneckenwelle,
um eine hin und her gehende synchrone Bewegung des Schleifkontaktes und der Registrierfeder
zu erreichen, wie durch den Pfeil 452 angedeutet. In dieser Hinsicht ist die Anordnung
den in Fig. 2 gezeigten Antriebsmitteln ähnlich.
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Um das Registriergerät in Abhängigkeit von der zu messenden Widerstandsgröße
zu steuern, ist eine Relaisvorrichtung R vorgesehen, die aus einem beweglichen Relaiskontakt425,
zwei feststehenden Hebelkontakten 426 und 427 sowie einem Steuerstromkreis besteht,
der eine Stromquelle 462 und einen zwischen den Relaiskontakten, der Trommel und
der Schreibfeder des Registriergerätes eingefügten Kondensator 46I enthält, ähnlich
wie bei den weiter oben beschriebenen Beispielen.
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Das Betätigungselement 42I des Differentialrelais ist ein wattmetrisches
Nullinstrument, dessen eine Spule über die Leitungen 408 mit der Stromquelle 40I
verbunden ist, während seine zweite Spule im Diagonalzweig der Brückenschaltung
liegt. Die Betätigungsvorrichtung 424 ist vom C I2-Typ und besteht z. B. aus einem
elektrodynamischen Drehspulinstrument, dessen Spulen zwischen dem Schleifkontalrt
432 und einem Ende des Widerstandes 431 liegen, so daß sie durch die dem Potentiometer
entnommene Spannung erregt werden. Diese Spannung ist abhängig von der Stellung
des Schleifkontaktes 432 und daher auch von der der Schreibfeder 442. Die beiden
Betätigungseinrichtungen 421 und 424 sind einander entgegengesetzt, so daß der bewegliche
Arm 425 auf eine Differentialwirkung anspricht.
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Der Registriervorgang ist ähnlich wie bei den früher erwähnten Ausführungsformen
und schließt das Ziehen einer Quadratwurzel in sich ein, wie in Verbindung mit Fig.
I erläutert wurde. Es ist auch ersichtlich, daß der Vorgang von Strom- und Spannungsschwankungen
der Stromquelle 40I unabhängig ist, weil solche Schwankungen sowohl auf das Nullinstrument
der Brückenschaltung wie auf die potentiometrisch erregte Betätigungsvorrichtung
einwirken und hinsichtlich ihres Einflusses auf das Relais neutralisiert werden.
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Fig. 5 stellt ein System dar, das auf Schwankungen der elektrischen
Leistung anspricht. Das zum Steuern des Steuerstromkreises C dienende Relais R hat
ein bewegliches Glied 525, das mit den feststehenden Kontakten 526 und 527 zusammen
arbeitet, und enthält zwei gegeneinander wirkende Betätigungsglieder, die aus einer
Magnetspule 528 und einem Satz von wattmetrischen Spulen 52I gebildet werden. Eine
der wattmetrischen Spulen wird in Übereinstimmung mit der Spannung der Stromquelle
513 erregt, während die zweite, mit einem Stromwandler 5I2 verbunden, in Übereinstimmung
mit dem Strom der Stromquelle 513 erregt wird. Die Spule 528 ist mit dem beweglichen
Kontakt 532 eines Potentiometers verbunden, dessen Widerstand 53I durch Dauerstrom
aus einer Hilfsquelle 501 über eine automatische Stromregeleinrichtung 533 und ein
Amperemeter 57I gespeist wird. Der zu betätigende Mechanismus wird durch ein Registriergerät
M mit einer Transporttrommel 54I und einer Schreibfeder 542 dargestellt. Eine motorische
Antriebseinrichtung 570 ist sowohl mit der Registrierfeder 542 wie mit dem beweglichen
Potentiometerkontakt 532 verbunden, so daß im Betriebszustand der Kontakt 532 synchron
mit dem beweglichen Glied des durch den Stromkreis C gesteuerten Mechanismus hin
und her bewegt wird. Der Stromkreis C ist in diesem Beispiel als eine Entladungsanordnung
mit einer Stromquelle 562 und einem Kondensator 56I dargestellt. Das Übertragungsgesetz,
nach dem dieses System arbeitet, ist genau linear, und das Registriergerät braucht
nicht individuell geeicht zu werden, solange das Potentiometer 53I eine lineare
Charakteristik hat.
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Die oben beschriebenen Ausführungsarten der Erfindung haben das gemeinsame
Merkmal, daß eine veränderliche Steuergröße durch eine ihr entgegenwirkende,
sich
unabhängig verändernde Größe ausgeglichen wird, indem beide einem Differentialrelais
zugeführt und innerhalb des Relaismechanismus in Drehmomente umgewandelt werden,
die in entgegengesetztem Sinne auf das gleiche bewegliche Relaisglied einwirken,
das seinerseits die Funktion eines zu betätigenden Mechanismus steuert. Das Betätigungsglied
dieses Mechanismus wird dabei synchron und in einer gegebenen Relation zur Veränderung
der Gegengröße bewegt, d. h. auch unabhängig von den Veränderungen der Steuergröße,
auf die primär angesprochen werden soll.
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Ein Differentialrelaissystem dieser Art bietet eine Reihe von Vorteilen
und Verbesserungen gegenüber den bekannten Systemen. Es eignet sich besonders zur
Konstruktion von Geräten hoher Genauigkeit, da der Winkelausschlag des Relais klein
ist, die magnetischen Luftspalte daher praktisch konstant sind und die magnetischen
Felder eine hohe Konzentration haben, so daß die Drehmomente den Erregergrößen genau
proportional sind. Differentialrelaissysteme gemäß der Erfindung haben, wie vorstehend
dargelegt, den weiteren Vorteil, daß sie für Meßgrößen verschiedener physikalischer
Art und für sehr viele verschiedene Gebiete leicht anwendbar sind.
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Wie im vorstehenden gezeigt, besteht ein weiterer Vorteil von Differentialrelaissystemen
gemäß der Erfindung darin, daß man ein gewünschtes lineares oder nichtlineares Vbertragungsgesetz
erhält, um die Anzeigeskala der Apparatur in Übereinstimmung mit einer gewünschten
Skaleneinteilung zu bringen. Gemäß den Fig. I,2 und 4 ist es möglich, eine Anzeige,
Aufzeichnung oder Steuerwirkung proportional zur Quadratwurzel der primären Größe
zu erhalten, indem man im Differentialrelais ein Betätigungsglied von linearer Wirkung,
d. h. dessen Drehmoment in linearem "erhältnis zur erregenden Größe steht, mit einem
zweiten Betätigungsglied von quadratischer Wirkung, d.h. dessen Drehmoment dem Quadrat
der erregenden Größe proportional ist, koordiniert.
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In Systemen der soeben erwähnten Art anwendbare quadratische Wirkungen
sind unter anderem folgende: Die magnetische Anziehungskraft in einem nichtgesättigten
magnetischen Anker oder Dreheisen, wie z. B.
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Teil 124 in Fig. I oder 224 in Fig. 2, die Kraft oder das Drehmoment
in einem elektrodynamischen System, das in Hintereinanderschaltung eine feststehende
und eine bewegliche Spule besitzt, wie z. B. Teil 424 in Fig. 4, Wärmewirkungen,
die durch einen elektrischen Strom in einem Widerstand hervorgerufen werden, durch
ein Induktanzglied im Zweige einer Brückenschaltung in Abhängigkeit vom elektrischen
Strom verursachte Wirkungen. Im Prinzip ist jede solche einer quadratischen Funktion
folgende Gegenwirkung geeignet, eine getrennt gesteuerte und linear fortschreitende
Erregung solch einer quadratischen Wirkung einer Differentialrelaisanordnung aufzudrücken,
während die durch die primäre Größe hervorgerufene Wirkung auf die Differentialanordnung
linearer Art ist.
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Es ist auch einer der Gegenstände der Erfindung, elektrische Systeme
der hier behandelten Art zu schaffen, deren Übertragungsgesetz nicht das Ziehen
einer Quadratwurzel ist, sondern eine andere nichtlineare Funktion darstellt. Bei
der Beschreibung der abgebildeten Ausführungsarten ist im vorstehenden angenommen
worden, daß die Gegengröße, z. B. die Spannung und der Strom, die vom Potentiometer
131, I32 in Fig. I geliefert werden, linear fortschreitet. Ein Weg, das Gesetz der
Übertragung zu ändern, besteht darin, eine nichtlineare Progression dieser Gegengröße
vorzusehen. Falls z. B. der Potentiometerwiderstand 131 so eingeteilt ist, daß er
der Relaisspule I28 über den beweglichen Kontakt I32 eine quadratisch anwachsende
Spannung liefert, zieht das System nicht mehr die Quadratwurzel der primären Größe,
sondern erzeugt eine Wirkung, die der vierten Wurzel proportional ist.
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Systeme, die das Ziehen der vierten Wurzel in sich einschließen,
sind von Vorteil, z. B. in pyrometrischen Meßgeräten zur Bestimmung der Temperatur
eines Erzeugers von Strahlungshitze, die mit der vierten Potenz der absoluten Temperatur
des Hitzeerzeugers anwächst.
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Die Einteilung des Widerstandes 131 (Fig. I) kann so gewählt werden,
daß sie einer beliebigen Funktion folgt und daß dabei eine Reihe verschiedener nichtlinearer
Operationen, d. h. nicht notwendigerweise das Ziehen der Quadratu urzel oder der
vierten Wurzel, erreicht wird. In ähnlicher Weise ist, falls die Wirkung des nichtlinearen
Gliedes der Relaisanordnung, z. B. Teile I7S,I24 in Fig. I, nicht quadratisch ist,
sondern einem anderen nichtlinearen Gesetz folgt, die Gesamtwirkung wiederum eine
verschiedenartige nichtlineare obere tragung. Infolgedessen bietet die Erfindung
eine theoretisch unbegrenzte Zahl von nichtlinearen Übertragungsmfiglichkeiten,
indem eine primäre Größe und eine veränderliche, getrennt gesteuerte Gegengröße
von anderem Xnderungsverhältnis auf eine Relaisanordnung mit Hilfe von differential
wirkenden Gliedern einwirken, von denen wenigstens eines eine nichtlineare Funl;tion
hat.
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Der Steuerstromkreis der dargestellten Systeme ist besonders günstig
in Fällen, in denen eine hohe Geschwindigkeit und große Genam.gkeit des Meßvorganges
gewünscht wird. Dieser Stromkreis enthält einen Kondensator, der während verhältnismäßig
langer Zeitabschnitte aufgeladen und plötzlich in dem Augenblick entladen wird,
in dem das Relais durch seinen Ausgleichszustand hindurchgeht. Nur ein sehr geringer
Ausschlag des Relais ist erforderlich, um die aufgespeicherte Energie in den Steuerkreis
zu entladen.
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Infolgedessen ist die Steuerfunktion im wesentlichen von Augenblicksdauer
und geschieht ohne wahrnehmbare Phasendifferenz zwischen ~ dem tatsächlichen Augenblick
des Ausgleichs und der hervorgerufenen Steuerwirkung. Ein solcher Kondensatorentladekreis
kann für Registrierzwecke benutzt werden, indem man elektrolytisches Registrierpapier
verwendet oder eine Funkenentladung zwischen der Schreibfeder und der Transporttrommel
vorsieht, um den Registrierstreifen zu durchlochen.