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Kompensationseinrichtung zur Umwandlung der Diagonalspannung einer
Meßbrücke in eine druckfähige Zahlenfolge
Die Erfindung betrifft eine Kompensationseinrichtung
zur Umwandlung der Diagonalspannung einer Meßbrücke in eine druckfähige Zahlenfolge,
wobei Stufenschalter die erforderlichenfalls verstärkte Diagonalspannung an einer
an konstanter Spannung liegenden Spannungsteileranordnung bis zur Spannungsübereinstimmung
mit der Diagonalspannung abtasten.
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Sehr häufig wird in der Technik die Aufgabe gestellt, kleine elektrische
Spannungen nicht nur genau zu messen, sondern das Meßergebnis auch in eine druckfähige
Zahlenfolge zu verwandeln. Derartig niedrige Spannungen müssen z. B. an Einrichtungen
gemessen werden, die mit Dehnungsmeßstreifen arbeiten. Dabei sind meist ein oder
zwei dieser Dehnungsmeßstreifen in die Zweige einer Wheatstoneschen Brücke geschaltet,
und die Diagonalspannung wird, wenn erforderlich, nach vorhergehender Verstärkung,
entweder durch ein empfindliches Instrument zur Anzeige gebracht oder aber mit einer
mittels eines Spannungsteilers von einer konstanten Spannungsquelle abgegriffe.
nen Spannung verglichen, wobei die Stellung des Spannungsteilers ein Maß für die
zu messende Spannung ist. Je nach der geforderten Genauigkeit muß dabei der Spannungsteiler
mehr oder weniger feinstufig ausgebildet werden.
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Zur Erzielung- einer hohen Genauigkeit benutzen die bekannten Einrichtungen
zum Teil stufenlose Widerstände, beispielsweise Kohleschichtwider-
stände
oder sehr engmaschig gewickelte Drahtwiderstände, zum Abgriff mittels Schleifkontakte.
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Der Abgriff kann dabei durch ein die Gleichheit der beiden Spannungen
ermittelndes Nullgerät über einen Servomotor automatisch eingestellt werden.
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Auf diese Weise erhält man aber kein eindeutiges, d. h. nicht gewünschte
Zwischenwerte vermeidendes, druckfähiges Meßergebnis. Dies würde erfordern, den
gesamten Spannungsteilerwiderstand in eine Anzahl abgeglichener Einzelwiderstände
zu zerlegen, von denen jeder mit dem Kontaktnocken einer Kontaktbahn, an der das
durch das Nullgerät gesteuerte Kontaktmesser vorbeistreift, .verbunden ist. Eine
solche Anordnung ist nicht mehr brauchbar, wenn die unbekannte Spannung mit großer
Genauigkeit gemessen werden soll, denn eine Genauigkeit von drei Dezimalen würde
schon tausend abgeglichene Widerstände und eine Kontaktbahn mit tausend Nocken erfordern,
ein Aufwand, der in den meisten Fällen kaum in Frage kommt. Zur Verringerung des
Aufwandes sind die bekannten Vielfachpotentiometer vorgeschlagen worden. Dabei liegt
ein vorzugsweise dekadisch aufgespaltetes Hauptpotentiometer an der konstanten Spannung.
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Ein zweites, gleichfalls dekadisch aufgespaltetes Potentiometer liegt
an zwei Wanderkontakten, die es immer mit zwei benachbarten Kontakten der an eine
Kontaktbahn geführten Anschlußenden der Einzelwiderstände des ersten Potentiometers
verbinden. Das zweite Potentiometer liegt also jeweils einer Widerstandsstufe des
ersten parallel. Zur Wahrung einer genauen Proportionalität zwischen Potentiometerstellung
und Spannungswert muß jedoch das zweite Potentiometer hochohmig gegenüber dem ersten
sein. Aber auch dann ist diese Bedingung nur näherungsweise erfüllt. Wird noch eine
dritte Dezimale des Druckergebnisses gefordert, so ist den Einzelwiderständen des
zweiten Potentiometers ein drittes parallel zu schalten, das wieder hochohmig gegenüber
dem zweiten sein muß. Diese Schaltung hat den Nachteil, daß durch den hohen Widerstandswert
des dritten Potentiometers die Empfindlichkeit des Abgleichvorganges sehr herabgesetzt
wird.
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Die hier vorgeschlagene Anordnung vermeidet die genannten Nachteile
erfindungsgemäß durch einen ersten, an einer konstanten Spannung liegenden, aus
einem Satz von zehn gleichen Widerstandsstufen bestehenden Spannungsteiler sowie
einen ersten mit einem Druckwerk verbundenen Stufenschalter, der die Widerstands
stufen bei hohen Werten beginnend bis zum Unterschreiten der Diagonalspannung abtastet,
einen zweiten, aus einem Satz von zehn Widerstandsstufen bestehenden Spannungsteiler,
der zusammen den Ohmwert der Widerstandsstufe des ersten Satzes hat, durch den die
zuletzt abgetastete Widerstandsstufe des ersten Spannungsteilers ersetzbar ist sowie
einen zweiten mit einem Druckwerk verbundenen Stufenschalter, der die Widerstandsstufen
bei hohen Werten beginnend wieder bis zum Unterschreiten der Diagonalspannung abtastet,
und gegebenenfalls so viele weitere Spannungsteiler und Stufenschalter. durch die
stets die zuletzt abgetastete Widerstandsstufe des vorhergehenden Spannungsteilers
ersetzbar ist, wie in Anbetracht der vorgeschriebenen Genauigkeit des Druckergebnisses
erforderlich sind.
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Die Abbildung zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens
an einer mit Dehnungsmeßstreifen betriebenen Kraftmeßeinrichtung 3. Die Kraftmeßeinrichtung
3 ist in Punkt 2 fest verankert, während der Haken 8 symbolisch den Angriff der
Last andeutet. Die Meßeinrichtung besteht in an sich bekannter Weise aus dem auf
Dehnung beanspruchten Metallteil, auf den zwei Dehnungsmeßstreifen 4, 5 geklebt
sind.
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Schaltungsmäßig befinden sich die Dehnungsmeßstreifen 4, 5 in den
Zweigen einer Wheatstoneschen Brücke, die außerdem die beiden Festwiderstände 6
und 7 enthält. Die Brücke liegt an einer durch eine Batterie 1, ein Netzgerät od.
dgl. erzeugten, auf I pro mille genauen, konstanten Gleichspannung.
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Die Diagonalspannung der Brücke wird in einem Gleichspannungsverstärker
10 verstärkt. Zur Eichung wird bei entlasteter Kraftmeßeinrichtung mit Hilfe der
von einer Regelgleichspannungsquelle 9 erzeugten Gleichspannung die Eingangsspannung
des Verstärkers 10 auf Null gebracht. Bei der vorausgesetzten guten Linearität des
Gleichspannungsverstärkers 10 ist seine Ausgangsspannung proportional dem an der
Kraftmeßeinrichtung hängenden Gewicht, so daß das an diese Spannung gelegte Meßinstrument
I I in Gewichtseinheiten, beispielsweise in kg, geeicht werden kann.
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Eine weitere Spannungsquelle 25 liefert eine gleichfalls auf I pro
mille genaue Vergleichsspannung U,<. Die an dieser mittels der nachstehend beschriebenen
Spannungsteilereinrichtung abgegriffene Teilspannung x U1( wird mit Hilfe des Nullgerätes
13 mit der Ausgangsspannung Uo des Gleichspannungsverstärkers IO verglichen. Die
an konstanter Spannung UK liegende Spannungsteilereinrichtung besteht aus zwei in
Reihe geschalteten Widerstandsgruppen I8, 22. Außerdem ist für jede zu druckende
Dezimale ein Widerstandssatz vorgesehen, so daß sich in dem genannten Beispiel,
zum Abdruck des Ergebnisses in drei Dezimalen, zwei Widerstandsgruppen zu je drei
Sätzen, also insgesamt sechs Stufenwiderstände, I8h, I8Z, I8e, 22h, 22Z, 22 e ergeben,
wobei jeder Widerstand aus zehn Stufen besteht und jede Widerstandsstufe einer Dezimalen
denselben Ohmwert hat wie alle zehn Widerstandsstufen der nächstniedrigeren Dezimalen
zusammen. Als Beispiel sei angenommen, die Widerstände des ersten Satzes I8h, 222
hätten je einen Wert von I000 Ohm; sie sind dann in je zehn Stufen zu 100 Ohm unterteilt.
Die Widerstände des zweiten Satzes 18 z, 22 Z haben dann einen Wert von je 100 Ohm
und sind in zehn Stufen zu je 10 Ohm unterteilt, während die Widerstände des dritten
Satzes I8e, 22 e einen Wert von je 10 Ohm haben und in zehn Stufen zu je einem Ohm
unterteilt sind. Das gesamte Schaltwerk ist so aufgebaut, daß für jede der benötigten,
in vorliegendem Beispiel drei Dezimalen ein mit je einem Druckwerk 24h, 24Z, 24e,
einem damit verbunde-
nen Stufenschaltwerk Igh, 192, 19 e für einen
Widerstandssatz 18 h, I8s, 18 e der ersten Gruppe I8 und einem damit verbundenen
Stufenschaltwerk 23 h, 23 z, 23 e für den entsprechenden Widerstandssatz 22 lot,
222, 22e der zweiten Gruppe 22 ausgerüsteter Stufenschalter h, z, e vorgesehen ist.
Die Anfangs- und Endpunkte jeder Widerstandsstufe sind mit den Kontaktnocken des
zugehörigen Stufenschaltwerks verbunden. Das Nullgerät 13 betätigt über den Relaissatz
14 und über die Antriebe I5, I6 und I7 die drei Stufenschalter h, z, e. Jedes Schaltwerk
hat zehn Schaltstufen und jedes Druckwerk entsprechend zehn mit den Zahlen von Null
bis Neun versehene Druckstellungen. Die Widerstände I82 und I8e sind durch die Schalter
20z und 20e zu überbrücken und bei den Widerständen 22h und 222 ist je eine Stufe
durch die Schalter 2Ih und 21 2 kurzzuschließen.
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Zu Beginn des Abgleichvorganges stehen alle Schaltwerke auf der mit
a bezeichneten Anfangsstellung. Die Überbrückungsschalter 202 und 20 e sind geschlossen,
während die Kurzschlußschalter 21 h und 212 geöffnet sind. Es liegt also die Spannung
der konstanten Gleichspannungsquelle 25 am WiderstandIsh, der in dem erwähnten Beispiel
IOOO Ohm hat. Diese Spannung Ui< wird gleichzeitig mit der verstärkten Brückenspannung
UD verglichen. Da die Spannung UD niedriger als die Spannung UK ist, fließt durch
das Nullgerät I3 ein Strom. Der Relaissatz 14 tritt.in Tätigkeit und betätigt über
den symbolisch angedeuteten Antrieb 15 den Stufenschalter h. Die Stufenschaltwerke
Igh und 23 h des Stufenschalters h wandern gleichzeitig von rechts nach links auf
ihren Kontaktbahnen, wobei das Stufenschaltwerk 19 lt Widerstandswerte in der Größenordnung
von 100 Ohm abschaltet, während gleichzeitig das Stufenschaltwerk 23h Widerstandswerte
am Widerstand 22h von 100 Ohm dazuschaltet und auf dem Druckwerk 24h die entsprechenden
Zahlen in Druckstellung gehen. Beide Stufenschaltwerke Igh, 23 h wandern auf ihrer
Kontaktbahn so lange, bis die an den Widerständen abgegriffene Spannung x UK kleiner
wird als die verstärkte Diagonalspannung UD.
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In diesem Augenblick setzt das Nullgerät mit Hilfe des Relaissatzes
I4 den Antrieb 15 des Stufenschalters lt still. Der Schalter 21 lt wird geschlóssen,
der Schalter 20z geöffnet: Durch die Betätigung der beiden Schalter 202, 21 ei wird,
ohne Änderung der Schaltstellung des Stufenschalters h, wieder die Widerstandsverteilung
herbeigeführt, die in einer Schaltstufe zuvor vorhanden war. Daher ist die an der
Spannungsteileranordnung abgegriffene Spannung x U1c U wieder etwas größer als die
verstärkte Diagonalspannung UD. Das Nullgerät 13 betätigt jetzt über den Relaissatz
14 den Antrieb 16 des Stufenschalters z. Die Stufenschaltwerke I9Z und 23z beginnen
auf ihren Kontaktbahnen zu wandern, wobei Stufenschaltwerk 192 am Widerstandssatz
I82 Widerstandsstufen im Werte von 10 Ohm abschaltet, während gleichzeitig Stufenschaltwerk
232 am Widerstandssatz 222 gleich große Widerstandsstufen hinzuschaltet und am Druckwerk
24z die entsprechendenZiffern in Druckstellung rücken.
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Hat die an der Spannungsteileranordnung abgegriffene Spannung x U
wieder den Wert der verstärkten Diagonalspannung UD unterschritten, dann wird durch
das Nullgerät I3 über den Relaissatz I4 der Antrieb 16 des Stufenschalters z stillgesetzt,
der Schalter 20 e geöffnet und der Schalter 212 geschlossen. Durch die Betätigung
dieser beiden Schalter 20e, 212 ist ohne Veränderung der Stellung des Stufenschalters
2 wieder die Widerstandsverteilung der vorhergehenden Schaltstufe vorhanden. Die
an der Spannungsteileranordnung abgegriffene Spannung x UK ist wieder größer als
die verstärkte Diagonalspannung UD, das Nullgerät 13 beginnt wieder zu arbeiten
und setzt über den Relaissatz 14 den Antrieb I7 des Stufenschalters e in Tätigkeit.
Die Stufenschaltwerke Eigen 23 e beginnen zu laufen, wobei Stufenschaltwerk 19 e
Widerstands stufen in der Größenordnung von I Ohm am Widerstand I8 e abschaltet,
während Stufenschaltwerk 23 e am Widerstand 22 e Widerstandsstufen in derselben
Größenordnung zuschaltet. Gleichzeitig rückt auf dem Druckwerk 24e die entsprechende
Ziffer in Druckstellung. In dem beschriebenen Beispiel ist nach Abgleich der Spannung
x UK mit der verstärkten Diagonalspannung UD durch den dritten Stufenschalter e
der Abgleichvorgang beendet. Eine Abgleichung von drei Dezimalen dürfte für die
meisten Verwendungszwecke ausreichen. Es ist jedoch erfindungsgemäß ohne weiteres
-möglich, noch weitere Stufenschalter für weitere Dezimalen anzuschließen.