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Elektrisches Meßgerät Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Meßgeräte
und insbesondere auf Temperaturmeßgeräte, die in Verbindung mit Thermoelementen
benutzt werden und bei denen Änderungen der Temperatur, die sich über einen tveiten
Bereich erstrecken, kompensiert werden sollen.
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Bei Fahrzeugen sollen z. B. mit einem auf dem Instrumentenbrett angeordneten
kleinen Instrument die Temperaturen der verschiedenen Teile .der Maschine mit einem
hohen Genauigkeitsgrad angezeigt werden. Insbesondere müssen dabei die Instrumente
in der Lage sein, Maschinentemperaturen in den Grenzen von 35° C bis 350° C anzuzeigen.
Das Instrument selbst ist aber dabei Temperaturschwankungen ausgesetzt, die zwischen
-i- 40° C und -40° C liegen. Sofern die Instrumente mit Thermoelementen verbunden
sind, geben sie nur dann eine genaue Temperaturanzeige, wenn das Instrument selbst
auf der Temperatur gehalten wird, für die es geeicht ist, oder wenn Änderungen der
kalten Lötstelle des Thermoelementes und Änderungen im Widerstand des Instrumentes
beseitigt werden.
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Für die Kompensation der bei elektrischen Meßgeräten, insbesondere
Drehspulmeßgeräten für Temperaturmessungen mittels Thermoelementen, auftretenden
Fehler sind bereits verschiedene Anordnungen bekanntgeworden. Insbesondere hat man
magnetische Nebenschlüsse zur Veränderung des den Triebluftspalt durchsetzenden
Magnetflusses angeordnet. Es ist weiterhin bekannt, eine Nullpunktverstellung vorzunehmen,
um Temperatureinflüsse zu kompensieren. Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur
Temperaturkompensation, die in besonders einfacher und wirkungsvoller Weise eine
Kompensation der Temperaturschwankungen ermöglicht, auch dann, wenn es sich um sehr
große Temperaturschwankungen handelt, wie sie insbesondere bei Flugzeugen vorkommen.
Erfindungsgemäß wird zur Veränderung des auf die Instrumentenachse wirkenden magnetischen
Momentes auf der Zeigerachse ein Magnetflügel exzentrisch befestigt, der im Zusammenwirken
mit einem Hilfspol ein Hilfsdrehmoment hervorruft, wobei entweder der Magnetflügel
oder der Hilfspol aus einem Material temperaturabhängiger Permeabilität besteht.
Der Hilfspol und der auf der Zeigerachse befestigte Flügel können dabei gleichzeitig
einen
magnetischen Nebenschlußpfad mit temperaturabhängiger Permeabilität
für den Magneten des Drehspulinstrumentes bilden. Das durch den Hilfspol und den
Magnetflügel erzeugte Hilfsdrehmoment kann so eingestellt werden, daß sämtliche
durch Temperaturschwankungen hervorgerufene Beeinflussungen des Instrumentes beseitigt
werden.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Abb. i zeigt teilweise im Schnitt ein gemäß der Erfindung ausgebildetes Instrument.
Abb. 2 zeigt Fehlerkurven für nichtkompensierte und kompensierte Instrumente. Abb.
3 ist eine Aufsicht auf das Instrument der Abb. r. In Abb..l ist der Anschluß verschiedener
Tliermoelelnente schematisch dargestellt.
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Das in Abb. i dargestellte Instrument stellt mit Ausnahme der temperaturempfindlichen
Einrichtung eine bekannte Konstruktion dar. Es besitzt einen permanenten Magneten
io, der mit halbkugelförmigen Polenden r i und 12 ausgerüstet ist. Die Drehspule
ist mit 13 bezeichnet und umgibt einen inneren feststehenden, kugelförmig ausgebildeten
Kern 1q.. Die Drehspule 13 ist auf der in den Lagern 16 und 17 drehbaren Achse 15
befestigt. Federn 18 und icg dienen als Stromzuführung für die Spule 13 und sind
mit einem Tllermoelement verbunden, wie dies aus Abb..l hervorgeht. Die Federn 18
und 19 können gleichzeitig als Gegendrehmoment für das Instrument dienen. Mit 2o
ist der Instrumentenzeiger bezeichnet. 21 ist eine zugleich als Abstandstück für
die Pole dienende Hülse aus nichtmagnetischem Material, die ebenso wie die Träger
22 und 23 z. B. aus Messing bestehen kann. Die Hülse 21 wird zwischen den Polstücken
durch Klemmwirkung gehalten. Ein Bolzen 2.1, der die Hülse 21, den Kern 14. und
die Tragteile 22 und- 23 durchsetzt, gewährleistet einen festen Zusammenhalt dieser
Teile. Die bisher beschriebenen Teile stellen eine bekannte Konstruktion dar. Bevor
die für die Temperaturkompensation erforderlichen Teile beschrieben werden, sollen
kurz die bei einem solchen Instrument auftretenden Fehler einer näheren Betrachtung
unterzogen werden.
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Es ist bekannt, daß die Spannung, die von einem Thermoelement geliefert
wird, proportional der Temperaturdifferenz zwischen der kalten und der heißen Lötstelle
des Thermoelements ist. Wenn, wie es im allgemeinen der Fall ist, das Thermoelement
mit einem empfindlichen Meßinstrument verbunden ist und die kalte Lötstelle am Instrument
liegt, muß das Instrument selbst auf einer gegebenen Temperatur gehalten werden,
für die es geeicht ist. Wenn die Temperatur der kalten Lötstelle sich ändert und
eine entsprechende Kompensation nicht vorgesehen ist, so kann die Temperatur der
warmen Lötstelle nicht mehr genau angezeigt werden, und die resultierenden Fehler
sind proportional der Differenz zwischen der vorhandenen Temperatur der kalten Lötstelle
und der Temperatur, bei welcher das Instrument geeicht wurde. Dieser Fehler ist
für alle Punkte der Instrumentenskala der gleiche. Dies soll an Hand der Abb.2 näher
ausgeführt werden. In dieser Abbildung stelle die Abszisse die Temperaturen der
heißen Lötstelle des Therrnoelementes in Celsiusgraden dar. Die Ordinaten sind positive
Fehler, ebenfalls in Celsiusgraden der Instrumentenablesung. Wenn ein nicht kompensiertes
Instrument bei etwa 2o° C geeicht ist und die Ablesungen bei einer Temperatur der
kalten Lötstelle von - q.0° C vorgenommen werden, zeigt das Instrument um einen
gleichen Betrag zuviel an bei allen Punkten der Skala, wie dies aus der Kurve i
der Abb. 2 hervorgeht. Eine andere Fehlerduelle besteht in der Veränderung .des
Widerstandes der Drehspule bei Änderungen der Temperatur. Bei 2o° C hat die Instrumentenspule
einen bestimmten Widerstand, bei -4o° C einen geringeren Widerstand und nimmt infolgedessen
einen größeren Strom auf, so daß der Ausschlag des Instrumentes zu groß ausfällt.
Dieser Fehler ist ein prozentualer Fehler, der sich mit dem Instrumentenausschlag
verändert und durch die Kurve 2 der Abb. 2 dargestellt wird. Der resultierende Fehler
eines nicht kompensierten Instruments der beschriebenen Art ist gleich der Stimme
der Kurven r und 2 und wird durch die Kurve 3 der Abb. :2 dargestellt. Dieser resultierende
Fehler soll durch die erfindungsgemäße Einrichtung beseitigt werden.
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Zu diesem Zwecke ist auf dem oberen Teil des Instrumentes der aus
nichtmagnetischem Material bestehende Ring 2 1 ausgeschnitten, mit Ausnahme einer
Brücke :2i' auf der einen. Seite der Achse. Dieser verbleibende Teil hat nur den
Zweck, den mechanischen Zusammenhalt der einzelnen Teile zu gewährleisten. An dem
oberen Ende des einen kugelförmigen Poles i i ist zum Zwecke der Kompensation ein
feststehender Hilfspol 3o angeordnet, der aus Eisen oder einem anderen magnetischen
Material besteht. Auf dem drehbaren Anker ist exzentrisch zur Drehachse, aber parallel
mit dieser ein schmales Hilfseisen 31 allgeordnet, das dem Polstück 3o benachbart
ist. Diese Fahne 31 soll aus einem Material bestellen, dessen magnetische Permeabilität
mit zunehmender Temperatur abnimmt, und zwar innerhalb solcher Temperaturbereiche,
denen das Instrument selbst ausgesetzt ist, also vorzugsweise zwischen -4o° C und
d.0° C. Materialien, die in diesen Grenzen die angegebenen Eigenschaften besitzen,
sind bereits
bekannt. Gewisse Nickelstahllegierungen können für
diese Zwecke in bestimmten Temperaturgrenzen verwendet werden. Als besonders vorteilhaft
kann aber eine in bestimmter Weise behandelte Kupfer-Nickel-Eisen-LegieriuigtAnwendung
finden mit folgender Zusammensetzung: ungefähr 30 % Kupfer, ungefähr 66,5
°/o Nickel und ungefähr 2,2 °/a Eisen. Dieses Material hat eine vernachlässigbare
Hysteresis und einen im wesentlichen gleichförmigen negativen Temperaturkoeffizienten
der Permeabilität innerhalb des vorerwähnten Temperaturbereiches.
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Durch geeignete Dimensionierung der einzelnen Teile des Instrumentes
wird ein Teil des Flusses des Magneten io über den Hilfspol 3o, den Luftspalt zwischen
diesem Pol und dem Flügel 3i und von dort in den Eisenkern 14 geleitet. Der obere
Teil des Poles 12 ist abgeschnitten, so daß dieser Nebenschlußfluß den angegebenen
Verlauf nimmt und daß der Pol 12 keine Anziehung ausübt, welche der Anziehung zwischen
dem Hilfspol 30 und dem Flügel 3 i entgegenwirken. würde. Bei einer solchen
Anordnung wird der von dem Hauptfluß abgeleitete Nebenfluß zunehmen bzw. abnehmen,
in dem Maße, wie die Temperatur ab- bzw. zunimmt. Der Anteil des Nebenschlußflusses
bei gegebener Temperatur und gegebener Ablenkung der Drehspule kann dadurch eingestellt
werden, daß das Drehspulsystem in bezug auf den feststehenden Magnetkreis etwas
gehoben oder gesenkt wird, da hierdurch der Abstand zwischen dem unteren Ende des
Flügels 31 und dem Eisenkern 14 geändert wird. Um eine solche Einstellung bequem
vornehmen zu können, sind die Lager 16 und 17 in vertikaler Richtung einstellbar.
Der Hilfspol 30 wird von Anschlägen an dein Polstück i i und der aus nichtmagnetischem
Material bestehenden Brücke 21' gehalten, wie dies aus. Abb. 3 hervorgeht, welche
die Stellung des Flügels 3 1 bei dem Ausschlag Null zeigt. Der Pol
30 kann verschoben werden, so daß der Luftspalt zwischen seiner kurvenförmigen
Polfläche und dem Flügel 31 bei einer Drehung des Ankers geändert wird. Bei der
in Abb. 3 dargestellten Lage wird der Luftspalt bei sämtlichen Zeigerstellungen
ungefähr der gleiche bleiben. Wenn die Polstücke 30 so eingestellt werden,
daß das rückführende Moment, das zwischen dem Hilfspol 30 und der Fahne
3 1 erzeugt wird, konstant bleibt bei sämtlichen Ausschlägen des Instrumentes,
konstante Temperatur vorausgesetzt, so ist eine kompensierende Komponente vorhanden,
wie es die Kurve i der Abb. 2 erfordert, um die durch die Veränderung der Temperatur
der kalten Lötstelle bedingten Fehler zu kompensieren. Eine Änderung dieses rückführenden
Momentes, derart, daß es mit dem Ausschlag des Instrumentes zu- oder abnimmt, kann
durch Verschiebung des Polstückes 30 nach der einen oder anderen Richtung
erreicht werden. Das Hilfsdrehmoment zwischen dem Hilfspo13o und der Fahne 3 i ist
bestrebt, eine Nulleinstellung des Instrumentes herbeizuführen, und arbeitet also
in der gleichen Richtung wie das durch die Federn erzeugte Gegenmoment.
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Derjenige Teil des Flusses, welcher durch den Kompensationsnebenschlußkreis
fließt, durchsetzt nur eine Seite der Drehspule und setzt dadurch das resultierende
Ankerdrehmoment herab. Diese Herabsetzung des Drehmomentes ist proportional dem
abgeleiteten Fluß oder umgekehrt proportional der Temperatur. Hierdurch ergibt sich
eine kompensierende Komponente von der Art, wie sie erforderlich ist, um Änderungen
im Widerstand: der Spulenwicklung zu beseitigen und Fehler entsprechend der Kurve
2 der Abb. 2 zu kompensieren. Durch Einstellung der Lage des Polstückes
30 und Heben oder Senken der Drehspule kann eine Kompensation erzielt werden,
wie sie die Kurve 3 der Abb. 2 erfordert.
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Die Lage zwischen den einzelnen Teilen, wie sie in der Abbildung dargestellt
sind, ergibt eine ausreichende Korrektur für ein Instrument mit einer Wicklung aus
Kupfer innerhalb des oben angegebenen Temperaturbereiches. Der Zeigerausschlag beträgt
dabei ungefähr go° zwischen Null- und Vollausschlag. Die Kurve 4 der Abb. 2 stellt
die Genauigkeit eines entsprechend der Erfindung ausgerüsteten und bei 2o° C geeichten
Instrumentes bei einer Nacheichung mit -4o° C dar. Ohne die Kompensationseinrichtung
würde ein solches Instrument bei Nacheichung mit - 40°C Fehler entsprechend der
Kurve 3 besitzen.
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Das Instrument gemäß der Erfindung hat gegenüber einem Instrument,
welches nur für einen einzigen Skalenbereich kompensiert ist, den Vorteil, daß es
eine genaue Ablesung bei allen Skalenbereichen, die unter Umständen sehr voneinander
abweichen, ergibt. Z. B. können die Zylinderwandungen einer Maschine ein Thermoelement
32 erhalten für die Anzeige von Temperaturen bis etwa i5o° C, während der Zylinderkopf
mit einem anderen Thermoelement 33 ausgerüstet ist, das Temperaturen bis 35o° C
messen soll. Beide Thermoelemente können mit einem kompensierten Instrument durch
den Umschalter 34 verbunden werden, so däß eine genaue Anzeige in beiden Temperaturbereichen
möglich ist, d. h. mit anderen Worten, daß die Genauigkeit des Instrumentes nicht
auf eine bestimmte Temperatur der kalten oder der heißen Lötstelle beschränkt ist
und genaue Anr
gaben über den ganzen Skalenbereich bei allen Temperaturen
der Umgebung erhalten werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die besondere beschriebene und dargestellte
Ausführung beschränkt. Das Verfahren, um Temperaturen der kalten Lötstelle zu kompensieren.
durch temperaturabhängige Veränderung des Rückführdrehmomentes, kann auch für sich
allein Anwendung finden bei Instrumenten, die für Änderungen des Spulenwiderstandes
durch eine beliebige andere Anordnung kompensiert sind. Z. B. können die Änderungen
des Spulenwiderstandes durch Reihenschaltung eines Widerstandes mit entsprechendem
Widerstandskoeffizienten beseitigt sein. Das temperaturabhängige Hilfsmoment kann
auch dazu dienen, um die Änderungen der von den Federn herrührenden Gegenkraft bei
Temperaturschwankungen zu kompensieren. Die dargestellte Ausführung des Instrumentes
ist so abgeglichen, daß alle temperaturabhängigen Fehler kompensiert sind einschließlich
der durch die Federn hervorgerufenen Temperaturfehler.