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Schaltung zur elektrischen Entzerrung einer Skala
Es ist bekannt, die
Beziehung zwischen dem Hub eines Differenzmanometers und der durch ein Drosselorgan
durchtretenden Gas- oder Flüssigkeitsmengen mit elektrischen Mitteln zu entzerren.
Die Druckdifferenz ist bekanntlich dem Quadrat der Strömung proportional. Man radiziert
daher z. B. die auf einen Widerstand übertragene Bewegung eines Schwimmermanometers,
indem ein sogenannter Widerstandsfernsender verwendet wird, der eine Wicklung enthält,
deren Windungsabstände nach einer quadratischen Funktion derart bemessen sind, daß
eine geradlinige Beziehung zwischen dem abgegriffenen Teilwiderstand und der die
Abgriffsverschiebung verursachenden Gas- oder Flüssigkeitsströmung entsteht. Derartige
Widerstände sind sehr schwierig herzustellen und leiden auch an Ungenauigkeit in
dem Gebiet sehr geringer Strömungen, d. h. geringer Hübe des Manometerschwimmers;
entspricht doch einer Strömung von 10010 des maximal Erfaßbaren ein Hub von nur
1 01o des Maximalen.
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Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, mit Widerstandsfernsendern
von linearer Widerstandscharakteristik eine Linearisierung einer stark verzerrten,
z. B. quadratischen Charakteristik, vorzugsweise der von Differentialmanometern,
zu erreichen. An sich ist eine solche Entzerrung mit linearen Widerständen zwar
schon durchgeführt worden, doch ist dazu eine Widerstandsschaltung verwendet worden,
bei der die Summe aus dem abgegriffenen Teilwiderstand und dem an dem veränderlichen
Abgriff auftretenden Übergangswiderstand in die Anzeige eingeht. Diese Schaltung
beruht auf der Messung der Potentialdifferenz zwischen dem einen Ende des Widerstandsfernsenders
und seinem variablen Abgriff mittels eines Kreuzspul-
instrumentes.
Das Verhältnis des Summenstromes is zu dem Strom ig, der durch den zum variablen
Fernsender parallel liegenden, das Meßgerät enthaltenden Nebenschluß fließt, ist
nach dem Ohmschen Gesetz gleich Wz # + W9 Wr sein reziproker Wert ig Wz Wz Wz 4
W9 % wobei W9 den Widerstand des Galvanometers und lF'f den Widerstand des Teiles
des Fernsenders bedeutet, zu dem die Galvanometerspule parallel liegt,wie dies aus
Fig. I der Zeichnung hervorgeht. Man erhält je nach der Wahl des Galvanometerwiderstandes
W9 eine mehr oder minder gute Lösung der Aufgabe, die Aleßgröße zu radizieren (Fig.
2). Derartige Schaltungen sind jedoch praktisch nur dann möglich, wenn als Fernsender
ein sogenanntes Quecksilberringrohr benutzt wird, nicht jedoch bei Fernsendern,
die offene Kontakte an dem Schleifdraht aufweisen und die insbesondere wegen der
geringen zur Verfügung stehenden Drehmomente nur geringe Kontaktdrücke der Stromführungsfedern
besitzen dürfen und daher veränderliche Übergangswiderstände an ihnen aufweisen.
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Es ist fernerhin bekannt, daß bei allen Schaltungen, bei denen der
Potentiometerabgriff außerhalb der Verzweigung von Meßstrom- und Richtstrompfad
liegt, der Strom in der ablenkenden Spule eines Kreuzspulgerätes stets genau eine
lineare Funktion des Potentiometerabgriffes ist. Damit steigt bekanntlich auch der
Quotient streng linear mit dem Widerstandsabgriff, wenn der Richtstrom proportional
dem Gesamtstrom der Stromverzweigung gewählt wird. Eine derartige Schaltung ist
in Fig. 3 wiedergegeben. Man macht von ihr bei linearer Übertragung von Meßgrößen
mittels eines Fernsenders Gebrauch.
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Die Erfindung, zu deren Verwirklichung Quotienten messer und Widerstandsfernsender
dienen, vermeidet nun die oben gekennzeichneten Nachteile der bisher bekannten Einrichtungen
dadurch, daß der Widerstandsfernsender so geschaltet ist, daß ein Übergangswiderstand
am veränderlichen Abgriff das Verhältnis von Ablenk- und Richtstrom des Quotientenmeßgerätes
nicht beeinflußt und daß ferner die veränderlichen Teilwiderstände des Fernsenders
Meß- und Richtstrom in verschiedener Weise beeinflussen.
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Legt man also gemäß diesem Vorschlag die Richtspule des Kreuzspulmeßwerkes
in den Seitenzweig einer Brücke, dessen Widerstand sich mit zunehmendem Hub des
Manometers verringert, so wächst der Strom in der Richtspule proportional mit der
Widerstandsabnahme, jedoch im Gegensatz zum Diagonalstrom der Brücke von einem endlichen
Wert ausgehend.
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Bei einer solchen Schaltung, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, erhält
man demnach die in Fig. 5 wiedergegebene Funktion von ablenkendem Strom und Richtstrom
in Abhängigkeit vom Verdrehungswinkel des Fernsenders. Der Quotient stellt sich
als Funktion x von a + x dar, wobei x der Verdrehungswinkel des Fernsenders ist.
Es ergibt sich also, wie Fig. 5 zeigt. ein Kurvenverlauf für den Quotienten, der
näherungsweise der gewünschten Wurzelfunktion entspricht.
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Durch passende Bemessung der Brückenwiderstände läßt sich der Anfangsrichtstrom
im Verhältnis zum Richtstrom beim Endaussehlag beliebig wählen. Je kleiner dieses
Verhältnis ist, desto stärker gekrümmt ist der Verlauf der Kurve in dem Diagramm,
das das Verhältnis von Widerstandsveränderung zum Ausschlag des Kreuzspulmeßwertes
wiedergibt. Man ist hiermit also, wie ersichtlich, in die Lage versetzt, eine verhältnismäßig
starke Entzerrung des Anfangs der quadratischen Skala vorzunehmen. In Fig. 6 sind
einige Skalencharakteristiken wiedergegeben. Oben ist eine ideale geradlinige Skala
dargestellt; darunter eine gemäß der Erfindung entzerrte Skala, bei der der Punkt
20 ovo vom Endausschlag mit dem der geradlinigen Skala zusammenfällt; darunter Skalen,
bei denen dieser Punkt der Übereinstimmung bei 30, 40 und 50 ovo liegt; schließlich
zum Vergleich eine nicht entzerrte Skala mit quadratischer Abhängigkeit zwischen
Meßwert und Skalenwerten. In den Fällen, in denen eine möglichst völlige geradlinige
Beziehung zwischen der zu messenden Menge und dem Ausschlag gefordert wird, kann
man zwischen dem Antrieb, z. B. einem Differentialmanometer, und dem Widerstandsfernsender
noch eines der bekannten mechanischen Übertragungsmittel zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses,
z. B. eine Kurvenscheibe, setzen. Man erhält damit eine völlig geradlinige Skala,
insbesondere da es nach dem geschilderten Verfahren gelingt, im Anfangsbereich etwa
unterhalb 10 bis 20 °/0 der maximalen Strömung mittels der elektrischen Entzerrung
ohne den geringsten zusätzlichen Aufwand an Meßkräften eine derartig starke Übersetzung
zu erzielen, daß sie bei zusätzlicher mechanischer Entzerrung sonst auftretenden
Schwierigkeiten wegen mangelnden Drehmoments bzw. infolge unzulässiger Reibung nicht
auftreten. Diese zusätzliche Entzerrung der Skala bis zur vollständigen Geradlinigkeit
kann naturgemäß auch durch ungleichförmiges Wickeln des Fernsendewiderstandes erzielt
werden. Die Wirkungsabstände müssen sich dabei verhalten wie die in Fig. 6 gezeichneten
Abstände der einzelnen Skalenpunkte.
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Die nur an den beiden entzerrten Enden der Skala notwendige Übersetzung
des Zeigerausschlages kann auch leicht durch entsprechende Ausgestaltung des Polschuhes
des vorzugsweise als Kreuzspulinstrument ausgebildeten Meßwerkes erreicht werden.
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In ganz ähnlicher Weise kann man statt einer annähernden Radizierung
auch die Quadrierung einer Funktion auch dadurch erhalten, daß der Richtstromkreis
in den anderen durch den Potentiometerabgriff veränderlich gemachten Widerstandskreis
geschaltet wird, wodurch das Richtmoment mit zunehmendem Ausschlag des Primärinstrumentes
sinkt.
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Die Schaltung ist dann entsprechend der Fig. 4, nur muß mit zunehmender
Meßgröße der in Serie mit der Richtspule liegende Teil des Ferusendewiderstandes
sich vergrößern, d. h. die Richtung des gezeichneten Pfeiles sich umkehren, damit
der Richtstrom mit zunehmendem Meßwert von einem Anfangswert aus geradlinig abnimmt.
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Die Richtspule kann in beiden behandelten Fällen auch in einen der
gegenüberliegenden Brückenzweige geschaltet werden, ohne daß sich das Ergebnis grundsätzlich
ändert. An Stelle einer Brückenschaltung kann man auch Differenzschaltungen anwenden,
wie eine solche beispielsweise in Fig. 7 wiedergegeben ist.
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PATENTANSPRI CHE: 1. Schaltung zur elektrischen Entzerrung einer
Skala, insbesondere bei Mengenmeßgeräten, mittels Quotientenmessern und Widerstandsfernsendern
mit linear veränderlicher Widerstandscharakteristik, dadurch gekennzeichnet, daß
der Widerstandsfernsender so geschaltet ist, daß der Übergangswiderstand am veränderlichen
Abgriff das Verhältnis von Ablenk- und Richtstrom nicht beeinflußt, irnd damit ferner
die veränderlichen Teilwiderstände des Fernsenders Meß- und Richtstrom in verschiedener
Weise beeinflussen.