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Elektrischer Meßwertwandler zur Darstellung einer elektrischen Spannung
oder einer Funktion einer elektrischen Spannung durch einen elektrischen Strom Es
sind elektrodynamische Kraftkompensationssysteme, beispielsweise unter der Bezeichnung
» Stromwaage«, bekanntgeworden, bei denen mechanische Drehmomente oder in solche
umgewandelte Ströme an einem Waagebalken oder einem waageartig wirkenden Meßsystem
durch ein Gegendrehmoment kompensiert werden. Dabei wird ein minimaler, im Höchstfalle
nur Zehntelmillirneter betragender Waagebalkenausschlag von einem induktiven Geber
(Schwenkspulsvstem) erfühlt und in Form einer Spannung einem elektronischen Verstärker
zugeführt. Der Verstärker treibt nach Maßgabe dieser Spannung einen Strom durch
einen elektrodynamischen Kompensationskraftgeber, der wiederum auf den Waagebalken
wirkt und das Gegendrehmoment erzeugt. Der vom Verstärker erzeugte Strom entspricht
damit der eingegebenen Meßgröße, im allgemeinen also einer Kraft. Ein solcher Meßwertwandler
läßt sich indessen nicht mehr verwenden, wenn die zu wandelnde Meßgröße keine Kraft
ist oder sich nicht ohne weiteres in eine Kraft umwandeln läßt, da ja solche Meßwertwandler
gerade auf dem Prinzip der Israftkompensation beruhen. Das ist der Fall, wenn die
umzuwandelnde Meßgröße in Form einer Spannung, insbesondere einer schwachen Spannung,
vorliegt. Auch in diesem Fall will man sich nicht der Vorteile begeben, diefden
in der Meßtechnik allgemein angewendeten Kompensationsverfahren zukommen. Daher
werden im allgemeinen Spannungen durch Gegenspannungen kompensiert. Die Erfindung
macht von dieser zweiten Möglichkeit Gebrauch, wobei allerdings von der Stromwaage
her bekannte Bauelemente Verwendung finden.
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Es existieren Einrichtungen zur Darstellung von elektrischen Spannungen
durch elektrische Ströme, in denen der von einem elektrischen Verstärker gelieferte
darstellende Strom durch einen Widerstand fließt, in denen der Spannungsabfall an
diesem Widerstand der darzustellenden Spannung entgegengeschaltet wird und in denen
eine gewisse Differenz zwischen der darzustellenden Spannung und dem Spannungsabfall
an dem genannten Widerstand zur Steuerung des Verstärkers dient. Derartige Einrichtungen
arbeiten zufriedenstellend, wenn es sich um die Darstellung von Gleichspannungen
durch Gleichströme handelt. Sie arbeiten aber keinesfalls zufriedenstellend, wenn
effektive Wechselspannungen durch effektive Wechselströme dargestellt werden sollen.
Voraussetzung für zufriedenstellendes Arbeiten ist ja in solchen Fällen, daß der
darzustellenden Wechselspannung, welche eine bestimmte harmonische Zusammensetzung
hat, ein Spannungsabfall am Widerstand von der gleichen harmonischen Zusammensetzung
entgegengeschaltet wird. Damit diese Voraussetzung erfüllt ist, müssen Verstärker
mit linearer Charakteristik und den dar-
stellenden Strom nicht verzerrende Bürden
vorhanden sein; das sind aber Bedingungen, die im allgemeinen mit einfachem Aufwand
an technischen Mitteln nur unvollkommen erfüllbar sind.
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Zur Vermeidung dieses Nachteils wird daher erfindungsgemäß ein elektrischer
Meßwertwandler zur Umformung einer einen Meßwert darstellenden elelu trischen Spannung
oder einer Funktion dieser Spannung in einen dem Meßwert entsprechenden Strom, bei
dem ein vorzugsweise drehbar gelagertes Meßglied vorgesehen ist, das von dem dem
Meßwert entsprechenden, von einem Verstärker erzeugten Strom mittels eines elektrodynamischen
Kraftgebers verstellt wird, wobei die Verstellung einen den Verstärker beeinflussenden,
vorzugsweise induktiven Spannungsgeber beaufschlagt, vorgeschlagen, der sich dadurch
kennzeichnet, daß das Meßglied elastisch gefesselt ist und daß die Differenz von
umzuformender Spannung bzw. Funktion einer Spannung und vom Spannungsgeber erzeugter
Spannung dem Eingang des Verstärkers zugeführt ist.
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Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die der darzustellenden
Spannung entgegenzuschaltende Spannung unabhängig von der Art des darstellenden
Stromes ist, insbesondere auch unabhängig davon, ob dieser ein effektiver Wechselstrom
oder ein Gleichstrom ist; die Charakteristik des Verstärkers und die Art der vom
darstellenden Strom durchflossenen Bürde haben keinen Einfluß auf die Genauigkeit
der Darstellung. Vorteilhafterweise besteht, wenn effektive Wechselspannungen darzustellen
sind, die Möglichkeit, denlGeber für die der darzustellenden Spannung entgegenzuschaltende
Spannung so auszubilden, daß die von ihm abgegebenen Spannungen die gleiche
harmonische
Zusammensetzung wie die darzustellende Spannung haben. Insbesondere, wenn die darzustellende
Wechselspannung von einem induktiven Geber, welcher beispielsweise von irgendeinem
Meßwerk gesteuert sein kann, herrührt, kann ein ihm gleicher und aus dem gleichen
Versorgungsnetz betriebener induktiver Spannungsgeber am drehbar gelagerten Meßglied
vorgesehen sein.
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Es sei nun das in der Abbildung dargestellte spezielle Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben.
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Es ist 1 ein bei 2 drehbar gelagerter zweiarmiger Hebel (Meßglied).
Der eine Arm dieses Hebels trägt die im Bereich der Feldspulen 3 bewegliche Ankerspule
4 eine induktiven Spannungsgebers.
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Der andere Arm trägt die im Bereich der Feldspule 5 bewegliche Ankerspule
6 eines aus 5 und 6 bestehenden elektrodynamischen Kraftgebers. 7 ist ein elektronischer
Verstärker, 8 ein Gleichrichter in bekannter Graetz-Schaltung. Der Hebel ist durch
die Feder 9 elastisch an eine »Nullage«, in welcher in der Ankerspule des induktiven
Spannungsgebers keine Spannung induziert wird, gefesselt. 10 ist die am Hebel 11
befindliche Ankerspule eines weiteren induktiven Spannungsgebers, welche von dem
Differenzdruckmeßwerk 12 gesteuert wird. 13 ist ein den darstellenden Strom anzeigendes
und registrierendes Gerät, 14 ein weiteres, vom darstellenden Strom zu betreibendes
Gerät, beispielsweise ein Regler. Die SpulelO gibt die durch den Gleichstrom J darzustellende
Wechselspannung U ab. Die beiden durch die Ankerspulen 4 und 10 gekennzeichneten
induktiven Spannungsgeber sind als gleich und aus dem gleichen Versorgungsnetz betrieben
vorausgesetzt.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Beim Entstehen eines Differenzdruckes
lenkt das Differenzdruckmeßwerk 12 den Hebel 11 aus, so daß sich die Ankerspule
10 verschiebt und eine dem Differenzdruck proportionale Wechselspannung erzeugt,
die dem Verstärker 10 zugeführt wird. Dieser steuert nach Maßgabe der an seinem
Eingang liegenden Spannung einen Strom J aus, der die Ankerspule 6 und die FePdispuleS
des elektrodynamischen Kraftgebers durchfließt. Das Meßglied, d. h. also der zweiarmige
Hebel 1, wird dadurch entgegen der Kraft der Feder 9 ausgelenkt, von der bei diesem
Ausführungsbeispiel angenommen sei, daß sie eine lineare Federcharakteristik besitzt.
Zum Unterschied gegenüber den kraftkompensierten Systemen (»Stromwaagen«), bei denen
der Hebel 1 durch Meßkraft undKompensationskraft ausbalanciertwird, läuft hier der
Hebel gcgen die Kraft der Feder 9 an.
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Dadurch findet eine Auslenkung des Hebels 1 statt, wodurch in der
Ankerspule 4 des induktiven Spannungsgebers 3, 4 eine der Auslenkung proportionale
Wechselspannung induziert wird, die der umzuformenden, von der Ankerspule 10 gelieferten
Spannung entgegengeschaltet wird. Am Eingang des Verstärkers 7 liegt daher die Differenz
der beiden Spannungen, die von den Ankerspulen 4 und 10 erzeugt sind, und nach Maßgabe
dieser Differenz steuert er den Strom J. Dieser wächst so lange an, bis durch seine
Kraftwirkung und dadurch hervorgerufene Auslenkung des Hebels 1 sich beide Spannungen
nahezu gegenseitig aufheben und das System im Gleichgewicht ist. Es ist einleuchtend,
daß dieser Abgleich kein vollständiger sein kann, da sonst am Verstärkereingang
die Differenzspannung Null liegen und kein Strom mehr vom Verstärker abgegeben werden
würde.
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Man muß daher einen Verstärker mit einem sehr hohen Verstärkungsgrad
benutzen, der bereits bei kleinenDifferenzspannungen starke Ströme aussteuert.
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Dann werden in dem oben beschriebenen Gleichgewichtszustand die beiden
von den Ankerspulen 4 und 10 erzeugten Spannungen nahezu gleich sein. Eine einfache
Betrachtung zeigt, daß der ausgesteuerte Strom J proportional dem Durchfluß ist,
der durch das Differenzdrucltmeßwerk 12 erfühlt wird; denn die Auslenkung der Ankerspule
10 und damit die durch diese erzeugte Spannung ist proportional dem Differenzdruck.
Daher ist im Gleichgewichtsfalle und bei genügend hohem Verstärkungsgrad die durch
die Ankerspule 4 erzeugte Spannung und damit deren Auslenkung proportional dem Differenzdruck.
Es ist also die Auslenkung des Hebels 1 proportional dem Differenzdruck. Dabei ist
zu bemerken, daß das gleiche auch gilt, wenn die von den Ankerspulen erzeugten Spannungen
nicht proportional ihren Auslenkungen sind, sofern sie gleichartig aufgebaut sind,
d. h. gleichartige Charakteristiken haben. Dann heben sich die entstehenden Fehler
heraus.
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Da nun die Charakteristik der Feder als linear vorausgesetzt wurde,
so ist die Auslenkung des Hebels 1 proportional der wirkenden Kraft und somit wegen
der Ausbildung des elektrodynamischen Kraftgebers proportional dem Qudrat des Stromes
J. Folglich ist der Differenzdruck diesem Quadrat proportional, und deshalb ist
nach den bekannten Gesetzen, die dem Differenzdruckmeßverfahren zugrunde liegen,
der Strom J proportional dem Durchfluß. Dieser Strom.T fließt durch das den Durchfluß
registrierende Gerät 13 und das Gerät bzw. den Regler 14.
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Die Erfindung ist nicht auf den beschriebenen Anwendungsfall beschränkt,
sondern kann mancherlei Abänderungen erfahren. So ist ihre Anwendung nicht auf den
Fall der Durchflußmessung beschränkt. Die umzuwandelnde Spannung braucht auch nicht
über eine mechanische Verschiebung erzeugt zu sein und nicht notwendig durch einen
induktiven Spannungsgeber, wie er durch die Ankerspule 10 bezeichnet ist.
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Die Umwandlungscharakteristik kann ferner beliebig angepaßt werden,
indem beispielsweise die Charakteristik des das Meßglied elastisch fesselnden Gliedes
geeignet gewählt wird, und bzw. oder dadurch, daß der elektrodynamisclie Kraftgeber
in geeigneterWeise ausgebildet wird. So wird man im Fall einer linearen Meßwertwandlung
einen aus einer Spule und einem Permanentmagneten bestehenden elektrodynamischen
Kraftgeber benutzen.
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Man kann natürlich auch die Feldspule 5 oder Teilwicklungen derselben
durch besonderen Größen folgende Ströme erregen und damit J als Funktion nicht nur
von U allein, sondern als Funktion von U und weiteren Größen steuern.
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Im Ausführungsbeispiel wird J als Gleichstrom gewonnen. Unterläßt
man die Gleichrichtung des vom Verstärker gelieferten Stromes, so wird J alsWechselstrom
gewonnen.
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Wird der induktive Spannungsgeber der Einrichtung 3, 4 durch einen
Gleichspannungsgeber und die Kombination aus Verstärker 7 und Gleichrichtung 8 durch
einen Gleichspannungsverstärker ersetzt, so können Gleichspannungen oder Funktionen
derselben durch Gleichströme dargestellt werden. Für den gleichen Zweck kann man
sich aber auch der im Ausführungsbeispiel vorhandenen Kombination des Wechselspannungsverstärkers
7 mit dem nachgeschalteten Gleichrichter8 bedienen, wenn man dem Verstärkereingang
einen Zerhacker vorschaltet.
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Schließlich sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht notwendigerweise
an die drehbare Lagerung des Meßgliedes (wie im Ausführungsbeispiel an
die
drehbare Lagerung des Hebels 1) gebunden ist. So wäre es z. B. auch denkbar, das
Meßglied translatorisch durch den Kraftgeber gegen eine Federkraft zu bewegen und
die Translation durch den induktiven Spannungsgeber zu erfühlen.
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PATENTSHOCHE: 1. Elektrischer Meßwertwandler zur Umformung einer
einen Meßwert darstellenden elektrischen Spannung oder einer Funktion dieser Spannung
in einen dem Meßwert entsprechenden Strom, bei dem ein vorzugsweise drehbar gelagertes
Meßglied vorgesehen ist, das von dem dem Meßwert entsprechenden, von einem Verstärker
erzeugten Strom mittels eines elektrodynamischen Kraftgebers verstellt wird, wobei
die Verstellung einen den Verstärker beeinflussenden, vorzugsweise induktiven Spannungsgeber
beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßglied (1) elastisch gefesselt ist
und daß die Differenz von umzuformender Spannung bzw. Funktion einer Spannung und
vom Spannungsgeber (3> 4) erzeugter Spannung dem Eingang des Verstärkers (7)
zugeführt ist.