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Schaltungsanordnung für Meßgeräte mit Auslenkorganen zur Überwachung
eines oder mehrerer Grenzwerte An anzeigende Meßinstrumente wird in vielen Fällen
noch eine zusätzliche Aufgabe gestellt, die darin besteht, daß der Zeiger bei Passieren
eines oder mehrerer Skalenpunkte oder bei Überschreiten des Toleranzbereiches einen
Melde-, Steuer- oder Regelvorgang auslöst. Die Brauchbarkeit solcher Geräte hängt
davon ab, in welchem Maße die Forderungen nach Gleichzeitigkeit und vernachlässigbarer
Rückwirkung eingehalten werden können. Bei Anordnungen, bei welchen der Zeiger am
Signalpunkt der Skala einfach eine Kontaktvorrichtung betätigt, ist Gleichzeitigkeit
erreicht. Eine Rückwirkung auf den Zeiger läßt sich jedoch nicht vermeiden. Bei
einer anderen verwirklichten Bauform ist dem Meßgerät ein Regelrelais parallel geschaltet.
Die Gleichzeitigkeit ist hier nicht gewährleistet, während die Rückwirkung nicht
ins Gewicht fällt. Zur Lösung der Aufgabe unter Einhaltung dieser beiden Forderungen
bieten sich Grenzwertmelder nach dem induktiven, kapazitiven oder fotoelektrischen
Prinzip an. Vielfach tritt noch eine weitere Forderung hinzu: Die Signalgabe soll
von der Bewegungsrichtung der Zeiger abhängig sein. Sobald der Zeiger den Meldepunkt
überschreitet, soll demnach das Signal ausgelöst werden und so lange bestehen bleiben,
bis der Zeiger mit rückläufiger Tendenz in den Normalbereich der Skala gewandert
ist. Den Skalenbereichen des Instrumentes, Signalbereich und Normalbereich, müssen
dabei eindeutige Relais stellungen zugeordnet sein. Es sind Ausführungen dieser
Art bekanntgeworden, von denen eine auf dem induktiven, eine andere auf dem fotoelektrischen
Prinzip beruht. Bei beiden Geräten ist dabei eine bistabile Kippschaltung vorgesehen,
die bei Eintritt des Zeigers in den Signalbereich der Skala kippt und bei Austritt
wieder in Normalkippstellung kommt.
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Bei bistabilen Kippschaltungen kann ein Umkippen von einem in den
anderen Betriebszustand durch verschiedene Maßnahmen erfolgen. Die Ansteuerung des
bistabilen Elementes kann von zwei Seiten her durch positive oder negative Impulse
geschehen. Andererseits können auch Impulse entgegengesetzter Polarität von nur
einer Seite zugeführt werden. Bei einem bekannten Gerät dieser Art, das nach dem
induktiven Prinzip arbeitet, wird die Kippschaltung von zwei Seiten durch Impulse
gleicher Polarität angesteuert. Zur Impulserzeugung wird auf jeder Seite ein Hochfrequenzoszillator
mit induktiver Rückkopplung verwendet. Jeden Impulserzeuger sind also zwei induktiv
gekoppelte Spulen zugeordnet, die sich derart gegenüberstehen, daß ein am Zeiger
angeordnetes Abschirmblech bei Überschreiten eines Skalen-
bereiches zwischen ihnen
hindurchtritt. Am Ausgang der Oszillatoren entsteht im Normalbetriebszustand durch
Verwendung eines Gleichrichters eine Gleichspannungsgröße, welche bei Abschirmung
der Rückkopplung verschwindet. Die Baugröße, die bei diesen Geräten von grundlegender
Bedeutung ist, wird durch Anwendung von Transistoren als Bauelement klein gehalten.
Eine Grenzmarke besteht aus zwei Spulenpaaren, die nebeneinander angeordnet sind.
Das Abschirmblech durchwandert in zeitlicher Folge beide Spulenpaare. Bewegt sich
der Zeiger beispielsweise vom Normalbereich in den Signalbereich, so bewirkt normalerweise
das zweite Spulenpaar das Kippen der Schaltung. Bei Rückkehr des Zeigers in den
Normalbereich ist es wiederum das zuletzt durchlaufene Spulenpaar, welches die Schaltung
kippen läßt. Bei Inbetriebnahme des Gerätes kann es vorkommen, daß der Kippzustand
der Schaltung nicht eindeutig definiert ist, z.B. ist es denkbar, daß die Kipplage
im Normalbereich der Skala so beschaffen ist, wie sie dem Signalbereich entsprechen
würde. In diesem Falle genügt ein einmaliges Überfahren der Grenzmarke, um den richtigen
Kippzustand herzustellen.
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Beide Spulenpaare bewirken hierbei ein zweifaches Kippen. Dadurch
wird erreicht, daß der Schaltzustand des bistabilen Elementes den Bereichen der
Skala eindeutig zugeordnet ist.
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Diese Ausführungsform weist verschiedene Nachteile auf: die Einstellung
der Grenzmarke am Skalenumfang ist durch die Einbaugröße der beiden nebeneinander
angeordneten Spulenpaare begrenzt. Ein Toleranzbereich kann hierbei nicht beliebig
klein eingestellt
werden. Die beiden Grenzmarken können einander
nur so nahe gebracht werden, bis sich die Spulenanordnungen berühren. Das Umkippen
in die Signallage erfolgt außerdem an einem anderen Skalenpunkt, wie das Zurückkippen
der Schaltung. Als weitere nachteilige Eigenschaft tritt noch der beträchtliche
Aufwand hinzu. Soll beispielsweise ein Toleranzbereich erfaßt werden, so sind zwei
Grenzmarken mit zusammen vier Oszillatoren erforderlich.
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Bei einem anderen bekannten Gerät ist eine Relaiskippschaltung vorgesehen,
die aus zwei getrennten Schaltzweigen besteht. Der Anstoß zum Kippen wird hier durch
zwei Fotowiderstände gegeben, die an der Grenzmarke der Skala nacheinander mittels
eines Abdeckbleches von einer Lichtquelle abgeschirmt werden. Dieses Abdeckblech
ist am Zeiger des Gerätes angeordnet und folgt dessen Bewegungen. Ein Schaltzweig
ist so aufgebaut, daß die Basis eines Transistors über einen Kontakt an dem Abgriff
eines Spannungsteilers liegt. Der Spannungsteiler besteht aus einem Fotowiderstand,
der an negativem Potential liegt, und einem weiteren Widerstand, der an positives
Potential angeschlossen ist. Der Emitter des Transistors liegt an Nullpotential.
Eine Klemme eines Relais ist am Kollektor des Transistors angeschlossen, während
die andere Klemme an negativem Potential liegt. Das Relais in diesem Schaltzweig
betätigt einen Ruhekontakt, der im Kollektorkreis des im übrigen analog aufgebauten
anderen Zweiges liegt. Die beiden Relais schalten also jeweils im anderen Schaltzweig
einen Ruhekontakt, von welchen der eine an der Basis, der andere am Kollektor der
Transistoren liegt. Ist die Schaltung auf eine Seite gekippt, so ist ein Ruhekontakt,
beispielsweise der im Kollektorkreis angeordnete Kontakt, in einen Zweig abgefallen,
da das Relais im anderen Zweig angezogen hat. Wird der Fotowiderstand dieses Zweiges
abgedeckt, so ändert sich an der Kipplage nichts. Beim darauffolgenden Abdecken
des Fotowiderstandes im anderen Zweig erhöht sich dessen Widerstandswert. Der an
der Basis liegende Ruhekontakt ist hier geschlossen. Der Transistor im zweiten Zweig
sperrt, da das Basispotential ins Positive verschoben wird. Das Relais fällt ab.
Im ersten Zweig ist nun der Fotowiderstand wieder beleuchtet. Die Basis des Transistors
liegt an negativem Potential, sobald das Relais im zweiten Zweig abgefallen ist
und im Zusammenhang damit der Ruhekontakt im letzten Zweig geschlossen hat.
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Bei diesem Gerät sind zwar der Aufwand und die Baugröße geringfügig,
jedoch haften ihm Unzuverlässigkeit und geringe Lebensdauer an. Die Basis des Transistors
in dem einen Zweig wird sprungartig an negatives Potential geschaltet, was eine
wesentliche Überbeanspruchung bedeutet. Bei großer Meßgeschwindigkeit kann es bei
dieser Schaltung außerdem vorkommen, daß die Relais nicht ansprechen.
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Bekanntgeworden sind ferner lichtelektrische Steuervorrichtungen,
bei denen durch das Anzeigemittel Schaltvorgänge einleitbar sind. Dabei werden die
von abgedeckten Fototransistoren verursachten Schaltzustände einer Kippspannungsschaltung
zur Steuerung wie folgt ausgenutzt: Ein verbreiterter Meßinstrumentenanzeiger schützt
im Signalfalle einen hinter ihm angebrachten Fototransistor vor Belichtung, in dem
übrigen Meßbereich ist das lichtempfindliche Bauteil dem Lichteinfall ausgesetzt.
Je nach seinem Belichtungzustand bewirkt der Fototransistor ein Leiten oder Sperren
des ihm
nachgeschalteten normalen Transistors, in dessen Kollektorleitung ein Relais
angeordnet ist. Die Relaiskontakte führen den eigentlichen Schaltvorgang durch.
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Die Schaltung wirkt also monostabil, d.h., in dem durch Belichtung
des Fototransistors gekennzeichneten Ruhezustand ist das Relais abgefallen.
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In einer ähnlichen bekannten Anordnung wird an Stelle der Fototransistoren
ein Fotowiderstand und zum Schalten des Relais ein Thyratron verwendet.
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Bei Belichtung ist der Fotowiderstand niederohmig.
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Das Gitterpotential des Thyratrons bewegt sich demzufolge bei der
angewendeten Wechselspannungsspeisung gleichphasig mit dem Anodenpotential. Das
leitende Thyratron läßt in diesem Fall das Relais anziehen. Der unbelichtete Fotowiderstand
verursacht durch seine Hochomigkeit einen gegenphasigen Potentialverlauf an Gitter
und Anode des Thyratrons, das damit gelöscht ist und das Relais im abgefallenen
Zustand beläßt. Der Charakter auch dieser Schaltung ist monostabil.
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Bei beiden Schaltungen kann es sich als nachteilig erweisen, daß
die Unterteilung »Arbeitsbereich -Ruhebereicha von der räumlichen Ausdehnung des
lichtabdeckenden Körpers abhängt. Die Abdeckung über dem lichtempfindlichen Steuerelement
müßte denselben Winkel überstreichen wie der Zeiger auf dem den Ruhezustand kennzeichnenden
Skalenteil; sie wird also für ein Gerät mit einstellbarem Grenzwert dem Skalenbogen
entsprechen.
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Eine weitere bekannte Schaltung benutzt zwei lichtgesteuerte, bistabile
Multivibratoren, die durch ihre Zusammenschaltung Impulse abgeben, deren Frequenz
ein Maß für die Drehzahl einer Welle ist und deren Polarität von der Drehrichtung
dieser Welle abhängt. Die Steuerung der in den Multivibratoren verwendeten Fototransistoren
erfolgt durch einen von einer Lochscheibe beeinflußten Lichtstrahl.
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Von den übrigen erwähnten Einrichtungen unterscheidet sich die letztere
dadurch, daß hier bei jedem durch ein Loch verursachten Lichtimpuls ein in seinem
Vorzeichen von der Bewegungsrichtung abhängiger elektrischer Impuls abgegeben wird.
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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für Meßgeräte mit
Auslenkorganen zur Überwachung eines oder mehrerer Grenzwerte in Verbinung mit einer
bistabilen Kippschaltung, die bei Durchgang eines am Auslenkorgan angeordneten Fähnchens
durch nacheinander beeinflußte Steuerelemente ausgesteuert wird. Die Erfindung besteht
darin, daß in an sich bekannter Weise eine elektronisch arbeitende bistabile Kippschaltung
in Form eines bistabile Multivibrators angeordnet ist und daß ferner in an sich
bekannter Weise als Steuerelemente im Schaltkreis dienende Fotowiderstände je einzeln
in den Rückkopplungszweigen der Kippschaltung liegen.
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Die Wirkungsweise der Erfindung ist an einem Ausführungsbeispiel,
das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Schaltelemente mit gleichem
Index, die aber zur Kennzeichnung ihrer Anordnung in der Schaltung mit einem Strich
versehen sind, sind gleichdimensioniert. In Fig. 1 ist der schematische Aufbau des
bistabilen Multivibrators dargestellt; in Fig. 2 sind sämtliche Schaltteile der
Anordnung wiedergegeben.
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In Fig. 1 sind lediglich diejenigen Schaltelemente eines bistabilen
Multivibrators berücksichtigt, die zur Erläuterung der Wirkungsweise von Bedeutung
sind.
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Die Kippschaltung gemäß Fig. 1 ist aus der Röhrentechnik
bekannt.
Als neuartiges Bauelement kommen jedoch zwei Fotowiderstände P1 und P2 hinzu, die
als Rückkopplungswiderstände dienen. Mit R1 und R1' sind zwei Kollektorwiderstände
bezeichnet, die bei dieser symmetrischen Schaltung die gleichen Kennwerte haben.
Mit T1 und T2 sind zwei in Emitterschaltung geschaltete Transistoren angedeutet.
Die an zwei Klemmen a und b liegende Spannung ist so gerichtet, daß die Emitter
der Transistoren an positivem Potential liegen, während die Kollektorwiderstände
an negatives Potential angeschlossen sind. Zwei Abdeckbleche A1 und A2 unterbrechen
in zeitlicher Folge die von einer Glühlampe G auf die Fotowiderstände fallende Belichtung.
Diese Abdeckbleche At und Ai, sind an einem nicht dargestellten Zeiger des Meßinstrumentes
angeordnet.
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Zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltungsanordnung wird zunächst
angenommen, daß beide Abdeckbleche A1 und A2 sich außerhalb des Bereiches beider
Fotowiderstände P1 und P2 befinden und der Transistor T1 leitend ist. Die beiden
Fotowiderstände P1 und P2 sollen in der Reihenfolge P1, P2 abgedeckt werden. Die
Vergrößerung des Wertes des Fotowiderstandes,, welcher zuerst unbelichtet wird,
ändert nichts am Zustand der Schaltung. Bei der folgenden Abdeckung des Fotowiderstandes
P2 wird das Basispotential des Transistors T1 ins Positive verschoben, so daß dieser
sperrt. Da am Widerstand Rt nun keine Spannung mehr abfällt, ist die Basis des Transistors
T2 über den neuerlich belichteten Fotowiderstand P1 negativ vorgespannt. Er wird
leitend. Die Schaltung kippt. Wird in umgekehrter Reihenfolge zuerst P und darauf
P1 abgedeckt, so wird dementsprechend wieder der Transistor T1 leitend.
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In der Gesamtschaltung gemäß Fig. 2 wird der den Kippzustand der
Schaltung charakterisierende Spannungsabfall an R1' über einen Transistor T3 verstärkt.
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Am Kollektor des Transitors T3 ist ein Relais B angeschlossen, welches
einen Ruhekontakt b1 steuert.
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Der Kontakt bt überbrückt einen Widerstand R8. Dieser Widerstand begrenzt
den Relaisstrom bei angezogenem Relais B auf den Haltestrom. Zwei Widerstände R5
und R5, bezwecken die Anpassung des Multivibrators an die Verstärkerstufe. Zwei
Widerstände R6 und R7 bilden gemeinsam mit dem Widerstand R,' eine Kombination zur
Temperaturkompensation des Kollektorreststromes des Transistors T3. Als Uberlastungsschutz
für die Fotowiderstände dienen zwei Widerstände R.n und R2,. Die Temperaturkompensation
der Transistoren T1 und T2 wird durch dieWiderstände P1, P2, R2, R2, und drei weiteren
Widerständen R3, R3, und R4 erreicht.
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Die Wirkungsweise des Multivibrators wurde oben eingehend erläutert.
Das Relais B spricht an, wenn an R1, kein Spannungsabfall auftritt, weil dann die
Basis
des Transistors T3 an negativem Potential liegt.
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Ist jedoch in der anderen stabilen Lage des Multivibrators der Widerstand
R1, von Strom durchflossen, so fällt das Relais ab. Die Spannung, die am Widerstands1,
abfällt, bestimmt demnach die Stellung des Relais B. Um die Signalgabe, die durch
das Relais B über nicht dargestellte weitere Steuerkontakte erfolgt, variieren zu
können, sind diese Steuerkontakte als Umschalter vorgesehen. Die Schaltung ist so
für einen oberen oder unteren Skalengrenzwert geeignet. Bauliche Veränderungen sind
dabei nicht erforderlich.
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Die beiden Fotowiderstände liegen sich gegenüber, so daß auf der Skala
die Grenzmarke nur eine geringe Breite beansprucht. Die Zuordnung der Signalgabe
zum Skalenbereich ist mit geringem Aufwand eindeutig bestimmt. Die Einbaugröße der
gesamten Anordnung ist unbedeutend.