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Meßanordnung zur Anzeige der Abweichung des Istwertes von einem vorgegebenen
Sollwert bei Impulszählverfahren Es sind Meßanordnungen bekannt, bei welcher der
jeweilige Istwert mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen und der Unterschied
in einem Gerät angezeigt wird. Zu diesem Zweck werden mechanische oder elektrische
Differenzialeinrichtungen benutzt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer derartigen Anordnung
folgende Bedingungen zu erfüllen: Es muß eine elektrische Schaltung mittels herkömmlicher
Elemente sein, und außerdem soll eine direkte Anzeige in Prozenten, welche jedoch
nur innerhalb des Feinbereiches, beispielsweise 5°/0, erfolgt, so daß die gesamte
Skala des Anzeigeinstruments für diesen Bereich ausgenutzt werden kann. Schließlich
soll die Anordnung für jede Art von Meßgrößen geeignet sein, d. h. nicht nur für
kontinuierliche Werte, wie Strom, Spannung usw., sondern vor allem für durch Impulsreihen
ausgedrückte Meßwerte.
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Die vorstehend angegebenen Bedingungen werden gemäß der Erfindung
bei der Meßanordnung zur Anzeige der Abweichung des Istwerts von einem vorgegebenen
Sollwert bei Impulszählverfahren, insbesondere für Prüfeinrichtungen von Elektrizitãtszählern,
bei der zwischen das den Fehler anzeigende Instrument und den Meßwertgeber ein Impulszählgerät
geschaltet ist, dadurch erzielt, daß das Zählgerät das Anzeigeinstrument bei Beginn
der Messung mit einem festen Grundmeßwert, der ein Bruchteil des Sollwerts ist,
beaufschlagt und am Ende der Messung an das Anzeigeinstrument zusätzlich eine der
Differenz zwischen dem Istwert und Sollwert entsprechende Meßgröße liefert und daß
der Grundmeßwert die Mittelstellung des Ausschlagbereiches des Anzeigeinstruments
festlegt. Im Zuge der Vereinfachung in der Bedienung der Meßanordnung ist es vorteilhaft,
auf der Skala die dem Grundwert entsprechende Mittelstellung mit »Null« zu bezeichnen.
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Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung
in Anwendung auf eine Zählerprüfanordnung ist die Zählertriebscheibe 10 des Prüflings
mit einer Marke versehen, welche an einem Abtastkopf 11 vorbeiläuft und dabei einen
lichtelektrischen Impuls über den Verstärker 12 an die Meßanordnung sendet. Die
Zählertriebscheibe 20 des Normalzählers ist mit 500 Marken am Rand versehen, welche
am Abtastkopf 21 vorbeiziehen, durch welchen lichtelektrische Impulse erzeugt und
an den Verstärker 22 weitergegeben werden. Durch ein nicht dargestelltes Gerät wird
die Frequenz der gesendeten Impulse verdoppelt, so daß eine volle Umdrehung des
Normalzählers 1000 Impulse sendet.
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Für vorliegendes Ausführungsbeispiel wird ein Zählgerät verwendet,
welches mit elektronischen Zähldekaden ausgerüstet ist. Die Elemente (Bausteine)
einer derartigen Vorrichtung sind an sich in allen Einzelheiten bekannt. Eine genaue
Beschreibung dieser Bausteine und ihre verschiedenen funktionellen Anwendungen ist
aus dem Aufsatz »Transistoren in Zählschaltungen für industrielle Anwendung«, erschienen
in AEG-Mitteilungen, Jg. 50 (1960), Heft 1/2, zu entnehmen.
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Eine Zähldekade besteht aus bistabilen Kippstufen, welche ihrerseits
aus je zwei Transistoren vorzusweise Typ pnp - zusammengesetzt sind. Hat die Basis
eines Transistors gegenüber dem Emitter negatives Potential, dann ist der Transistor
leitend, d. h., wenn an den Emitter gegenüber dem Kollektor eine positive Spannung
gelegt wird, fließt durch den Transistor ein Strom. Umgekehrt, sowie die Basis gegenüber
dem Emitter ein auch nur schwach positives Potential aufweist, ist der Transistor
nichtleitend. In der bistabilen Kippstufe sind die beiden Transistoren so geschaltet,
daß - beim Anlegen einer Spannung an die Kippstufe - jeweils ein Transistor leitend
und ein Transistor nichtleitend ist.
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Obwohl die Schaltung symmetrisch aufgebaut ist, wird auf Grund kleiner
Unterschiede, die durch die Herstellungstoleranzen der Transistoren und Widerstände
bedingt sind, nach dem Einschalten der Betriebsspannung einer der beiden Transistoren
leitend, der andere sperrend, und zwar ist es unbestimmt, welcher leitend und welcher
sperrend wird.
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Soll daher in einer Meßschaltung ein Zustand der Kippstufe vorgegeben
werden, so wird zwischen die Basis und den Emitter des als »leitend« bestimmten
Transistors kurzzeitig ein entsprechendes Potential gelegt.
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In der Zeichnung sind die Zähldekaden mit 1 bis 4 bezeichnet. Eine
derartige Dekade besteht im allgemeinen aus vier bistabilen Kippstufen, die miteinander
so verbunden sind, daß die nachstehend beschriebene Wirkung erzielt wird. Sind sämtliche
vier Eingangstransistoren leitend und die vier Ausgangstransistoren nichtleitend,
dann entspricht die Dekade der Ziffer »Null«. Gibt man nun einen positiven Impuls
an den Eingang der Dekade, d. h. an die erste der vier Kippstuten, so wird der Eingangstransistor
nichtleitend und der Ausgangstransistor leitend. Die übrigen drei Kippstufen bleiben
unverändert. Dieser Zustand entspricht der Ziffer »Eins«.
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Der zweite an die Dekade gegebene Impuls stellt in der ersten Kippstufe
den ursprünglichen Zustand wieder her; der Ausgangstransistor gibt dabei den Impuls
an die zweite Kippstufe weiter, so daß sich deren Zustand so ändert wie der der
ersten Kippstufe durch den ersten Impuls. Der neue Zustand der Dekade entspricht
der Ziffer »Zwei«.
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In ähnlicher Weise werden durch die weiteren Impulse Änderungen hervorgerufen,
derart, daß die vier Kippstufen insgesamt zehn Variationen ihrer jeweiligen Zustände
repräsentieren. Nach dem zehnten Impuls ist wieder der Zustand »Null« hergestellt,
und die Dekade gibt einen Impuls an das nächste Element der Schaltung weiter, beispielsweise
an eine Dekade mit der nächsthöheren Zehnerpotenz.
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Eine Zählvorrichtung, welche aus den Zähldekaden 1 für die Einer,
2 für die Zehner, 3 für die Hunderter und 4 für die Tausender besteht, vermittelt
die Weitergabe des Zählergebnisses an das in Prozenten, beispielsweise t 5010, 0,
- 5010 geeichte Gerät 5. Ein den Meßvorgang einleitender Schalter 7 gibt nun den
Zähldekaden die Anfangsposition wie folgt: Die Position »0« auf die Zähldekadenl,
3 und 4; die Position »5« auf die Zähldekade 2, d. h. also. bei Beginn der Schaltung
erhält die Zählvorrichtung den Grundwert »50«. Der Schalter 7 bringt dadurch die
Dekaden 1, 3, 4 in die Nullstellung, daß er einen positiven Impuls an die Basen
der Ausgangstransistoren sämtlicher Kippstufen legt (sogenannte Voreinstellung).
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Um die Dekade 2 in die Position »5« zu führen, gibt der Schalter7
das positive Potential bei einer bekannten Dekadenschaltung an die Basen folgender
Transistoren: Kippstufe I, II und III an den Eingangstransistor.
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Kippstufe IV an den Ausgangstransistor.
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Diese der Zahl »5O« entsprechende Kombination des Zählgerätes veranlaßt
nun eine entsprechende Weitergabe dieses Wertes an das Anzeigegerät 5 (Anzeigeinstrument),
indem an dieses Gerät ein Strom von entsprechender Stärke geschickt wird.
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Hierzu dienen die bei 16 und 17 angedeuteten Anzeigewiderstände, welche
pro Einheit der Zählerstelle 10 Mikroampere senden. Jede der Gruppen 16 und 17 besteht
aus vier Widerständen, welche in allen Kippstufen jeweils an dem Kollektor des Ausgangstransistors
liegen. Wenn der Transistor leitend ist, hat sein Kollektor ein niedriges, wenn
er sperrend ist, ein hohes negatives Potential. Das
gleiche Potential wie am sperrenden
Kollektor wird an einem Spannungsteiler abgegriffen und an den anderen Pol des Instrumentes
gelegt. Sind also die Ausgangstransistoren aller vier Kippstufen einer Dekade sperrend
(»Null«-Kombination), dann liegt an beiden Enden sämtlicher vier Meßwiderstände
das gleiche Potential, und demgemäß fließt auch kein Strom zum Anzeigegerät.
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Ist nun entsprechend der Voreinstellung der Ausgangstransistor der
Kippstufe IV leitend, dann besteht zwischen seinem Kollektor und dem Pol des Anzeigegerätes
ein Potentialunterschied, so daß ein Strom durch dessen Spule fließt. Der an den
betreffenden Transistor gelegte Widerstand ist so bemessen, daß der Zeiger am Gerät
einen Winkelausschlag zurücklegt, der dem Wert »50« entspricht.
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Die Widerstände an den übrigen Kippstufen sind so abgestimmt, daß
für jede Zählkombination der ihr entsprechende Stromwert an das Gerät geschickt
wird (pro Einheit der Zählerstelle 10 Mikroampere).
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Die Impulse aus dem Normalzähler20 gelangen zum Zählgerät über ein
Tor 6, welches durch die vom Prüfling gesendeten Impulse gesteuert wird. Dieses
Tor 6 besteht zunächst aus einer Torsteuerstufe, welche als bistabile Kippstufe
ausgebildet ist; beide Basen derselben sind mit der die Torsteuerung bewirkenden
Gruppe 10, 11, 12 verbunden. An den Kollektor eines der Transistoren ist das eigentliche
Tor (im wesentlichen eine Diode) angeschlossen, welche zwischen der Impulsgabevorrichtung
20, 21, 22 und den Zähldekaden 1 bis 4 liegt.
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Ist der mit der Diode verbundene Transistor der Torsteuerstufe gesperrt,
dann gibt sein Kollektor eine hohe negative Spannung an die Diode ab, welche hierdurch
für die Zählimpulse vom Verstärker 22 sperrend wirkt. Kommt ein Torsteuerimpuls
vom Verstärker 12. dann wird die Kippstufe im Tor 6 gekippt, so daß der entsprechende
Transistor leitet und die von ihm an die Diode gelegte negative Spannung so weit
herabgesetzt wird, daß die Diode die Zählimpulse vom Verstärker 22 zur Zähldekade
1 weiterleitet. Entsprechend wird durch den nächsten Steuerimpuls vom Verstärker
12 durch Kippen der Steuerstufe in ihre vorige Lage der Durchgang der Zählimpulse
gesperrt.
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Es sind weiterhin zwei Signalvorrichtungen 30 und 40 vorgesehen,
äeren Aufgabe später erklärt werden soll. Zunächst wird an Hand der bisher beschriebenen
Teile die grundlegende Wirkungsweise der Erfindung erläutert.
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Die Prüfung geht bekanntlich so vor sich, daß eine Umdrehung des
Prüflings mit dem in der gleichen Zeit zurückgelegten Drehweg des Normals verglichen
wird, wobei durch Prüfling und Normal die gleiche Leistung hindurchgeht. Die Anordnung
ist daher so getroffen, daß beim Vorbeigang der Marke der Prüflingtriebscheibe 10
am Abtastkopf 11 dieser einen Impuls an das Tor 6 weitergibt, welches nunmehr die
von der Triebscheibe 20 des Normals gesendeten Impulse an die Zähldekaden weiterleitet.
Wie bereits gesagt, steht die Zählvorrichtung bei Beginn des Prüfvorganges auf »50«.
Das Fehleranzeigegerät 5 hat also einen Ausschlag, welcher der Zahl 50 entspricht,
d. h. 500 Mikroampere = 0,5 mA. Das mA-Meter 5 hat eine Skala, welche bei 0,5 mA
»Null« (Mittrlstellung) zeigt, bei 1 mA ist der volle Ausschlag nach rechts erreicht,
bei 0 mA steht der Zeiger in der linken Endlage.
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Es sei nun der einfache Fall angenommen, daß eine Umdrehung des Prüflings
einer Umdrehung des Normals entspricht, d. h. also, daß der Istwert der gesendeten
Impulse 1000 beträgt. Das Zählgerät zeigt also: Grundwert m Istwert = 1050.
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Da die Zähldekaden nur bis zum Wert 50 senden, d. h. also die tausender
Dekade nicht wirksam ist, fließt zum Instrument5 der Strom von 0,5 mA, welcher entsprechend
der Skala die Abweichung »Null« zeigt, wie es den Tatsachen entspricht.
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Läuft der Prüfling zu langsam, d. einer Prüflingsumdrehung entsprechen
z. B. 1049 Impulse. dann ist die Summe aus Istwert und Grundwert 1049 + 50 ~ 1099.
Wieder senden nur die Zähldekaden 1 und 2, d. h. also, das Instrument 5 erhält 0,99
mA, geht also auf einen Ausschlag, welcher mit 4,90!o geeicht ist. Der Messung entsprechend
bedeutet diese Anzeige +4,9()/0, es wird sich jedoch empfehlen, bei Zählerprüfanordnungen
die Skala mit 4,90!o zu eichen, damit der Zählerprüfer die tatsächliche Beschaffenheit
des Prüflings direkt abliest, welcher nämlich zu langsam läuft, also einen Minusfehler
aufweist.
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Läuft der Prüfling zu schnell, so daß er beispielsweise eine Umdrehung
macht, während das Normal 951 Impulse sendet, dann beträgt die Summe von Istwert
und Grundwert 951 < 50 = 1001, d. h., die Zähldekade sendet 0,01 mA an das Instrument
5.
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Der Ausschlag ist also fast in der äußersten Stellung und entspricht
einem Fehler von 4,9°/0. Der Fehler ist zwar negativ, die entsprechende Ablesung
wird aber. wie bereits erwähnt, entsprechend dem wahren Verhalten des Prüflings
mit f 4,9°/0 gewertet.
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Innerhalb der Grenze von 50/o kann nun der Zähiexprüfer der Feinbereich
genau überwachen, da das Instrument 5 tinreichend niedrige Werte (z. B. bei 100
Skalenteilen mit der Genauigkeit von 0,1 010) anzeigt. Es ist jetzt nur noch ein
Behelf erforderlich, um auch im Grobbereicln, d.ii. bei Fehlern von über + 5X/o
und unter 50 0 dem Zählerprüfer einen Anhalt zu geben. Dies geschieht durch die
Signalvorrichtungen 30 bzw. 40. Läuft also der Prüfling so schnell, daß während
einer Umdrehung der Triebscheibe 10 die gesendete Impulszahl 880 beträgt, dann beträgt
die Summe aus Istwert und Grundwert 930. Das Anzeigeinstrument zeigt 420/o an, und
diese Anzeige muß korrigiert werden. Dies geschieht durch die Signalvorrichtung
30, dieselbe besteht aus einem Und-Gatter 31, welches nur bei zwei Befehlen wirksam
wird, einem Verstärker 32 und einer Lampe 33. Das Und-Gatter 31 ist an das Tor 6
angeschlossen, dessen Befehl an dieses Gatter 31 bei Beendigung des Zählvorganges
(Schließen des Torf 6 durch den Prüfling) gegeben wird. Der zweite Befehl ist dauernd
vorbereitet, und zwar von der Zähldekade 4; der Befehl bedeutet: Schalten, solange
die Zähldekade nicht 1000 aufweist.
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Im vorliegenden Beispiel (Gesamtimpulszahl 930) hat die Zähldekade
4 ihren Befehl am Gatter 31 nicht aufgehoben, so daß also bei Beendigung der Zählung
das Und-Gatter 31 wirksam wird. Es gibt also einen Impuls an die Lampe 33 weiter,
welche folgende Bezeichnung erhält: »über 5°/0«. In ähnlicher Weise ist die aus
den Teilen 41, 42 und 43 zusammengesetzte Signalvorrichtung ausgeführt Die Lampe
43
hat die Bezeichnung »unter -50!o«. Das Und-Gatter 41 erhält zwei Befehle: Von
der Dekade 4 bei Erreichen der Zahl 1000, von der Dekade 3 bei sämtlichen Hunderterstellen
von 1 bis 9. Wenn also der Prüfling zu langsam läuft, beispielsweise für eine Umdrehung
1230 Impulse verbraucht, dann ist der gesendete Wert (Istwert + Grundwert) gleich
1280.
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Die Dekade 4 und die Zahl 2 der Hunderterdekade 3 senden also je einen
Befehl an das Und-Gatter 41, welches nunmehr die Lampe 43 aufleuchten läßt.
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Der Zählerprüfer wird also bei Aufleuchten einer der beiden Lampen
33 oder 43 jeweils eine Grobabgleichung vornehmen und erst bei Verlöschen dieser
Lampen den Feinabgleich unter Beobachtung des Anzeigegerätes 5 durchführen.