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Verfahren und Gerät zum Messen eines Drehmomentes Die Erfindung betrifft
ein Verfahren und ein Gerät zum Messen eines einer umlaufenden, mit einer magnetischen
Hülse versehenen Welle mitgeteilten Drehmomentes.
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Vorrichtungen zum Messen von Drehmomenten in umlaufenden Wellen,
die mit zwei oder mehr Magnetkernen umgeben sind, sind bekannt. Ein Gerät, bei dem
die beiden Magnetkerne in zur Wellenachse senkrechten Ebenen nebeneinander in der
Richtung der Wellenachse liegen und um einen halben Polschritt in der azimutalen
Richtung der Welle gegenseitig versetzt sind, eignet sich zum Messen von Torsionsbeanspruchung
in Stahlwellen, die beispielsweise zum Antrieb von Schiffsschrauben verwendet werden.
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Einer der Kerne ist mit einer Erreger- oder Primärwicklung versehen,
die mit einer Wechselstromquelle verbunden ist. Der andere Kern oder die Kerne sind
mit Meß- oder Sekundärwicklungen versehen, die mit einem elektrischen Meßgerät verbunden
sind. Die Sekundärwicklung ist in bezug auf die Primärwicklung in einem Winkel von
450 angeordnet, so daß dann, wenn die Magnetwelle nicht geladen ist, die Magnetfelder
zwischen den verschiedenen Polen symmetrisch sind, derart, daß Nulläquipotentiallinien
symmetrisch unter dem Sekundärpol liegen. Wenn jedoch der Welle ein Drehmoment mitgeteilt
wird, steigt die Permeabilität der Welle in Richtung des Zuges, während sie in Richtung
der Kompression sinkt. Die dabei auftretenden Kraftströme tragen dazu bei, eine
Ausgangsspannung in die Sekundärwicklung zu induzieren. Ein Messen mit diesem Gerät
ist dort möglich, wo die magnetischen Eigenschaften der Welle ausreichend sind,
um eine genügende Permeabilitätsanzeige hervorzuruf en. Bei anderen schnelllaufenden
Wellen, beispielsweise Flugzeugpropellerwellen, sind die benötigten magnetischen
Eigenschaften mit den Arbeitscharakteristiken der Welle unvereinbar und widersprechend.
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Um einer Welle, die selbst nicht die entsprechenden magnetischen
Eigenschaften aufweist, solche magnetischen Kräfte zu verleihen, ist bereits vorgeschlagen
worden, als Torsionsteil Hülsen um die Wellen anzuordnen. Der an der lasttragenden
Welle befestigten Hülse wird eine der Torsionslast proportionale Torsionsspannung
mitgeteilt. Der nichtdrehende Kern- und Spulenteil des Meßgerätes nimmt dann eher
solche Änderungen in der Permeabilität wahr, die von den Torsionsspannungen in der
drehenden Hülse herrühren, als solche in der drehenden Welle.
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Daher kann für die Welle ein solches Material gewählt werden, das
ihr optimale Eigenschaften, wie beispielsweise Festigkeit und Härte, verleiht. Gleichzeitig
können die Eigenschaften der Hülse so ausgesucht werden, daß die Änderung im Widerstand
mit der Belastung optimiert wird und die Temperatur-, Hysterese- und die Wirbelstromeffekte
auf ein Mindestmaß zurückgeführt werden.
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Aber auch bei dieser Anordnung bereiten die Messungen mit den bekannten
Meßverfahren und den bekannten Drehmometmeßgeräten häufig Schwierigkeiten, und zwar
insbesondere bei Luftfahrtbedingungen, also in der Flugzeugindustrie.
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Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren und ein hierfür geeignetes
lineares und genaueres Meßgerät zum Messen eines einer umlaufenden Welle mitgeteilten
Drehmomentes zu schaffen, das sich insbesondere für schnellaufende Wellen und unter
Luftfahrtbedingungen eignet.
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Gegenstand der Erfindung ist zunächst ein Verfahren zum Messen eines
einer umlaufenden mit einer magnetischen Hülse versehenen Welle mitgeteilten Drehmomentes,
wobei ein Meßgerät, bestehend aus primären und sekundären Windungen, verwendet wird
und das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein vorbestimmtes Drehmoment auf die Welle
und die Hülse aufgebracht und dabei die Permeabilität der Hülse durch die durch
das statische Drehmoment hervorgerufene zurückbleibende Verformung geändert wird,
und daß der in den Sekundärwicklungen
als Funktion der Permeabilität
der Hülse erzeugte Strom gemessen wird.
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Zweckmäßigerweise wird ein größeres statisches Drehmoment als das
normale zu messende Maximum des Drehmomentes aufgebracht.
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Ein zur Durchführung dieses Verfahrens geeignetes Drehmomentmeßgerät
besteht aus primären und sekundären Wicklungen, von denen jede angrenzend an einen
Abschnitt der Welle angeordnet ist, wobei die sekundäre Wicklung von der primären
Wicklung in einem Abstand von 450 in bezug auf die Welle liegt, die primären und
sekundären Wicklungen gegenüber der Welle stationär sind, die Primärwicklung durch
Wechselstrom gespeist wird und das Strommeßgerät parallel zur Sekundärwicklung geschaltet
ist, die Welle mit einer Hülse versehen ist, deren Enden an der Welle befestigt
sind und das Material der Hülse eine solche Zusammensetzung aufweist, daß die Permeabilität
dieser Hülse als eine Funktion der durch das zu messende Drehmoment auftretenden
Torsionsspannung verändert wird, und es ist dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung
eine Vielzahl von Primärspulen aufweist, die um den Umfang der Hülse im Abstand
voneinander angeordnet sind, und daß für jede Primärspule ein erstes Paar und ein
zweites Paar Sekundärspulen vorgesehen ist, wobei die ersten Paare der Sekundärspulen
in Reihe geschaltet und die zweiten Paare der Sekundärspule in Reihe geschaltet
sind.
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Durch die Anordnung einer größeren Anzahl von Spulen werden Unregelmäßigkeiten
im Luftspalt ausgeglichen, wodurch das Gerät linearer und sehr genau wird.
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Es wurde ferner gefunden, daß statische Anwendung von Drehkraft auf
die magnetostriktive Hülse, die größer ist als der höchste zu messende Wert, die
P ermeabilitätscharakteristiken der Hülse regelt, derart, daß die Eichempfindlichkeit
des Gerätes bleibend erhöht wird, während sie die Beziehung zwischen dem aufgebrachten
Drehmoment und dem elektrischen Endsignal permanent linearer macht.
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Diese Änderung der Eichung ist umkehrbar, indem eine Drehkraft angewendet
wird, die der Meßrichtung entgegengesetzt ist.
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Beim erfindungsgemäßen Gerät wird zur Erzeugung eines konstanten
Magnetflusses ein stationärer Transformator mit einer Primärwicklung verwendet.
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Von den zwei Sekundärwicklungen ist eine in Richtung der Spannung,
und zwar 450 zu der Wellenachse, und die andere in Druckrichtung orientiert.
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Der stationäre Transformator ist so ausgerichtet, daß die Oberfläche
der an der Welle befestigten rotierenden Hülse als Teil des Kernes des Transformators
wirkt. So variiert der in die zwei Sekundärwicklungen induzierte Strom mit der Zugspannung
und der Druckspannung, die durch die auf die Welle ausgeübte Drehkraft hervorgerufen
werden. Wenn das Drehmoment in der Welle ansteigt, steigen auch die Spannungen sowie
der Unterschied im Strom, der in die 5 ekundärwicklungen des Transformators induziert
wird.
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Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles
und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Fig. 1 ist eine Endansicht des Gerätes; F i g. 2, 3 und 4 sind Schnitte
entlang der Linie 2-2 in Fig. 1 wobei Fig. 2 die Einzelheiten der Kerne, Spulen
mit der im Umriß gezeigten drehenden Welle,
F i g. 3 die Einzelheiten der drehbaren
Welle mit den im Umriß gezeigten Kernen und Spulen und F i g. 4 Einzelheiten des
Kernes darstellt; F i g. 5 ist eine Projektionsebene der Pole des Kernes an der
Hülse und Fig. 6 ist eine schematische Darstellung eines elektrischen Schaltbildes,
das die Anwendung des erfindungsgemäßen Gerätes veranschaulicht.
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Die Welle 10, deren Drehmoment gemessen werden soll, ist an einem
Antriebsmotor wie eine Gasturbine (nicht dargestellt) festgekeilt. Sie kann aus
irgendeinem Material, wie gehärtetem Stahl, bestehen, das für ihre besondere Verwendung
geeignet ist, wobei es gleichgültig ist, ob sie magnetostriktive Eigenschaften aufweist
oder nicht. Das erfindungsgemäße Gerät ist insbesondere für solche Wellen vorgesehen,
die nicht die optimalen magnetostriktiven Qualitäten für die Verwendung in einem
induktiven Drehmomentmeßgerät besitzen.
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Um die Welle 10 ist bei 16 und 18 eine Hülse 14 angeschweißt oder
in irgendeiner anderen Weise befestigt. Die Welle 10 und die daran befestigte Hülse
14 werden durch Erhitzen und anschließendes langsames Abkühlen entspannt. Die entsprechendenTemperaturen
hierfür sind durch das verwendete Material bestimmt. Dann wird eine statische vorbestimmte
Torsionsspannung auf die Welle 10 und die Hülse 14 aufgebracht, so daß die magnetostriktive
Spannung gegenüber den Induktionscharakteristiken der Hülse 14 geändert werden.
Die auf die Welle und Hülse aufgebrachte statische Spannung ist größer als jede
Spannung, die von dem der Welle während der normalen Arbeit mitgeteilten Drehmoment
herrührt.
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Es wurde gefunden, daß sich die Linearität des Drehmomentes gegenüber
der magnetischen Widerstandskurve als eine Funktion des Grades des aufgebrachten
statischen Drehmomentes ändert.
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Die Hülse 14 ist von einem Transformator 19 umgeben, der einen dreiteiligen
Lamellenmagnetkern 20 (Fig. 4) aufweist. Jeder der Abschnitte ist mit einer Vielzahl
von Polen versehen, die sich radial gegen die Hülse 14 erstrecken, aber von dieser
in einem geringen Abstand (Fig. 5) angeordnet sind, um einen schmalen Luftspalt
um den gesamten Umfang der Hülse 14 zu bilden.
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Der Kern 20 weist einen Primärabschnitt22 mit drei Polen 24 a bis
24 c auf, die um den Innenumfang des Kernes im Abstand von 1200 voneinander entfernt
angeordnet und mit Primärwicklungen 26 a, 26b bzw 26c versehen sind.
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Der Sekundärabschnitt des Kernes ist mit sechs Polpaaren versehen.
Die Pole in jedem von drei der Polpaare 28 a und 30 a, 28 b und 30 b bzw. 28 c und
30c sind physikalisch mit den Polen 26a, 26b bzw.
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26c ausgerichtet, und zwar entlang einer Linie, die sich in bezug
auf die Achse der WellelO in einem Winkel von 450 befindet. Diese Linie entspricht
der Zugrichtung, die von dem der Welle mitgeteilten Drehmoment herrührt. Die anderen
drei Paare von Sekundärpolen 32 a und 34 a, 32b und 34b sowie 32 c und 34 c sind
in ähnlicher Weise mit den Primärpolen ausgerichtet, jedoch in Richtung der Kompression.
Jeder der Pole 28 a bis 28 c und 30 a bis 30 c ist mit einer Wicklung 36 a bis 36c
bzw. 38 a bis 38c versehen, die jeweils in entsprechenden Paaren angeordnet ist.
Ebenso sind die Pole 32 a bis 32 c und 34 a bis 34 c mit Wicklungen 40 a bis 40
c und 42 a bis 42 c versehen. So sind die Paare der Wicklungen 36 a bis
36c
und 38 a bis 38c mit einer entsprechenden Primärwicklung 26 a bis 26c in Richtung
des Zuges ausgerichtet, während die Paare der Wicklungen 40a bis 40c und 42 a bis
42c in Richtung der Kompression gerichtet sind. Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist,
sind die Wicklungen 40a, 42 a, 40b, 42 b, 40c und 42 c in Reihe geschaltet, während
andererseits die Wicklungen 36 a, 38 a, 36 b, 38 b, 36 c und 38 c auch in Reilhe
geschaltet sind. Die physikalische Anordnung der Wicklungspaare bewirkt, daß jedes
Wicklungspaar nur durch die Druckbeanspruchung oder die Zugbeanspruchung beeinflußt
wird, und daß jede Inhomogenität in der Hülse 14 durch die Reihenschaltungen der
Paare auf einen Mittelwert gebracht wird.
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Die gesamte Schnuranordnung ist von einem zweckmäßigen Kunststoff
eigefaßt (nicht dargestellt) und in einem Träger 41 befestigt. Durch die Löcher
42 im Träger 41 kann das Gerät stationär in bezug auf die drehbare Welle angebracht
werden. Elektrische Drähte 44 von den Spulen erstrecken sich durch eine Hülle 46
zu einem Regelkreis und einem Anzeigegerät, die schematisch in Fig. 6 dargestellt
sind.
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Fig. 6 zeigt, daß die Primärwicklungen 26 a bis 26c parallel über
eine Wechselstromquelle 44 geschaltet sind, und der durch diese Wicklungen fließende
Strom dient dazu, einen konstanten Magnetfluß in der Manschette 14 zu erzeugen.
Die in den in Reihe geschalteten Sekundärwicklungen 36 a bis 36 c und 38 a bis 38c
erzeugten Wechselströme werden durch einen Vollweggleichrichter 46 in einen Gleichstrom
umgewandelt. Die Widerstände 50 und 52 sind über den Ausgang des Gleichrichters
46 und die Widerstände 54 und 56 über den Ausgang des Gleichrichters 48 geschaltet.
Die Widerstände 50 und 54 sind verstellbar, um bei Fehlen eines auf die Welle aufgebrachten
Drehmomentes eine Nulleistung von den Gleichrichtern zu ergeben und um die Steilheit
des Drehmomentes gegenüber der Leistungsstromkurve einzustellen, so daß sie der
Eichung des Anzeigegerätes entspricht. Parallel mit den Widerständen 62, 64, 66,
68 und 70 geschaltete Kondensatoren 58 und 60 bilden den Eingang zu dem Anzeigegerät
72.
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Der Widerstand 62 ist mit einem verstellbaren Abgriff versehen, um
jede erforderliche Nulleinstellung am Anzeigegerät 72 zu ermöglichen.
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Die Eichung des Systems erfordert, daß der durch das Anzeigegerät
72 entwickelte Strom mit einer standardisierten Beziehung zwischen Drehmoment und
Strom übereinstimmt. Dies ist nötig, um einen freien Austausch ohne Nacheichung
des Anzeigegerätes 72 zu gewährleisten. Die Standardisierung des Drehmomentes gegenüber
der Stromeichung wird durch Einstellung auf Nullmeßanzeige ohne Drehkraft auf der
Welle durchgeführt, indem das Potentiometer 50 geändert wird, um zwischen der Verbindung
74 und dem Widerstand 52 einen größeren Widerstand zu bilden, wobei gleichzeitig
der Widerstand 54 im gleichen Ausmaß geändert wird, um den Widerstand zwischen der
Verbindung 76 und dem Widerstand 56 zu verringern, oder umgekehrt. Die Steilheit
des Drehmomentes gegenüber der Stromabhängigkeit wird durch gleichzeitiges Verstellen
im gleichen Ausmaß der Potentiometer 50 und 54 geändert, um mehr oder weniger Widerstand
zu erzeugen. Die Linearität der Drehmoment-Strom-Beziehung wird durch Aufbringen
von Drehkraft auf die Welle 10 mit der befestigten Hülse 14 geändert.
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Die Anwendung der Drehkraft in der zu messenden Richtung, die aber
größer ist als das höchste zu messende Drehmoment, bewirkt, daß die Drehmoment-Strom-Beziehung
linearer wird. Eine in entgegengesetzter Richtung, aber ebenfalls in Überschuß zum
höchsten zu messenden Drehmoment, aufgebrachte Drehkraft hat zur Folge, daß die
Drehmoment-Strom-Beziehung weniger linear wird.
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Dieses erfindungsgemäße magnetische Drehmomentmeßgerät mißt das Drehmoment
in einer an der Welle befestigten Hülse und weniger dasjenige in der Welle selbst.
Die nichtdrehbaren Spulenteile des Drehmomentmeßgerätes nehmen Änderungen in der
Permeabilität auf, die durch Torsionsspannungen in der drehbaren Hülse herrühren,
wodurch die Auswahl einer Welle mit den optimalen Eigenschaften, die für die Festigkeit
und Härte erforderlich sind, möglich wird. Außerdem werden die Eigenschaften der
magnetischen Hülse so gewählt, daß die Anderung im magnetischen Widerstand mit der
Beanspruchung optimiert und dieTemperatur-, Hysterese- und dieWirbelstromeffekte
auf ein Minimum herabgesetzt werden. Die einzige Einschränkung, die bei der Auswahl
der Materialien für die Hülse gegeben ist, liegt darin, daß derWärmeausdehnungskoffizient
der Hülse der gleiche sein muß wie der des Materials der Welle.
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Weiterhin wird die Tatsache, daß die Beziehung zwischen Beanspruchung
bzw. Spannung und magnetischem Widerstand verändert werden kann, dadurch ausgenutzt,
daß der Hülse statisch ein größeres Drehmoment mitgeteilt wird, als das höchste
unter normalem Gebrauch eingesetzte Drehmoment. Die statische Anwendung eines Drehmomentes
erzeugt eine Restspannung in der Hülse, die sich in einer linearen Beziehung zwischen
dem der Welle (Uberdrehkraft) mitgeteilten Drehmoment und dem elektrischen Ausgangssignal
auswirkt. Die Größe der trber-Drehkraft kann empirisch bestimmt werden, und ihr
Effekt ändert sich nicht mit der Zeit oder mit der Temperatur (gemessen bei 3150
C). Das Über-Drehmoment kann der Hülse in jeder Richtung mitgeteilt werden.
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Durch Verwendung von sechs Paar Sekundärwicklungen, von denen drei
Paare zur Aufnahme der Zugkomponenten und drei Paar zur Aufnahme der Druckkomponenten
angeordnet sind, werden Unregelmäßigkeiten im Luftspalt ausgeglichen, und es wird
ein sehr lineares Gerät erhalten.
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Eine Beziehung zwischen der Verdrehspannung bzw. Torsionsbeanspruchung
und den magnetischen Effekten besteht bei konstanten Temperaturen. Verdrehspannung
bzw. Torsionsspannung dividiert durch Verdrehverformung ist gleich dem Torsionsmodul.
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Das Torsionsmodul ist aber nur dann eine Konstante, wenn die Temperatur
konstant ist. Es ist bekannt, daß das Drehmoment proportional zu der Verdrehspannung
und ebenso proportional zu der Verdrehverformung mal dem Torsionsmodul ist. Da sich
das Torsionsmodul mit der Temperatur ändert, müssen Mittel vorgesehen werden, um
die Anderung im Torsionsmodul zu kompensieren. Hierfür gibt es zwei Verfahren.
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Es ist bekannt, daß der durchschnittliche Luftspalt zwischen den
Magnetkernen und der Hülse die Empfindlichkeit des Drehmomentes gegenüber der Signaleichung
regelt. Daher wird dann, wenn die Hülse und die Welle aus Stoffen hergestellt sind,
deren Ausdehnungskoeffizient größer ist als der Ausdehnungskoeffizient
der
Kernlamellen, der durchschnittliche Luftspalt mit der Temperatur verringert werden.
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Durch entsprechende Auswahl des Durchmessers der Welle und der Hülse
und dem Soll-Luftspalt, wird ein Ausgleich für die Verringerung des Torsionsmoduls
mit der Temperatur erzielt. Obwohl die Kompensation nicht genau ist, weil die Torsionsmoduländerung
mit der Temperatur etwa linear ist, während die Änderungen im Luftspalt dem Entfernungsgesetz
unterliegen, zeigten die nach praktischer Erfahrung ausgewählten Stoffe Kompensationen,
deren Abweichungen weniger als 10/o über einen Temperaturbereich von 1210 C betrugen.
Die Ergebnisse wurden mit einem Drehmomentmeßgerät erhalten, das mit Lamellen aus
500/0 Nickel, 50°/o Eisen (Ausdehnungskoeffizient 3,2 10-6 pro 0,550 C) einer 2
I2 0/o Siliziumstahl-Hülse (Ausdehnungskoeffizient 6,4 10-6 pro 0,550 C), einem
Wellendurchmesser von 45,7 mm und einem Soll-Luftspalt von 0,36 mm ausgestattet
war.
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Ein anderes Verfahren zur Beseitigung von Temperaturgangsfehlern
besteht darin, die Amplitude der Wechselstromquelle mit der Temperatur zu erhöhen,
um die Verringerung des Torsionsmoduls mit der Temperaturänderungen aufrechtzuerhalten.
Dies Ausgangssignal für ein konstantes Drehmoment bei Temperaturänderungen aufrechtzuerhalten.
Dies wurde in der Praxis dadurch erreicht, daß die Temperatur mit einem Element
abgetastet wurde, dessen elektrischer Widerstand mit der Temperatur variiert und
dieses Widerstandselement in die Rückkoppelungsbahn der Wechselstromzuführung eingesetzt
wurde.