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Vorrichtung zur linearen Anzeige einer sich nach einer logarithmischen
Funktion ändernden Meßgröße Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur linearen
Anzeige einer sich nach einer logarithmischen Funktion ändernden Meßgröße mit einem
sich selbst abgleichenden Brückenkreis, dessen Abgleichorgan mit einer Anzeigeeinrichtung
gekoppelt ist.
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Es ist häufig erforderlich, physikalische Eigenschaften zu messen,
die sich in bezug auf die gemessene Quantität entsprechend einer nichtlinearen Funktion,
beispielsweise nach dem Beerschen Gesetz ändert. Für derartige Messungen werden
beispielsweise Spektralphotometer, Densitometer oder andere Instrumente verwendet,
wobei die Absorption der Strahlungsenergie oder eines speziellen Frequenzbandes
dieser Strahlungsenergie, das dann erhalten wird, wenn die Strahlung durch einen
Prüfling geleitet wird, die physikalische Eigenschaft darstellt, welche zur Bestimmung
der analytischen Ergebnisse benutzt wird. In einem solchen Falle gilt, daß der Absorptionskoeffizient
für das durch eine Lösung eines gegebenen Prüflings in einer nicht absorbierenden
Lösung geschickte Licht proportional zu deren Konzentration ist. Üblicherweise wird
dabei die Absorption des Lichtes oder eines schmalen Wellenlängenbandes dieses Lichtes
für einen Prüfling gemessen und mit der Absorption des gleichen Lichtes in einer
Bezugsprobe verglichen, welche die Lösung und alle Prüfreagenzien enthält. Damit
kann das Meßergebnis ausgedrückt werden als Verhältnis zwischen Bezugsabsorption
und Prüfabsorption.
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Da sich in dem betrachteten Beispiel die gemessene Quantität gemäß
dem Beerschen Gesetz ändert, wird sich die Absorption bezüglich der gemessenen Quantität
als logarithmische Funktion ändern. Wird diese Funktion auf einer nichtlinearen
Skala dargestellt, so muß in Kauf genommen werden, daß in den verschiedenen Bereichen
der Skala die Genauigkeit unterschiedlich ist. In vielen Anwendungsfällen kann dies
jedoch nicht zugelassen werden.
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Es ist bekannt, eine Umformung von voneinander wesentlich verschiedenen
Funktionen mittels Getrieberädern mit bestimmten Kurvenformen vorzunehmen. Mit derartigen
Getrieberädern ausgestattete Einrichtungen weisen jedoch eine begrenzte Arbeitsgeschwindigkeit
und eine begrenzte Genauigkeit auf und sind außerdem relativ teuer.
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Es sind ferner elektrisch arbeitende Vorrichtungen zur Umwandlung
eines logarithmischen Kurvenverlaufs in einen linearen Verlauf bekannt. Bei diesen
Vorrichtungen werden jedoch logarithmische Potentiometer benötigt, die sehr genau
gefertigt werden müssen und daher auch sehr kostspielig sind. Soll
bei diesen Einrichtungen
eine relativ große Genauigkeit erzielt werden, so ist überdies ein erheblicher schaltungstechnischer
Aufwand erforderlich.
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Schließlich ist es bekannt, sich selbst abgleichende Brückenkreise
mit einem Potentiometer als Abgleichorgan zu verwenden, wenn weitgehend automatisch
arbeitende Einrichtungen geschaffen werden sollen.
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Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer außerordentlich einfach
und aus preiswerten Elementen aufgebauten, sehr schnell und genau arbeitenden Vorrichtung
zur linearen Darstellung einer logarithmischen Funktion auf einer Anzeigeskala.
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Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs angeführten Gattung
wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß als Abgleichorgan ein lineares Potentiometer
vorgesehen ist und daß zwischen dem linearen
Potentiometer und der
Anzeigeeinrichtung ein exzentrischer Getriebeantrieb angeordnet ist.
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Durch diese Kombination elektrischer und mechanischer Elemente, die
beide zur Funktionsumformung beitragen, wird eine optimal arbeitende, sich besonders
gut zur Automatisierung von Meßvorgängen eignende Vorrichtung erhalten.
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Vorzugsweise ist das lineare Potentiometer über Festwiderstände in
den Brückenkreis geschaltet.
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Durch geeignete Wahl dieser Festwiderstände kann bereits eine an
eine Gerade angenäherte Ausgangsbewegung der Potentiometerdrehwelle erzielt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Getriebeantrieb
von einer mit gegenüberliegenden Seiten des Brückenkreises verbundenen Detektoreinrichtung
gesteuert.
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Vorzugsweise ist in die beiden vom Brückenkreis zum Detektor führenden
Leitungen jeweils ein Verstärker eingeschaltet, wobei das Verstärkungsverhältnis
dieser beiden Verstärker gleich der Quadratwurzel aus 10 ist.
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Dadurch wird erreicht, daß der Brückenabgleich an einem Ende des
Potentiometers erfolgt, wenn die Amplitude des Testsignals gleich der Amplitude
des Bezugssignals ist, während dann, wenn die Amplitude des Testsignals ein Zehntel
der Amplitude des Bezugssignals beträgt, der Brückenabgleich durch Einstellung des
Potentiometerschiebers auf das andere Ende des Potentiometers erzielt wird.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besteht der
Getriebeantrieb aus zwei exzentrisch auf Wellen gelagerten Getrieberädern.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung zeichnet
sich dadurch aus, daß der Getriebeantrieb Einrichtungen zum schnellen und zum langsamen
Antrieb der mit dem Potentiometer und der Anzeigeeinrichtung verbundenen Wellen
aufweist und daß beim Start des Getriebeantriebs der schnelle Antrieb und nach Umkehrung
der Antriebsrichtung der langsame Antrieb wirksam ist.
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Auf diese Weise wird ein besonders schneller Brückenabgleich erreicht,
so daß im Falle der Verwendung der Vorrichtung in einer automatisch arbeitenden
Anlage besonders viele Messungen pro Zeiteinheit durchgeführt werden können. Gemäß
einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Getriebeantrieb aus einem mittels
einer Reibkupplung in zwei Teile unterteilten Untersetzungsgetriebe, das im zusammengekuppelten
Zustand die Einrichtung zum langsamen Antrieb bildet und im ausgekuppelten Zustand
über einen Stift, der einen Teil des Getriebes überbrückt und mit einem Anschlag
zusammenarbeitet, wirksam wird und die Einrichtung zum schnellen Antrieb bildet.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung
näher erläutert. In dieser zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung einer automatisch
arbeitenden Vorrichtung zur Darstellung der mittels eines Spektralphotometers erhaltenen
Meßergebnisse, Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer
Vorrichtung zur Umformung einer nichtlinearen Funktion in eine lineare Funktion,
F i g. 3 eine Vorderansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung
zum Antrieb der Anzeigeeinrichtung,
F i g. 4 .eine Querschnittsansicht entsprechend
der Linie 4-4 in Fi g. 3 und F i g. 5 eine Kurvendarstellung zur Erläuterung der
Wirkungsweise der Vorrichtung nach F i g. 1.
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Nach Fig. 1 wird mittels eines Spektralphotometers 11 eine Messung
gewisser optischer Charakteristiken eines Prüflings und einer Bezugsprobe durchgeführt.
Das dabei erhaltene Prüfsignal wird einer Kathodenfolgestufe 12 zugeführt, um ein
Signal auf der Leitungl3 zu erzeugen, und das Bezugssignal wird an das Gitter einer
Kathodenfolgestufe 14 angelegt, um ein entsprechendes Signal an der Leitung 16 zu
erhalten.
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Das Bezugssignal und das Prüfsignal werden in einem linearen Potentiometer
17 verglichen, welches einen Teil einer Brückenschaltung 18 bildet, der ein exzentrischer
Getriebeantrieb 19 zugeordnet ist, um das lineare Potentiometer 17 derart anzutreiben,
daß die Brückenschaltung in Nullstellung gelangt. Dieser exzentrische Getriebeantrieb
19 treibt nicht nur das lineare Potentiometer 17, sondern auch ein Anzeige-oder
Aufzeichnungsgerät 23 an.
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F i g. 2 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform einer
Antriebseinrichtung, die das lineare Potentiometer in die richtige Stellung bringt
und gleichzeitig ein Anzeigegerät oder ein zugeordnetes System antreibt. Nach dieser
F i g. 2 treibt eine Welle 21 das lineare Potentiometer 17 an, und eine Welle 22
ist mit - einem Anzeigegerät 23 wirksam verbunden. Außerdem sind noch exzentrisch
gelagerte Getrieberäder 24 vorgesehen. Die Exzentrizität dieser Getrieberäder 24
ist derart gewählt, daß die von der Welle 21 aufgenommene unregelmäßige Eingangsgröße
im wesentlichen ausgerichtet wird und sich somit die Umdrehung der Welle 22 im wesentlichen
linear in bezug auf die Meßgrößenänderungen in dem untersuchten Prüfling ändert.
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Vorzugsweise ist ein geeigneter Motor oder eine andere Einrichtung
vorgesehen, um die Wellen21 und 22 anzutreiben und einen automatischen Betrieb des
Geräts zu gewährleisten. Dabei wird die Steuerung eines geeigneten Antriebsgeräts
über die Brückenschaltung in den Arbeitsvorgang des linearen Potentiometers zurückintegriert,
wie es schematisch in F i g. 1 dargestellt ist.
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Die Brückenschaltung 18 gewährleistet eine ausgezeichnete Genauigkeit,
wenn sich das lineare Potentiometer für die endgültige Antwort in der Nullstellung
befindet. Derartige Anordnungen sind bei Spektralphotometern gebräuchlich. Die spezielle
Auslegung der Brückenschaltung 18 ist jedoch bei der Erfindung von Bedeutung, um
die Daten auf eine Skala zu bringen, die sich von Null bis Eins erstreckt, und zwar
in einer Form, die sehr leicht durch das exzentrische Getriebesystem korrigiert
werden kann.
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In den Leitungenl3 und 16 sind daher Widerstände 26 und 27 angeordnet,
denen das Prüfsignal zugeführt ist. In die das lineare Potentiometer 17 enthaltenden
Brückenzweige sind Widerstände 28 und 29 eingeschaltet. Das Potential zwischen den
Punkten 31 und 32 der Schaltung muß mittels des linearen Potentiometers auf Null
abgeglichen werden, wenn eine Messung durchgeführt wird, bei der die Stellung des
das Ergebnis anzeigenden linearen Potentiometers gemessen wird. Es wird also ein
Vergleich der elektrischen Charakteristiken bei 31 und 32 durch den Differenzverstärker
33 vorgenommen,
welcher ein Signal, das die Differenz darstellt,
an den Abgleichindikator 34 gibt. Der Abgleichindikator 34 ist demnach elektrisch
an die Brückenschaltung 18 angeschlossen und wird durch die Stellung des linearen
Potentiometers 17 beeinflußt. Der Abgleichindikator ist außerdem wirksam mit dem
Antrieb des linearen Potentiometers 17 und dem des Anzeigegeräts 23 verbunden, wie
es schematisch in F i g. 1 dargestellt ist. Diese Anordnung ist so ausgelegt, daß
das Antriebssystem das lineare Potentiometer automatisch antreibt, bis der Nullpunkt
auf dem Abgleichindikator erreicht ist und das Anzeigegerät in der Lage ist, das
von Prüf- und Bezugssignal abhängige Ergebnis anzuzeigen.
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Es ist erwünscht, daß das in der Brückenschaltung 18 angeordnete
lineare Potentiometer 17 einer Skala entspricht, die Werte von Null bis Eins aufweist.
Dabei würde das lineare Potentiometer in einem positiven und einem negativen Bereich
arbeiten. Durch Verwendung eines positiven und negativen Bereiches von - 0,5 bis
+ 0,5 und durch Übertragung auf eine Skala von 0 bis 1,0 ist es möglich, den besseren
Teil der logarithmischen Kurve zu benutzen. Diese Übertragung wird mit Hilfe der
Verstärker36 und 37 erzielt, die vor dem Differenzverstärker33 angeordnet sind.
Für die gewünschte Umwandlung sollte das Verhältnis dieser Verstärker die Quadratwurzel
aus 10 sein, oder anders ausgedrückt, der eine Verstärker sollte sein Signal verstärken
im Betrag der Quadratwurzel aus 10 mal der Verstärkung, die in dem anderen Verstärker
erzielt wird. Auf jeden Fall ist es jedoch notwendig, daß in dem Getriebesystem
zwischen der Potentiometerwelle und der Welle des Anzeigegeräts eine gewisse Exzentrizität
vorhanden ist, um eine Funktion zu erzielen, die so linear wie möglich ist. Die
wirklichen Werte der Widerstände und der Exzentrizitäten können demgemäß sehr stark
variieren. Die nachfolgend angegebenen Werte dienen zur Erläuterung eines Beispiels,
welches sich für den bereits erwähnten Zweck als geeignet erwiesen hat.
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Bei der gezeigten Ausführungsform ist das lineare Potentiometer 17
ein lineares Schleifdrahtpotentiometer von 1000 Ohm, wobei ein Bereich von 970 Ohm
benutzt wird. Die Widerstände 26 und 27 sind Festwiderstände von je 3900 Ohm, und
die Widerstände 28 und 29 sind Festwiderstände von je 330 Ohm. Die Kennlinienkurve
für dieses spezielle Beispiel von Widerstandswerten und Verstärkern ist durch die
Kurve 38 der F i g. 5 dargestellt. Bei diesen Werten beträgt die Exzentrizität der
Getrieberäder 24, um die sie aus der Mitte versetzt sind, 3,2 mm, wobei die Getrieberäder
24 einen Teilkreisdurchmesser von 6,3 cm aufweisen. Die Kurve, welche bei Benutzung
dieser exzentrischen Getrieberäder 24 erzielt wird, ist als Kurve 39 in der F i
g. 5 dargestellt.
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Es ist zu sehen, daß die Kurve39 einer linearen Funktion sehr nahe
kommt. Die exzentrischen Getrieberäder 24 bewirken also die Umformung der Kurve
38 in die Kurve 39. Diese Veränderung ist besser dargestellt durch die Skala 41
im unteren Teil der Fig. 5, in der die Abweichung zwischen dem auf dem linearen
Potentiometer 17 gemessenen Widerstand und der Anzeigestellung gezeigt wird, die
das Meßergebnis darstellt.
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Es wurde bereits erwähnt, daß die Verwendbarkeit eines Potentiometers,
dessen Widerstandswerte einer linearen Skala entsprechen, einen besonderen
Vorteil
darstellt. Dies bedeutet aber, daß die in F i g. 5 gezeigten Widerstandswerte durch
die exzentrischen Getrieberäder 24 erzielt werden müssen, um die endgültige Skala
linear zu machen. Da derartige Getrieberäder jedoch einfacher und wirtschaftlicher
zu fertigen sind als nichtlineare Potentiometer, wird mit der beschriebenen aus
verhältnismäßig preiswerten Teilen aufgebauten Einrichtung eine optimale Genauigkeit
erzielt.
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Für den Potentiometerantrieb und den Antrieb des Anzeigegerätes wird
bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ein Antriebssystem verwendet,
das trotz eines verhältnismäßig einfachen Aufbaus zuverlässig arbeitet und eine
schnelle Auffindung der Nullstellung ermöglicht. Dieses System ist in den F i g.
3 und 4 dargestellt.
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Nach F i g. 4 trägt ein geeigneter Rahmen 42 das lineare Potentiometer
17 zusammen mit dessen Welle 21 und den exzentrischen Getrieberädern 24, welche
dazu dienen, die Potentiometerwelle 21 mit der Anzeigegerätewelle 22 zu verbinden.
Diese Getrieberäder 24 sind so ausgebildet, daß sie den gleichen Grad an Exzentrizität
aufweisen. Die an den Wellen 21 und 22 befestigten Getrieberäder 24 sind somit ständig
im Eingriff. Der Welle 22 ist ein Anzeigegerät 23 zugeordnet, welches in den F i
g. 3 und 4 als einfache Skalenscheibe dargestellt ist. Es ist jedoch selbstverständlich,
daß die Welle 22 auch dazu benutzt werden kann, eine speziell ausgebildete Skalenscheibe
anzutreiben, die sich beispielsweise zur automatischen Ablesung der angezeigten
Werte eignet.
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Das Antriebssystem besteht aus einem üblichen umkehrbaren Motor 43
mit Einrichtungen, die es ermöglichen, das lineare Potentiometer schnell auf den
Nullpunkt einzustellen. Nach F i g. 4 treibt der Motor 43 die Welle 44 über Stirnräder
46 vorwärts oder rückwärts an. Die jeweilige Laufrichtung wird durch ein Relais
47 festgelegt, welches je nach der Stellung des linearen Potentiometers bezüglich
der Nullage anspricht.
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Auf diese Weise treibt der Motor das lineare Potentiometer stets
in Richtung der Nullage. Es ist jedoch offensichtlich, daß dann, wenn der Motor
das lineare Potentiometer mit einer hohen Geschwindigkeit antreibt, das lineare
Potentiometer durch das Beharrungsvermögen des Motors und des Antriebssystems über
den Nullpunkt hinausgetragen wird.
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Dies hat zur Folge, daß das lineare Potentiometer um den Nullpunkt
schwingt. Falls der Motor das lineare Potentiometer jedoch über den gesamten Bereich
mit einer niedrigen Geschwindigkeit antreibt, wird es eine außerordentlich lange
Zeit dauern, bis das lineare Potentiometer und damit das Anzeigegerät bei den jeweiligen
Abgleichstellungen zur Ruhe gelangen.
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Zur Vermeidung dieses Nachteils wird ein Antriebssystem verwendet,
bei dem der Motor das lineare Potentiometer erst sehr schnell in Richtung des Nullpunkts
treibt und nach Überianfen des Nullpunkts in umgekehrter Richtung mit sehr niedriger
Geschwindigkeit arbeitet, so daß das lineare Potentiometer genau auf den Nullpunkt
zurückkommt. Da der Motor nur über einen sehr kleinen Winkelbereich mit einer niedrigen
Drehzahl läuft, geht der gesamte Arbeitsvorgang sehr schnell vonstatten, und die
Einrichtung wird zwangläufig schnell auf die Nullage eingestellt.
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Nach Fig.4 wird bei einer Antriebseinrichtung die Kraft von der Welle
44 auf die Welle 22 übertragen, von der aus das lineare Potentiometer und das Anzeigegerät
betrieben werden. In der Darstellung ist ein schmales Stirnrad 48 mittels der Stellschraube
51 auf der Welle 44 so befestigt, daß es sich mit der Welle dreht. Die Welle dreht
außerdem ein verbundenes Paar von Stirnrädern 49, welche so gelagert sind, daß sie
sich in bezug auf die Welle 44 drehen.
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Die Welle 22 trägt das exzentrische Zahnrad 24 und den Zeiger 23,
welche mittels der Stellschrauben 51 od. dgl. befestigt sind. Die Zahnräder 52 und
53 sind so gelagert, daß sie sich in bezug auf die Welle 22 drehen. Das Zahnrad
53 ist auf der einen Seite mit einer Reibscheibe 54 und auf der anderen Seite mit
einer Feder 56 versehen, und zwar in der Weise, daß die Feder 56 die Scheibe 54
gegen das Zahnrad 24 drückt und damit bewirkt, daß das Zahnrad 53 seine Drehbewegung
auf das Zahnrad 24 und die Welle 22 überträgt. Wenn der Antrieb durch diese Reibkupplungseinrichtung
vorgenommen wird, wird die Welle 24 auf Grund der Untersetzungsgetriebe verhältnismäßig
langsam angetrieben, welche in dem Übertragungsweg angeordnet sind. Bei dem dargestellten
Beispiel wird die Antriebsbewegung von dem kleinen Stirnrad 48 zum großen Stirnrad
52, dann zurück über das kleine Stirnrad 52 zum großen Stirnrad 49 und zurück vom
kleinen Stirnrad 49 zum großen Stirnrad 53 und zur Welle 22 übertragen.
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Hierdurch wird eine beträchtliche Zahnraduntersetzung geschaffen,
wodurch eine außerordentlich langsame Lageeinstellung des Anzeigegeräts 23 und des
linearen Potentiometers 17 bewirkt wird. Diese Antriebsbewegung ist daher zur Endeinstellung
der Anzeigescheibe und des linearen Potentiometers geeignet.
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Zur Erzielung des Anfangs antriebs zur schnellen Einstellung des
linearen Potentiometers 17 und des Anzeigegeräts 23 ist am Zahnrad 52 ein Stift
57 vorgesehen, der an einer Rippe 58 anliegt, die von einem sich radial erstreckenden
Flansch an der unteren Fläche der Anzeigescheibe 23 gebildet wird.
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Die Antriebsbewegung kann daher direkt vom Zahnrad 52 von beiden Seiten
auf die Anzeigescheibe 53 übertragen werden, wenn der Stift gegen die Rippe 58 schlägt.
Ist die Anzeigescheibe jedoch von dem Stift 57 bis zum Nullpunkt bewegt worden,
so wird die Antriebsrichtung des Motors umgekehrt, und der Stift 57 bewegt sich
dann in eine entgegengesetzte Richtung. Bevor jedoch der Stift 57 eine Gesamtumdrehung
macht, wird die über die Kupplung wirkende Einrichtung für den langsamen Antrieb
das lineare Potentiometer in die Nullstellung bringen, um den Motor zur Endablesung
abzuschalten. Dabei ist zu beachten, daß die Kupplung eine schnelle Antriebsbewegung
auf Grund der Tatsache gestattet, daß sie schleift und es dem Zahnrad 24 ermöglicht,
sich schnell mit der Welle 22 zu drehen.
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Es ist offensichtlich, daß eine gemäß der Erfindung ausgebildete
Einrichtung besonders vorteilhaft bei vollkommen automatisch arbeitenden Anlagen
verwendet werden kann, da auf Grund des schnellen Abgleichs des Brückenkreises eine
Vielzahl von Meßwerten pro Zeiteinheit zur Verfügung steht und diese Meßwerte mittels
beliebiger Einrichtungen von der linearen Skala abgetastet und aufgezeichnet werden
können.
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Patentansprüche: 1. Vorrichtung zur linearen Anzeige einer sich nach
einer logarithmischen Funktion ändernden Meßgröße mit einem sich selbst abgleichenden
Brückenkreis, dessen Abgleichorgan mit einer Anzeigeeinrichtung gekoppelt ist, d
a d u r c h gekennzeichnet, daß als Abgleichorgan ein lineares Potentiometer (17)
vorgesehen ist und daß zwischen dem linearen Potentiometer (17) und der Anzeigeeinrichtung
(23) ein exzentrischer Getriebeantrieb (19) angeordnet ist.