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Elektromechanischer Meßumformer zur Erzeugung einer variablen mechanischen
Meßgröße in Abhängigkeit von einer mechanischen Bewegung Die Erfindung betrifft
einen elektromechanischen Meßumformer, welcher eine variable elektrische Meßgröße
in Abhängigkeit von mechanischen Bewegungen erzeugt.
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Es ist ganz allgemein bekannt, verschiedenartige mechanische Bewegungen
derart umzuwandeln, daß sie durch eine elektrische Meßgröße repräsentiert werden
können. Eine einfache Möglichkeit besteht darin, die mechanische Bewegung besonders
wenn es sich nur um sehr kleine Bewegungen handelt, zunächst auf mcchanischem Wege
zu vergrößern, um sie dann auf ein Potentiometer derart einwirken zu lassen, daß
die iiber dieses abfallende, meßbare Spannung proportional der Bewegung ist. Dieses
Verfahren ist jedoch schon allein deshalb ungenau, weil die erforderlichen mechanischen
Bewegungen und damit die Einstellung des Potentiometers eine nicht konstant bleibende
mechanische Kraft erforderlich machen, um welche das Meßergebnis verfälscht wird.
Außerdem muß für eine hinreichende Genauigkeit dieser Meßart eine stabilisierte
Betriebsspannung gefordert werden.
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Ein weiteres bekanntes Verfahren verwendet einen Differentialtransformator,
der als induktiver Geber dien. In diesem Zusammenhang soll Erwähnung finden, daß
verschiedene induktive Geber möglich sind.
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Einmal gibt es Anordnungen, in denen eine einzige Induktivität in
Form einer Einzel- oder Doppelspule beeinflußt wird. Die induktivität der Einzel-
oder Doppelspulen wird entweder durch die Bewegung eines Ankers oder eines Teiles
davon oder durch die Bewegung eines Tauchkernes realisiert. Bei den Doppelspulen
sind die Wicklungen bekannterweise in Reihe geschaltet so daß sie als eine Induktivität
anzusehen sind. Zum anderen sind Anordnungen mit zwei getrennten Induktivitäten
in Form von Differentialspulen bekannt, die sich gegenseitig beeinflussen. Bei den
Differentialspulen wird durch einen Anker der Luftspalt einer Spule verändert, was
in einer besonderen Ausführongsform auch durch einen Queranker erreicht werden kann.
Schließlich sind noch Anordnungen in Form des oben erwähnten Differentialtransformators
bekannt, bei denen Gegen-Induktivitäten durch Bewegung des Eisenkernes beeinflußt
werden, so daß damit eine entsprechende Umformung einer mechallischen in eine elektrische
Größe erfolgen kann. Zur Messung der Induktivitätsänderungen ist es bekannt, sich
Brückenschaltungen zu bedienen.
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Die bekannte Verwendung eines Differentialtransformators für die
Meßwertumformung einer mechanischen in eine elektrische Größe hat insbesondere
den
Nachteil, daß die Meßgenauigkeit davon abhängt, mit welcher Genauigkeit die Primärwicklung
konstant gehalten werden kann. Auch bei der Verwendung eines flußgeregelten Transformators
für diesen Zweck besteht immer noch eine Schwierigkeit darin den Primärwiderstand
schwankungsfrei zu halten.
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Schließlich soll noch eine induktive Steuerung für sehr hohe Frequenzen
Erwähnung finden, bei der die Steuervorrichtung eine als Oszillator betriebene Elektronenröhre
enthält. Diese Röhre schwingt mit der Eigenfrequenz eines eingangsseitigen Schwingkreises.
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Der erzeugte, induktiv übertragene und durch einen Gleichrichter sowie
durch einen Kondensator geglättete Hochfrequenzstrom wird über einen Kompensationswiderstand
geleitet. Zwischen der im Gitterkreis liegenden Gitterkreiskopplungsspule und einer
Anodenspule bewegt sich ein an der Achse eines Galvanometers befindlicher Aluminiumstreifen.
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Mittels dieses Streifens wird der erzeugte Riickkopplungsgrad entsprechend
beeinflußt. Diese Anordnung ist jedoch für sehr hohe Frequenzen zu verwenden, und
schon im mittleren Frequenzbereich weitgehend unbrauchbar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile und Mängel
von bekannten elektromechanischen Meßumformern zur Erzeugung einer elektrischen
Meßgröße in Abhängigkeit von einer mechanischen Bewegung mit einem Verstärker zu
beheben.
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Insbesondere soll die zu messende elektrische Größe
unabhängig
von zufälligen Schwankungen der Versorgungsspannung sowie der Umgebungstemperatur
und proportional der zu messenden mechanischen Bewegung sein.
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Gemäß dieser Aufgabe besteht die Lösung für einen verbesserten elektromechanischen
Meßumformer zur Erzeugung einer variablen elektrischen Meßgröße in Abhängigkeit
von einer mechanischen Bewegung mit einem Verstärker, dessen Ausgangskreis die Primärwicklung
eines Differentiaitransformators enthält, dessen Sekundärwicklungen auf den Eingang
des Verstärkers rückgekoppelt sind, so daß die Schwingungen über die normale Reihenfolge
der Bewegung des Eisenkerns des Transformators kommen, wobei der Eisenkern bewegbar
in Übereinstimmung mit der messenden mechanischen Bewegung ist, darin, daß folgende
Merkmale miteinander vereinigt werden: a) an die äußeren Enden der Reihenschaltung
der beiden Sekundärwicklungen ist die Reihenschaltung aus zwei gegeneinandergeschalteten
Begrenzdioden angeschlossen; b) an die äußeren Enden ist ferner jeweils eine Reihenschaltung
aus einem Gleichrichter und einem Dämpfungswiderstand angeschlossen, deren gemeinsamer
Verbindungspunkt mit der Spulenmitte der Sekundärwicklung verbunden ist.
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Es ist für die Erfindung in weiterer Ausgestaltung von Bedeutung,
daß die Verbindung von dem Eingang 8 des Verstärkers 1 zum Transformator3 zu einer
oder mehreren Sekundärwicklungen 17 führt, welche mit den beiden Sekundärwicklungen
6, 7 ausschließlich induktiv gekoppelt sind.
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Schließlich besteht eine weitere Ausgestaltung der Erfindung darin,
daß der Kondensator 4 entweder ausgangsseitig mit der Primärwicklung 2 oder eingangsseitig
mit den Wicklungen 17, einen Schwingungskreis bildend, verbunden ist.
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Durch die erfindungsgemäße Ausführung eines Meßumformers ergeben
sich eine Reihe von Vorteilen. Zufällige Schwankungen der Versorgungsspanne beeinflussen
die Meßergebnisse nicht bzw. nur so viel, daß sie ohnehin in der Größenordnung des
natürlichen Ablesefehlers liegen. Auch haben Temperaturschwankungen der Umgebung
keinen Einfluß mehr auf das Meßergebnis. Dadurch, daß die Sekundärwicklungen in
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel nur induktiv miteinander verknüpft sind, sind
ausgangsseitig Rückwicklungen, wie sie bei rein galvanischer Kopplung auftreten,
ausgeschaltet. Die Verwendung von Begrenzungsdioden sichert die beständige, gegen
Störungen unanfällige Arbeitsweise des Meßumformers.
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Die Zeichnungen zeigen beispielsweise Ausführungsformen, und es bedeutet
Fig. 1 ein schematisches Schaltbild mit Eingangsverstärker und Differentialtransformator
und Fig. 2 ein abgewandeltes Schaltbild, bei dem die Sekundärwicklungen des Transformators
induktiv mit weiteren Wicklungen verbunden sind.
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Gemäß Fig. 1 ist an den Ausgang 5 eines Verstärkers 1 die Primärwicklung
eines Transformators 3 angeschlossen, welche zusammen mit dem Kondensator 4 einen
Schwingkreis bildet. Der Transformator 3 weist zwei Sekundärwicklungen 6, 7 auf,
die gleichsinnig gewinkelt hintereinandergeschaltet, an
den beiden Eingängen 8 des
Verstärkers 1 liegen. Der Transformator 3 besitzt einen beweglichen Eisenkern9,
der die Magnetfelder der Wicklungen2, 6 und 7 so miteinander koppelt, daß sich die
Spannungen in den Sekundärwicklungen 6 bzw. 7 in entgegengesetztem Sinne und in
Abhängigkeit von seiner Bewegung verändern. Die Anordnung ist so ausgelegt, daß
in dem Schwingungskreis 2, 4 Schwingungen im normalen Bewegungsbereich des Eisenkernes
9 entstehen.
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Mit den beiden äußeren Enden 10 und 11 der beiden in Reihe geschalteten
Sekundärwicklungen 6 und 7 ist ein Paar Zenerdioden als Begrenzungsdioden 12 verbunden,
die miteinander in Gegenschaltung reihengeschaltet sind und daher so wirken, daß
sie die Amplitude des in den beiden Sekundärwicklungen 6, 7 induzierten Total-5chwingungs-Potentiales
begrenzen. Um die höchstmögliche Stabilität der Amplitude der über die Begrenzungsdioden
12 vor sich gehenden Schwingungen zu ermöglichen und gleichzeitig sicherzustellen,
daß der durch die Begrenzungsdioden 12 fließende Spitzenstrom nicht das für sie
zuverlässige Maß übersteigt, wird ihre Ausgangsimpedanz auf den möglichen Maximalwert
eingestellt. Für diesen Zweck wird der Kopplungsfaktor zwischen den Primär- und
den Sekundärwicklungen des Transformators 3 entsprechend vorgewählt. An die Enden
jeder Sekundärwicklung 6 und 7 sind jeweils ein Gleichrichter 14 und ein Dämpfungswiderstand
13 angeschlossen, wobei die beiden Gleichrichter 14 so gepolt sind, daß die sich
ergebende, an den Klemmen 16 auftretende Spannung gleich der Differenz der Spannungen
ist, die an den Enden der beiden Dämpfungswiderstände 13 ansteht.
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Es soll zunächst angenommen werden, daß sich der Eisenkern 9 in einer
solchen Stellung befindet, daß die magnetische Kopplung zwischen der Primärwicklung
2 und beispielsweise der sekundärwieklung 6 größer ist als die zwischen der Primärwicklung
2 und der Sekundärwicklung 7, wobei die über die beiden in Reihe geschalteten Dämpfungswiderstände
13 abfallende Gleichspannung eine bestimmte Höhe und Polarität aufweist. Bewegt
man den Eisenkern 9 in einer solchen Richtung, daß der Unterschied der magnetischen
Kopplungen zwischen der Primärwicklung und den beiden Sekundärwicklungen kleiner
wird, dann sinkt die Größe dieser Gleichspannung ab. Eine weitere Bewegung des Eisenkerns
9 in gleicher Richtung führt schließlich dazu, daß die Gleichspannung Null wird,
um dann im entgegengesetzten Sinne wieder anzusteigen.
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Der Transformator 3 ist vorzugsweise so eingerichtet, daß die an
den Endpunkten der beiden Dämpfungswiderstände 13 entstehende Gleichspannung sich
linear mit der Bewegung des Eisenkernes 9 verändert.
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An Stelle der Dämpfungswiderstände 13 kann ein beliebig anderer Belastungsstromkreis
verwendet werden. Auch können die Begrenzungsdioden 12 durch irgendwelche andere
geeignete elektronische Bausteine ersetzt werden, die einen klar definierten Umkehrpunkt
und eine angemessene Impedanzänderung in Abhängigkeit von der Amplitude aufweisen.
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Der Kondensator 4 kann statt zu der Primärwicklung des Transformators
3 zu den beiden in Reihe geschalteten Sekundärwicklungen 17 parallel geschaltet
werden.
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Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Sekundärwicklung
17 von den beiden Sekundärwicklungen
6 und 7 getrennt. Die Wicklung
17 kann aus einer einzigen Wicklung oder auch aus zwei Wicklungen bestehen. Die
Wirkungsweise der Anordnung ist ähnlich der in Fig. 1 dargestellten, wobei durch
die zusätzlichen Wicklungen 17 eine galvanische Kopplung des Ausgangssignals mit
dem Verstärker vermieden wird. Eine solche Trennung ist besonders dann wünschenswert,
wenn der Ausgang des Kreises an den Klemmen 16 zur Speisung eines weiteren Verstärkers
benutzt wird, der von derselben Stromquelle versorgt wird, wie der Schwingungserzeuger.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist es - vorausgesetzt, daß die Gleichrichter
14 so geschaltet sind, daß die Differenz-Meßgröße an den Klemmen t6 abnehmbar ist
- nicht unbedingt erforderlich, die Sekundärwicldungen 6 und 7 als sich unterstützende
Serienschaltelemente zu schalten.