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Servoantrieb für das Anzeige- oder Schreiborgan von elektrischen Messgeräten
Die Erfindung betrifft einen Servoantrieb für das Anzeige- oder Schreiborgan von elektrischen Messgeräten, bei welchem der bewegliche Messwerkteil durch ein vom Stellmotor ausgeübtes Drehmoment in seine Ausgangsstellung zurückgebracht wird, indem durch Verdrehung der Richtkraftspirale das von der Messgrösse erzeugte Drehmoment kompensiert wird.
Derartige Antriebe sind an sich bekannt. Sie sind aber in mehrfacher Hinsicht für besondere Anwendungsfälle, u. zw. bezüglich ihrer dieEinsatzfähigkeit bestimmenden Merkmale, wie Einstellgenauigkeit, Einstellgeschwindigkeit, Aufwand an mechanischen und elektrischen Bauteilen, Störanfälligkeit usw., mit mehr oder weniger grossen Nachteilen behaftet.
So ist z. B. ein Servoantrieb bekannt, bei dem der Stellmotor das Schreiborgan des Messgerätes betätigt und gleichzeitig das äussere Ende der die Richtkraft erzeugenden Spiralfeder des die Messgrösse abbildenden Messwerkes so weit verdreht, bis das Messwerk, das unter der Wirkung der Messgrösseausgeschla- gen hatte, durch die so vergrösserte oder verringerte Richtkraft wieder in seine Ursprungslage zurückgeführt ist. Ein wesentlicher Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass die Einstellzeit des schreibenden Messgerätes grösser ist oder bestenfalls näherungsweise gleich der Einstellzeit des verwendeten Messwerkes sein kann.
Die Einstellzeit eines Servoantriebes der oben beschriebenen Art kann nun dadurch wesentlich verkürzt werden, dass erfindungsgemäss eine zusätzliche Feder, z. B. eine Spiralfeder, oder eine zusätzliche, von einem von der Messgrösse abhängigen Strom durchflossene Rähmchenwicklung oder eine permanentmagnetische Fesselung, insbesondere in Form eines am beweglichen Messwerkteil angebrachten Weicheisenstückes mit einem diesem in der Abgleichstellung gegenüberliegenden Permanentmagnet, zur Erzeugung eines zusätzlichen, auf den beweglichen Messwerkteil einwirkenden Drehmomentes vorgesehen wird, welches Drehmoment dem bei Änderung der Messgrösse erzeugten Drehmoment entgegengesetzt ist und in der Abgleichstellung den Wert Null hat.
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zur Erzeugung einer zusätzlichen Rückführkraft für den beweglichen Messwerkteil vorgesehen.
Ein Merkmal der Erfindung ist weiters darin gelegen, dass der Stellmotor im Zweig einer Brückenschaltung liegt, die vom Ausgang eines Messgrössenverstärkers gespeist ist, wobei die weitere Rähmchenwicklung an die Diagonale der Brücke angeschlossen ist.
Merkmal der Erfindung ist es auch, dem dem Motor benachbarten Brückenwiderstand einen Kondensator parallel zu schalten.
Schliesslich kann gemäss der Erfindung der Stellmotor in den Ausgang eines Messgrössenverstärkers gelegt und mit einem Generator gekuppelt werden, der vom Verstärkerausgang erregt ist, und der Generatorausgang kann mit der weiteren Rähmchenwicklung verbunden sein, so dass die vom Generator erzeugte EMK als Rückführgrösse auf das Rähmchen einwirkt.
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Während solche an sich bekannte Rückführgrössen unmittelbar in den Verstärkereingang gegengekoppelt sind, ist die Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes damit erklärt, dass der nur während des Abgleichvorganges wirksame Rückführstrom auf eine zusätzliche Rähmchenwicklung des Messwerkes gegeben ist und dadurch das Einstellmoment des Messwerkes wesentlich vergrössert und die Einstellzeit damit wesentlich verkürzt, so dass es dem schnellen Abgleich durch den Stellmotor folgen kann. Durch die Verknüpfung der Rückführgrösse mit der Geschwindigkeit bzw.
Beschleunigung des Stellmotors und der Verstärkerausgangsspannung, wird das dasEinstellmoment vergrössernde Gegenmoment bei Stillstand des Stellmotors unwirksam, so dass in der Abgleichstellung das Messwerk die ursprüngliche Empfindlichkeit und Ansprechempfindlichkeit hat. Es ist für die Anwendung des neuen Servoantriebes ohne Belang, mit welcher Art von bekannten Zeigerabgriffen gearbeitet wird und welche Art Servomotoren zum Einsatz kommen.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand einiger Ausführungsbeispiele näher beschrieben und in der Zeichnung dargestellt.
Gemäss Fig. 1 besteht das Messwerk 2 aus dem Rähmchen 2a, welches eine von der darzustellenden Spannung Ust gespeiste Wicklung und eine zusätzliche Wicklung l trägt, die vom Differenzstrom der beiden Photowiderstände 3a, 3b durchflossen wird. Zur Erzeugung der Rückstellkraft für das Rähmchen ist die
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towiderstände gegenüber der nicht gezeigten Lichtquelle abdeckt. Der von der Batterie gelieferte und die zusätzliche Wicklung l durchfliessendeStrom steuert den Verstärker 5, mit welchem der Stellmotor 6 gekuppelt ist, welcher über die Welle 7, eine Kupplung 8 und ein Getriebe mit einer Gewindespindel gekuppelt ist, die den Schreibstift 9 od. dgl. über den Registrierstreifen 10 führt.
Der Schreibstift od. dgl. ist mit Hilfe einer nur schematisch angedeuteten und mit 18 bezeichneten Verbindung mit dem freien Ende der Spiralfeder 14 gekuppelt. Wird nun das Messwerk 2 durch Veränderung der Eingangsgrösse U ausgelenkt, so fliesst ein Differenzstrom, der nach eventueller Verstärkung im Gleichstromverstärker 5 den Stellmotor 6 so bewegt, dass dieser über die mechanische Kupplung 7 und das Getriebe 8 den Schreibstift 9 od. dgl. und mit mittels der Verbindung 18 damit gekuppelte Richtkraftspirale 14 des Messwerkes 2 in Richtung des Pfeiles 21 so lange verstellt, bis das Messwerk in seine Ausgangslage zurückgedreht ist und damit denDifferenzstrom wieder zuNull werden lässt, indem im Abgleichpunkt die am Rähmchen 2a befestigte Steuerfahne 4 die Photowiderstände 3a, 3b abdeckt, dass der Differenzstrom Null ist.
Das zusatz- liche Drehmoment der Wicklung 1 auf dem Messwerk ist also nur während des Abgleichvorganges wirksam.
An Stelle der von dem Differenzstrom der Photowiderstände durchflossenen zusätzlichen Rähmchenwicklung 1 kann eine zusätzliche Sprialfeder (nicht dargestellt) oder eine magnetische Fesselung auf dem Messwerk angebracht werden, so dass ein Zusatzdrehmoment auf das bewegliche System des Messwerkes nur dann ausgeübt wird, wenn dieses nicht am Abgleichpunkt steht. Zur mechanischen Erzeugung eines zusätzlichen Drehmomentes kann eine dritte Spiralfeder am beweglichen Messwerkteil vorgesehen sein, welche keinerlei leitende Verbindung darstellt und die so angeordnet ist, dass das von ihr ausgeübte Drehmoment in der Abgleichstellung Null ist.
Die permanentmagnetische Fesselung kann mittels eines am beweglichen Teil des Messwerkes angebrachten Weicheisenstückchens erreicht werden, welchem in der Abgleichstellung gegenüberliegend ein kleiner Permanentmagnet zugeordnet ist.
In der Anordnung gemäss Fig. 1 wird zwar die Empfindlichkeit des Messwerkes für Endausschlag nicht geändert, jedoch verringert sich die Ansprechempfindlichkeit des Systems. In der weiteren Ausführungsform gemäss Fig. 2 bleibt auch die Ansprechempfindlichkeit des Systems erhalten. Hier ist zum Abtasten der Stellung des Zeigers 4a der bekannte Hochfrequenzabgriff verwendet, bei welchem durch Eintauchen des Fähnchens 4b zwischen zwei inKopplung befindlicheSpulen lla, llb ein Hochfrequenz-Generator und ein diesem nachgeschalteter, nicht näher beschriebener Gleichstromverstärker gesteuert wird (mit 12 bezeichnet). Dieser Verstärker speist den Stellmotor 6.
Die Rückführgrösse wird, wie aus dem Schaltbild ersichtlich, dadurch gewonnen, dass der Gleichstrommotor 6 im Zweig einer Wheatstonel sehen Brücke liegt, die vom Verstärkerausgang gespeist wird. Die von der Drehzahl des Motors abhängige Verstimmung der Brücke liefert den geschwindigkeitsabhängigen Anteil der Rückführung, während sich der vom Verstärker- ausgang abhängige Anteil unmittelbar dadurch ergibt, dass die Brücke aus dem Verstärkerausgang gespeist wird.
Das zeitabhängige Glied in Form des Kondensators 13, welcher dem dem Motor benachbarten Brückenwiderstand 22 parallelgeschaltet ist, verbessert nochmals das Einstellverhalten dadurch, dass der Bewegungsenergie des Stellmotors 6 die im Kondensator 13 gespeicherte Energie bei Erreichen des Abgleichpunktes entgegenwirkt. Die Rückführgrösse wird auf eine weitere, auf dem Rähmchen befindliche Wick-
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lung 1 gegeben. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wird durch die Drehung des Motors 6 einerseits die Spirale 14 des Messwerkes 2 und anderseits der Schreibstift 9 des Schreibers verstellt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist im Prinzip in Fig. 3 dargestellt. Als Zeigerabgriff dient hier der an sich bekannte induktive Abgriff. Hiefür ist ein magnetisches Wechselfeld, welches mit Hilfe von nicht gezeigten, welchselstromdurchflossenen Spulen erzeugt wird, vorgesehen, in welchem das zwei zusätzliche Spulen tragende Rähmchen des Messwerkes in Abhängigkeit von der darzustellenden Grösse U st verdrehbar gelagert ist. Je nach der Stellung des Rähmchens innerhalb des Wechselfeldes wird in der ersten der beiden zusätzlichen Spulen eine Wechselspannung induziert, welche dem Verstärker 12 zugeführt wird. Die von dem Verstärker 12 verstärkte Spannung dient zur Speisung des in diesem Falle als Ferrarismotor ausgebildeten Motors 6, der mit einem Generator 15 gekuppelt ist.
Die Erregung dieses Generators wird dadurch bewerkstelligt, dass parallel zu dem Motor 6 eine Gleichrichtereinrichtung vorgesehen ist, die die zur Erregung des Generators erforderliche Gleichspannung liefert. Es ist klar, dass die Höhe dieser Gleichspannung zwischen Null und einem Höchstwert schwankt, je nachdem, welche Lage die Messwerkspule im Wechselfeld einnimmt. Der Ausgang des Generators ist mit der zweiten der zusätzlich auf dem Rähm- chen angeordneten Spulen verbunden, so dass diese Spule von der vom Generator erzeugten Gleichspannung durchflossen wird. Der Motor 6 ist, wie angedeutet, wieder mit der Schreibeinrichtung verbunden und steht weiters mit dem äusseren Ende der Rückstellfeder 14 in Verbindung.
Eine Veränderung der darzustellenden Messgrösse Us., was eineÄnderung des die Messspule des Messwerkrähmchens durchfliessenden Stromes zur Folge hat, bewirkt eine Verdrehung des Rähmchen im Wechselfeld. Damit wird in der ersten zusätzlichen Spule dieses Rähmchens eine Wechselspannung induziert, die im Verstärker 12 verstärkt und dem Motor 6 zugeführt wird.
Der Motor verstellt damit die Schreibeinrichtung, verdreht das äussere Ende der Rückstellfeder im Sinne einer Rückstellung des Messwerkrähmchens und treibt überdies den Generator 15 an, welcher nunmehr in Abhängigkeit von der von der ersten Zusatzspule herrührenden Wechselspannung, die nach Verstärkung und Gleichrichtung als Erregerspannung für den Generator 15 dient, eine Gleichspannung liefert, die an die zweite Zusatzspule am Rähmchen gelegt wird und dort ein Magnetfeld ?'= erzeugt, welches die zusätzliche Rückstellkraft (in Verbindung mit dem vom Permanentmagneten des Messwerkes erzeugten Magnetfeld) bildet.
Die praktische Anordnung desServoantriebes in einem schreibenden Messgerät ist in Fig. 4 dargestellt.
Der Stellmotor 6 treibt über das Getriebe 8 die Seilscheibe 16 und damit den am Seil 17 befestigten Schreibstift 9 an, welcher die Messgrösse auf dem Schreibstreifen 10 zur Abbildung bringt. An der Seilscheibe 16 ist ein hinreichend grosses Drehmoment vorhanden, um über die Welle 18 die Spiralfeder 14 des Messwerkes 2 (in Fig. 1, 2 und 3 gezeichnet)'zu verdrehen, u. zw. so lange bis das Zeigerabgriffsystem die Verstärkerausgangsspannung zu Null steuert. Dabei wird der mechanische Aufbau in vorteilhafter Weise so vorgenommen, dass die einzelnen Baugruppen nach dem Baukastenprinzip aufgeteilt und zusammengestellt werden. Somit ist es mit wenigen Handgriffen möglich, z.
B. das Gehäuse 19, welches das Messwerk 2 und die Abtasteinrichtung 3, 4 bzw. 4a, l1a, llb enthält, aus seinerBefestigung zu lösen, wobei die Verbindung in einfacher Weise über die Steckkupplung 20 erfolgen kann. In gleicher Weise können die übrigen Baugruppen, z. B. der Stellmotor 6 und das Getriebe 8 über eine andere Steckkupplung 20 aus ihrer mechanischen Wirkverbindung gelöst werden.
Neben den beschriebenen Ausführungsbeispielen kann der Erfindungsgedanke mit jeder andern möglichen Schaltungsanordnung in Verbindung mit bekannten Zeigerabgriffeinrichtungen und Servomotoren verwirklicht werden, die zu der beschriebenen Rückführung führen.
In messtechnischer Hinsicht haben die hier beschriebenen Servoantriebe den Vorteil, dass das Messwerk nur in einem ganz bestimmten Punkt arbeitet und die Skalencharakteristik beispielsweise bei einem Drehspul-Messwerk nur durch die Charakteristik der Spiralfeder gegeben ist. Bei Verwendung von Wattmetern ergibt sich der weitere Vorteil, dass die Lage des beweglichen Systems im Abgleichpunkt so gewählt werden kann, dass Unsymmetriefehler und Wechselinduktionsfehler zu Null werden. Ein solches Wattmeter in Verbindung mit dem erfindungsgemässen Servoantrieb ermöglicht also die Erzielung einer hohen Messgenauigkeit.
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Servo drive for the display or writing element of electrical measuring devices
The invention relates to a servo drive for the display or writing element of electrical measuring devices, in which the movable measuring mechanism part is returned to its starting position by a torque exerted by the servomotor, in that the torque generated by the measured variable is compensated by rotating the straightening force spiral.
Such drives are known per se. But they are in several ways for special applications, u. with more or less major disadvantages with regard to their operational characteristics, such as setting accuracy, setting speed, expenditure on mechanical and electrical components, susceptibility to failure, etc.
So is z. B. a servo drive is known in which the servomotor actuates the writing element of the measuring device and at the same time rotates the outer end of the straightening force generating coil spring of the measuring unit depicting the measured variable until the measuring unit, which had deflected under the action of the measured variable, through the so increased or decreased straightening force is returned to its original position. A major disadvantage of this arrangement is that the setting time of the writing measuring device is longer or, at best, can be approximately equal to the setting time of the measuring mechanism used.
The setting time of a servo drive of the type described above can now be significantly shortened that according to the invention an additional spring, e.g. B. a spiral spring, or an additional frame winding through which a current dependent on the measured variable flows or a permanent magnetic restraint, in particular in the form of a piece of soft iron attached to the movable measuring mechanism part with a permanent magnet opposite this in the adjustment position, to generate an additional, on the moving measuring mechanism part acting torque is provided, which torque is opposite to the torque generated when the measured variable changes and has the value zero in the adjustment position.
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intended to generate an additional feedback force for the moving part of the measuring mechanism.
Another feature of the invention is that the servomotor is located in the branch of a bridge circuit which is fed from the output of a measurement variable amplifier, the further frame winding being connected to the diagonal of the bridge.
Another feature of the invention is to connect a capacitor in parallel to the bridge resistor adjacent to the motor.
Finally, according to the invention, the servomotor can be placed in the output of a measurement variable amplifier and coupled to a generator that is excited by the amplifier output, and the generator output can be connected to the further frame winding, so that the EMF generated by the generator acts as a feedback variable on the frame .
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While such feedback variables, which are known per se, are fed back directly into the amplifier input, the mode of operation of the subject matter of the invention is explained by the fact that the feedback current that is only effective during the calibration process is given to an additional frame winding of the measuring mechanism, thereby significantly increasing the setting torque of the measuring mechanism and thus significantly increasing the setting time shortened so that it can follow the quick adjustment by the servomotor. By linking the feedback variable with the speed or
Acceleration of the servomotor and the amplifier output voltage, the counter-torque increasing the setting torque becomes ineffective when the servomotor is at a standstill, so that the measuring mechanism has the original sensitivity and response sensitivity in the adjustment setting. It is irrelevant for the application of the new servo drive which type of known pointer taps are used and which type of servomotors are used.
The invention is described in more detail below with reference to some exemplary embodiments and shown in the drawing.
According to FIG. 1, the measuring mechanism 2 consists of the frame 2a, which carries a winding fed by the voltage Ust to be displayed and an additional winding 1 through which the differential current of the two photoresistors 3a, 3b flows. To generate the restoring force for the frame is the
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tow resistors with respect to the light source, not shown, covers. The current supplied by the battery and flowing through the additional winding 1 controls the amplifier 5, with which the servomotor 6 is coupled, which is coupled via the shaft 7, a coupling 8 and a gear with a threaded spindle, which drives the pen 9 or the like. over the registration strip 10 leads.
The pen or the like is coupled to the free end of the spiral spring 14 with the aid of a connection which is only indicated schematically and designated by 18. If the measuring mechanism 2 is now deflected by changing the input variable U, a differential current flows which, after possible amplification in the DC amplifier 5, moves the servomotor 6 in such a way that it moves the pen 9 or the like via the mechanical coupling 7 and the gear 8 by means of the connection 18 coupled with it, the directional force spiral 14 of the measuring mechanism 2 is adjusted in the direction of the arrow 21 until the measuring mechanism is rotated back into its starting position and thus the differential current returns to zero by the control flag 4 attached to the frame 2a, the photoresistors 3a, 3b covers that the differential current is zero.
The additional torque of winding 1 on the measuring mechanism is therefore only effective during the adjustment process.
Instead of the additional frame winding 1 through which the differential current of the photoresistors flows, an additional spiral spring (not shown) or a magnetic restraint can be attached to the measuring mechanism, so that an additional torque is only exerted on the moving system of the measuring mechanism if this is not at the calibration point stands. To mechanically generate an additional torque, a third spiral spring can be provided on the movable measuring mechanism part, which does not represent any conductive connection and which is arranged so that the torque exerted by it is zero in the calibration position.
The permanent magnetic restraint can be achieved by means of a piece of soft iron attached to the moving part of the measuring mechanism, to which a small permanent magnet is assigned opposite in the adjustment position.
In the arrangement according to FIG. 1, the sensitivity of the measuring mechanism for the end deflection is not changed, but the sensitivity of the system is reduced. In the further embodiment according to FIG. 2, the responsiveness of the system is also retained. Here, the known high-frequency tap is used to scan the position of the pointer 4a, in which a high-frequency generator and a downstream, unspecified direct current amplifier is controlled by immersing the flag 4b between two coils 11a, 11b located in coupling (denoted by 12). This amplifier feeds the servomotor 6.
As can be seen from the circuit diagram, the feedback variable is obtained in that the direct current motor 6 is located in the branch of a Wheatstone bridge that is fed from the amplifier output. The detuning of the bridge, which is dependent on the speed of the motor, supplies the speed-dependent component of the feedback, while the component dependent on the amplifier output results directly from the fact that the bridge is fed from the amplifier output.
The time-dependent element in the form of the capacitor 13, which is connected in parallel to the bridge resistor 22 adjacent to the motor, further improves the setting behavior in that the kinetic energy of the servomotor 6 counteracts the energy stored in the capacitor 13 when the adjustment point is reached. The feedback variable is transferred to another wrap located on the frame.
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ment 1 given. In this embodiment too, the rotation of the motor 6 adjusts the spiral 14 of the measuring mechanism 2 on the one hand and the pen 9 of the recorder on the other hand.
Another exemplary embodiment is shown in principle in FIG. The inductive tap, known per se, serves as a pointer tap. For this purpose, an alternating magnetic field is provided, which is generated with the aid of coils through which alternating current flows, not shown, in which the frame of the measuring mechanism, which carries two additional coils, is rotatably mounted depending on the size U st to be displayed. Depending on the position of the frame within the alternating field, an alternating voltage is induced in the first of the two additional coils and is fed to the amplifier 12. The voltage amplified by the amplifier 12 serves to supply the motor 6, which in this case is designed as a Ferrari motor and is coupled to a generator 15.
The excitation of this generator is brought about in that a rectifier device is provided in parallel with the motor 6, which rectifier supplies the direct voltage required to excite the generator. It is clear that the level of this direct voltage fluctuates between zero and a maximum value, depending on the position of the measuring mechanism coil in the alternating field. The output of the generator is connected to the second of the coils additionally arranged on the frame, so that the direct voltage generated by the generator flows through this coil. As indicated, the motor 6 is again connected to the writing device and is also connected to the outer end of the return spring 14.
A change in the measured variable Us to be displayed, which results in a change in the current flowing through the measuring coil of the measuring mechanism frame, causes the frame to rotate in the alternating field. This induces an alternating voltage in the first additional coil of this frame, which is amplified in the amplifier 12 and fed to the motor 6.
The motor thus adjusts the writing device, rotates the outer end of the return spring in the sense of a return of the measuring mechanism frame and also drives the generator 15, which now, depending on the alternating voltage originating from the first additional coil, is amplified and rectified as the excitation voltage for the generator 15 serves, supplies a DC voltage that is applied to the second additional coil on the frame and generates a magnetic field? '= Which forms the additional restoring force (in conjunction with the magnetic field generated by the permanent magnet of the measuring mechanism).
The practical arrangement of the servo drive in a writing measuring device is shown in FIG.
The servomotor 6 drives the pulley 16 via the gear 8 and thus the pen 9 attached to the cable 17, which displays the measured variable on the writing strip 10. A sufficiently large torque is present on the pulley 16 to 'rotate the spiral spring 14 of the measuring mechanism 2 (shown in FIGS. 1, 2 and 3) via the shaft 18, u. between until the pointer tap system controls the amplifier output voltage to zero. The mechanical construction is advantageously carried out in such a way that the individual assemblies are divided up and put together according to the modular principle. Thus it is possible in a few simple steps, e.g.
B. the housing 19, which contains the measuring mechanism 2 and the scanning device 3, 4 or 4a, 11a, 11b, from its attachment, the connection can be made in a simple manner via the plug-in coupling 20. In the same way, the other assemblies, such. B. the servomotor 6 and the gear 8 can be released from their mechanical operative connection via another plug-in coupling 20.
In addition to the exemplary embodiments described, the concept of the invention can be implemented with any other possible circuit arrangement in conjunction with known pointer tapping devices and servomotors, which lead to the described feedback.
From a metrological point of view, the servo drives described here have the advantage that the measuring mechanism only works in a very specific point and the scale characteristics, for example in a moving coil measuring mechanism, are only given by the characteristics of the spiral spring. When using wattmeters, there is the further advantage that the position of the movable system in the adjustment point can be selected so that asymmetry errors and alternating induction errors become zero. Such a wattmeter in connection with the servo drive according to the invention thus enables a high measurement accuracy to be achieved.
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