Selbstabgleichender Kompensator
Die Erfindung betrifft einen selbstabgleichenden Kompensator, welcher als Gleichstromverstärker oder als Messwertumformer für Messzwecke, vorzugsweise für Fernmesszwecke, geeignet ist.
Selbstabgleichende Kompensatoren enthalten ein richtkraftloses Messwerk, z. B. ein richtkraftloses Galvanometer oder ein Ferrarismesswerk, dem die zu messende Grösse zugeführt wird. Dieses Messwerk ist mit einer Abtastvorrichtung versehen, welche einen Verstärker steuert. Der Verstärker liefert einen Gleichstrom, welcher auf das Messwerk mechanisch oder elektrisch zurückwirkt und die Wirkung der Eingangsgrösse kompensiert. Je nach der Art, wie der Ausgangsstrom des Verstärkers auf das Eingangsmesswerk zurückwirkt, werden verschiedene Schaltungen unterschieden. Bei der Drehmomentkompensationsschaltung durchfliesst der Ausgangsstrom des Verstärkers ein zweites Messwerk, welches mit dem Eingangsmesswerk mechanisch verbunden ist und zu diesem ein Gegendrehmoment erzeugt.
Die Lindeck- Rothe-Schaltung und die Saugschaltung enthalten beide je ein einziges Messwerk, und zwar ein richtkraftloses Galvanometer, dem die Eingangsgrösse, die in diesem Falle eine Gleichspannung oder ein Gleichstrom ist, zugeführt wird und an welchem der Ausgang des Verstärkers elektrisch angeschlossen ist. Im stationären Zustand ist bei selbstabgleichenden Kompensatoren der Ausgangsstrom des Verstärkers zur Eingangsgrösse proportional und kann dabei praktisch ohne Rückwirkung auf die Eingangsgrösse Anzeigegeräte betätigen und über grosse Entfernungen geführt werden.
Bei den bekannten selbstabgleichenden Kompensatoren werden zwei Varianten unterschieden, und zwar eine, bei welcher der Nullpunkt des Ausgangsstromes des Verstärkers am Anfang des vom Ausgangsstrom überstreichbaren Bereiches liegt, und eine zweite, bei welcher sich dieser Nullpunkt in der Mitte des Bereiches befindet. Die erste Variante hat den Nachteil, dass der Ausgangsstrom des Verstärkers nie ganz Null ist, da ein Verstärker auch in gesperrtem Zustand einen minimalen Reststrom aufweist.
Bei einer Eingangsgrösse Null wird daher durch den Reststrom das Messwerk langsam in der betreffenden Richtung bis an einen vorhandenen Anschlag bewegt.
Erreicht nun die Messgrösse plötzlich einen von Null abweichenden Wert, so muss das Messwerk vom Anschlag zuerst in die dem Nullpunkt entsprechende Lage gebracht werden, um dann über diese hinaus sich bewegend eine dem Messwerk entsprechende Lage einzunehmen. Das hat eine Verzögerung des Kompensationsvorganges und eine beträchtliche Uber- schwingung des Messwerkes zur Folge, da dieses wäh- rend des Anlaufweges kinetische Energie sammelt.
Die zweite Variante weist diesen Nachteil nicht auf.
Bei Messungen von Messgrössen mit nur einer Pola rität wird jedoch durch die Mittellage des Nullpunktes der nutzbare Bereich in unwirtschaftlicher Weise eingeschränkt, da nur weniger als die Hälfte des vom Ausgangsstrom überstreichbaren Bereiches für den Messzweck verwendet werden kann.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen selbstabgleichenden Kompensator mit mindestens einem Messwerk, auf das neben der Messgrösse der ein Anzeigegerät betätigende Ausgangsstrom eines Ver stärkers einwirkt und dadurch gekennzeichnet ist, dal3 der Nullpunkt des Ausgangsstromes den von diesem Ausgangsstrom bestreichbaren Bereich in zwei ungleich grosse Teile teilt.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.
Es zeigen :
Fig. 1 ein Schaltschema eines selbstabgleichenden Kompensators in Drehmomentkompensationsschaltung,
Fig. 2 eine Ausführung der dazugehörigen Messwerke,
Fig. 3 bis 7 Diagramme zur Erläuterung der Funktion der erfindungsgemässen Einrichtung.
In der Fig. 1 wird den Eingangsklemmen 1 ein zu messender Gleichstrom i zugeführt, welcher die Spule 2 eines richtkraftlosen Messwerkes durchfliesst. Diese Spule ist mit einer nicht dargestellten Abtastvorrichtung, z. B. der Fahne eines Bolometers, verbunden, durch welche in bekannter Weise eine gegenläufige Veränderung des Widerstandswertes zweier Wider stände 3 und 4 verursacht wird. Die Widerstände 3, 4 sind mit Widerständen 5,6 und einem Potentiometer 7 zu einer Strombrücke geschaltet, an welche ein durch Transistoren 8 bis 11 und Widerstände 12 bis 19 gebildeter Gegentaktverstärker angeschlossen ist.
An den durch die Kollektoren der Transistoren 10 und 11 gebildeten Ausgang des Gegentaktverstärkers ist die Reihenschaltung einer Spule 20 eines weiteren richtkraftlosen Messwerkes, eines Anzeige- galvanometers 21 und eines Widerstandes 22, angeschlossen. Die beschriebene Schaltung ist mit den Polen +,-einer Gleichspannungsquelle verbunden.
In der Fig. 2 ist eine Ausführung der die Spulen 2 und 20 enthaltenden Messwerke dargestellt. Diese Spulen sind mit Hilfe von Rohrstücken 23 auf einem mit einer Achse 24 drehbaren Waagebalken 25 befestigt. Sie befinden sich im Magnetfeld je eines Dauermagneten 26 bzw. 27. Durch den Balken 25 sind die beiden Spulen 2 und 20 miteinander mechanisch verbunden, so dal3 das durch den Ausgangsstrom ii des Gegentaktverstärkers in der Spule 20 erzeugte Drehmoment dem durch den Strom i in der Spule 2 erzeugten Drehmoment entgegenwirkt und dieses kompensiert. Die Schwenkbewegung des Balkens 25 ist durch Anschläge 28 begrenzt.
In der Fig. 3 sind die Werte der Widerstände 17,18,19 und der Widerstandskombination 20 bis 22 in Abhängigkeit von einer Parametergrösse x angegeben, wobei I-, und 1-4-, die Absolut +s werte des grössten Ausgangsstromes des Verstärkers in beiden Richtungen sind. Liegt der Nullpunkt des Ausgangsstromes des Verstärkers am Anfang des vom Ausgangsstrom überstreichbaren Bereiches, ist der Sollwert I, = 0 und demzufolge x = 0. Liegt der Nullpunkt des Ausgangsstromes des Verstärkers in der Mitte des Bereiches, so sind die Absolutwerte von I¯s und I+, gleich, so dass x= 1 ist. Im Diagramm ist mit Rl7 bis Rs9 der Verlauf der Widerstandswerte der Widerstände 17 bis 19 bezeichnet.
R ist die Summe der Widerstände der Teile 20, 21,22 und der zugehörigen Leitung. Es ist daraus ersichtlich, dass bei x = 1 R17 = RI8 und Rl = 0 ist.
In allen anderen Fällen ist R, 7 immer grösser als die Summe von RI8 und R, 9. Die Werte der Widerstände 17 bis 19 können aus folgenden Formeln rechnerisch ermittelt werden :
EMI2.1
R18 Ri R19 = R (1x2) R18 (1X) wobei x = s U : Speisespannung lm : maximal zulässiger Strom des Transistors
10 bzw. 11
Um : minimale Spannung zwischen der Lei tung + und dem Kollektor von 10 bzw.
11 (welche auftritt, wenn der Kollektor strom den Wert l, l, hat)
R I-Um ''m
RA= (R29+R2l+R22+RLeitlmg)
In der Fig. 4 ist der Verlauf des Ausgangsstromes il bei einer bekannten Einrichtung mit einem Sollwert der Parametergrösse x = 0 in Abhängigkeit von der Winkellage des Waagebalkens 25 (Fig. 2) dargestellt. sol und 4 sind die den beiden Anschlägen 28 entsprechenden Ausschläge, zwischen cep2 und çs liegt der eigentliche Arbeitsbereich. Zwischen fl und 2 ist der Ausgangsstrom il praktisch gesperrt, bis auf einen minimalen Reststrom lt.
Zwischen/2 und W3 wird der Ausgangsstrom vom Wert I ; auf den Nenn endwert 1+ gesteuert. tuber hinaus wächst der Strom zunächst weiter an und erreicht den Sättigungs- wert l+5. Der bei dieser Einrichtung unvermeidliche Reststrom IR hat zur Folge, dass bei einem Messwert Null der Waagebalken 25 mit den beiden Spulen 2 und 20 langsam bis an den Anschlag bewegt wird.
Fig. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf des Ausgangsstromes il bei einer der Fig. 4 entsprechenden Einrichtung im Falle einer plötzlichen Anderung des Messwertes von 0 auf einen beliebigen, im Messbereich liegenden Wert. Zwischen t = 0 und t = to besteht eine Totzeit, während welcher der Verstärker nicht reagiert, da der Waagebalken 25 in Fig. 2 zuerst die Winkellagen zwischen q,,, und SP2 durchlaufen muss. Erst nachdem der Waagebalken 25 die Winkelstellung S erreicht hat, folgt ein Anstieg des Ausgangsstromes mit anschliessendem Überschwingen, bis bei t = tl der endgültige Wert des Ausgangsstromes il erreicht wird.
Die Totzeit und die infolge des grossen Uberschwingens erforderliche Beruhigungszeit sind ungünstig.
In der Fig. 6 ist der Verlauf des Ausgangsstromes einer erfindungsgemässen Einrichtung mit einer Parametergrösse x = 0,1 dargestellt. Der kleinste Wert des Ausgangsstromes il ist in diesem Fall nicht ein Reststrom IR, sondern ein negativer Sättigungsstrom 1¯5-Der Waagebalken 25 wird bei dieser Einrichtung beim Messwert Null nicht gegen den Anschlag bei (p, bewegt, sondern verharrt in der Stellung cep2, da der im Bereich zwischen den Stellungen çl und q-, fliessende negative Ausgangsstrom eine Bewegung des Waagebalkens 25 mit den Spulen 2 und 20 in der Richtung zur Stellung t2 bewirkt.
Da sich der Waagebalken bei einem Messwert Null jederzeit in der richtigen Ausgangslage befindet, entfällt bei einer plötzlichen Änderung des Messwertes die in der Fig. 5 in Erscheinung tretende Totzeit und das mit dieser zusammenhängende Uberschwingen. Der entsprechende zeitliche Verlauf des Ausgangsstromes il ist in der Fig. 7 dargestellt. Wie aus dieser Fig. 7 ersichtlich ist, reagiert der erfindungsgemässe selbstabgleichende Kompensator in der Nullage viel schneller und genauer auf Anderungen des Messwertes als die bekannten Einrichtungen, bei denen sich der Nullpunkt des Ausgangsstromes am Anfang des über- streichbaren Bereiches befindet.
Durch die Verlegung des Nullpunktes ist bei der erfindungsgemässen Einrichtung eine geringfügige Verschiebung des Messbereiches verursacht, welche sich, wie aus einem Vergleich zwischen den Fig. 5 und 6 ersichtlich ist, bei Messungen von Messwerten mit nur einer Pola rität praktisch nicht auf den verfügbaren Messbereich auswirkt. Das ist wieder ein bedeutender Vorteil gegenüber den bekannten Einrichtungen, bei denen sich der Nullpunkt in der Mitte des vom Ausgangsstrom überstreichbaren Bereiches befindet.
Ausserdem hat die erfindungsgemässe Einrichtung bei einer Messgrösse, welche verschiedene Polaritäten mit ungleichen Nennendwerten für jede Polarität annehmen kann, den Vorteil, dass der vom Ausgangsstrom überstreichbare Bereich besser diesen Nennendwerten angepasst werden kann. In einem solchen Fall wird der Parameter x nicht wie beim beschrie- benen Beispiel, das sich auf Messgrössen mit nur einer Polarität bezieht, in der Gegend von 0,1 gewählt, sondern kann einen beliebigen, vorteilhaften Wert annehmen. Bei der bekannten Einrichtung, bei welcher der Nullpunkt in der Mitte des vom Ausgangsstrom überstreichbaren Bereiches liegt, wäre je nach der Grösse der ungleichen Nennendwerte der Bereich der einen oder der anderen Polarität und damit auch die ganze Einrichtung schlecht ausgenutzt.
Selbstverständlich ist die Anwendung des Erfindungsgedankens nicht auf den beschriebenen Verstärker und die Drehmomentkompensationsschaltung beschränkt. Bei der Lindeck-Rothe-Schaltung und bei der Saugschaltung wird die Spule 20 in Fig. 1 durch einen Widerstand ersetzt, und der über diesem entstandene Spannungsabfall wird zusammen mit der Eingangsgrösse je nach der Schaltung in an sich bekannter Weise einem einzigen Messwerk zugeführt.