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Präzisionspotentiometer
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Zusammenfassung Es wird ein Präzisionspotentiometer vorgeschlagen,
das bei vereinfachtem Aufbau eine noch größere Präzision zu erreichen gestattet
als bei bisher üblichen Systemen. Das Präzisionspotentiometer umfaßt ein einziges
tragendes Gehäuseteil, nämlich einen Trägerflansch, an welchem sämtliche das Potentiometer.bildenden
Baukomponenten gelagert und befestigt sind, nämlich die Widerstandsbahn-Trägerplatte,
die in zwei axial zueinander getrennten Lagern gehaltene Drehwelle des Potentiometers
sowie der Schleiferbereich. Die Trägerplatte für die Widerstandsbahn oder Piste
ist endseitig und bei fehlender Abdeckung nach außen offen am Trägerflansch befestigt;
auf dieser
Seite befindet sich auch, ebenfalls von außen zugänglich,
der Schleiferbereich, der drehfest mit der einem äußeren Drehantrieb zugänglichen
Welle verbunden ist.
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Von Bedeutung ist, daß die Trägerplatte für die Pisten eine zweite
Piste umfaßt, die zusammen mit einem auf ihr gleitenden Schleifer, der elektrisch
leitend mit dem Schleifer für die Widerstandsbahn verbunden ist, den Abgriff oder
Kollektor des Systems bildet. Bevorzugt sind die beiden Schleifer, nämlich für die
Widerstandsbahn und für die Kollektorbahn oder -piste auf dem gleichen Trägerarm
in einer zueinander angrenzenden Position befestigt und rühren dsa gleiche Drehbewegung
aus. Die Kollektorbahn oder -piste ist so ausgebildet, daß sie für samtliche Winkelpositionen
den gleichen Widerstandswert, nämlich praktisch den Widerstand Null für den Schleifer
bietet und elektrisch mit einem nach außen führenden Anschluß verbunden ist.
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Stand der Technik und Aufgabe Die Erfindung geht aus von einem Potentiometer
entsprechend der Gattung des Hauptanspruchs. Potentiometer, insbesondere Präzisionspotentiometer
sind in vielfacher Form bekannt; sie bestehen üblicherweise aus zwei getrennten
Gehäusehälften, die zum endgültigen Zusammenbau aneinander gefügt werden, wozu die
einander zugewandten Gehäuserandbereiche einen Einpaß bilden.
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Dies ist notwendig, da jeder in etwa topfförmig ausgebildete Gehäuseteil
ein Lager für die Drehwelle des Systems aufweist und bei Präzisionspotentiometern
grundsätzlich mit zwei Lagern gearbeitet werden muß, um den gewünschten Genauigkeitsgrad
zu erreichen und eine, wenn auch nur geringfügige Verkantung der Antriebswelle zu
vermeiden.
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Im Gehäuseinneren und nach dem Zusammenbau von den Gehäusehälften
abgedeckt befindet sich dann die Trägerplatte für die Widerstandsbahn oder Widerstandsbahnen;
der letztere Fall trifft zu, wenn es sich um ein Mehrfachpotentiometer handelt.
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Auf den Widerstandsbahnen gleiten Schleifer bekannter Anordnung, die
bevorzugt aus einer Vielzahl einzelner Schleiferfinger im Gleitbereich bestehen.
Die Schleifer sind von einem Trägerarm gehalten, der mit der Drehwelle verbunden
ist; in elektrisch leitender Verbindung mit dem Schleifer, beispielsweise mit seinem
Trägerarm befindet sich ein Kollektorsystem, welches üblicherweise aus einer Kollektorgabel
aus gut leitendem Material bestehen kann, die auf inneren Teilen des Schleifersystems
gleitet und elektrisch leitend mit einem äußeren Gehäuseanschluß verbunden ist.
Diese Kollektorgabel ist stationär im Gehäuse angeordnet und kann sich oberhalb
der einzelnen Schleifer und deren Trägerarme befinden, damit der Durchlauf der Schleifer
bei einer 3600-Drehung nicht beeinträchtigt wird. Die Widerstandsbahn ist an einer
Stelle in üblicher Weise unterbrochen; an diesen Stellen erfolgt die Zuführung der
am Widerstand des Potentiometers anzulegenden äußeren Spannungspotentiale.
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Ein solches Präzisionspotentiometer verfügt über einige Nachteile,
denn die beiden Gehäusehälften oder -schalen müssen mit erheblicher Präzision gefertigt
und aus einem geeigneten Werkstoff hergestellt werden, damit der Einpaß so genau
ausgebildet werden kann, daß die beiden die Welle tragenden Lager miteinander fluchten
uld keine Verkantungen aufweisen. Es ist daher ein erheblicher Bauaufwand mit entsprechend
engen Toleranzen erforderlich, damit die gewünschte Genauigkeit erzielt werden kann.
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Ein weiterer und sehr erheblicher Nachteil bei solchen bekannten Präzisionspotentiometern
ergibt sich aus der Notwendigkeit, die Widerstandsbahn oder Piste, wie sie im folgenden
auch bezeichnet wird, zu linearisieren. Hierzu geht man üblicherweise so vor, daß
bei den bekannten Potentiometern die Pistenträgerplatte eingespannt und an ein elektrisches
Potential gelegt wird; man setzt dann auf die Piste einen fremden Hilfsschleifer
auf und erfaßt elektronisch den bei Durchlauf des Hilfsschleifers sich ergebenden
Spannungsanstieg. Irgend welche Nichtlinearitäten im Spannungsanstieg werden zur
Linearisierung der Piste ausgewertet. Diese Linearisierung erfolgt so, daß Teile
des Pistenmaterials, welches üblicherweise eine geeignete Leitplastik ist, weggefräst
oder weggeschabt werden, bis die Piste bei Durchlauf des Schleifers einen absolut
zur Schleiferbewegung proportionalen Spannungsanstieg sicherstellt.
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Der tatsächliche Linearisierungsvorgang kann sich so abspielen, daß
man einen feinen Frässtichel oder eine Fräserspitze genau dort mit dem Pistenmaterial
in Wirkverbindung bringt, wo sich der Hilfsschleifer befindet; bei einem Durchdrehen
des Hilfsschleifers bewegt sich der Fräser parallel zum Schleifer und nimmt mehr
oder weniger große Teile des Leitplastikmaterials der Piste weg. Ein solcher Linearisierungsschritt
verliert aber an Wert, wenn er wie bei den bekannten Präzisionspotentiometern mit
einem fremden Hilfsschleifer und im nicht eingebauten Zustand der Widerstandsbahn-Trägerplatte
durchgeführt werden muß, also in einem Zustand, der nicht auf das Zusammenwirken
sämtlicher, das fertige Potentiometer bildender Teile abgestimmt ist. Es ergeben
sich Exzentrizitätsfehler und Mikro-Linearitätsschwankungen infolge der unterschiedlichen
die Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Potentiometer mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß
sich
ein wesentlich geringerer Bauaufwand ergibt, denn beide Lager für die Potentiometerwelle
sind in einem gemeinsamen Gehäuseteil oder Trägerflansch angeordnet. Dadurch ist
ein absolut fluchtender und einwandfreier Sitz der Lager zueinander und anschließend
der Potentiomterwelle sichergestellt, denn die Lagersitze können in einer Ausdrehung
bzw. bei einer Einspannung des Lagerflansches in einem Arbeitsgang hergestellt werden,
so daß Fluchtfehler von Anfang an ausgeschlossen sind. Das gleiche trifft für die
Position der Trägerplatte mit Bezug auf die Welle zu, denn auch die Lagerausnehmung
für die Trägerplatte kann in dieser einen Einspannung hergestellt werden.
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Von besonderem Vorteil ist bei vorliegender Erfindung aber weiterhin,
daß es möglich ist, den Linearisierungsvorgang bei vollkommen endmontiertem Potentiometer
- lediglich mit abgenommener Abdeckung oder Schraubkappe - vorzunehmen, also bei
fertigmontiertem Schleiferbereich und - gerade dies ist wesentlich - unter Verwendung
des potentiometereigenen Schleifers. Dies ist deshalb möglich, weil einmal im endmontierten
Zustand die Trägerplatte für die Pisten endseitig am Trägerflansch angeordnet ist,
außerdem benötigt das erfindungsgemäße Potentiometer er auch keine Kollektorgabel
mehr, weil eine zusätzliche Kollektorpiste mit eigenem Schleifer den Potentiometerabgriff
bildet. Bei den bekannten Präzisionspotentiometern konnte der Linearisierungsschritt
deshalb nicht bei endmontiertem Potentiometer vorgenommen werden, weil die Kollektorgabel
als stationärer Bauteil der Bewegung des Fräsers im Wege stand und bei einem vollständigen
Durchlauf mit abgefräst worden wäre. Bei der erfindungsgemäßen Potentiometerausbildung
ist eine Kollektorgabel nicht mehr vorhanden, daher kann der Fräser frei auf die
Piste abgesenkt und die Linearisierung im vollen Durchlauf unter Verwendung des
eigenen
Schleiferabgriffs und der von ihm gelieferten elektrischen
Signale durchgeführt werden.
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Zusammengefaßt sichert daher die vorlFegende Erfindung eine höhere
Präzision des Potentiometers bei gleichzeitig vereinfachtem Aufbau.
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Durch die in den Unteransprüchen AufgeEUhrtan Maßnahmen sind weitere
vorteilhafte Verbesserungen und Ausgestaltungen der im Hauptanspruch angegebenen
Erfindung möglich. Besonders vorteilhaft ist, daß die Höhe des Trägerflansches etwa
der Höhe eines üblichen PrAzisionspotentl¢meters entspricht, so daß der Lagerabstand
bei endseitiger Positionierung der beiden Wellenlager in dem einen und bevorzugt
einstückigen Flansch in etwa dem Lagerabstand entspricht, der von bekannten Prazisionspotentiometern
ebenfalls erreicht wird.
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Vorteilhaft ist auch, daß die Piste für den Kollektorbereich so ausgebildet
ist, daß sie zwar aus dem gleichen Widerstandsmaterial oder Leitplastikmaterial
besteht, aber jeder Punkt der Piste den gleichen Widerstand, praktisch Widerstandswert
Null zum externen Anschluß aufweist, und zwar deshalb, weil die Leitplastik-Kollektorpiste
mit einem Ring aus Leitsilber an jeder Stelle in elektrisch leitender Verbindung
steht.
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Zeichnunq Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 einen Schnitt durch eine Ausführungsform eines Präzisionspotentiometers mit
aufgesetzter Abdeckung oder Staubkappe, Fig. 2 eine Draufsicht auf den Pistenbereich
mit Schleifersystemen, Fig. 3 in verkleinerter Darstellung
schematisch
die elektrischen Zusammenhänge des Potentiometers, Fig. 4 eine Draufsicht auf die
Trägerplatte für-die Pisten und Fig. 5 eine Schnittdarstellung durch die Trägerplatte.
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Beschreibung der Erfindungsbeispiele Der Grundgedanke vorliegender
Erfindung besteht darin, sämtliche wesentlichen Baukomponenten eines Präzisionspotentiometers
in einem einzigen Lagerflensch einseitig so zu lagern, daß der Pisten- und der Schleiferbereich
endseitig zugänglich sind, wenn man eine Abdeckung oder Staubkappe auf dieser Seite
entfernt. Es lassen sich dann Wellenbohrung, Kugellagersitze und Aufnahmeflansch
für die Trägerplatte der Pisten in einer Aufspannung bearbeiten, so daß sich geringste
mechanische Toleranzen und Exzentrizitäten ergeben.
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Infolge des ebenfalls zum Grundgedanken vorliegender Erfindung gehörenden
Wegfalls der Rückführkollektor-Schleifergabel ist eine Linearisierung in diesem
einseitigen Gehäuse oder Trägerflansch mit eigenem Schleifer möglich, so daß sich
höchste Linearität und beste Glätte der Ausgangsspannung ergibt. Außerdem werden
so alle Exzentrizitäten und die bei unterschiedlichen Schleifern stets auftretenden
Mikro-Linearitätsschwankungen korrigiert und vtErmieden.
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Die Grundform des einen und bevorzugt einstückigen Trägerflansches
1 ist dann, wie in Fig. 1 gezeigt, etwa topfförmig mit einer äußeren zylindrischen
Wandung 2 und einem zentralen Nabenbereich 3, der die Wellenbohrung und die Kugellagersitze
aufweist.
Die äußere Wandung 2 bildet mit ihrer oberen Randkante eine innere Ringschulter
4, in welcher die scheibenförmige Trägerplatte 5 für die Widerstandsbahnen oder
Pisten 6 und 7 gelagert und bevorzugt eingeklebt ist.
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Der innere Nabenbereich 3 springt hülsenförmig etwa bis zur Höhe der
Randkante der äußeren Wandung 2 vor und bildet nach außen bei 8 eine ringförmige
Sitz- oder Anschlagfläche für die Innenbohrung der Pistenträgerplatte 5. Etwa gegenüberliegend
ist in der inneren zylindrischen Bohrung der Nabe 3 ein erstes Lager 9, beispielsweise
ein Wälz- oder Kugellager für die zentrale Potentiometerwelle 10 gelagert. Nach
oben in der Zeichenebene stützt sich das Kugellager 9 gegen einen Sicherungsring
11 ab und ist im übrigen nach außen noch mit einer Scheibe 12 abgedeckt. Gehalten
wird das Lager 9 von einem Sicherungsring 13, der in einer Ringnut der Welle 10
sitzt, wodurch sich gleichzeitig ein Anschlag für die Welle 10 ergibt, wenn diese
von unten in die zentrale Bohrung der Nabe 3 eingeschoben wird. Die Welle 10 trägt
dann ihrerseits in Anlage an einen weiteren Sicherungsring 14 das zweite Lager 15,
welches ebenfalls bevorzugt als Kugellager ausgebildet ist. Zur Sicherung der Lager
und der Welle gegen ein Herausfallen verfügt die zentrale Bohrung 16 im Nabenbereich
nahe der unteren Abschlußwand über ein Gewinde 17, in welches eine ringförmige Sicherungsmutter
18 eingeschraubt ist. Die Sicherungsmutter 18 drückt mit einem nach oben bzw. innen
vorspringenden Wulst 19 gegen den äußeren Lagerring des Kugellagers15 und sichert
dieses Kugellager sowie die Gesamtheit aus Sicherungsringen, Welle und dem anderen
Kugellager gegen ein Herausfallen. Die Welle 10 ist so in größtmöglichem Abstand
innerhalb des einen topfförmigen Gehäuses oder Trägerflansches 1 fluchtungsfrei
mit hoher Präzision gelagert. Die Sicherungsmutter 18 schließt bündig mit der unteren
Gehäusekante ab und kann für das Einschrauben über
zwei Sackbohrungen
20a, 20b verfügen, in welche das Werkzeug mit zwei Zapfen eingreift.
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Der Aufbau des Potentiometers vervollstän.ligt sich, wenn auf den
oben herausstehenden Wellenstummel 10a das Schleifersystem aufgeschoben worden ist.
Dieses Schleifersystem umfaßt, wie die Darstellung der Fig. 2 genauer zeigt, einen
sich mit Bezug auf die Pisten in etwa rechtwinklig erstreckenden Träg-erarm 21,
der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Schleifer 22, 23 trägt und elektrisch
miteinander verbindet, wobei diese Schleifer 22 und 23 wieder aus einzelnen, elastisch
gegeneinander bewegbaren Schleiferfingern bestehen können. Der Trägerarm 21 verfügt
über einen einstückig mit ihm verbundenen, etwa ringförmigen Halteteil 21a, mit
welchem er auf einer Nabe 24 sitzt, die über eine untere flanschartige Verbreiterung
25 verfügt und mit einem oberen Hülsenteil 26 das Halteteil 21a des Trägerarms 21
aufnimmt. Zur Sicherung gegen ein Verrutschen kann auf das Halteteil 21a noch ein
ringförmiges Federelement 27 und ein mit der Nabe 24 formschlüssig verbundener Sicherungsring
aufgelegt sein. Das Ganze wird dann auf den ellenstummel 1Oa von oben in der Zeichenebene
gesehen aufgeschoben und auf den verjüngten Nabenbereich 26 wird ein Sprengring
28 aufgedrückt, so daß die aus einem Kunststoff bestehende Nabe 24 fest und unverrückbar
mit dem Wellenstummel 10a verbunden ist. Durch die vergleichsweise lange Innenbohrung
der Nabe 24 ergibt sich ein verkantungsfreier und sicherer Sitz.
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Vor dieser Endmontage, und zwar vor dem Einfügen der Pistenträgerplatte
5 in ihren durch die Ringschulter 4 gebildeten Sitz sind noch die diversen Zuleitungen
29 zu den äußeren Anschlußnippeln 30, 30a, 30b, 30c, die an einer Seitenwand des
Trerflansches 2 befestigt sind, vorgenommen worden.
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In dieser Position ist das erfindungsgemäße Präzisionspotentiometer
praktisch vollständig fertiginontiert und.für den sich hieran anschließenden Linearisis-ungsschritt
vorbereitet. Bevor hierauf aber eingegangen wiazs wird im folgenden zunächst noch
eine Besonderheit im Schleiferbereich genauer erläutert.
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Es ist weiter vorn schon darauf hingewiesen worden, daß bei konventionellen
Präzisionspotentiomete@n die Linearisierung nicht im endmontierten Zustand voenommen
werden kann, und zwar wegen der störenden Kollektorgabel. Bei dem in Fig. 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel ist eine äußere Widerstandsbahn oder Piste 6 vorgesehen, die
@u@ mit den beiden äußeren Anschlüssen 30a und 300 isXehe auch Fig. 3) zur Zuführung
der an dem Potentiometerwiderstand anzulegenden Potentiale verbunden ist. Für den
SJgrlff, der von dem Potentiometeranschluß 30b gebildet ist, ist nun eine zusätzliche
Piste 7 vorgesehen, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Innenring
mit etwa dem halben Durchmesser der echten Widerstandsbahn 6 ausgebildet ist. Es
versteht sich, daß hier auch andere Anordnungen, beispielsweise als Außenring oder
gegebenenfalls konzentris zur Widerstandsbahn 6, möglich sind. Diese Kollektorpiste
7 führt, da sie über den Schleifer 23 und den Trägerarm 21 elektrisch leitend mit
dem jeweils vom Schleifer 22 abgetasteten Punkt der Widerstandsbahn 6 in Verbindung
steht, jederzeit dieses abgetastete Potential und führt dieses dem Außenanschluß
30b zu. Wesentlich ist, daß als Schleifer 23 und auch als Gleitbahn oder Piste 7
für den Rückführkollektor der gleiche Schleifer und das gleiche Bahnmaterial in
Leitplastik wie auf der Widerstandsbahn vorgesehen sind, was höchste Lebensdauer
und Schwingungssicherheit bedeutet. Außerdem vermeidet man so Korrosionsprobleme,
da die bei Metallen auftretenden Thermospannungen und die elektrolytische Korrosion
bei der Leitplastik-Bahn nicht auftreten können.
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Damit die Forderung der Übertragung unverfälscht abgegriffener Potentiale
von der Widerstandsbahn durch den Kollektorbereich erfüllt wird, verfügt der Innenring
im Leitplastik über eine von seinem eigenen Material abgedeckte und beim Ausführungsbeispiel
äußere Ringfläche 31 aus Leitsilber, wie dies in Fig. 2 und Fig. 4 durch die gestrichelte
Trennlinie 31a dargestellt ist. Die Tiefe der Leitsilberringschicht 31 ist in Fig.
1 zum besseren Verständnis übertrieben dargestellt.
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Beim Aufbau dieses Rückführkollektor-Innenrings sind folgende wesentliche
Maßnahmen zu berücksichtigen. Dort, wo der Schleifer 23 des Rückführkollektors auf
der Piste 7 gleitet, ist diese auf der einwandfrei flachen, ebenen und glatten,
von der Trägerplatte 5 gebildeten Unterlage aufgebracht, so daß die Leitplastik-Piste
7 im Schleiferbereich ebenfalls so glatt und störungsfrei wie nur möglich ist, hauptsächlich
um Schwingungen des Schleifers 23 und dessen frühe Zerstörung zu vermeiden. Die
Ringsohicht 31 aus Leitsilber befindet sich als innerer Außenring im Bereich der
Piste 7 und ist von deren Leitplastikschicht noch überdeckt. Der Grund hierfür ist
folgender. Würde die Leitsilberschicht, die vergleichsweise weich ist, unter der
Leitplastik-Pistenschicht des Innenrings 7 angeordnet sein, dann ergäbe sich für
diese Schicht eine im Mikrobereich zu große Holprigkeit und Unebenheit. Durch die
Auftrennung der Innenringpiste 7 für den Rückführkollektor in eine Gleitbahn für
den Schleifer 23 und in einen elektrisch leitenden Verbindungsringbereich zwischen
dieser Piste 7 und der Leitsilberringschicht (hier können aber auch andere Metalle
oder Materialien verwendet werden, wie überhaupt die tlaterialangaben nur bevorzugte
Ausführungsbeispiele sind) erzielt man eine einwandfreie Abgriffspotentialübertragung
und den störungsfreien Betrieb des Rückführkollektorschleifers analog zu den Gegebenheiten
der Widerstandsbahn 6 mit Schleifer 22. Der praktisch widerstandsfreie Leitsilberring
31 kann dann an beliebiger
Stelle mit einer elektrischen Zuleitung
zur äußeren Anschlußklemme 30b verbunden werden.
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Der Gesamtaufbau des Potentiometers vervollständigt sich dann noch
durch eine über den Pisten/Schleiferbereich zu stülpende Abdeckung oder Staubkappe
33¢ die über einen äußeren Rinqflansch 34 des oberen Wandbereichs 2 des Trägerflansches
1 zum Einschnappen gebracht werden kann; hierfür verfügt lie Staubkappe 33 über
eine innere ringförmige Ausnehmung 35.
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Zur Linearisierung der äußeren Widerstandsbahn 6 wird das in Fig.
2 gezeigte und bis auf die Staubkappe 33 endmontierte Potentiometer mit seinem Trägergehäuse
1 eingespannt und die Anschlüsse 30a und 30c mit einem entsprechenden äußeren Meßpotential
versorgt. Nach vorbereitenden Meßschritten, die der genauen Positionierung des Schleifers
22 dienen, fährt dann unmittelbar neben dem eigenen Schleifer 22 des Potentlameters
der Frässtichel nieder und das Gehäuse 1 mit Widerstandspiste 6 wird unter dem stationär
festgehaltenen Schleifer 22 weggedreht, so daß sich am Abgriff 30b die gewünschte
linear ansteigende Spannung ergibt. Jede Abweichung vom erwünschten linearen Verlauf
wird sofort durch entsprechenden Eingriff des Fräsers an dieser abgetasteten Stelle
korrigiert, so daß sich in der Piste 6 an deren äußeren, nicht vom Schleifer 22
bei seinem Durchlauf überdeckten Bereich eine Frässpur ergibt, die beispielsweise
den in Fig. 2 bei 36 gezeigten Verlauf haben kann. Es ist erkennbar möglich, den
Fräser vom Pistenbeginn bei 37 bis zum Ende der Widerstandspiste 38 infolge Drehung
des Trägerflansches 1 durchlaufen zu lassen, ohne daß es durch Baukomponenten des
Potentiometers zu störenden Beeinträchtigungen kommt.
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