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Toleranzmeßbrücke Ein Bauelement der Elektrotechnik, das in größten
Mengen gefertigt wird, sind Spulen verschiedenster Art, wie Widerstandsspulen, Relaisspulen,
Induktionsspulen u. dgl. Diese Massenfertigung macht geeignete Meß- und Prüfgeräte
erforderlich, die von ungeschulten Kräften bedient werden können und dabei ein möglichst
rasches Messen ermöglichen, das nicht die Vorteile einer Massenfertigung wieder
illusorisch macht.
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Bei der Messung von Widerständen wird nach wie vor als geeignetstes
Meßgerät die Wheatstonesche Brücke verwendet, für die Durchführung von Messungen
großer Stückzahlen jedoch zweckmäßig in einer Abwandlung als sogenannte Toleranzmeßbrücke.
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Die Widerstandswerte der zu fertigenden Spulen liegen in der Regel
von vornherein fest, ebenso die zulässigen Toleranzen der Widerstände, die bei der
Fertigung eingehalten werden müssen. Es kommt daher bei der Prüfung von Spulen nicht
darauf an, die absoluten Widerstandswerte derselben zu ermitteln, was nur durch
einen zeitraubenden Brückenabgleich ermöglicht werden kann, sondern darauf, festzustellen,
ob der Widerstand innerhalb der gegebenen Toleranzgrenzen liegt. Wichtig ist dabei
vor allem, daß die Toleranzgrenze gut erkennbar ist, d. h., es muß ein scharfer
Übergang von »gut« nach »Ausschuß« an der Toleranzgrenze verlangt werden. Bei den
bekannten Widerstandsmeßbrücken werden die Toleranzbereiche meist durch bestimmte
Zeigerausschläge des Meßinstrumentes gekennzeichnet, d. h., die im Nullzweig vorhandene
Stromstärke ist ein Maß für die Widerstandsabweichung vom Sollwert.
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Der Nachteil einer solchen Toleranzanzeige besteht vor allem darin,
daß verschiedene Toleranzen durch Anwendung verschiedener Meßspannungen oder durch
Bildung
von Nebenschlüssen zum Instrument hergestellt werden müssen, wobei jeweils an den
Toleranzgrenzen eine andere Meßempfindlichkeit auftritt.
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Die Meßempfindlichkeit ist auch vom Meßbereich abhängig und stimmt
nur über einen kleinen Meßbereich. Infolgedessen können derartige Toleranzmeßbrücken
als Prüfgerät für die Massenfertigung den hierbei zu stellenden Anforderungen nicht
in dem gewünschten Maße gerecht werden.
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Es ist auch bereits - eine Prüfeinrichtung für elektrische Schaltelemente
mit vorgeschriebener Toleranz bekannt, die den Toleranzbereich durch Messung des
unteren und des oberen Toleranzwertes eingrenzt und zu diesem Zwecke zwei entsprechend
abgestimmte Meßbrücken vorsieht, auf die abwechselnd bei der Durchführung der beiden
Messungen umgeschaltet wird. Obwohl diese Prüfeinrichtung vorwiegend für Massenprüfungen
insbesondere von Widerständen gedacht ist, weist sie einige Nachteile auf, die vor
allem derin der modernen Betriebsmeßtechnik angestrebten Automatisierung. der Einstell-
und Meßvorgänge entgegenstehen. Eine solche läßt sich wirtschaftlich nur durchführen,
wenn möglichst wenige veränderliche Steuerelemente vorhanden sind. Zur Erfassung
eines großen Meßbereiches mit einer einzigen Meßanordnung sind jedoch, insbesondere
zur Einstellung. der Vergleichswiderstände, viele Steuerelemente, wie Schalter oder
Relais, notwendig. Aus diesem Grunde ist die Verwendung zweier Brücken zur Prüfung
der beiden Grenzwerte mit ihrer gesonderten Einstellung der Widerstandsgrundwerte
und der Toleranzabweichung im Hinblick auf eine Automatisierung unzweckmäßig.
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Weiter ist ein Toleranzmeßgerät bekannt, das zwei Widerstände, von
4enen wahlweise einer als Vergleichswiderstand zugeschaltet werden kann, enthält.
Der eine ist auf die obere und der andere auf die untere Toleranzgrenze eingestellt.
Bei Einstellung auf einen anderen Sollwert müssen beide Vergleichswiderstände verändert
werden, der eine nach oben und der andere nach unten. Dabei muß die Differenz der
beiden Widerstände im gleichen Verhältnis zum Sollwiderstand bleiben, wenn die zulässige
Toleranz gleichbleiben soll. Bei Veränderung der Toleranzgrenze müssen ebenfalls
beide Widerstände verändert werden, und zwar nicht nur in Abhängigkeit von dem gewünschten
Prozentwert, sondern auch von dem Sollwert, der gerade eingestellt ist. Bei Prüfgeräten
für die Massenfertigung ist es jedoch erforderlich, daß die Umschaltung auf andere
Betriebszustände möglichst einfach ist. Eine komplizierte Einstellung würde nämlich
die Bedienung durch ungeschulte Kräfte unmöglich und bei automatischer Umschaltung
die Anlage kompliziert und aufwendig machen.
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Für Präzisionsmessungen sind Brücken bekannt, bei denen zum Interpolieren
kleine Zusatzwiderstände vorgesehen sind, welche zwei benachbarten Brückenzweigen
wahlweise zugeschaltet werden konnen.- Der Vergleichswiderstand bleibt bei der Interpolation
konstant. Diese Messungen können nur von technisch geschultem Personal ausgeführt
werden, weil der zu messende Widerstand erst dadurch eine Rechenoperation, in der
mehrere Parameter und zwei Galvanometerausschläge als Variable zu berücksichtigen
sind, ermittelt werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst einfache
Toleranzmeßbrücke zu schaffen, die allen betrieblichen Anforderungen entspricht
und sich für Massenprüfungen besonders gut eignet. - Dabei soll, wie bei den bekannten
Anordnungen, die Prüfung jeweils nur auf Unter- bzw. Überschreitung der unteren
und oberen Toleranzgrenze erfolgen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer
Toleranzmeßbrücke in Gestalt einer Wheatstoneschen Brücke, die mit dem gleichen
Vergleichswiderstand unter Änderung des Brückenverhähnisses in den Brückenzweigen,
die den Prüfling und den Vergleichswiderstand nicht enthalten, eine Anzeige sowohl
für die obere als auch die untere Toleranzgrenze liefert, dadurch gelöst, daß für
die Feststellung des oberen und unteren Grenzwertes ein Zusatzwiderstand c vorgesehen
ist, der wahlweise den Widerständen b, d zweier benachbarter Brückenzweige zuschaltbar
ist, und daß für die Einstellung der veränderbaren Brückenelemente a, c eine Schablonensteuerung
vorgesehen ist.
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Wählt man als Vergleichswiderstand für den zu prüfenden Widerstand,
dessen Sollwert bekannt ist, einen Widerstandswert gleich dem geometrischen Mittel
aus den beiden zulässigen Grenzwerten des Prüflings und macht man die beiden Widerstände,
denen der Zusatzwiderstand wahlweise zugeschaltet werden kann, einander gleich,
so ist der für den Zusatzwiderstand zu wählende Widerstandswert ausschließlich von
der jeweils zulässigen Toleranz in Prozent abhängig. Dadurch, daß bei der Anordnung
gemäß der Erfindung die Toleranz von der Stromstärke unabhängig ist, wird der Vorteil
erzielt, daß für alle Toleranzen die gleiche Randempfindlichkeit besteht, die nur
von dem zu messenden R2, aber nicht von den Toleranzprozenten abhängig ist. Die
Empfindlichkeit der Anzeige ist hier über den gesamten Meßbereich die gleiche. Für
die praktische Anwendung des Gerätes als Prüfgerät für Massenprüfungen ergibt sich
der weitere Vorteil, daß nur die Richtung des Instrumentenausschlags bei der Messung
zu beachten ist, nicht dagegen der Betrag des Ausschlages. Durch gleichzeitige Umpolung
des Meßinstrument es bei dem Übergang von der Messung der Plustoleranz auf die der
Minustoleranz wird eine weitere Bedienungserleichterung geschaffen, die darin besteht,
daß jeder Ausschlag des Instrumentes in einer bestimmten Richtung, gleichgültig
wie groß, gleichbedeutend einer Überschreitung der zulässigen- Toleranzgrenze ist.
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Es erübrigt sich damit eine Eichung des Nullinstrumentes, auf dem
nur die eine Ausschlagseite als »Ausschußseite«, die andere als »Gutseite<c zu
kennzeichnen ist, was z. B. durch farbiges Anlegen der Skalenscheibe erfolgen -
kann.
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Gegenüber der bekannten Toleranzmeßanordnung mit zwei Meßbrücken,
die einige der obengenannten Vorteile ebenfalls aufweist, zeichnet sich die Erfindung
durch ihren erheblich einfacheren Aufbau und geringeren Aufwand aus. Im Hinblick
auf eine Automatisierung der Messungen ist die verringerte Einstellarbeit von besonderer
Bedeutung, da nur ein Vergleichswiderstand einmalig einzustellen ist und die
Toleranzeinstellung
unabhängig vom Betrag des Widerstandswertes dieses Vergleichswiderstandes erfolgt.
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Im folgenden soll zunächst an Hand der Fig. 1 Aufbau und Anwendungsweise
der Brückenanordnung erläutert werden.
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Fig. z zeigt eine praktische Ausführungsform der Brücke, die eine
automatische Einstellung der Brücke auf Prüfung von Spulen bestimmten Widerstandes
und vorgegebener Toleranz ermöglicht. Diese automatische Einstellung wird gemäß
der Erfindung mit Hilfe vorbereiteter Schablonen in Lochkartenform bewirkt.
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Eine derartige Anordnung ist in Fig. 3 dargestellt.
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Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich bereits, daß für jede
Widerstandsmessung zwei Brückeneinstellungen erforderlich sind, und zwar je eine
auf den oberen und den unteren zulässigen Grenzwert des Widerstandes. Beim Übergang
von einem Grenzwert zum anderen wird, wie bereits erwähnt, gleichzeitig der Galvanometeranschluß
umgepolt. Wie ohne weiteres ersichtlich, ist der Aufbau der Brückenschaltung der
einer gewöhnlichen Wheatstoneschen Brücke, abgesehen von der Umschaltung des Galvanometers
in der Brückendiagonale und von dem zwischen b und d liegenden Widerstand c. Bezeichnet
man die Grenzwerte des Prüflingswiderstandes mit R2(ax) und RxA(miin), dann ist
für den Vergleichswiderstand a der Wert
einzusetzen. Sind ferner b und d einander gleich, dann muß, um bei den beiden Toleranzgrenzen
Brückengleichgewicht zu schaffen, der Zusatzwiderstand c den Wert
für (b = d) erhalten.
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Hiermit liegt die Größe von c bei gegebener Toleranz und gegebenen
Brückenwiderständen b und d eindeutig fest. Sie ist dann unabhängig vom Absolutwert
des Prüflingswiderstandes oder vom Vergleichswiderstand a. Unter diesen Voraussetzungen
ergeben sich folgende Beziehungen: Befindet sich der Umschalter in der gezeichneten
Stellung, dann ist die Brücke für den oberen zulässigen Grenzwert von c+d R a. b
in Gleichgewicht und das Galvanometer stromlos. Für c + d Rx < α # b fließt
dann ein Galvanometerstrom in der Richtung vom Punkt I nach 2, und der Zeiger schlägt
nach der Gut «-Seite aus. Ist c + d Rx > α # , b so fließt der Galvanometerstrom
in umgekehrter Richtung, das Instrument schlägt nach der »Ausschuß «-Seite aus.
Zur Prüfung auf Einhalten der unteren Toleranz wird der Umschalter X umgelegt, wodurch
der Zusatzwiderstand c dem Widerstand b zugeschaltet und das Galvanometer umgepolt
wird.
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Das Brückengleichgewicht besteht dann bei d Rx = α # b + c.
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»Gut«-Werte sind dann durch d b+c' »Ausschuß «-Werte durch R,, <
a d btc gekennzeichnet.
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Die Größe der Verhältniswiderstände b und d wird zweckmäßig so gewählt,
daß die Meßgenauigkeit über den ganzen zu erfassenden Meßbereich möglichst gleich
bleibt. Da die Verhältniswiderstände für alle Messungen und Toleranzen ferner dieselben
sind, hängt die Größe des Hilfswiderstandes c ausschließlich von der Toleranz ab.
Man kann daher durch entsprechende Änderung von c jeden beliebigen gewünschten Toleranzwert
(+ in oto) an der Brücke einstellen. Es ergibt sich hieraus, daß praktisch nur die
Widerstände a und c einstellbar sein müssen.
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Fig. 2 zeigt eine praktische Ausführungsform einer Meßbrücke gemäß
der Erfindung. An die mit R" bezeichneten Klemmen wird der zu prüfende Widerstand
angeschlossen, an die Klemmen a der Vergleichswiderstand, dessen Wert in der oben
angegebenen Weise aus Sollwert und Toleranzen des Prüflings vorherbestimmt ist.
Die gegebene Toleranz bestimmt gleichzeitig die Größe von c, der zwischen die entsprechend
bezeichneten Klemmen eingeschaltet wird.
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Das Meßinstrument J ist normalerweise über die beiderseitigen Umschalter
kurzgeschlossen. Es wird bei der Messung der Plustoleranz durch Umlegen des mit
»Messen + « bezeichneten Schalters an die Verbindung b-c gelegt, während die andere
Seite über den in Ruhe bleibenden Schalter »Messen « am Verbindungspunkt von a und
Rx angeschaltet bleibt.
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Bei Messung der Minustoleranz wird nur der letztgenannte Schalter
umgelegt und damit das Instrument unter gleichzeitiger Umpolung an die andere Seite
von c gelegt. Diese ist mit einem weiteren Umschalter verbunden, über den wahlweise
ein Widerstand d oder d' eingeschaltet werden kann. Bezüglich ihres Widerstandes
sind diese untereinander gleich und auch gleich b, jedoch sind sie aus verschiedenen
Widerstandsmaterialien aufgebaut. Der eine ist eine Kupferspule und wird verwendet,
wenn R", ebenfalls ein Widerstand aus Kupferdraht ist, während der andere aus Widerstandsdraht
gewickelt ist und bei Messungen an ebensolchen Widerständen eingeschaltet wird.
Hierdurch wird erreicht, daß stets eine temperaturrichtige Messung gewährleistet
ist, da auch die Vergleichswiderstände untereinander stets gleichbleiben. Um die
Brücke allen vorkommenden Widerstandsgrößen und Toleranzen anpassen zu können, werden
die veränderlichen Widerstände a und c in Gestalt von Präzisions-Widerständen und
-Steckspulen an die Brücke angeschaltet.
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Die parallel zum Instrument geschaltete Gleichrichteranordnung stellt
eine Instrumentenschutzschaltung dar. Die Anwendung einer solchen Schaltung ist
in vorliegendem Falle deshalb möglich und vorteilhaft, weil die Brückenwiderstände
bei Abgleich in der Brückendiagonale die Spannung »0« ergeben. Die Fehleranzeige,
gekennzeichnet durch Ausschläge nach der einen oder anderen Seite, erfolgt daher
stets bei kleinsten Spannungswerten. Bei diesen Spannungen läßt aber der Gleichrichter
infolge seiner gekrümmten Kennlinie auch in der Durchlaßrichtung nur einen so kleinen
Strom durch, daß er das Meßergebnis nicht beeinflußt. Bei größeren Strömen dagegen
bildet er einen wirksamen Nebenschluß und damit Schutz des Instrumentes.
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Die Parallelschaltung zweier entgegengesetzt gepolter Gleichrichter
dient dazu, das hochempfindliche Galvanometer gegen beliebig gepolte Ströme zu schützen.
Gegebenenfalls kann vor die Parallelschaltung von Instrument und Gleichrichteranordnung
noch ein Vorwiderstand eingeschaltet werden. Als Gleichrichterelemente können alle
solche Elemente mit geeigneter Kennlinie, wie Kupferoxydul- und Selengleichrichter,
verwendet werden. Eine solche Schutzanordnung ist nicht auf die Verwendung in Toleranzmeßbrücken
beschränkt, sondern, da sie eine strom-und spannungsabhängige Empfindlichkeitsänderung
des Galvanometers bewirkt, mit Vorteil bei allen nach der Nullmethode arbeitenden
Meßanordnungen anwendbar.
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Aus der Tatsache, daß die Werte des Zusatzwiderstandes,c allein von
der jeweiligen Toleranz abhängig sind und der Widerstand a aus dem Sollwiderstand
des Prüflings und seinen gegebenen Toleranzgrenzen vorherbestimmbar ist, ergibt
sich die Möglichkeit, eine automatische Voreinstellung der Meßbrücke durchzuführen,
die nicht nur eine Zeitersparnis mit sich bringt, sondern vor allem Irrtümer ausschließt
und somit die Bedienung der Brücke selbst durch vollständige Laien zuläßt. Zweckmäßig
erfolgt eine solche automatische Einstellung unter- Verwendung von Lochkarten oder
Schablonen, die durch entsprechende Kontaktsteuerungen die Voreinstellung der- Brücke
den jeweils zu messenden Widerstandswerten entsprechend bewirken. In Fig. 3 ist
ein Ausführungsbeispiel für eine solche automatische Einstellung dargestellt, das
im folgenden näher beschrieben werden soll: Der Vergleichswiderstand a besteht hierbei
aus einer Reihenschaltung von siebzehn nach Zweierpotenzen abgestuften Widerständen,
von denen jeder durch einen der in der dargestellten Weise angeordneten Kontaktsätze
I bis I7 kurzgeschlossen werden kann.
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Mit diesem Stufenwiderstand lassen sich in Stufen von o, 25 Q sämtliche
Widerstandswerte bis zu 32 6oo 9 durch Bildung entsprechender Kombinationen bei
Betätigung einzelner Kontaktsätze bilden. Fünf weitere Widerstände I8 bis-22 dienen
zur Auswahl der Toleranz, die demgemäß zwischen 0,5 und 15,5 O/o in Stufen von 0;5
01o variiert werden kann. Ein weiterer Kontakt 23 schließlich bewirkt die Umschaltung
von Widerstand d auf d' in der Schaltung nach Fig. 2. Sämtliche Kontakte werden
durch eine gemeinsame Schalteinrichtung über eine Schablone Sch als Zwischenglied
betätigt und würden, wenn die Schablone keine Lochkombination aufwies, sämtliche
zugeordneten Widerstäride kurzschließen.
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Vom Kurzschluß ausgenommen sind nur die Widerstände, bei denen der
zugeordnete Kontaktsatz in der eingeführten Schablone ein Loch vorfindet, durch
das der betreffende Betätigungspimpel des Kontaktsatzes frei hindurchtreten kann.
Das dargestellte Beispiel zeigt eine Schablone zur Messung von Kupferdrahtwiderständen
von 100 + 10 9. Der für diesen Fall erforderliche Widerstandswert für a ergibt sich
aus der obengenannten Formel zu 99,5 Q, der hier durch Einschalten der Teilwiderstände
64 + 32 + 2 + I + 0,5 gebildet wird. Der Zusatzwiderstand c ergibt sich aus der
gegebenen Toleranz zu 84 + 21 = 105 9. Da es sich um einen Kupferwiderstand handelt,
bleibt Kontakt 23 unbetätigt und demnach WiderstandDd in der Brücke eingeschaltet.
In ähnlicher Weise können für alle beliebigen Widerstandsswecke und Toleranzen solche
Schablonen vorbereitet werden.
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PATENTANSPRCHE: I. Toleranzmeßbrücke in Gestalt einer Wheatstoneschen
Brücke, die mit dem gleichen Vergleichswiderstand unter Änderung des Brückenverhältnisses
in den Brückenzweigen, die den Prüfung und den Vergleichswiderstand nicht enthalten,
eine Anzeige sowohl für die obere als auch für die untere Toleranzgrenze liefert,
dadurch gekennzeichnet, daß für die Feststellung des oberen und unteren Grenzwertes
ein Zusatzwiderstand (c) vorgesehen ist, der wahlweise den Widerständen (b,d) zweier
benachbarter Brückenzweige zuschaltbar ist, und daß für die Einstellung der veränderbaren
Brückenelemente (a, c) eineS chablonensteuerung vorgesehen ist.