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Zur Prüfung elektrischer Widerstände kann man bekanntermassen entweder eine Wheatstonesche Brückenschaltung verwenden oder den Prüfwiderstand in den Stromkreis der einen Sp[ule eines Kreuzspuleninstruments und einen Vergleiehswideistand in den Stromkreis der zweiten Spule des Instrumeuts einschalten. Die ersterwähnte bekannte Methode hat den Nachteil, dass das Messeigebnis durch
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will. Dieser Nachteil kommt zwar beim Arbeiten mit der bekannten, ein Kieuzspuleninstiument ent- haltenden Schaltung in Wegfall ; dafür ergeben sich aber in diesem Falle, insbesondere bei der Messung sehr kleiner Widerstandsänderungen praktisch erhebliche Schwierigkeiten.
Das Drehmoment des Kieuzspulengerätes ist bekanntlich proportional der Differenz der Amperewindungszahlen beider Kreuzspulen. Wenn nun diese Differenz nur zwischen 0-1 schwankt, wie dies bei der Messung von Widerstandsänderungen eintritt, so müsste man erstens sehr hohe Amperewindungszahlen anwenden, um ein ausreichendes Drehmoment za erhalten und ausserdem einen Kreuzungswinkel für die Spule, der
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im Kreuzspulengerät hat eine starke Erwärmung der Drehspulen und ihrer Zuleitungen zur Folge.
Man muss daher das spulensystem sehr kompakt ausführen, wodurch sich naturgemäss die Reibung vergrössert. Ausserdem müssten dabei die Zuleitungsbänder so stark gemacht werden, dass sieh ein unzulässiges Drehmoment durch sie nicht ganz vermeiden lässt. Weiter wird durch die grosse Elwä, niung der Spulen leicht ein Verziehen ihrer Windungen eintreten, das bei dem notwendig erscheinenden
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ist die Messung, insbesondere keinerer Widerstandsäuderungen mit Hilfe eines Kreuzspulengel ätes unter Anwendung der bekannten Schaltung, in der der zu prüfende Widerstand in dem Stromkteis der einen Spule des Kreuzspulengerätes und ein Vergleichswiderstand in dem Stromkreis der andern Spule liegt,
praktisch nur beschränkt oder überhaupt nicht anwendbar.
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Zweig einer Brückensehaltung eingeschaltet und als Anzeigegerät ein solches mit zwei in einem Magnetfeld drehbaren Kreuzspulen benutzt, von denen die eine in den Diagonalzweig der Blückenschaltung einge-
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es, selbst kleinste Widerstandsänderuugen, wie sie bei elektrischen Rauchgasprüfein oder bei Widerstandsthemometern auftreten, mit guter Genauigkeit zu ermitteln. Auch kann gewünschtenfalls eine beliebig genaue Kompensation des Einflusses der Aussentemperatur bei der neuen Einrichtung in einfacher Weise angeordnet werden. Weiter lässt sich die genaue Anordnung für Fernanzeige gut verwenden.
In allen Fällen kann die Genauigkeit der Anzeige noch durch besondere Ausbildung des Kreuzspulengerätes gesteigert werden.
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In den Figuren sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Fig. l erläutert den Grundgedanken der Erfindung, Fig. 2 zeigt die Anordnung einer Kompensationschaltung für den Einfluss der Aussentemperatur bei der neuen Einrichtung. Fig. 3 veranschaulicht eine Verbesserung der Kompensationsschaltung der Fig. 2,
In Fig. 4 und 5 sind Schaltungen für Fel11anzeige der Messergebnisse bei der neuen Einrichtung dargestellt. Die Fig. 6 und 7 zeigen in Draufsicht zwei Ausführungsformen eines für die neue Eimichtung besonders zweckmässigen Kreuzspulengerätes.
Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht des Gerätes nach Fig. 7, während in Fig. 9 ein waagrechter Schnitt durch den Eisenkern des Gerätes nach Fig. 8 dargestellt ist. In Fig. 1 ist der zu prüfende Widerstand a mit drei an dem Widerständen b, c, d zu einer Brückenschaltung vereinigt, in deren einen Diagonalzweig die eine Spule g eines Kreuzspuleninstrumentes e eingeschaltet ist. Die andere Spule f des Gerätes ist an die aus den Leitungen k entnommene Betriebsspannung gelegt durch Verbindung mit den Punkten und h. Beide Spulen gund f sind in einem Magnetfeld drehbar angeordnet.
Gegebenenfalls können zwischen der Spule f und den Punkten t und A noch Vorsehaltwiderstände eingefügt werden, die zur Justierung der Empfindlichkeit benutzt werden können und den Temperaturkoeffizienten verringern oder kompensieren.
Es ist besonders zweckmässig bei der Prüfung des veränderlichen Verhältnisses zweier Widerstände, beispielsweise der Widerstände a und b, das Kreuzspulengel ät so einzustellen, dass bei einem gegebenen Normalwelt dieses Verhältnisses die von der Betriebsspannung beeinflusste Kreuzspule den grössten magnetischen Kraftfluss aufnimmt.
Die neue Anordnung ist nicht auf die unmittelbare Messung von Widerständen beschränkt. Sie kann auch für solche Fälle angewendet werden, in denen durch diese Widerstandsänderungen irgendwelche anderen Grössen gemessen werden. Beispielsweise können die beiden Widerstände a und b in der Figur zwei verschiedenen Widerstandsthermometern angehören. Das Kreuzspuleninstrument e misst dann eine etwaige Differenz zwischen den Temperaturen, denen die beiden Widerstände ausgesetzt sind. In entsprechender Weise kann die neue Anordnung z. B. auch für elektrische Rauchgasprüfer Verwendung finden, bei denen dann mindestens der Widerstand a von den Rauchgasen und der Widerstand b von einem Ver- gleichsgas umspült wird.
In Fällen, wo die obenangegebene Temperaturkompensation nicht genügt, insbesondere für elektrische Rauchgasprüfer, die nach dem Prinzip der Messung des Wärmeleitvermögens arbeiten, führt die Einrichtung nach den Fig. 2 und 3 zum Ziel.
In Fig. 2 ist in Reihe mit der Richtmomentenspule f ein Widerstand m und parallel zu der Spule ein Widerstand I von andern Temperaturkoeffizienten geschaltet. Der Widerstand m kann beispielsweise aus Nickel oder Kupfer hergestellt sein, während für den Widerstand i ! Manganin, Konstantan oder ein anderes praktisch konstant bleibendes Widerstandsmaterial verwendet wird.
Dadurch, dass nun ein Widerstand l aus praktisch temperaturun ; ibhängigem Material parallel zu
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da die Messenergie in der Spule r verhältnismässig klein sein kann. Die Rechnung ergibt, dass man in diesem Falle mit der Richtmomentenspule einen Koeffizienten erzielen kann, der annäherungsweise doppelt so gross ist wie der Temperaturkoeffizient reiner Metalle, z. B. Nickel, Kupfer oder Eisen.
Gewünschtenfalls lässt sich der Wert des zur Kompensation verfügbarem Koeffizienten auch weiter vervielfachen, beispielsweise auf das Dreifache des normalen Koeffizienten der verwendeten temperaturabhängigen Materialien bringen.
Dieser Fall spielt besonders eine Rolle bei Rauchgasprüfern, die nach dem Prinzip der Messung des
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gegeben ist, noch ein weiterer Temperaturkoeffizient hinzukommt, der durch die Temperaturabhängigkeit des Unterschiedes der Wärmeleitfähigkeit des Gases, z. B. Kohlensäure, dessen Gehalt ermittelt werden soll und des Vergleichsgases, vorzugsweise Luft, bedingt ist. Beide Temperaturkoeffizienten wirken sich in der Weise aus, dass sie eine Vergrösserung des Temperaturfehlers hervorrufen, wenn man nicht gleichzeitig eine verstärkte Kompensation für die Richtmomentspule anwendet. Um dieser Bedingung weitgehend zu genügen, kann die in Fig. 3 dargestellte Schaltung für die Riehtmomentenspule f des Kreuzspulengerätes e angewendet werden.
Zu der Richtmomentenspule f ist wiederum ein Widerstand 1 aus praktisch temperaturempfindliehem Material parallel und ein Widerstand m mit hohen Temperaturkoeffizienten in Reihe geschaltet. Zu dieser Schaltung ist dann ein weiterer Widerstand ! i aus Maganin od. dgl. parallel und ein anderer Widerstand m1 aus stark temperaturabhängigem Material in Reihe geschaltet. Die gesamte Anordnung ist bei i und an die Betriebsspannung oder an eine von dieser gesetzmässig abhängigen Spannung angelegt.
Bei den bisher besprochenen Beispielen war der Temperaturkoeffizient des Stromes in der Richtmomentenspule f stets als negativ angenommen, d. h. bei höheren Temperaturen floss ein geringerer Strom als bei tieferen Temperaturen. Aus diesem Grunde wurde der Riehtmomentenstrom ebenfalls mit einem
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negativen Temperaturkoeffizienten versehen. Es treten aber häufig Fälle auf, wo in der Kunstschalturig Richtmomentenströme mit positiven Temperaturkoeffizienten angewendet werden müssen. Als Beispiel sei die Messung des Methangehaltes in der Luft nach der Methode der Messung der Wärmeleitfähigkeit mit Hilfe einer elektrischen Brückenschaltung erwähnt.
Infolge des hohen Temperaturkoeffizienten der Wärmeleitfähigkeit des Methans besitzt die erwähnte Anordnung einen positiven Temperaturkoeffizienten. In diesem Falle muss bei der Anordnung nach den Fig. 2 und 3 der in Reihe geschaltete Widerstand entweder aus temperaturunabhängigem Material oder solchem mit negativen Temperaturkoeffizienten hergestellt werden, während der Parallelwiderstand einen grossen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisen muss.
Oft ist es erwünscht, dass das Kreuzspulgerät an beliebigen, von der Briickenschaltung entfernten Orten aufgestellt werden soll, ohne Beeinträchtigung der Anzeige des Gerätes. In solchen Fällen lässt sich die neue Einrichtung so ausbilden, dass keinerlei Nacheichung erforderlich ist, wenn mit dem Kreuzspulengerät eine Ortsveränderung vorgenommen wird. Zu diesem Zweck wird der Widerstand des Stromzweiges, in dem die Riehtmomentenspule des Kreuzspulengerätes liegt, mit Bezug auf die Brückenwiderstände und den Widerstand im Diagonalzweig so gewählt, dass der Widerstand der Zuleitungen für beide Kreuzspulen mit Bezug auf die Anzeige des Kreuzspulengerätes kompensiert ist.
Bei gleichen Brüekenwiderständen beispielsweise ist diese Bedingung dann erfüllt, wenn der Widerstand im Stromzweig der Richtmomentenspule gleich der Summe der Widerstandswerte des Stromzweiges der Galvanometerspule des Kreuzspulgerätes und eines Brückenwiderstandes ist. Bei ungleichen Brückenwiderständen ergibt sich ein formal etwas komplizierter mathematischer Ausdruck, der sich aber ebenfalls praktisch leicht erfüllen lässt. Es empfiehlt sieh, die Veränderung des oder der veränderlichen Brückenzweigwiderstände möglichst klein gegenüber den Widerstandsbeträgen der einzelnen Brückenwiderstände zu machen, z. B. durch Vorschaltwiderstände. Auch ist eine gute Temperaturkompensation bei der neuen Einrichtung in einfacher Weise zu erzielen.
In den Fig. 4 und 5 sind zwei Ausführungsbeispiele der erwähnten Art dargestellt. In beiden Figuren ist in den Diagonalzweig einer Brückenschaltung a, b, c, d die Galvanometerspule g eines in beliebiger, gegebenenfalls veränderlicher Entfernung aufgestellten Kreuzspulengerätes e mittels der Zuleitungen z1 und Z2 eingeschaltet. Gegebenenfalls können mehrere Widerstände der Brücke, z. B. a und b, veränderlirh sein, z. B. bei Rauchgasprüfern. Die Richtmomentspule f ist mit Hilfe der Zuleitungen % und su an die Betriebsspannung, z. B. an die Batterie k', gelegt.
In Fig. 4 ist einVorsehaltwiderstand K. für diese Spule vorgesehen, während für Fig. 5 angenommen ist, dass der erforderliche Widerstand in die Spule hineinverlegt ist. Es lassen sich beide Fälle wahlweise anwenden. Nachlig. 4 ist die an dem Richtumomentenzweig liegende Spannung stets proportional der an der Brücke liegenden Spannung der Stromquelle k'unab- hängig von den Änderungen des oder der Brückenwiderstände. Nach Fig. 5 fliesst ein Strom von praktisch konstanter Stärke in der Brücke bei Änderungen der Widerstände. Zu diesem Zweck ist vor eine Stromquelle k'ein sehr hoher Vorsehaltwiderstand n'eingeschaltet.
Es soll nun für die beiden extremen Fälle, die in den Figuren dargestellt sind, die Anwendung der Erfindung erläutert werden.
Bezeichnet man die Widerstandsweite der Widerstände b-d mit -, den Widerstandswert von a mit tssi-)-M), den Widerstand der Richtmomentenspule f mit w'f, den der Galvanometerspule g mit w', die Summe der Widerstände der Zuleitungen Si und Z2 mit Wo und macht die Summe der Widerstände der Zuleitungen % und Z4 ebenfalls gleich Wz, z. B. durch Verwendung eines Kabels, so hat man zunächst für die Widerstände wf und Wy der Stromzweige der Richtmomenten-und Galvanometerspule, wenn man den Widerstand d ausser acht lässt :
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Andeit sich nun der Widerstandsbetrag w1 um #w, so gilt für den Strom im Diagonalzweig die Beziehung :
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worin E die Betriebsspannung ist.
Der Strom im Stromzweig der Richtmomentenspule f ist :
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Durch Division beider Ausdrucke ergibt sich :
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Ausdrücke für wf und ein, so erhält man :
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Um dieses Verhältnis und damit die Anzeige des Kreuzspulgerätes unabhängig von dem Widerstand 2wz der Zuleitungen Si- zu machen, muss folgende Bedingung bestehen : W,'=wg'+ A, worin A den im Nenner der vorhergehenden Gleichung stehenden Quotienten
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von Wz. Diese Bedingung lässt sich praktisch stets erfüllen.
Sie vereinfacht sich für den Fall, Wl = = = g = W4 und ffir A w sehr klein gegen w in :
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Dabei ist es gleichgültig, ob der Widerstand tOt'der tatsächliche Widertand der Richtmomentenspule ist, oder ob er sich aus diesem und einem Vorwiderstand n zusammensetzt. Die Gleichung gilt für den Aus-
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zweig top = 100 Ohm sich nur ein Fehler von 2% des Messwertes ergibt, wenn die Brücke in der unsymmetrischen Stellung A w= 16 Ohm geeicht ist, und A w auf die Hälfte verkleinert wird. Dieser Fehler tritt auf, wenn der Zuleitungswiderstand sich von 0 bis oo ändert.
Bei normalen Zuleitungswiderständen von etwa 1000 Ohm ergibt sich gegen 0 Ohm Zuleitungswiderstand ein Fehler von etwa l %, so dass man für sämtliche vorkommenden Fälle mit einem maximalen Fehler der Zuleitung von ¯ 0.5%, zu rechnen hat.
In entsprechender Weise lässt sich die Rechnung für den in Fig. 5 dargestellten Fall durchführen.
Man erhält im diesem Falle als Bedingung dafür, dass der Widerstand der Zuleitungen die Anzeige des Kreuzspulgerätes nicht beeinträchtigt, den Ausdruck
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Für den Fall, dass vier gleiche Brüekenwiderstände vorhanden sind, ergibt sich wiedeium :
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Mi = 101 und W2 = w3=e2 = 100 Ohm ergibt :
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Praktisch der gleiche Wert für w,.'wird auch aus der mit Bezug auf Fig. 4 abgeleiteten Gleichung erhalten.
Daraus ergibt sich, dass die angegebenen Bedingungen in der Praxis stets gelten ohne Rücksicht darauf, in welcher Weise der Anschluss der Brückenschaltung an die Stromquelle erfolgt oder welcher Art diese ist.
Um bei der neuen Einrichtung nach Fig. 4 und 5 auch noch einen unerwünschten Einfluss der Temperatur zu kompensieren, geht man zweckmässig wie folgt vor : Die beiden Kreuzspulen werden von gleichem Widerstandsbetrag und aus solchen Materialien hergestellt, die den gleichen Temperaturkoeffizienten haben, also z. B. beide aus demselben Material. Ausserdem wird einVorschaltwiderstand zur Richtmomenten- spule nach Grösse und Temperaturkoeffizient so gewählt, dass der Einfluss von etwaigen, durch Temperaturunterschiede bedingten Widerstandsänderungen der Zuleitungen auf die Anzeige kompensiert wird.
Dieser Forderung ist dann genügt, wenn bei gleichen Bruekenwiderständen die beiden Grössen für den Vorschaltwiderstand den entsprechenden Grössen eines Brückenwiderstandes gleich sind oder wenn bei ungleichen Brüekenwiderständen die obigen allgemeinen'AusdrÜcke diese Grösse aufweisen. Allgemein genügt es, wenn die durch die Temperatur bedingten Änderungen der einen Kreuzspule gleich der der andein Spule sind.
Bei den bisher beschriebenen Anordnungen würde man geneigt sein, einen Kreuzungswinkel der Spulen des Kreuzspulengerätes von etwa 900 für besonders zweckmässig zu halten, wie dies bei den bekannten Ohmmetern der Fall ist, während man sehr kleine Kreuzungswinkel von etwa 2-10 , wie oben erörtert ist, von vornherein als unzweckmässig erkennen musste. Es zeigte sich indessen, dass eine derartige Ausführung eines Kreuzspulengerätes für die neue Einrichtung ungeeignet ist, weil ein solcher Kreuzungswinkel eine sehr unproportionale Charakteristik ergibt.
Hingegen erwies sich ein Kreuzungswinkel von 40-60 für die Kreuzspulen bei der neuen Einrichtung als besonders vorteilhaft, weil man damit eine sehr günstige Skalencharakteristik erhalten wird.
Um dabei ausserdem eine gute definierte Nullstellung des Kreuzspulengerätes zu erhalten, werden
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Kreuzspulen etwa elliptisch ausgebildet. Es empfiehlt sich, einen hohen Kern für die Kreuzspulen anzuwenden, weil die Richtmomentenspule des Kreuzspulengerätes dann in Richtung senkrecht zur Drehachse einseitig verkürzt werden kann, so dass ein Teil dieser Spule im Innern des Hohlkernes liegend, zweckmässig zugleich die Achse des Systems darstellt. Hiedurch wird der maximale Aussehlagwinkel wesentlich vergrössert.
In den Fig. 6-9 sind zwei Ausführungsbeispiele der angegebenen Ausbildung des Kreuzspulengerätes dargestellt.
In Fig. 6 sind die beiden Spulen f und g des Kreuzspulengerätes unter einem Winkel von etwa 500 gegeneinander gekreuzt in dem Felde eines Magneten q um eine Achse c drehbar angeordnet. Der Kern p der Kreuzspulen f und g ist dabei als feststehend angenommen und sein Halter r ist an dem einen Ende des einen Polschuhes unsymmetrisch angebracht. Die Polschuhe des Magneten q sind kreisförmig ausgebohrt, während der Kern q einen elliptischen Querschnitt aufweist. Diese Ausführung hat den Zweck, eine besonders gute definierte Nullstellung zu erhalten. Wie aus der Figur ersichtlich ist, kann
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werden infolge Anschlagens der Spulen fund g an den Kernhalter r.
Der besonderen Ausbildung des Kernes und der Polschuhe liegen folgende Überlegungen zugrunde :
Die Galvanometerspule g des Kreuzspulengerätes bewegt sich zweckmässig, ähnlich wie bei den normalen Drehspulengeräten, in einem möglichst homogenen Teil des Magnetfeldes, was durch entsprechend Formgebung der Pole des Feldmagneten leicht zu erreichen ist. Wenn man nun die Richtmomentenspule f ebenfalls so anordnen könnte, dass sie ein proportional mit der an Entfernung aus der Nullage zunehmendes Richtmoment erhielte, so würde man eine vollkommen gradlinige Skaleneharakteristik erhalten. Durch die vorerwähnte besondere Ausbildung des Kernquerschnittes und der Polsehuhe gelingt es, diese Aufgabe zu lösen.
Die Abflachung dieser beiden Teile muss dabei derart gewählt werden, dass die resultierende mittlere Feldstärke des Magneten q mit zunehmendem, auf die Richt- momentspule f wirkenden Querschnitt nach dem gleichen Gesetz abnimmt, wie das aus der Lage dieser Spule zur Richtung des Feldes und aus dem Riehtmoment hervorgehende spezifische Drehmoment bei gegebener Verringerung des Einstellwinkel zunimmt. Es ist dabei nicht gleichgültig, in welcher Form man die Inhomogenität des magnetischen Feldes ereicht. An sich wäre es auch möglich, dies dadurch zu erzielen, dass die Polschuhe elliptisch ausgebohrt und der Kern der Kreuzspulen einen kreisförmigen Querschnitt erhält. Dies aber hat den Nachteil, dass die Nullstellung des Drehsystems nicht genau definiert ist, weil in dieser Stellung die Richtmomentspule von zu wenig Kraftlinien geschnitten würde.
Aus diesem Grunde empfiehlt es sich, die in Fig. 6 dargestellte Ausbildung der Polschuhe und des Kernes der Spulen zu wählen.
Die Anordnung nach Fig. 6 weist einen Einstellwinkel auf, der für manche Zwecke nicht genügend ist. Für solche Fälle wird zweckmässig die in Fig. 7 in Draufsicht dargestellte Ausuhrungsform gewählt.
Bei dieser ist ein hohler Kern p'vorgesehen, auf den die Galvanometerspule'g in der üblichen Weise aufgebracht ist. Die Richtmomentenspule f ist in Richtung senkrecht zur Drehachse o einseitig verkürzt, um genügend Raum für die Anordnung des Kernhalters r zu schaffen. Die Lage der Spulen mit Bezug auf den Kern ist aus der perspektivischen Ansicht der Fig. 8 im einzelnen ersichtlich. Man erhält in diesem Falle als möglichen Einstellwinkel den in Fig. 7 gestrichelt eingezeichneten Winkel, der erheblich grösser ist als der Einstellwinkel des Gerätes nach Fig. 6. Durch die Verkürzung der Richtmomentspule f' wird zwar eine Verminderung der von ihr geschnittenen Kraftlinien erreicht, was aber für die neue Einrichtung nicht erheblich ist, weil man eine entsprechend höhere Spannung an diese Spule legen kann.
Man erhält dann ausserdem noch den Vorteil, den Teil des Kernes, über den sich die Riehtmomenten- spule nicht bewegt, nicht elliptisch ausführen zu müssen. Infolgedessen braucht man diesen Teil des Feldes nur in bezug auf die Drehmomentspule günstig zu gestalten und erhält wiederum bei grossen Drehwinkeln des Systems proportionale Ausschläge. Der Kern p'setzt sich dann theoretisch aus zwei Teilen zusammen, deren einer etwa elliptischen und deren anderer Teil etwa kreisförmigen Querschnitt hat.
Der Durchmesser des Kreises ist dann zugleich der Hauptdurchmesser der einen Ellipsenhälfte, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist.
Das beschriebene Messgerät ist sowohl für Gleich-als auch für Wechselstrom geeignet, so dass damit nicht nur die Änderungen reeller (Ohmscher) sondern auch komplexer Widerstände (Kapazi- töten. Selbslinduktionen) bestimmt werden können.
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