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Einrichtung zur Anzeige und Messung physikalischer Grössen oder deren Verhältnisse bzw. zur
Betätigung von Steuerorganen in Abhängigkeit von diesen Grössen.
Die Erfindung betrifft eine elektromechanische Anlage zur Anzeige der Gleichheit oder der Differenz zweier oder mehrerer Ströme oder zur Erzielung von Bewegungen anderer Vorrichtungen, insbesondere von Steuervorrichtungen.
Die erfindungsgemässe Anlage ist eine Kombination einer elektrischen mit einer mechanischen Einrichtung.
Die elektrische Einrichtung ermöglicht es, Ströme beliebiger Stärke in pulsierende Ströme zu verwandeln, deren Frequenz in einem Verhältnis zu ihrer Stärke steht, und diese Pulsationen nach entsprechender Verstärkung Relais zuzuführen, die diese in mechanische Impulse der gewünschten Stärke umformen.
Die mechanische Einrichtung ist nach Art eines Differentialgetriebes aufgebaut und gestattet die Umformung der mechanischen Impulse in eine Winkelbewegung, die der Anzahl der Impulse proportional ist.
Die elektrische Einrichtung besteht aus einem oder mehreren, vorzugsweise zwei impulserzeugenden Sehwingungskreisen, deren Impulsfrequenz in Abhängigkeit von den zu messenden physikalischen Grössen oder deren Verhältnisse geändert wird, indem die Kreiselemente von diesen Grössen beeinflusst werden.
Die von den Schwingungskreisen gelieferten elektrischen Impulse werden in mechanische Impulse umgeformt, die den Zweigen eines mechanischen Differentialgetriebes den Impulsanzahlen proportionale Bewegungen erteilen, aus denen durch das Differentialgetriebe eine resultierende Bewegung eines Zeigers od. dgl. gebildet wird, die die Grössen oder deren Verhältnis anzeigt bzw. die auf Steuerorgane übertragen wird.
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kreises von den zu messenden Grössen nicht beeinflusst werden, und als eichbare Vergleichswerte dienen, können mittels der erfindungsgemässen Einrichtung sehr genaue und verlässliche Messungen durchgeführt werden.
Wenn eine Fernübertragung der Anzeigen der Vorrichtung beabsichtigt ist, so ist nur erforderlich, ein anderes oder andere Differentiale, die dem ersten Differential im wesentlichen gleichen, parallelzuschalten.
Fig. 1 zeigt schematisch die Anordnung der elektrischen Einrichtung. Fig. 2 zeigt schematisch das erste Ausführungsbeispiel der ganzen Anlage. Fig. 3 zeigt schematisch das zweite Ausführungsbeispiel der gesamten Anlage. Fig. 4, veranschaulicht schematisch die Anordnung der Bürsten des Unterbrechers, die derart verteilt sind, dass das Differential selbsttätig die Gleichgewichtsstellung anzeigt. Fig. 5 zeigt eine schaubildliche Darstellung der wesentlichen Teile der mechanischen Vorrichtung (Differential).
Das Schema gemäss Fig. 1 entspricht der grundsätzlichen elektrischen Einrichtung.
Der impulserzeugende Schwingungskreis besteht aus einer Batterie 8 und einer Neonröhre 3 mit parallelgeschaltetem Kondensator 4 in Serie zu einem Widerstand 7.
Ein zweiter Stromkreis wird durch die Batterie 13 in Serie mit einer Dreielektrodenröhre 14 und einem Relais 12 gebildet.
Die Batterie 15 speist den Heizfaden der Röhre 14. Zwischen den beiden Stromkreisen, d. h. dem Oszillatorschwingungskreis und dem zweiten Stromkreis, bestehen zwei Verbindungen : eine feste vom Punkte 6 des ersten Kreises zum Gitter der Röhre des zweiten und eine veränderliche Verbindung vom Punkte 9 zum Punkte 10, die eine geeignete Spannung der Batterie des ersten Stromkreises der Kathode der Röhre des zweiten Stromkreises zuführt.
Es ist nicht erforderlich, dass das Element 3 durch eine Neonröhre gebildet wird, dieses kann vielmehr auch jede andere Einrichtung sein, die den Stromdurchgang so lange verhindert, bis die Spannung einen vorgegebenen Wert erreicht hat, wie z. B. ein Funkenunterbreeher, ein Kondensator mit elastischem Dielektrikum, wie ein Elektrolyt usw.
Ebenso ist es nicht erforderlich, dass das Element 7 ein fester Widerstand ist, dieses kann vielmehr irgendein Organ sein, mittels dem Widerstandsänderungen hervorgerufen werden können, wie z. B. Mikrophone, photoelektrische Zellen, Induktionsspulen usw.
Es ist auch nicht erforderlich, dass die Röhre 14 eine Triode ist, diese muss nur ein empfindliches Gitter haben und auf Grund ihrer Charakteristik zum Arbeiten in Serie mit dem Relais 12 geeignet sein. Dieses Relais kann von beliebiger Bauart sein und muss nicht sehr empfindlich sein. Auch die Röhre ist nicht unbedingt erforderlich, da sie durch ein anderes Verstärkersystem ersetzt werden kann, vorausgesetzt, dass der Stromfluss bei jeder Kondensatorentladung zur Betätigung des Relais 12 hinreicht. Es ist ferner nicht erforderlich, dass die elektrische Speiseeinrichtung 8, 1 eine Batterie ist, die Speisung kann vielmehr auf beliebige Weise, mit gleichgerichtetem, gefiltertem oder ungefiltertem Strom erfolgen.
Das Schema der Fig. 2 veranschaulicht eine vollständige Schaltanlage, die durch elektrische Zusammensetzung zweier, der Fig. 1 entsprechenden Teile gebildet ist. Ausserdem ist jeder Teil mit einem Relais 12 versehen, das die zusätzlichen Stromkreise der Elektromagnete 42 und 42'steuert, die von der Batterie jfy gespeist werden.
Diese Elektromagnete wirken bereits auf ein Differential 18 ein, dessen Einzelheiten aus Fig. 5 hervorgehen.
Das Schema gemäss Fig. 3 veranschaulicht eine elektrische Vorrichtung, die der gemäss Fig. 2 entspricht, deren beide Schwingungskreise jedoch durch eine einzige Batterie 8 gespeist werden, wobei ein einziger Widerstand 7 beiden Ereisen gemeinsam ist ; ausserdem ist ein Unterbrecher oder, Verteiler 19 vorgesehen, der den Strom abwechselnd in den einen oder andern Schwingungskreis fliessen lässt.
Fig. 4 zeigt diesen Unterbrecher und Verteiler ; 36 ist das abgebrochene Ende der Hauptachse
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wobei der Draht 24 dem Strombe voir der Verteilung und die Drähte 23 und 25 dem Strome nach der Verteilung entsprechen.
Die Bürsten 20 und 20', 21 und 21'sowie 22 und 22'sind untereinander elektrisch verbunden.
Der Verteiler, der in diesem Falle rotierend ist, besteht aus einem ausgeschnittenen, auf einem Isolierstück gelagerten Metallzylinder, der stets mit der Bürste 21 in Berührung steht und bei seiner Drehung abwechselnd mit den Bürsten 20 und 22 einen Kontakt herstellt.
Die Achse des Verteilers 19 liegt in einer Linie mit der Achse 36 und erhält durch einen Motor 26 eine Drehbewegung, die von der Drehung der Achse 36 unabhängig ist.
An ihrem oberen Ende ist ein veränderlicher Widerstand angeordnet, der beispielsweise durch ein Mikrophon 27 gebildet ist, dessen Zu-und Ableitungsdrähte mit den Schleifringen 28 und 29 ver- bunden sind, denen Bürsten 30 und 31 schleifen. Diese Bürsten verbinden das Mikrophon über eine Leitung mit einer Speisebatterie und über eine Leitung 31 mit der Bürste 24 des Verteilers.
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Fig. 5 zeigt die mechanische Einrichtung, die aus folgenden Elementen besteht : Zwei Zahnräder 35,35'sitzen frei drehbar auf einer Achse 36 und kämmen mit zwei Ritzeln 37, 37', die ebenfalls frei auf einer Achse ? sitzen. Beide Achsen sind fest miteinander verbunden und bilden ein Kreuz.
Jedes der Räder 35, 35'ist mit einem Kranz 39, 39'von Schaltzähnen versehen, auf die Schaltklinken 40, 40'einwirken. Diese Klinken werden durch bewegliche Anker 41, 41'vom Elektromagneten 42, 42'betätigt. Die Anker sind um ihre Achsen 43, 43'verschwenkbar und werden, wenn sie nicht von den Elektromagneten angezogen werden, durch Federn 44, 44'gegen Anschläge 45, 45' gedrängt.
In der schematischen Darstellung der Zeichnung wurden zwecks Vereinfachung der Darstellung alle andern Einzelheiten der Lagerung und Unterstützung der einzelnen Teile weggelassen, da diese zum Verständnis der Vorrichtung und ihrer Wirkungsweise nicht unbedingt notwendig sind.
Die'Wirkungsweise der in Fig. l dargestellten Einrichtung ist wie folgt :
Wenn der Stromkreis 1-2-5--6-1-8 geschlossen wird, so beginnt die Batterie 8 den Kondensator 4 mit einer Geschwindigkeit aufzuladen, welche (ausser von der Spannung der Batterie und der Kapazität des Kondensators) von dem Werte des Widerstandes 7 abhängt. Wenn die Spannung zwischen den Belägen des Kondensators 4 eine Höhe erreicht, die gleich ist der kritischen Durchschlags (oder Leucht) spannung des Neons in der Röhre 3, leuchtet diese Röhre auf und der Kondensator entlädt sich durch diese, bis die kritische Grenzspannung für das Erlöschen der Neonröhre 3 erreicht ist.
Die Ladeperiode beginnt hierauf sofort wieder, so dass ständig aufeinanderfolgende Stromunterbrechungen entstehen, d. h. der Strom wird in eine Reihe von elektrischen Impulsen verwandelt, von denen jeder erheblich stärker ist als der Strom, der durch den gleichen Widerstand kontinuierlich fliessen würde.
Im Stromkreise 11-12-13-14 würde die Röhre 14 den von der Batterie 13 kommenden Strom durchlassen, wenn nicht ihr Gitter in bezug auf ihre Kathode durch Verbindung mit dem Punkte 6 negativ gemacht wäre, während die Kathode mit dem beliebig einstellbaren Punkt 9 verbunden ist.
Die genaue Spannung des Punktes 9 ist nicht sehr kritisch und hängt von den Charakteristiken der Neonröhre und der verwendeten weiteren Röhre ab.
Wenn der Stromkreis 1-2-5--6-1-8 in Wirksamkeit ist, so wird jedes Aufleuchten und Erlöschen der Neonröhre über die Verbindung vom Punkte 6 auf das Gitter der Röhre 14 übertragen, und eine starke (gegebenenfalls maximale) Spannungsänderung ruft im Anodenkreise der Röhre 14 entsprechende Stromstärkeänderungen hervor, die von 0 bis zum Sättigungswert reichen können.
Diese starken Stromstärkeänderungen im Anodenkreise der Röhre 14 bringen das Relais 12 zum Ansprechen.
Es ist ersichtlich, dass jede Schwingung in der Neonröhre des ersten Stromkreises eine Pulsation im zweiten erzeugt, das Relais 12 wird daher ebenso viele Ankerbewegungen ausführen, als Schwingungen im ersten Stromkreis auftreten, wobei vorausgesetzt ist, dass die Trägheit des Ankers dies zulässt. Da die Anzahl der Schwingungen in der Neonröhre eine Funktion des Widerstandes 7, der Kapazität des Kondensators 4 und der Spannung der Batterie 8 ist, ergibt sich ein sehr weiter Bereich, innerhalb dessen die Frequenz der Schwingungen auf den geeignetsten Wert einreguliert werden kann. In der Praxis konnte die Frequenz der Relaisanziehungen von einer Schwingung in mehreren Minuten bis zu beliebigen Schwingungen in einer Minute geregelt werden.
Wenn der erste Stromkreis auf diese Weise einreguliert worden ist, d. h. wenn die Werte der Kapazität des Kondensators 4 und der Spannung der Batterie 8 bereits festgelegt sind, wird die Anzahl der Schwingungen ausschliesslich vom Werte des Widerstandes 7 abhängen, und es wird jeder Veränderung des Wertes desselben eine Veränderung entsprechen, die im genauen Verhältnis zur Anzahl der Schwingungen in der Zeiteinheit steht.
Dieselbe proportionale Änderung der Anzahl der Schwingungen kann auch erzielt werden, wenn bei konstant gelassenem Widerstand des Stromkreises und konstanter Kapazität des Kondensators die Spannung des speisenden Stromes geändert wird.
Die proportionalen Änderungen können auch erzielt werden, wenn der Widerstand und die Spannung unverändert gelassen werden und eine Veränderung der Kondensatorkapazität vorgenommen wird.
Schliesslich kann auch durch Veränderung Aller drei Grössen eine proportionale Veränderung der Schwingungszahl erzielt werden.
Die Wirkungsweise des in Fig. 5 dargestellten mechanischen Triebwerkes ist ausschliesslich durch die Impulse der Elektromagnete 42,42'bedingt.
Es ist ersichtlich, dass bei jedem Schliessen des Stromkreises des Elektromagneten 42 dieser seinen Anker 41 anzieht, der um seine Achse 43 verschwenkt wird und sich dem Kern des Elektromagneten nähert, wobei er die Klinke 40 mitnimmt. Da diese aber im Eingriff mit einem Zahne des
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Als eine der wichtigsten Anwendungen der Erfindung wird nachstehend als Beispiel für einen bestimmten Fall deren Anwendung zur selbsttätigen Ortsbestimmung einer Schallquelle näher be- schieben.
Hiezu sei zunächst die Arbeitsweise des Unterbrechers und Verteilers gemäss Fig. 4 näher erläutert.
In dieser Figur ist ein Mikrophon 27 dargestellt, das auf der umlaufenden Achse befestigt ist, mit der auch die Schleifringe 28 und 29 und der Umschalter 19 verbunden sind.
Der veränderliche Widerstand des Mikrophons 27 ersetzt den festen Widerstand 7.
Der Speisestrom des Mikrophons verläuft von der Batterie 8 durch die Leitungsdrähte und die feststehende Bürste 30 zum rotierenden Schleifring 28, von wo er in das Mikrophon 27 eintritt, das er über den Schleifring 29 verlässt. Hierauf verläuft der Strom durch die feststehende Bürste 31 zu dem feststehenden Schleifring 24, von dem er durch die bewegliche Bürste 21'abgenommen wird, die mit der ebenfalls beweglichen Bürste 21 verbunden ist, welche auf dem rotierenden Umschalter 19 schleift und dauernd mit ihm einen Kontakt herstellt.
Diesen Umschalter jedoch verlässt der Strom bereits unterbrochen, da die beweglichen Bürsten 20 und 22 abwechselnd einen Kontakt herstellen, so dass in der gezeichneten Stellung, wenn 22 keinen
Kontakt macht, 20 verbunden bleibt und den Strom durch 20'und 23 dem einen Schwingungssystem zuführt. Wenn sich der Umschalter entsprechend gedreht hat und 20 schon abschaltet, macht 22 Kontakt und führt den Strom durch 22'und 25 dem andern Schwingungssystem zu.
Auf diese Weise arbeiten die beiden elektrischen Systeme mit Geschwindigkeiten, die den Stärken des auf dieselben einwirkenden Stromes proportional sind, entsprechend dem grösseren oder kleineren Widerstand des Mikrophons, während der Einschaltzeit eines jeden Stromkreises.
Es sei angenommen, dass eine in der Nähe des Mikrophons befindliche Schallquelle ständig
Schall aussendet und dass dieses Mikrophon mit gleichförmiger Geschwindigkeit umläuft.
Der durch das Mikrophon fliessende Strom ist dann am stärksten, wenn das Mikrophon der
Schallquelle zugewendet ist, und am kleinsten, wenn es entgegengesetzt gerichtet ist.
Nimmt man nun an, dass die Bürsten 20 und 22 sich in einer solchen Stellung befinden, dass sich die eine in der Mitte des Kontaktstückes befindet, wenn das Mikrophon der Schallquelle zugewendet ist, und dass daher die andere Bürste sich in der Mitte des andern Kontaktstückes befindet, wenn das Mikrophon entgegengesetzt gerichtet ist, so ergibt sich ein Maximum an Schwingungen im Schwingungkreis der ersten Bürste und ein Minimum an Schwingungen im Schwingungskreis der andern Bürste.
Wenn diese Schwingungen, in Impulse umgeformt, dem Differential zugeführt werden, so wird dieses unter dem Einflusse der ungleichen Impulse sich nach der einen oder andern Seite zu drehen beginnen. Da die Bürsten 20 und 22 auf der sich drehenden Achse 36 befestigt sind, so wird sich bei deren Drehung die Lage der Berührungslinie dieser Bürsten ändern, und es wird sich das Verhältnis der Stromstärken in den beiden Zweigen fortgesetzt ändern und das Bestreben haben, sich unter Vergrösserung der einen und Verkleinerung der andern derart einzustellen, dass schliesslich zwangsläufig völlige Gleichheit hergestellt ist. Erst in diesem Augenblick bleibt die Achse des Differentials stehen und die Bürsten bleiben in Ruhe.
Dieser Fall tritt ein, wenn die Kontaktstellen der Bürsten in einer Zylindererzeugenden liegen, welche dem Schnitt mit einer Ebene entspricht, die durch die theoretische Achse des Verteilers hindurchgeht und senkrecht auf eine andere Ebene steht, die diese Achse und die Schallquelle enthält. Dies ist die einzige Stellung, bei welcher die beiden Umschalthalbperioden gleiche Intensitäten aufweisen.
Wenn diese richtige Stellung erreicht ist, was nur einmal erforderlich ist (solange kein Element geändert wird), verbleibt die Einrichtung selbsttätig in der Arbeitsstellung, da bei der geringsten Änderung in der Lage der ausstrahlenden Quelle eine Ungleichmässigkeit auftritt, welche eine Drehbewegung der Achse des Differentials zur Folge hat, bis das gestört Gleichgewicht wieder hergestellt ist.
Die Wirkung, die, wie bisher beschrieben, mit einem einzigen Mikrophon erzielt wird, das gedreht wird, um auf zwei (oder gewünschtenfalls mehrere) Stromkreise einwirken zu können, kann auch mit einem andern, ebenfalls selbsttätigen System erzielt werden, das mit zwei Mikrophonen, u. zw. einem in jedem Stromkreise, arbeitet. Diese Mikrophone müssen in diesem Falle nicht ständig umlaufen, sondern bewegen sich nur stets in gegenseitiger Übereinstimmung. Zu diesem Zwecke werden sie in Winkelstellung zueinander auf der drehbaren Welle montiert, um ihre freie selbsttätige Orientierung zu ermöglichen.
Jedes Mikrophon speist einen Schwingungskreis und den entsprechenden Unterbrecher. Das Gleichgewicht zwischen den beiden Kreisen und infolgedessen die genaue Richtungsanzeige des Differentials erfolgt dann, wenn die Winkelsymmetrale des durch die akustischen Achsen der beiden Mikrophone gebildeten Winkels durch die Schallquelle hindurchgeht. Viele weitere Anwendungen könnten angegeben werden, doch scheinen die vorstehend im einzelnen beschriebenen hinreichend, um die beschriebene Vorrichtung vollständig beurteilen zu können.
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