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Tauchspulsystem zur genauen Darstellung des Produktes von Strömen
Es ist bekannt, elektrodynamische Systeme zur Erzeugung von Kräften zu benutzen,
welche dem Produkt von Strömen proportional sind. Insbesondere werden zu diesem
Zweck sogenannte Tauchspulsysteme benutzt, in denen eine bewegliche Spule (Tauchspule)
in den Luftspalt eines Magnetkerns taucht, welcher mittels eines Stromes durch eine
»Feldspule« magnetisch erregbar ist. Abb. 1 zeigt ein derartiges Tauchspulsystem.
1 ist der Kern, 2 die Feldspule und 3 die Tauchspule. Ist der Strom IF durch die
Feldspule groß gegenüber dem Strom IT durch die Tauchspule, so wird an der Tauchspule
eine Kraft K fühlbar, welche nahezu und für viele Zwecke hinreichend genau dem Produkt
der Ströme IF und IT proportional ist. Ist aber der Strom IF durch die Feldspule
klein gegenüber dem Strom IT durch die Tauchspule, so stellt die Kraft K auch nicht
mehr näherungsweise das Produkt der Ströme IF und IT dar. Beispielsweise müßte K
verschwinden, wenn allein der Strom durch die Feldwicklung verschwindet. Man sieht
aber ohne weiteres ein, daß, sofern noch ein endlicher Strom 1T durch die Tauchspule
fließt, trotzdem eine endliche Kraft K fühlbar wird, denn auch der Strom IT vermag
unabhängig vom Strom in der Feldspule eine Induktion im Kern zu verursachen, auf
Grund deren eine Kraft zwischen der Tauchspule und dem Kern fühlbar ist. Diese Induktionswirkung
der Tauchspule übt einen störenden Einfluß auf den Wert von K in verhältnismäßig
um so stärkerem Maße aus, je kleiner der Strom durch die Feldwicklung ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die störenden Induktionswirkungen
des durch die Tauchspule fließenden Stromes auf den Kern zu vermeiden mit dem Ziel,
eine hinreichend genaue Darstellung des Produktes der beiden Ströme IT und IF durch
die Kraft K auch dann zu erhalten, wenn der Strom 1F durch die Feldspule sehr klein
gegenüber dem Strom 1T ist. Es soll dadurch insbesondere die Einsatzfähigkeit des
Tauchspulsystems als Bauelement für gewisse Rechengeräte, von denen später die Rede
sein wird, ermöglicht werden.
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Erfindungsgemäß wird am Kern eine »Kompensationsspule« angebracht,
welche mit der Tauchspule in einer solchen Weise zusammengeschaltet ist, daß der
Strom IT, dessen Produkt mit dem die Feldspule durchfließenden Strom 1F dargestellt
werden soll, ganz oder teilweise außer durch die Tauchspule auch durch die Kompensationsspule
fließt in einer Richtung und Stärke, daß die Induktionswirkungen der Tauchspule
auf den Kern durch das Wirken der Kompensationsspule kompensiert werden.
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Die Abb. 2 und 3 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Im Ausführungsbeispiel
nach Abb. 2 sind die Tauchspule 3 und die Kompensationsspule 4
hintereinander, im
Ausführungsbeispiel nach Abb. 3 sind diese parallel geschaltet. Selbstverständlich
müssen die Windungszahlen der Spulen passend dimensioniert sein, um vollkommene
Kompensation der Störinduktion der Tauchspulen zu erreichen, oder es muß bei nicht
passender Dimensionierung der Windungszahlen die Kompensation durch Einbeziehung
von vorzugsweise einstellbaren Widerständen und Potentiometern in die Schaltung
nach bekannten Regeln justierfähig gemacht werden.
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Erfindungsgemäße Tauchspulsysteme ermöglichen, wie bereits oben angedeutet
wurde, den Aufbau von Rechengeräten, durch welche algebraische Funktionen einer
oder mehrerer durch elektrische Ströme dargestellter Größen insbesondere durch ebenfalls
einen elektrischen Strom dargestellt werden können. Derartige Rechengeräte sind
insbesondere für gewisse meßtechnische und regeltechnische Aufgaben von Bedeutung.
Es sei beispielsweise gefordert, die in der Zeiteinheit von einem durch eine Leitung
fließenden fluiden Mittel geförderte Wärmemenge durch einen elektrischen Strom darzustellen,
durch welchen ein Anzeigegerät oder ein Regler betätigt werden sollen.
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Mittels geeigneter Transmitter seien der Durchfluß und die Temperatur
des fluiden Mittels je durch einen elektrischen Strom dargestellt. Der den »Wärmefluß«
darstellende elektrische Strom zur Betätigung des Anzeigegerätes oder des Reglers
muß dann proportional dem Produkt aus dem den Durchfluß des fluiden Mittels durch
die Leitung darstellenden und dem die Temperatur des Mittels darstellenden elektrischen
Strom sein. An dem Ausführungsbeispiel eines Rechengerätes, welches dieser Aufgabe
entspricht, sei der wesentliche Aufbau eines erfindungsgemäßen Rechengerätes erläutert
und dabei auf die Abb. 4 hingewiesen.
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Die Bauelemente 1, 2, 3 und 4 entsprechen der in Abb. 2 gezeigten
Einrichtung. Quelle für den Strom 1« sei der den Durchfluß als elektrischen Strom
darstellende Transmitter 6, Quelle für den Strom IT sei der die Temperatur als Strom
darstellende Transmitter 5. Die Tauchspule 3 ist an dem mehrarmigen Hebel 7, welcher
im Lager 8 leicht drehbar gelagert ist, befestigt. Am gleichen Hebel ist auch die
dem magnetischen Feld des permanenten Magneten 9 ausgesetzte Tauchspule 10 befestigt.
Ferner trägt der Hebel an einem weiteren Arm eine Schwenkspule 11, die dem induktiven
Einfluß der von Wechselstrom durchflossenen Spulen 12 und 12' ausgesetzt ist. Der
Hebel mit den an ihm befestigten Spulen sei so ausgewogen, daß er, wenn keine Ströme
durch die Spulen fließen, im indifferenten Gleichgewicht ist. Die Spulen 12 und
12' seien so angeordnet und dimensioniert, daß bei einer gewissen Grundstellung
des Hebels die induktiven Wirkungen auf die Spule 11 durch die Spulen 12 und 12'
einander aufheben, daß aber bei Auslenkungen des Hebels aus seiner Grundstellung
je nach der Richtung derAuslenkung sich in der Phasenlage um 1800 unterscheidende
Wechselströme in der Spule 11 induziert werden. Die Spule 11 dieser allgemein als
»induktiver Abgriff« bezeichneten Anordnung ist an den Eingang des Verstärkers 13
angeschlossen, der die Eigenschaft haben soll, amAusgang je nach der Phasenlage
der seinem Eingang zugeführten Wechselspannung einen Gleichstrom I der einen oder
der anderen Richtung zu liefern. Dieser Gleichstrom durchfließt sowohl die Tauchspule
10 als auch das galvanometrische, für die Anzeige des zu bestimmenden Wärmeflusses
vorgesehene Instrument 14 als auch den Regler 15.
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Die Recheneinrichtung arbeitet folgendermaßen: Beim Fließen der Ströme
1T und Ip wirkt auf die Tauchspule 3 eine Kraft, welche dem Produkt 1T IF 1F proportional
ist, welche den Hebel 7 aus seiner Grund stellung auslenkt. In der Spule 11 des
induktiven Abgriffs wird eine der Auslenkung entsprechende Wechselspannung iMuziert,
auf Grund deren der Verstärker 13 den Gleichstrom 1 liefert. Eine dem Strom 1 proportionale
Kraft tritt an der Spule 10 auf. Bei passender Polung der Spule 10 erwirkt sie am
Hebel 7 ein Drehmoment, weIches dem Drehmoment, welches die Kraft auf die Spule
3 verursacht, entgegengerichtet ist. Offenbar nimmt der Hebel 7 beim Fließen der
Ströme, IF und I schließIich eine GIeichgewichts-Iage ein, in welcher I proportional
dem Produkt IT IP 1F ist. I biIdet dann aber den durch das Produkt 1T 1F dargestellten
Wärmefluß ab.
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Die Anwendung des der Produktdarstellung zweier Ströme durch eine
Kraft dienenden Taucfrspulsystems ist selbstverständlich nicht auf das einfache,
im Ausführungsbeispiel nach Abb. 4 gezeigte Rechengerät beschränkt. Es können mehrere
solche Systeme an einem passenden mehrarmigen Hebel oder einem ihm gleichwertigen
Organ angeschlossen werden. Gleichzeitig können auch mehrere Tauchspulsysteme mit
einem permanenten Magneten angeschlossen sein. An die SteHe des induktiven Abgriffs,
wie er im Ausführungsbeispiel nach Abb. 4 gezeigt ist, kann ein beliebiger anderer
»Indikator« treten, der imstande ist, eine passende Stromquelle zur Abgabe des Stromes
I zu veranlassen.
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Abb. 5 zeigt, wie man beispielsweise die Funktion y=x2+axib durch
einen Strom 1 abbilden kann. wenn die Größen x, a und b durch die Ströme I. Ia und
Ib vorgegeben sind. Offenbar erfährt der Hebel 7' durch das Tauchspulsystem 1 ein
Drehmoment, wel-
ches proportional x2 ist, durch das Tauchspulsystem II ein Drehmoment,
welches proportional a' x ist, durch das Tauchspulsystem III ein Drehmoment, welches
proportional b ist, und durch das Tauchspulsystem IV ein Drehmoment, welches proportional
y ist Bei passender Polung aller Spulen stellt Iy die gesuchte Funktion dar, welche
beispielsweise am galvanometrischen Instrument 14 zur Anzeige gebracht werden kann.
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Grundsatzlich ist es möglich, dem Kern eines Tauchspulsystems mehrere
galvanisch getrennte Wicklungen zu geben und auch die Tauchspule mit mehreren galvanisch
getrennten Wicklungen zu versehen und für jede Tauchspulwicklung eine Kompensationswicklung
vorzusehen, wie es im Ausführungsbeispiel nach Abb. 6 mit den beiden Feldspulwicklungen
2' und 2" und den beiden Tauchspulwicklungen 3' und 3" gezeigt ist. Mit einem solchen
Tauchspulsystem lassen sich Kräfte erzeugen, welche dem Produkt der Summen von Strömen
proportional sind.
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Abb. 7 zeigt die Anwendung eines mit mehreren Tauchspulwicklungen
ausgerüsteten Tauchspulsystems in einem Rechengerät, mit welchem ebenfalls die schon
genannte Funktion y=x2+ax+ + ar + b durch einen elektrischen Strom dargestellt werden
kann. Offenbar wird an der Tauchspule des Systems V eine Kraft fühlbar, welche proportional
dem Produktx (x+,a) der durch die Ströme Ix und Ia dargestellten Größen x und a
ist. Am System III wird eine Kraft fühlbar, welche proportional der durch den Strom
Ib dargestellten Größe b ist, und am System IV wird eine Kraft fühlbar, welche proportional
der durch den Strom Iy darzustellenden Größe y ist. Offenbar kann durch passende
Dimensionierung aller Wicklungen und passende Dimensionierung des Hebels 7" erreicht
werden, daß dieser im Gleichgewicht ist, wenn IY = IX (IX+Ia) +Ib =Ix2+Ia Ix+Ib
ist. Dann steht aber mit Iy ein der zu ermittelnden Funktion y proportionaler Strom
zur beliebigen Verwendung zur Verfügung.
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Läßt man an einem Hebelsystem außer den durch die Tauchspulsysteme
verursachten Kräften noch eine mechanische Kraft angreifen, so sind Schaltungen
der Wicklungen der Tauchspulsysteme denkbar, mittels welcher gewisse algebraische
Funktionen dieser mechanischen Kraft durch einen elektrischen Strom darstellbar
sind.
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PATENTANSPRIJCII E-1. Tauchspulsystem mit ferromagnetischem, mit
einer oder mehreren Feldwicklungen versehenem Kern und einer mit einer oder mehreren
galvanisch getrennten Wicklungen versehenen Tauchspule zum Zweck der genauen Darstellung
des Produktes von elektrischen Strömen oder des Produktes von Summen von Strömen
durch eine Kraft, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern mit den Tauchspulwicklungen
zugeordneten Kompensationswicklungen versehen ist, deren jede mit der ihr zugeordneten
Tauchspulwicklung in einer Weise zusammengeschaltet ist, daß die Kompensationswicklung
jeweils von einem Strom durchflossen wird, der dem Strom durch die Tauchspulwicklung
in einer Weise entspricht, daß durch die Tauchspulwicklungen vermittelte Induktionswirkungen
auf den Kern durch VermittIung der Kompensationswicklungen kompensiert werden.