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Lagerungsvorrichtung für Meßwerk mit großem Drehwinkel Die Nullpunktsicherheit
von Meß werken hängt bekanntlich von verschiedenen Faktoren ab, z. B. von der Reibung
in den Lagern des beweglichen Meßwerkteiles und von den Nachwirkungserscheinungen
in den drehmomenterzeugenden Teilen, wie Spiralfedern, Torsionsbändern, Torsionsstäben
usw.
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Bekanntlich werden die Lagerteile beweglicher Meßwerkteile, damit
die Reibung möglichst klein gehalten wird, mit polierten Stahlspitzen versehen,
welche sich in Edelsteinlagern drehen. Es ist ferner bekannt, die Reibung noch wesentlich
zu verkleinern durch Aufhängen oder Einspannen des beweglichen Meßwerkteiles zwischen
Torsionsdrähten oder Bändern, welche zugleich teilweise oder ganz das Richtmoment
des beweglichen Meßwerkteiles bei Ablenkung desselben aus der Nullage erzeugen.
Die ersteren Anordnungen haben den Nachteil, daß die Spitzen sich abnutzen oder
bei Schlagbeanspruchung und Vibrationen abbrechen. Die Anordnungen mit Spannbändern
haben den Nachteil, daß speziell bei großen Drehwinkeln elastische Nachwirkungen
auftreten, welche die Nullpunktlage verändern.
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Um diese Nachwirkungen zu verringern, also die Eindeutigkeit der
Nullpunktlage zu erhöhen, ist es bereits bekannt, ein Spannbändchen zu verwenden,
dessen Querschnittsform variiert, insbesondere ein Bändchen mit abwechselnd rundem
und rechteckigem Querschnitt. Diese Maßnahme hat sich aber in der Praxis nicht bewährt.
Ferner ist ein Meßsystem für elektrische Instrumente bekannt, dessen Saite, Draht
oder Band mit einer oder mehreren einseitigen Ausbiegungen oder Ansätzen versehen
ist. Dadurch wird aber bei Galvanometern od. dgl. der Vorteil erzielt, daß das bewegliche
System eine geringe Trägheit hat, wobei sich vorzugsweise nur die Ausbiegung oder
der Ansatz im Magnetfeld befindet. Eine allgemein verwendbare Lagerungsvorrichtung
mit eindeutiger Nullpunktlage des Meßwerkes wird dadurch jedoch nicht geschaffen.
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Demgegenüber betrifft die Erfindung eine Lagerungsvorrichtung für
Meßwerte mit großem Drehwinkel, bei welcher der bewegliche Meßwerkteil mittels eines
oder mehrerer Bändchen gelagert ist und bei welcher Maßnahmen zur Erhöhung der Nullpunktsicherheit
getroffen sind. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Bändchen
in Längsrichtung in an sich bekannter Weise mit mindestens einer Reihe von Löchern
versehen ist bzw. sind und daß dabei der Abstand je zweier zwischen aufeinanderfolgenden
Löchern ausgesparter Stege höchstens so groß ist wie der Abstand zwischen zwei bei
maximalem Drehwinkel um 900 gegeneinander verdrehten Querschnitten des Bändchens,
das in der Nullpunktlage vollständig flach ist.
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Wie noch näher erläutert werden wird, ist die elastische Nach'wirkung
solcher Bändchen, die im Gegensatz zu den soeben erwähnten Bändchen ähnlich wie
eine Bifilaraufhängung wirken, viel geringer als diejenige der bekannten Bändchen,
so daß die Lagerung sehr nullpunktsicher ist. Der angebene Mindestabstand der Stege
ist erforderlich, um ein Zusammenklappen des Bändchens beim maximalen Drehwinkel
zu vermeiden.
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Gelochte Torsionsbänder sind, wie bereits erwähnt, an sich bekannt.
Solche Bänder sind in einem speziellen Getriebe verwendet worden, um eine kleine
Längenänderung in einen großen Zeigerausschlag zu verwandeln. Dabei ist das Lochband
vorgespannt und vorgedrillt, was zur Folge hat, daß die Nullpunktlage keineswegs
so sicher ist, wie dies für Meßwerke erwünscht ist. Die Nullpunktsicherheit wird
beim Erfindungsgegenstand nur dann gewährleistet, wenn das Bändchen in der Nullpunktlage
vollständig flach ist, also einer Ebene angehört. Durch die Erfindung ist es möglich
geworden, den bisherigen Nachwirkungsfehler von 1 01o oder mehr auf weniger als
0,3 ovo zu reduzieren, was einen sehr erheblichen, lange vergeblich angestrebten
Fortschritt darstellt.
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Es ist zweckmäßig, die Löcher einer Reihe in gleichen Abständen voneinander
auszustanzen. Die Anzahl dieser Löcher auf dem wirksamen Teil des Bändchens muß
dann gleich oder größer sein als der Quotient, den man durch Division des maximalen
Drehwinkels durch 900 erhält.
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Die Löcher können rechteckig oder rund sein; ersteres ist theoretisch
besser, letzteres dagegen in der
Praxis oft vorzuziehen, wegen der
Schwierigkeit, sehr kleine rechteckige Löcher zu stanzen. Wie weiter unten noch
näher ausgeführt ist, ist es vorteilhaft, Mittel zur Regulierung der Bändchenspannung
vorzusehen.
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Die Erfindung ist an Hand der Zeichnungen an Ausführungsbeispielen
erläutert.
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In den Fig. 1 bis 4 der Zeichnung sind vier Bänd-'chen dieser Art
dargestellt, wobei die Stege mit s und die Abstände derselben voneinander mit t
bezeichnet sind. In Fig. 1 und 2 sind die nacheinander oder gleichzeitig aus dem
Bändchen ausgestanzten Löcher rechteckig, wobei der Unterschied lediglich darin
besteht, daß in Fig. 1 die lange Rechteckseite sich in der Längsrichtung, in Fig.
2 dagegen in der Querrichtung des Bändchens erstreckt. In Fig. 3 sind die Löcher
kreisförmig. Gemäß Fig. 4 sind zwei Längsreihen von rechteckigen Löchern vorhanden.
Da die Bändchen die Form von Leitern haben, können die in Längsrichtung kontinuierlich
durchgehenden Teile des Bändchens als Holme h bezeichnet werden.
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Bei den Bändchen nach Fig. 1 bis 3 wirken die Holme h praktisch genauso
wie die zwei Fäden einer Bifilaraufhängung. Bei einer Bifilaraufhängung setzt sich
das Richtmoment aus der Bifilarkomponente Mb, die durch die Zugkraft der Fäden hervorgerufen
wird, und aus der Torsionskomponente Mt zusammen, die von der Verdrehung der beiden
Fäden bestimmt wird.
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Es ist somit: M=Mb+Mt, wobei P.a2 a ist.
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In diesen Formeln bedeutet P die bifilar aufgehängte Last, a den
Abstand der Fäden voneinander, 1 die Länge der Fäden, a den Verdrehungswinkel, r
den Radius eines Fadens und G den Schubmodul des Fadenmaterials.
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Bei Aufhängung der Last P an einem einzigen Faden vom Radius R wäre
das Richtmoment MI=a.:i:.G.R4, 12 und bei gleicher Tragfähigkeit des Einzelfadens
und der Bifilaraufhängung (also mit 2 r2 R2) wäre M' =a 2nG r4.
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Setzt man M = M' und untersucht die Anteile von Mb und Mt für praktisch
in Frage kommende Radien, Abstände und Schubmodule, so ergibt sich, daß bei der
Bifilaraufhängung die von der Torsion herrührende Komponente mit relativ klein ist,
weshalb auch die Nachwirkungserscheinungen bzw. die Nullpunktabweichung viel geringer
sind als bei Aufhängung an einem Einzelfaden. Genau denselben Vorteil erhält man
mit den gelochten Bändchen, wobei natürlich die Formeln für die Torsionskomponente
wegen des rechteckigen Querschnittes der Holme etwas anders lauten und ein gewisser
mathematisch nicht leicht erfaßbarer, aber erfahrungsgemäß geringer Einfluß von
den Stegen s herrührt. Darüber hinaus ergeben sich aber gegenüber der Bifilaraufhängung
sehr wesentliche Vorteile. Die Bifilaraufhängung ist nämlich nicht mehr brauchbar,
wenn der maximale Drehwinkel 900
wird, weiI sich dann die Fäden berühren. Praktisch
benutzt man die Bifilaraufhängung meistens nur bei kleinen Winkeln a, wo sin a a
ist, um ein linear veränderliches Richtmoment zu erhalten. Ferner ist es bei kleinen
Abständen außerordentlich schwierig, diese Abstände genau einzuhalten. Bei den gelochten
Bändchen ist dagegen der Abstand a ein für allemal unveränderlich festgelegt und
dadurch, daß die Abstände t höchstens so groß sind wie der Abstand zwischen zwei
bei maximalem Drehwinkel um 900 gegeneinander verdrehten Querschnitten des Bändchens,
wird vermieden, daß zwei Holme h sich berühren können, d.h., daß Bändchen kann nicht
in sich zusammenklappen. Das Bändchen ist daher für sehr große Drehwinkel von z.
B. 3600 oder sogar darüber hinaus verwendbar, wobei das Richtmoment praktisch proportioiial
mit dem Drehwinkel zunimmt.
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Wenn man den beweglichen Meßwerkteil zwischen zwei derartigen Bändchen
befestigt, so ergibt sich gegenüber den üblichen, vollwandigen Bändchen noch dadurch
ein weiterer wichtiger Vorteil, daß man durch Änderung der Spannung der Bändchen
die Bifilarkomponente des Richtmomentes ändern und dadurch das fertig hergestellte
Meßwerk leicht auf ein bestimmtes Richtmoment einregulieren kann. Hierzu ist es
nur nötig, einen Einspannkopf für eines der beiden Bändchen in Längsrichtung des
Bändchens einstellbar anzuordnen. Es ist natürlich auch möglich, den beweglichen
Meßwerkteil zwischen zwei Paaren von Bändchen zu befestigen, z. B. wenn dieser bewegliche
Meßwerkteil zwei Spulen aufweist, die durch verschiedene elektrische Ströme durchflossen
werden; dabei dienen die Bändchen in bekannter Weise als Stromzuführung.
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Bändchen mit mehreren Reihen von Löchern kann man mit Vorteil dort
verwenden, wo relativ große Zugkräfte im Bändchen auftreten, die sich dann auf drei
oder mehr Holme h verteilen. Die theoretisch einfachste Lochform ist die Rechteckform.
Die Kreisform kann aber aus herstellungstechnischen Gründen bevorzugt werden, da
bei sehr schmalen Bändchen es sehr schwierig werden kann, dieselben mit rechteckigen
Löchern zu versehen.
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Bei Bändchen mit mehreren Lochreihen können nebeneinanderliegende
Löcher auch gegeneinander versetzt sein, statt auf gleicher Höhe zu liegen, wie
beim Bändchen nach Fig. 4. Bändchen nach Fig. 2 mit relativ kleiner Teilung t sind
für die Einhaltung einer strengen Proportionalität zwischen Richtmoment und Drehwinkel
günstig.
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Eingehende Versuche haben gezeigt, daß mit den beschriebenen Bändchen
die von der elastischen Nachwirkung herrührende Nullpunktabweichung auf weniger
als 0,3 0/o des maximalen Drehwinkels reduziert werden kann, während sie bei Verwendung
der üblichen vollwandigen Bändchen 10/o oder mehr beträgt.