-
Mit Federkraft betriebener elektrostatischer Generator, insbesondere
zum Betrieb von Strahlungsmeßgeräten Zum Betrieb von elektrischen Geräten, insbesondere
Strahlungsmeßgeräten, sind elektrische Spannungsquellen notwendig" welche eine hohe
Spannung bei verschwindend geringem Strom aufweisen. Es wurden schon verschiedene
Versuche gemacht, um durch ein Uhrwerk einen statischen Generator zu betreiben.
Insbesondere wurde versucht, kleine Bandgeneratoren zu entwickeln, welche durch
ein Uhrwerk angetrieben werden sollten. Jedoch hat sich hierbei gezeigt, daß der
Wirkungsgrad dieser Anordnungen um so schlechter wurde, je kleiner der Generator
gebaut wurde. Das heißt unter eine bestimmte mechanische Anfangsenergie konnte nicht
heruntergegangen werden. Dadurch wurden bei diesen kleinen Generatoren die mechanischen
Verluste, insbesondere Reibungsverluste, im Verhältnis zur Nutzleistung
immer größer.
-
Zweck dieser Erfindung ist es, einen statischen Generator zu bauen,
dessen mechanische Verluste möglichst klein sind.
-
Die Spannung wird bei diesem Generator nicht durch Reibung, sondern
durch reine Influenzwirkung erzielt, indem ein oder mehrere bewegliche Kondensatorbeläge
bzw. Konduktionsbeläge gegenüber einem bzw. mehreren festen Kondensator- bzw. Konduktionsbelägen
zueinander hin und voneinander weg bewegt werden. Kennzeichnend für die Erfindung
ist dabei, daß als Träger der beweglichen Beläge eine mit Federkraft arbeitende
Antriebseinrichtung verwendet wird, die eine oszillierende Beweaung ausführt. Diese
Generatoren benötiaen natürlich eine Erregerspannung zu ihrem Betrieb. Diese Spannung
wurde in der ersten Ausführungsart durch ein Elektre.t gewonnen, in der zweiten
Ausführung wurde diese Spannung im Generator selbst erzeugt, so daß derselbe in
der Lage ist, sich von einer kleinen Rest- bzw. Anfangsspannung aufzuschaukeln.
Der Generator kann vorzugsweise zum Betrieb von Strahlungsmeßgeräten benützt werden,
wobei Wege und Mittel angegeben werden, um auf einfache Weise die Strahlungsintensität
und Strahlungsmenge zu messen. Die später noch beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Anordnung werden durch folgende besondere Merkmale charakterisiert:
Bei diesen Anordnungen entsprechen die Reibungsverluste genau denen eines normalen
Gangreglers, d. h., durch die Anbringung der Kondensatorbeläge am Gangregler
werden keine zusätzlichen Reibungsverluste verursacht. Durch die besondere, Anordnung
der Schaltkontakte wird der Energiebedarf der gesamten Anordnung praktisch nicht
vergrößert, was auch bei den Versuchen festgestellt wurde.
-
Sprühverluste werden bei dieser Anordnung äußerst klein gehalten,
da die höchste Spannung des Generators durch die Zählrohrspannung begrenzt ist,
die naturgemäß weiter unter der Spannung liegt, bei der ein Sprühen des Generators
nach der erfindungsgemäßen Bauart zu befürchten ist.
-
Dielektrische Verluste sind bei derartigen Anordnungen unter Verwendung
hochwertiger Isoliermaterialien zu vernachlässigen.
-
Demnach zeigt sich also, daß die mechanische Mehrarbeit, welche das
Uhrwerk bzw. die Uhrfeder aufbringen muß, praktisch gleich der elektrischen Energieabgabe
ist, was bei keiner bisher bekannten anderen Anordnung der Fall ist.
-
Es ist also mit der erfindungsgemäßen Anordnung möglich, im Gegensatz
zu den früheren Ausführungen einen sehr kleinen Generator zu bauen, der auch durch
den guten Wirkungsgrad dieser Anordnung nur sehr geringe mechanische Energien benötigt,
wie sie erfahrungsgemäß eine kleine Uhr mit normaler Federkraft ohne weiteres aufbringen
kann.
-
In den Zeichnun-en sind verschiedene Ausführungsformen als Beispiele
der Erfindung dargestellt.
-
In Fig. 1 wird ein einfacher Generator mit Elektret in Seitenansicht
gezeigt, während Fig. 2 den Generator in Aufsicht darstellt. Fig. 3 und 4
haben verschiedene Stellungen der Unruh. In Fig. 1 bedeuten 1 die
Unruh, 2 die Unruhachse, welche in den beiden Lagern 2a gelagert sind. Auf dieser
Achse sitzt wie bei einer normalen Uhr die Unruhfeder 4 und der Ankerstift
8,
welcher mit dem Anker 6 und dem nicht gezeichneten normalen Räderwerk
zusammenarbeitet. Auf der Unruh 1, welche aus hochwertigem Isoliermaterial
besteht, ist ein Belag 7 aufgebracht, welcher mit dem Stift 5 in Verbindung
steht. Bei den äußersten beiden Ausschlagstellungen schlägt die Unruh an die Kontaktfeder
9 und 10 an. Das feststehende Elektret 11 ist
so
angeordnet, daß es bei der einen Ausschlagstellung der Unruh möglichst nahe am Belag
7 sich befindet.
-
In der Fig. 2 ist die Anordnung in Aufsicht gezeichnet, und zwar in
der Stellung, wo der, Belag 7 in der Nähe des Elektrets 11 ist. Es
ist dies die eine Ausschwingstellung der Unruh. Bei dieser Stellung be, rührt der
Kontaktstift 5 die Feder 9, welche geerdet bzw. mit Masse verbünden
ist. Nehmen wir an, daß das Elektret an der Seite des Belages 7 eine negative
Ladung aufweist. Es tritt sodann an dem Belag 7 durch Influenzwirkung eine
Trennung von positiver Spannung, welche durch das, Elektret festgehalten wird, und
negativer Spannung, welche über den Stift 5 über Feder 9 abgeleitet
wird, ein.
-
Fig. 3 zeigt die Mittelstellung der Unruh, welche sich um
90' nach rechts gedreht hat. Der Belag 7 ist vom Elektret
11 entfernt und positiv aufgeladen.
-
In Fig. 4 ist die andere Ausschwingstellung, gezeichnet, wo der Belag
7 am weitesten vom Elektret entfernt ist. Der Stift 5 kommt mit der
Abnahmefeder 10 in Berührung, und die im Belag 7 erzeugte positive
Spannung kann über die Feder 10 abgenommen werden.
-
An Stelle des Elektrets ka'nn natürlich auch eine negativ aufgeladene
Elektrode verwendet werden. Die Federn sind bei dieser und bei den folgenden Ausführungsformen
dermaßen angeordnet, daß die Unruh in ihrer Endstellung nicht plötzlich abgebremst
wird, sondern nach Berührung des Stiftes mit der jeweiligen Feder noch etwas weiter
ausschwingen kann.
-
Fig. 5 zeigt eine doppelt wirkende Anordnung, welche den Vorteil
hat, sowohl das Elektret als auch die auf hohe Gleichspannung aufgeladene Erregerelektrode
der vorigen Ausführungen zu vermeiden, in Seitenansicht. Fig. 6 und
7 zeigen die Anordnung in der Draufsicht in zwei verschiedenen Stellungen.
-
In Fig. 5 bedeutet 1 die Unruh, 2 die Achse und
7
und 7a die auf der isolierten Unruh aufgetragenen Beläge, 5 und
5a die Kontaktstifte. Belag 7 steht in Verbindung mit Stift
5, der in den Endstellungen der Unruh die Feder 9 und 10a berührt.
Der Belag 7a steht mit dem Stift 5 a in Verbindung und berührt
in den EndsteUungen die Federn 9 a und 10. 11 und 11
a
sind die beiden festen Beläge.
-
In der Fig. 6 wird angenommen, daß der feststehende Belag
11 mit einer Meinen positiven Restspannung aufgeladen ist. Durch Influenzwirkung
tritt im Belag 7
wieder eine Trennung ein, wobei die positive Spannung über
Stift 5 und Feder 9 nach Erde bzw. Masse abfließt.
-
Nachdem in Fig, 7 die Unruh an die andere Ausschwingstellung
gekommen ist, befindet sich jetzt der Belag 7 bei dem festen Belag
11 a. Die auf dem Belag 7
befindliche negative Spannung fließt
über Stift 5 und Feder 10 nach dem festen Belag 11 a. Kommt
bei der nächsten Schwingung der Belag 7 a zum festen Belag 11
a (s. Fig. 6), so findet wieder eine Influenzwirkung statt, wobei im
Belag 7 a die negative Elektrizität zur Erde bzw. Masse abfließt.
Bei der nächsten Schwingung gelangt der Belag 7a wieder zum festen Belag
11, und die positive Spannung fließt auf 11 ab und verstärkt dessen
Ladung. Es ist also klar, daß sich die Spannungen sowohl an 11 als auch an
lla bei jeder Schwingung vergrößern, d. h. daß sich die Generatorspannung
selbständig aufschaukelt.
-
Die Fig. 8 zeigt eine andere Ausführung des Generators in Draufsicht,
welche in Fig. 9 im Schnitt dargestellt ist. Bei dieser Ausführungsart umschließen
die festen -Elektroden 11 und 11 a die oszillierenden Beläge
7 und 7 a kammartig, wodurch eine größere Kapazität zwischen den einzelnen
Belägen erzielt wird.
-
Ein. solcher feststehender kammartig ausgeführter Belag wirkt wie
ein Faradaykäfig, welcher es ermöglicht, daß sich-.der Konduktor11 auf ein höheres
Potential, als die Elektrode7 besitzt, auflädt. Diese Ausführung besitzt ähnlich
wie in Fig. 5 zwei Kontaktstifte und vier feststehende Federn.
-
Bei den oben beschriebenen Generatoren muß bei der Inbetriebsetzung
an irgendeinem Kondensatorbelag bzw. Konduktionsbelag eine kleine Anfangsspannung
herrschen, welche sich dann allmählich aufschaukelt. Um diese zuverlässig zu erzeugen,
kann eine Anordnung benützt werden, bei welcher beim Aufziehen der Uhr durch irgendeine
Reibung an einem Isolierkörper eine kleine Spannung erzeugt wird, welche durch Influenzwirkung
auf den Generator einwirkt. Auch ist es möglich, eine Gehäusefläche aus Isolierrnaterial
herzustellen, welche durch Reibung z. B. mit einem Wollappen elektrisch aufgeladen
wird und diese Ladung durch Influenzwirkung auf den Generator überträgt.
-
Läuft ein Generator ohne jede Anfangsspannung, was durch vorheriges
Erden sämtlicher Beläge erzielt werden kann, so genügt die kleinste zugeführte Spannung,
um den Generator nach einer gewissen Zeit auf die volle Spannung kommen zu lassen.
Die kann auch zum Messen kleinster Spannungen bzw. Strommengen benützt werden, wobei
zu bemerken ist, daß die Zeit, welche der Generator benötigt, um eine gewisse Spannung
zu erzielen, umgekehrt proportional zu der anfangs zugeführten unbekannten Spannung
ist. Ebenso ist die Endspannung, welche nach einer bestimmten Zeit erreicht wird,
proportional der Anfangssp . annung.
-
Wenn bei einem Generator, wie Fig. 10 zeigt, die Erregerspannung
auf einem konstanten Wert gehalten wird, was durch eine Funkenstrecke 12 oder Stabilisatoren
an dem festen Belag 11 a erzielt werden kann, so ist ersichtlich, daß bei
konstanter Ganggeschwindigkeit (15 oszillierendes Teil mit Belägen), die
durch Kupplung mit der Unruh einer Uhr erreicht wird, die bei dem anderen festen
Kondensatorbelag 11 abgenommene Spannung umgekehrt proportional zum abgenommenen
Strom ist. Diese letzte Anordnung kann, wie Fig. 11 zeigt, beispielsweise
zur Messung radioaktiver Strahlen benützt werden, indem der Generator mit einem
Zählrohr 13 belastet und die auftretende Spannung mit einem statischen Voltmeter
14 gemessen wird. Ist bei dieser Anordnung keine Strahlung vorhanden, so schaukelt
sich die Spannung des Belages so lange auf, bis die Durchschlagsspannung des Zählrohrs
13 erreicht wird.
-
Diese Spannung wird durch ein elektrostatisches Voltmeter 14 angezeigt.
-
Kommt das Zählrohr 13 in den Bereich einer Strahlung, so erhöht
sich der Strom im Zählrohr. Da die Spannung umgekehrt proportional dem Strom ist,
vermindert sich die Spannung, wodurch ein geringerer Ausschlag des elektrostatischen
Voltmeters 14 erzielt wird.
-
Der elektrostatische Generator kann auch so ausgebildet werden, daß
sich dessen Ganggeschwindigkeit mit dem entnommenen Strom in meßbaren Größen ändert.
Diese Tatssache kann zur Messung der Strahlungsmenge benützt werden, indem die Generatoruhr
16, welche in diesem Falle ähnlich einer normalen
Uhr beispielsweise
Zeit und Zifferblatt besitzt, mit einer Normaluhr17 in bezug auf die Gangdifferenz
verglichen wird.
-
Wird die Zählrohranordnung nach Fig. 12 so ein-eregelt, daß, wenn
keine Strahlung vorhanden ist, beide Uhren gleich gehen, so zeigt beim Eintreffen
einer Strahlung die Gangdifferenz beider Uhren die gemessene Strahlungsmenjoge an.
Das heißt die Gangdifferenz beider Uhren ist proportional der Strahlungsmenge.
-
Beide Uhren, d. h. sowohl die Generatoruhr 16 wie auch
die Normaluhr 17, können natürlich in einem aemeinsamen Gehäuse untergebracht
werden, wobei durch ein mechanisches Differential 19, welches allgemein bekannt
ist, die Gangdifferenz beider Uhren direkt an einer Skala 18 ablesbar ist.
Dabei ist es natürlich möglich, beide Uhren durch eine einzige Feder zu betreiben.
-
Da die Gangdifferenz eines Generators bei Belastungsänderung verhältnismäßig
gering ist, wird vorgeschlagen, das zweite Werk 17, welches oben als Normaluhr
bezeichnet wurde, mit einer elektrostatisch beeinflußbaren Unruh zu versehen, deren
Ganggeschwindigkeit von der angelegten Spannung abhängig ist. Eine solche Anordnung
zeigt Fig. 13. Auf der Unruh 23 ist wieder ein Belag 22 angebracht,
welcher beispielsweise über die Achse 21 mit Erde bzw. Masse verbunden ist. Der
feste Belag 20 ist dermaßen angeordnet, daß er bei Mittelstellung der Unruh dem
auf der Unruh angebrachten Belag gegenübersteht (Fig. 15). Wird dem Belag
20 eine Spannung zugeführt, so wirkt der Belag 22 immer in die Mittelstellung, wirkt
also so, als wäre die Unruhfeder verstärkt worden. Die Uhr geht also schneller.
Fig. 13
zeigt diese Anordnung im Schnitt, während Fig. 14 die Anordnung in
einer Ausschlagstellung zeigt.
-
Um eine Vergrößerung der erzielten Zeitdifferenz zu bekommen, ist
es natürlich möglich, zwei Beläge auf der Unruh zu verwenden (Fig. 16), wobei
der eine Belag 22 wie im vorigen Beispiel geerdet bzw. mit Masse verbunden ist,
während der zweite Belag 22 a mit dem Konduktor 20 verbunden ist. Dieser zweite
Belag 22-a wird bei Annäherung an den Kondensatorbelag 20 abgestoßen und unterstützt
den Belag 22 in seiner Wirkung. In Fig. 18 ist die eine Ausschlagstellung
dieser Anordnung gezeigt, während Fig. 16 einen Schnitt durch diese Anordnung
zeigt. Fig. 17 zeigt die Ruhestellung der Unruh.
-
Elektrode 20 kann natürlich, um die Kapazität zu vergrößern, ebenfalls
kammartig ausgeführt sein, was in Fig. 19 angedeutet ist. Das Werk mit der
eben geschilderten elektrostatisch beeinflußten Unruh tritt also an Stelle der vorher
erwähnten Normaluhr 17,
wobei das Generatorwerk dermaßen ausgeführt ist, daß
es entweder mit einer möglichst kleinen Gangänderung bei veränderter Stromabnahme
oder mit einer entgegengesetzten Gangänderung im Vergleich zur zweiten Uhr ausgebildet
wird.
-
Die Gangdifferenz beider Uhren, welche ebenfalls, wie bisher beschrieben,
durch ein Differentialglied 19
an einer Skala 18 (Fig. 12) abgelesen
werden kann, bildet also ein Maß für die abgenommene Strommenge
des Generators
bzw. bei Strahlungsmeßgeräten für die aufgenommene Strahlung.