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Meßumformer, insbesondere zur Messung kleiner Kräfte Die Erfindung
betrifft einen Meßumformer, insbesondere zur Messung kleiner Kräfte, beispielsweise
zur Gewichtsbestimmung bei chemischen Analysen oder in der Atom-und Molekularphysik,
zu Beschleunigungsmessungen sowie zur Bestimmung des Strahlungsdruckes, beispielsweise
bei radioaktiven Stoffen, Ultraschall u. dgl.
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Es ist bekannt, als Anzeigegröße die Hallspannung eines Hallgenerators
zu verwenden, dessen Lage in einem inhomogenen Magnetfeld von der zu messenden Kraft
entgegen einer Richtkraft veränderbar ist.
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Die Richtkraft ist dabei durch eine Feder auszuüben.
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Sowohl Schwankungen des den Hallgenerator durchfließenden Steuerstroms
als auch eventuelle Änderungen der Federcharakteristik gehen in das Meßergebnis
ein, so daß genaue Messungen nur mit hohem Aufwand möglich sind.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein derartiges Meßgerät so
ausgebildet, daß als Richtkraft die vom Magnetfeld auf den vom Steuerstrom durchflossenen
Hallgenerator ausgeübte Kraft ausgenutzt ist.
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Wie später noch näher ausgeführt, ist beim Erfindungsgegenstand die
Anzeige vom Wert des Steuerstromes unabhängig ; man erzielt also hohe Genauigkeit.
Dabei ist der Aufwand gering, da der Steuerstrom ohnehin erforderlich ist. Außerdem
läßt sich die gewünschte Größe der Richtkraft leicht einstellen.
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Es sei bemerkt, daß es bekannt ist, einen Körper unter Ausnutzung
der Kräfte auf stromdurchflossene Leiter in einem statischen Magnetfeld frei schwebend
zu halten. Von diesen Kräften wird auch beim Erfindungsgegenstand Gebrauch gemacht.
Es handelt sich jedoch um die gleichzeitige Ausnutzung von Kraftwirkung und Halleffekt
zur Schaffung eines hochwertigen Meßgerätes, das leicht ablesbar ist und keine besonderen
Richtkraftelemente benötigt.
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Für die Zwecke der Erfindung ist es besonders vorteilhaft, einen
Hallgenerator zu verwenden, der aus einem Halbleiterkörper mit einer Trägerbeweglichkeit
von mindestens etwa 6000 cm2'Vs besteht.
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Zu diesen Halbleitern gehören Widerstandskörper aus halbleitenden
Verbindungen, insbesondere von der Form All, Bv, d. h. aus Verbindungen eines Elementes
der III. Gruppe mit einem Element der V. Gruppe des Periodischen Systems. Unter
den AIllBv-Verbindungen eignen sich insbesondere Verbindungen von einem der Elemente
Bor, Aluminium, Gallium, Indium, mit einem der Elemente Stickstoff, Phosphor, Arsen,
Antimon. Bei Indium-Antimonid beispielsweise werden Trägerbeweglichkeiten von 60
000 cm2/Vs erreicht.
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An Hand der schematischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels
in Fig. 1 sei die Erfindung näher erläutert. In dem Luftspalt 1 zwischen den beiden
Polschuhen 2 und 3 eines Magneten befindet sich ein Hallgenerator 4, welcher von
einem Strom I durchflossen wird. Die Flanken der Polschuhe 2 und 3 sind dabei so
gestaltet, daß in dem Luftspalt ein inhomogenes Magnetfeld entsteht, welches an
einer beliebigen Stelle die Größe B mit der durch den zugehörigen Pfeil angedeuteten
Richtung haben möge. Aus dem Produkt der Feldstärke ß und der den Hallgenerator
durchfließenden Stromstärke I ergibt sich bekanntlich eine Kraft K, welche bei den
angenommenen Richtungen von 1 und B die dargestellte Richtung hat, d. h. also, der
auf den Hallgenerator einwirkenden Schwerkraft entgegengerichtet ist. Bei hinreichender
Größe der Kraft wird der Hallgenerator an einer bestimmten Stelle des Feldes im
Gleichgewicht sein.
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Wird nunmehr der Hallgenerator in Richtung der Schwerkraft durch
die zu messende Kraft P, beispielsweise ein Gewicht 5, belastet, so sinkt er tiefer
in das Magnetfeld ein, d. h., er gelangt in Gebiete größerer magnetischer Feldstärke,
so daß auch die Kraft K so lange ansteigt, bis wiederum der Gleichgewichtszustand
hergestellt ist. Da nun aber der Hallgenerator sich in einem Gebiet höherer magnetischer
Induktion befindet, ist auch die an dem Hallgenerator entstehende Hallspannung Uh
entsprechend größer. Es kann somit die Hallspannung als Maß für die Größe des Gewichtes
5 verwendet werden. Dabei ergibt sich, daß diese Hallspannung Ut, der auf den Hallgenerator
wirkenden Kraft P allein proportional und unabhängig ist von
Schwankungen
der Feldstärke oder des den Hallgenerator durchfließenderi Stromes 1.
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Die auf einen stromdurchflossenen Leiter im magnetischen Feld ausgeübte
Kraft K ist bekanntlich direkt proportional dem Produkt aus der Feldstärke B und
der Stromstärke I, d. h.
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K = C1 # B # I.
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Andererseits ist bekanntlich die Hallspannung UZ, ebenfalls direkt
proportional dem Produkt aus'Feldstärke und Stromstärke, d. h.
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C/, = C,-B-/.
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Da B und I in beiden Formeln gleich sind, ergibt sich Uh = C2 # K/C1
= C3 # K1 d. h. also, die Hallspannung ist direkt proportional der Kraft K. Für
den Gleichgewichtszustand ist jedoch K=P+ G, d. h., die auf den stromdurchflossenen
Hallgenerator im magnetischen Feld ausgeübte Kraft ist größengleich der Summe aus
der zu messenden Kraft P und dem Eigengewicht G des Hallgenerators. Dann ist aber
auch U = Cs P + G Da G = const, ist also die Hallspannung direkt proportional der
auf den Hallgenerator wirkenden Kraft, wobei die Proportionalitätskonstante C. der
Empfindlichkeit der Anordnung entspricht.
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Es ist zu erkennen, daß die Größe des Meßbereiches abhängig ist von
der maximalen Stärke des magnetischen Feldes und der Stärke des den Hallgenerator
durchfließenden Stromes. Während die Feldstärke eine natürliche obere Grenze hat,
ist die 5tromstärke begrenzt durch die Größe des Hallgenerators, d : h., je größer
die räumlichen Ausdehnungen des Hallgenerators sind, desto größer kann der durch
den Hallgenerator fließende Primärstrom sein : Dabei-kain eg gQebenenfalls vorteilhaft
sein, die auf den Hallgeneråtor wirkende Schwerkraft mehr oder weniger dadurch auszugleichdn,
daß eine zusätzliche Kraft vorgesehen wird, die der Schwerkraft entgegengerichtet
ist. Eine derartige zusätzliche Kraft kann beispielsweise dadurch hervorgerufen
werden, daß der Hallgenerator in einer Flüssigkeit angeordnet ist-. Wenn das spezifische
Gewicht der Flüssigkeit gleich der des Hallgenerators ist, wird das Eigengewicht
des Hallgenerators kompensiert.
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In den Fig. 2 a und 2b ist ein schematisches Ausführungsbeispiel
zur Messung des Strahlungsdruckes it-zwei Ansichten'dargestellt. Auch hier befindet
sich in dem Luftspalt 1 zwischen den Polen 2 und'3 eines Magnets'de'r'Hallgenerator'4,
welcher in dieseit Fallean Fäden 6 leicht beweglich aufgehängt ist, die zugReick
Abnahme der Hallspannung bder als Stromzuführungen dienen können. Dabei ist die
Anordnung so getroffen, daß auch hier wiederum die von dem Magnet'und dem Primärstrom
des Hallgenerators hefirüh'rende Kraft bestrebt'ist, den'Hallgenerator aus dem Magnetfeld
hmauszudrücken.
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Durchs den StrahlungSdruck'jedoch'wird'der Hallgenerator so weit in
das Magnetfeld hineingedrückt, bis der Gleichgewichtszustand erreicht ist der dargestellten
Aufhängung des Hallgenerators wird sich dieser jedoch kreisförmig in dem'Luftspalt
bewegen. Um den sieh dabei vdrändemden Einfluß'der Schwerkraft aüszügleichen, kann
die Anordnung So
ausgebildet werden, daß die Magnete bzw. die Aufhängung des Hallplättchehs
jeweils so verändert werden, daß im Gleichgewichtszustand die Lage des Hallplättchens
durch die Schwerkraft nicht beeinflqßt ist,d:H.also,dasHaIIplättchen an der tiefsten
Stelle hängt.
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Für verschiedene Messungen, beispielsweise für Drehmomentbestimmungen,
kann der Hallgenerator an einer Seite-gegebenenfalls unter Zuhilfenahme eines Gegengewichtes-so
gelagert sein. daß er eine Drehbewegung um eine vertikale Achse ausführen kann.
Diese Legierung kann entweder in einer bei anderen Meßinstrumenten, z. B. elektrischen
Spannungsmessern, bekannten Lagerung bestehen oder aber in einer-in diesem Fall
nur einseitigen-Fadenaufhängung. Aber auch bei diesen Anordnungen kann es vorteilhaft
sein, den Magnet in seiner Lage verstellbar auszuführen, um eventuelle Kräfte, beispielsweise
Torsionskräfte bei Fadenaufhängung, auszugleichen.
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Zur Vermeidung der Nachstellschwierigkeiteh, insbesondere bei der
im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 2a und 2 b beschriebenen Aufhängungsanordnung,
kann es vorteilhaft sein, den Hallgenerator im Magnetfeld so anzuordnen, daß nur
eine geradlinige Bewegung in der horizontalen Richtung möglich ist, beispielsweise
indem der Hallgenerator auf einer horizontalen Gleitbahn gelagert ist.
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Um bessere Angriffsflächen für die zu messende Kraft zu erhalten,
kann die zur Aufnahme der zu messenden Kraft dienende Fläche des Hallgenerators
vergrößert werden, wie dies beispielsweise aus den F i g. 1 und 2 unschwer zu erkennen
ist.