DE1172867B - Messumformer, insbesondere zur Messung kleiner Kraefte - Google Patents

Messumformer, insbesondere zur Messung kleiner Kraefte

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DE1172867B
DE1172867B DES41661A DES0041661A DE1172867B DE 1172867 B DE1172867 B DE 1172867B DE S41661 A DES41661 A DE S41661A DE S0041661 A DES0041661 A DE S0041661A DE 1172867 B DE1172867 B DE 1172867B
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
force
hall generator
magnetic field
hall
transmitter
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Pending
Application number
DES41661A
Other languages
English (en)
Inventor
Dipl-Phys Helmut Schwab
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Publication of DE1172867B publication Critical patent/DE1172867B/de
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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/08Measuring force or stress, in general by the use of counterbalancing forces
    • G01L1/086Measuring force or stress, in general by the use of counterbalancing forces using electrostatic or electromagnetic counterbalancing forces

Description

  • 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.
  • 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.
  • Die Richtkraft ist dabei durch eine Feder auszuüben.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • K = C1 # B # I.
  • Andererseits ist bekanntlich die Hallspannung UZ, ebenfalls direkt proportional dem Produkt aus'Feldstärke und Stromstärke, d. h.
  • C/, = C,-B-/.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (5)

  1. Patentansprüche : 1. Meßumformer, insbesondere zur Messung kleiner Kräfte (Gewicht, Beschleunigung, Strahlungsdruck), bei dem als Anzeigegröße die Hallspannung eines Hallgenerators dient, dessen Lage in einem inhomogenen Magnetfeld von der zu 'messenden Kraft entgegen einer Richtkraft ver-'änderbar ist, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß als Richtkraft die vom Magnetfeld auf den vom Steuerstrom durchflossenen Hallgenerator @ausgeübte Kraft ausgenutzt ist.
  2. @@ 2. Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halgenerator einen Halbleiterkörper mit einer Trägerbeweglichkeit von mindestens etwa 6000 cm-/Vs enthält.
  3. 3. Meßumformer nach Anspruch 1 und 2, dadurch'gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper 'aus einer halbleitenden Verbindung von der Form AIIIBV besteht.
  4. 4 : Meßumformer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiter eine 'Verbindung von einem der Elemente Bor, Aluminium, Gallium, Indium mit einem der Ele-"mente Stickstoff, Phosphor, Arsen, Antimon verwendet ist.
  5. 5. Meßumformer nach Anspruch I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Hallgenerators im Magnetfeld durch das Gleichgewicht zwischen der aus der Stärke des Magnetfeldes und des den Hallgenerator beeinflussenden Stromes resultierenden Kraft einerseits und der Summe aus der zu messenden Kraft und weiterer äußerer Kräfte (z. B. Schwerkraft) andererseits gegeben ist.
DES41661A 1954-11-24 1954-11-24 Messumformer, insbesondere zur Messung kleiner Kraefte Pending DE1172867B (de)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2726132A1 (de) * 1977-06-10 1978-12-21 Bosch Gmbh Robert Winkelsignalgeber fuer rotierende teile
DE2730309A1 (de) * 1977-07-05 1979-01-25 Bosch Gmbh Robert Winkelsignalgeber fuer rotierende teile
DE3218795A1 (de) * 1982-05-18 1983-11-24 Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München Elektrischer sensor zur erfassung von wegdifferenzen und von physikalischen groessen, die ein sensorglied verschieben

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DE2726132A1 (de) * 1977-06-10 1978-12-21 Bosch Gmbh Robert Winkelsignalgeber fuer rotierende teile
DE2730309A1 (de) * 1977-07-05 1979-01-25 Bosch Gmbh Robert Winkelsignalgeber fuer rotierende teile
DE3218795A1 (de) * 1982-05-18 1983-11-24 Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München Elektrischer sensor zur erfassung von wegdifferenzen und von physikalischen groessen, die ein sensorglied verschieben

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