DE1964623A1

DE1964623A1 - Einrichtung zur Erzeugung einer dem Quadrat eines magnetischen Feldes proportionalen Spannung

Info

Publication number: DE1964623A1
Application number: DE19691964623
Authority: DE
Inventors: Soeredal Sven Gunnar
Original assignee: LKB Produkter AB
Current assignee: Pfizer Health AB
Priority date: 1968-12-27
Filing date: 1969-12-23
Publication date: 1970-07-16
Also published as: DE1964623B2; FR2027210A1; US3614490A; SE335884B; DE1964623C3; GB1288946A

Description

DR. BERG DIPL.-ING. STAPF

PATENTANWÄLTE 8 MÜNCHEN 2. HILBLESTRASSE 2O

• Dr. Berg Dipl.-Ing. Stapf, 8 München 2, HllblestraBe 20

Ihr Zeichen

Unser Zeichen 19 130

Datum

2 3. BEZ. 1969

Anwaltsakte 10 130

LKB-Produkter Äktiebolak Mariehäll / Schweden

"Einrichtung zur Erzeugung einer dem Quadrat eines magnetischen Feldes proportionalen Spannung"

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung einer dem Quadrat eines magnetischen Feldes proportionalen Spannung,

Zur Lösung bestimmter Messprobleme, insbesondere der Messung der Massenzahl bei Massenspektrometer^ strebt man danach, eine dem Quadrat eines magnetischen Feldes, d. h. der Massenzahl propor-

00 9829/104

1Π) ·5 Ii 20 Bl Telearumme: PArEh4TEULE MOnchen Banki Bayerische Verelnsbank MOnchen Ί53 100 Postscheck.- München 653 43

tionale Größe zu erzeugen. Auch in anderen Fällen strebt man danach, eine Größe zu erzeugen, welche sich mit dem Quadrat des magnetischen Feldes ändert« Dies ist z.B. hei der Messung der Anziehungskraft eines Magneten der Fall. Die Einrichtung gemäß Erfindung liefert direkt eine Spannung, welche dem Quadrat eines magnetischen Feldes proportional ist.

Es sind bereits Einrichtungen zur Messung der Massenzahl für Massenspektrometer bekannt, welche auf der Grundlage der Messung des magnetischen Feldes mit Hilfe von Hall-Generatoren arbeiten. Es ist jedoch außerordentlich schwierig, derartige Messgeräte mit einem ausreichenden Genauigkeitsgrad auszubilden,. Andererseits strebt man jedoch danach, den Messfehler weit unter einer Massenzahleinheit zu halten. Deshalb sollte die Mesegenauigkeit in Massenspektrometern, welche bis zu einer Massenzahl von 1000 verwendet werden können, 0,05 % in Bezug auf die Massenzahl betragen. Wegen der quadratischen Abhängigkeit muß somit das magnetische Feld mit einer Genauigkeit von 0,025 jf gemessen werden» ™ Die Wirkung des Hall-Generators beruht auf bestimmten Materialeigenschaften und ändert sich sowohl individuell von Generator zu Generator als sie auch von äußeren Umständen, und zwar hauptsächlich von der Temperatur, abhängt* Der Uall-Generator muß mit großer Genauigkeit temperaturstabilisiert sein, was aufwendig und schwierig ist und den Nachteil mit sich bringt, daß die Erstreckung der Mtsseinrichtung in Feldrichtung mehrfach größer als jene d«s Hall-Generators ist. Zusätzlich su der Ausrüstung für die Konstanthaltung der Temperatur des Hall-Generator« und sus· Versorgung des Hall-Generators mit einem stabilen Strom ist «msh

009829/1042

eine Einrichtung zum Quadrieren der Spannung von dem HaIl-Grneratör erforderlich« Eine andere Art einer Messeinrichtung für die Massenzahlen für Massenspektrometer arbeitet auf de-m Prinzip der Induktion. In diesem Falle wird um einen magnetischen Pol eine Leiterschleife angeordnet. Die Schleife ist an einen Integraliendverstärker angeschlossen, dessen Ausgang auf eine (|uadrierungseinrichtung geführt ist. Der Magnet wird in ausreichend kurzen Zeitabständen demagnetisiert. und die Einrichtung wird auf Null gestellt. Es ist jedoch außerordentlich schwierig, einen Integrator herzustellen, welcher die oben angegebene Genauigkeit während irgendeiner Zeitdauer einhält.

Die Einrichtung gemäß Erfindung ist vorallem durch eine Anzahl mechanisch schwingungsfähiger Systeme gekennzeichnet, deren jedes eine Anzahl federnd aufgehängter Leiter (Primärstromkreis) aufweist, welche an eine Wechselstrom- mit einer höheren Frequenz als die Eigenfrequenz der Systeme abgebende Stromquelle angeschlossen sind. Der Primärstromkreie kann zwei parallele Stäbe oder Itohre aufweisen, welche elektrisch in Reihe geschaltet sind und an Blattfedern aufgehängt sind. In den Primärstrom—

kreis wird eine Spannung induziert, welche dem Quadrat des magnetischen Feldes proportional ist. Die Spannung des Primärstromkreises weist aber auch eine Komponente infolge ihres Ohmschen und ihres induktiven Wideretande auf. Der gesamte Ohmsche und der größere Teil des induktiven Spannungsabfalls kann eliminiert werden, indem die Einrichtung mit einem Sekundärstromkreis vergehen wird, welcher mit dem Primärstromkreis mechanisch

009829/10^2

„, 4 —

verbunden ist» In diesem Fall kann der PrimärStromkreis zwei Bohr© aufweisen, und der SekundärstroHtkreis kann s-wei in den Eohren angeordnete und von diesen isolierte Drähte aufweisen. Muß ein hoher Genauigkeitsgrad erreicht werden_f so wird der Sekundärstromkreis zweckmäßig in der Form von zwei Drähten ausgebildet, wobei jeweils einer auf jeder Seite der Primärstronikreisleiter angeordnet ist und mechanisch mit diesem verbunden ist,, Die Drähte sind so gespannt, daß ihre freien Enden eine weit über der Betriebsfrequenz liegende Eigenfrequenz besitzen^ Die Eigenfrequenz der Federn muß verglichen mit dem zweifachen der Betriebsfrequenz groß sein, Darüfoerhinaus muß die Federkon-

-2·

stante der Fedemklein sein, da sonst eine Störung eingefühlt wird_t welche in der Form ungerader Harmonischer in den Schwingungen Systems erscheint.

Diese entgegengesetzten Anforderungen (hohe Frequenz der Feder eteife Feder, kleine Fede.rkonstante = schwache Feder) können zufriedenstellend erreicht werden, indem die Federn fels gewölbtSs Federn oder in der Form normaler Blattfedern mit Dreieckfdrift au*— gebildet werden. -

Anstelle von Draht en können in dens SekundärstroMkreis auch Stäbe ©der Rohre verwendet werden, welche in der Mitte angelenkt sind UEd mechanisch durch Streben mit dem Priiaärstreiskreie verbunden sind. Sowohl di© Anlenkung in der Mitte als auch die Lagerung an den Enden der Stäbe sollte mittels Federelemeßten ausgeführt werden.

009 829/104a

1964323

Da die Leiter des Sekuadärstrosnkreiseg an ihren MitteIpuakten zum Schwingen gebracht werden, aber an ihren Enden festgehalten aind und dazwischen so schwingen,, daß axe immer VerhaltniaiaaBig gerade aind, folgt dia indusiesrte Spannung dem Feld im mittleren Teil dea Leiters sehr genau, wohingegen das Feld an seinen Enden von geringerer Bedeutung ist. Diese Wirkung tritt sogar noch ausgeprägter hervor, wenn die Leiter des Priaiäratroaikraiesa ebenfalls als steif® Leiter, welche in der Mitte flexibel sind, auegebildet aind.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungabeispielen und unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert,

Fig. 1 zeigt eine Ausfühxnngsform, bei welcher der PrimärStromkreis auch den SekixndarStromkreis bildete

Fig. 2 — 5 zeigen Aus führung aformsn salt verschiedener Ausbildung des SekundärstromkreiseBo

Fig. 6 zeigt eine Aus führung a £ era mit einer anderen. Ausbildung dee Primäratromkreiaes,

Fig. ? zaigt eine Masachaltung mit ©ineia Kompensator.

Fig. 8 aaigt eins Mas schaltung, ^alah© eiasn Digtamrer-t A&u

Warte® liefert» . ■

— 0

009829/104

■ 19B4623

In Fig« 1 a sind zwei zo.saaiBi.ena rubelten da magnetische Pole 1 und 2 mit entgegengesetzten Polaritäten und ein Leiter 3 in der Form eines l&ohxes oder eines Stabes, welcher in zwei Blattfedern 4 so aufgehängt ist, daß er senkrecht su seiner Längsachse und zum magnetischen Feld schwingen kann, gezeigt» Die Einrichtung weist zwei derartige Schwingungssysteme auf, wie dies aus Fig. 1 b ersichtlich ist. Die beiden Schwingungssystenie sind elektrisch in iieihe geschaltet. Die Leiter sind in eine Brücke geschaltet, deren andere Zweige einen Kondensator 5, einen Festwiderstand 6 und einen in Heine mit einer veränderbaren Induktivität 8 liegenden veränderbaren Widerstand 7 aufweisen.

Die Einrichtung gemäß Fig* 1 arbeitet wie folgt: tVenn die Leiter von einem Wechselstrom = I sin^t durchflossen werden und in

einem magnetischen Feld angeordnet sind, wirkt auf sie eine Kraft = BIL sin^t ein. Dabei ist L die Länge des im Feld ß befindlichen Teils des Stabes» svenn die Masse des Leiters ia ist, die Federkonstante der Federn k ia-t und die Dämpfung als der Geschwindigkeit proportional angenommen werden kann und =» fs¹ ist, so kann die Schwingung durch die Differentialgleichung

BIL siflvj'e = as" ■> fs¹ + ka

ausgedrückt werden,

003829/1042-

DieLösung dieser Differentialgleichung ist:

s = BIL . mk, ' - k » sixu't -{· BIL „ fu/ , cog. t

2 . v2 ' 2 2 - ■ ζ 2 - v2 .2,2

- i -i

+ C, e ^" sin^_At + C_oe "- - cose't

i— g * -

*» C₁ und C₂ siad Integra

O 2 -ja. tionskenstasten«

Die Zeitkonstante kann man als go klein annehaten, daß die beiden letzten Ausdrücke vernachlässigbar sind* Wenn die Betriebsfrequenz hoch in Bezug auf die Eigenfrequenz des Systems gewählt wird ((, ist viel größer als.«*' ) und die Verluste beträchtlich sind, gilt folgende Näherung*.

β — "' ■ . siniit

Die {xeschwindigkeit ist somit

BIL '

_s _ , cosat

IM

und die induzierte Spannung ist

2B²IL² ' ■ -

V = -» cos^t

g Itt'xf'

Die Spannung über den Primärstromkreisleitern enthält auch einen ohm'sehen Spannungsabfall = Illein^t und einen induktiven Spannungsabfall **ij LI . COS(Jt.

009829/1042

Die Grundformel für die Massenzahl in dem Massenspektrometer ist:

A²

2 V

wobei B = die Induktion, E = der Radius des Ionenstrahls, welcher in dem Ionenauf fänger gebündelt ist, V = die Beschleunigungsspannung und m. und e. die Massen und Ladungen der Ionen sind. «J J

Die induzierte Spannung hat die Größe

^ki^MI ο

V = und ist um 90 in Bezug auf den Strom phasenver-

achoben. Hier ist M die Massenzahl. Somit kann die Spannung über dem Schwingungssystem durch den komplexen Widerstand

R + -— + jcjL dargestellt werden« Der Gleichgewichtszustand der in Fig« I gezeigten Brücke ist:

(R ₊ - +0.L)R₀= -^ (R₁

Venn die Real- und Imaginärteile einzeln gleichgesetzt werden, ist die Bedingung

Bei »ich ändernder Massenzahl ändert sich R, wohingegen R_fl, C, L konstant bleiben. Somit i«t auch L konstant. Di·

— 9 —.

00 98 29/1042

Massenzahl ändert sich somit linear mit B₁ , «reiches direkt

in Massenzahlen mit einer Nullabweichung « —£— geeicht

^Kl

werden kann. Die Brücke erreicht nicht die Masaenzahl O₅, insbesondere dann nicht, wenn der Widerstand der Induktivität L₁ ebenfalls in R, enthalten ist. Dies bildet einen Nachteil dieser Anordnung. Ein anderer Nachteil liegt darin, daß L während der Schwingung nicht konstant ist, und zwar größer, wenn zwei Primärstromkreisleiter nach auswärts schwingen und kleiner ist, wenn sie nach einwärts schwingen. Dadurch entsteht eine Reihe ä

von geraden Harmonischen in der induzierten Spannung, Weiterhin hängt R von der Temperatur ab. Diese Nachteile werden durch Anordnung eines besonderen Sekundärstromkreises verringert. Die Anordnung gemäß Fig. 1 (vielleicht zusammen mit anderen elektrischen Messchaltungen) ist somit in jenen Fällen zweckmäßig, bei-welchen nur eine geringe Messgenauigkeit erforderlich ist.

Aus Fig. 2 ist eine Anordnung ersichtlich, bei welcher der Primäre tromkre is in Form von Rohren ausgebildet ist und die Sekun-

däretroakreisleiter innerhalb dieser Bohre angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform geht keine Wirkung von einem ohm¹sehen Spannungsabfall aus (die Induktivität L.kann weggelassen werden) , und gleichzeitig wird die Induktivität L auf die wechselseitige Induktivität zwischen dem Primär- und dem Sekundärstromkreis herabgesetzt. Wenn diese Induktivität verringert wird, nimmt die Veränderungsmöglichkeit natürlich auch ab. Der Primärstroakreis weist zwei Rohr« 3, weleht is Blattfedern 4 aufge-

- 10 ■--

009829/1042

hängt sind, auf. Drähte 10 sind in den Bohren angeordnet und werden z. B. durch Gießharz an Ort und Stelle gehalten. Die Drähte sind von den Bohren isoliert und mittels eines Jochs 11 in Beihe miteinander geschaltet. Bei den bisher gezeigten Ausführungsformen wurde angenommen, daß die Induktion B über die ganze Länge des' Leiters konstant ist. Die Einrichtung ist vorzugsweise senkrecht zum Ionenstrahl ausgerichtet, da sie sonst gekrümmt ausgeführt werden muß. Da die Ionen gewöhnlich in der gleichen Höhe wie der mittlere Teil des Leiters wandern und da das Feld an' den Enden des Leiters geringer ist, wird insbesondere bei hoher Masaenzahl (hoher magnetischer Induktion) die Einrichtung so ausgeführt, daß die induzierte Spannung mehr von dem Feld in der Mitte der Leiter und weniger von dem Feld an deren Enden abhängt. Eine derartige Anordnung ist in Fig. 3 gezeigt. Der Primärstromkreis weist zwei Bohre oder Stäbe 3 auf, welche an Blattfedern 4 aufgehängt sind. Der Sekundärstromkreis weist zwei Drähte 12 auf, welche an einem Ende an Stäben 13, welche miteinander in Berührung stehen, befestigt sind, Die Drähte werden durch gewölbte Federn 14, welche an Befestigungewinkeln 15 angebracht sind, gespannt. Sehr schwach· Blattfedern 16, welche nahe den Blattfedern 4 auf der gleichem Seite vorgesehen sind, verhindern, dafl die Drähte sieh an der Angriffestelle dieser Federn seitlich bewegen. In der Mitte sind die Stab· 3 und die Draht« 12 mittels Streben 17 verbunden, welche aber die Stäbe und Drähte voneinander isolieren»

-11 -

009829/1042

In Fig. 4 ist eine Abwandlung der Anordnung gemäß Fig« 3 gezeigt. Der Hauptuntersdiied besteht darin, daß die gewölbten Federn 14 und die Blattfedern 16 durch an Stäben 19 befestigte Blattfedern 18 ersetzt sind. Die Ausführungsform dieser Blattfedern 1Θ ist aus Fig. 4 b ersichtlich. Da sie Dreiecksfonn besitzen, sind sie gegenüber einer Druckbelastung an ihrer Spitze sehr nachgiebig, besitzen jedoch eine sehr hohe Eigenfrequenz. Bei den Anordnungen gemäß Fig. 3 und 4 ist die von den gewölbten Federn 14 bzw. den Blattfedern 18 aufgebrachte Spannung so groß, daß jene Teile der Drähte, welche zwischen den Stäben 13 und den Streben 17 und den Blattfedern 16 (Fig. 3) und zwischen den Streben 17 und den Blattfedern 18 (Fig. 4) gelegen sind, eine Eigenfrequenz aufweisen, welche weit über der Betriebsfrequenz liegt.

Die aus Fig. 5 ersichtliche Anordnung weist ebenso einen Primärstromkreis mit zwei Stäben oder Rohren 2 auf, welche an Blattfedern 4 aufgehängt sind. Jeder Sekundärleiter weist zwei Stäbe auf« Die Stabe können aus Rohren, Stangen oder Profilstäben bestehen. Die Stäbe 22 sind an beiden Enden mittels kurzer Blattfedern 23, 24.aufgehängt, welche sieh senkrecht zur Längsrichtung der Stäbe 22 erstrecken. Die Blattfedern 23 sind mit ihrem anderen Ende an feststehenden Stäben 13 bzw. 14 befestigt. Die Stäbe

13 sind elektrisch miteinander verbunden, wohingegen die Stäbe

14 die Anschlüsse des Sekundäretromkreiea bilden. Die Blattfedern 24 sind mit ihren anderen Enden an Streben 17 angebracht, welche -wiederum elastisch an den Primärstromkreisstäben 3 angebracht sind. Die Streben 17 bestehen entweder aus Isoliermaterial oder

009829/1042

β ie sind von den Stäben. 3 oder von. den Blattfedern 21 isoliert,

Aue Fig. 6 ist eine Anordnung ersichtlich, bei welcher die Leiter sowohl des Primär- als auch des Sekundärstromkreises Paare von Stäben 22,25 aufweisen. Die Stäbe 25 sind an Blattfedern 26, 27, 28, welche senkrecht zur Längserstreckungerichtung der Stäbe angeordnet sind, aufgehängt. Die Federn 26 sind an Stäben 29, 30 angebracht, welche die Anschlüsse des Primärsystems bilden-. Die Federn 27, 28 sind elektrisch miteinander -verbunden· Die Federn 28 sind mit ihrem anderen Ende an einem feststehenden Stab 31 befestigt. Wie bei der Anordnung gemäß Fig. 5 weist das Sekundäreystem die Bestandteile 13, 14, 22, 23 und 24 auf. Die Blattfedern 24 und 27 sind mechanisch paarweise mittels Streben 17 verbunden. Die Einrichtung muß so dimensioniert werden, daß die Eigenfrequenz dee gesamten Systems mit zwei Stäben 22, zwei Stäben 25, jeweils zwei Blattfedern der Blattfedern 23, 24 und 27, und jeweils einer Blattfeder der Blattfedern 26 und 28, weit unter der Betriebefrequenz liegen muß, wohingegen die Eigenfrequenz jedes Stabes 22 und 25 und der Blattfedern weit über der Betriebsfrequenz liegen muß.

Aue Fig. 7 ist eine Vermessung der Ausgangsspannung der aus den Fig. 2 bis 6 ersichtlichen Anordnungen geeignete Schaltung ersichtlich. Der Primäre tr omkr eis ist als die beiden Linien 34 dargestellt. Diese eind miteinander verbunden und weiter über «in«n Kondensator 37 an einen Generator 36 abgeschlossen, Brallel zu

- 13 -

009829/1042

" ** " 1B64B23

dem Kondensator 37 liegt eine Reihenschaltungeines Widerstände

38 mit einem Präzisionsspannungsteiler 39. Der Spannungsteiler

39 liegt parallel zu einem Kondensator 40. Von dem Spannungsteiler 39 wird eine Spannung auf einen Eingang eines Funktion»Verstärkers 41 geführt. Der andere Eingang des Verstärkers ist an , einen Anschluß des Sekundärstromkreises 35 angeschlossen, dessen anderer Pol mit dem Nullpunkt, verbunden ist. Für den Funktionsverstärker ist eine negative Bückkopplung mittels der beiden Widerstände 42, 43 vorgesehen· An den Ausgang 44 ist ein Nullinstrument angeschlossen. Die Massenzahl wird in diesem, fall durch die Stellung des Spannungsteilers 39 angegeben, wenn die Ausgangespannung bei 44 0 ist.

In dem Sekundärstromkreis wird durch Generation eine Spannung induziert, welche der Massenzahl und dem Strom geteilt durch die Frequenz proportional ist» wie dies weiter oben erläutert wurde. Der Spannungsabfall über dem Kondensator 37 ist also dem Qotienten zwischen dem Strom und der Frequenz proportional. D. h., daß das Verhältnis zwischen der durch Generation induzierten Spannung und der Spannung über dem Kondensator ein Maß der Massenzahl ist. Diese Spannungen sind weiter im wesentlichen in Phase. Ein kleiner Fehler wird durch das Phasenverhältnis infolge der Verluste in dem Schwingungssystem und ebenso eine sieh von 90° unterscheidende Verschiebung infolge der Verluste in dem Kondensator 37, und dft der Kondensator 37 parallel zu den Widerständen 38 und 39 geschaltet ist, erhalten. Zur Kompensierung aller dieser Phasen-

verschiebungen ist der Kondensator 40 parallel zu dem Spannungsteiler 39 geschaltet. Da die Phasenverschiebungen als konstant bei sich ändernder Massenzahl angesehen werden können und-der Widerstand des Spannungsteilers 39 konstant ist ₉ kann auch der Wert des Kondensators 40 konstant gehalten werden.

Aus Fig. 8 ist schematisch eine weitere Schaltung ersichtlich., mittels welcher die Massenzahl in digitaler Form erhalten wird. Wie bei der Schaltung gemäß Fig. 7 weist der Priaärstromkreis . ein Schwingungs system 34, einen Generator 36 und einen Kondensator 37 auf. Weiter ist eine veränderbare Gegeninduktivität 45 zwischen den Primär- und den Sekundär Stromkreis geschaltet. Dadurch kann die Gegeninduktion zwischen dem Primär- und dem Sekundärstromkreis kompensiert werden. (Dies ist auch bei der aus Fig. 7 ere ichtl ichen Anordnung mögl ich). Natur 1 ich kann ledig— lieh der konstante Teil der Gegeninduktion kompensiert werden. Die Änderung der Gegeninduktion während der weiter oben erwähnten Schwingung kann nur dadurch νerringert werden, daß die Gageninduktion durch einen größeren Abstand zwischen dem Primär- und dem Sekundärstromkreis verringert wird. Die Spannung von der Gegeninduktion 45 wird zu der Spannung des Sekundärstromkreises addiert, und die daraus resultierende Spannung wird auf einen aingmodulator 46 geführt. Die Spannung von d«m kondensator 37 wird auf einen weiteren Ringmodulator geführt und steuert auch die beiden Ringmodulatoren 48, 47. Di· Spannung von dem Äinginodulator 46 bildet die gleichgerichtet· gemessene Spannung, und di· Spannung von dem Ringmodulator 47 bildet di· gleichgerichtet·

Bezugsspannung. Diese Spannungen müssen in jedem Augenblick dividiert werden· Da sich die Bezugs spannung ändert, muß die Division so rasch ausgeführt werden, daß die Bezugsspannung während der Divisionszeit als konstant angesehen werden kann. Die Spannungen von den Ringmodulatoren 46 und 47 werden auf eine Digitalisierungseinrichtung geführt, welche, wie aus der Zeichnung ersichtlich, einen Komparator 48, einen mit einer Toreinrichtung 49 kombinierten Taktfrequenzgenerator, ein Register 50 und einen Digital-Analog-Umwandler 51 aufweist. In dem Komparator 48 wird die Spannung von dem Ringmodulator 46 ait der Spannung von dem Digital-Anal<g-Umwandler 51 verglichene Die letztere Spannung wird teilweise durch Einstellung des Digital—Analog-Konverters und teilweise durch den Momentanwert der Bezugsspannung bestimmt. Wenn die Spannung von dem Ringmodulator 46 größer als die Spannung von dem Digital-Analog— Konverter 51 ist, steuern die Impulse von dem Tor 49 das Register 50 in positiver Richtung, sonst in negativer Richtung. Der Digital aus gang von dem Register 50 stellt die Massenzahl in Digitalform dar. ,

Wie schon weiter oben erwähnt, miß die Eigenfrequenz des Schwingungssysteme niedrig in Bezug auf die Betriebsfrequenz sein, wohingegen die Eigenfrequenzen der einzelnen Bestandteile weit über der Betriebsfrequenz liegen müssen. Anders ausgedrückt muß die Betriebsfrequenz so gewählt werden, daß sie hoch in Bezug auf die Eigenfrequenz de« Schwingung«systems ist und niedrig

009829/1042

in Bezug auf die Eigenfrequenzen der einzelnen Bestandteile ist. Dadurch werden für die Wahl der Betriebsfrequenz sehr enge Grenzen gesetzt. Oftmals ist es erwünscht, daß die Einrichtung mit großer Genauigkeit selbst bei eich rasch ändernden Feldern mißt. Somit ist es oftmals notwendig, mehrere Divisionsvorgänge während jeder Halbperiode auszuführen. Der Filterung der Spannungen kommt dadurch große Bedeutung zu. In den Augenblicken, in welchen die Bezugsspannung Null oder nahezu Null ist, wird der Quotient natürlich unbestimmt. Deshalb ist es zweckmäßig, den gemessenen Wert festzuhalten, wenn die Bezugsspannung unter einen bestimmten Wert absinkt, und die Division erst wieder beginnen zu lassen, wenn die Bezugsspannung diesen Wert überschreitet. Dies wird am einfachsten dadurch ausgeführt, daß die Versorgungespannung für den Komparator 48 abgeschaltet wird, wenn die Bezugsspannung unter einen bestimmten Wert fällt, und wieder angeschaltet wird, wenn die Bezugβspannung diesen Wert übersteigt.

Ein anderes Problem, entsteht mit sich rasch ändernden magnetischen Feldern. Die Einrichtung kann einen wahren Wert nur dann anzeigen, wenn das Schwingungssystem mit einer das fragliche magnetische Feld repräsentierenden Geschwindigkeit schwingt. Die höchst zulässige Veränderungsgeschwindigkeit des magnetischen Feldes kann durch die folgende mathematische Betrachtung beurteilt werden. Das magnetische Feld kann als sich linear über der Zeit ändernd angesehen werden.

- 17 -

0098 29/1(K 2

■--17 -■■■'■■

■' 1«4f23

Demzufolge kann man achreiben: B -« B-, * IHfc

Differentialgleichung für die Schwingung ist dann:

* m "₀. -&*'* + fs¹ ■+ -ic·" "'■■'-■""

Die löanng dieser iJleichung ergiht:

-+ Ag«-; ^r

Pnrch Ableitung dieses Ausdrucks und Einfügen der in die Differentialgleichung und Vergleichen der Ausdrücke ait gleicher Zeitabbängigkeit, wird ein Ausdruck für β erhalten. Wenn der Dur ehe chnitts abstand zirischen den Sekundär leitern a am

■(*■♦

Durch Ableitung diese« Ausdrucke wird die induzierte Spannung erhalten. Diese enthält einen Gleichetromanteil, welcher τοη der Veränderung dee Felds abhängt und von welcheiii angenommen werden kann, daß er während der Verarbeitunf der gemeesenen Spannung verschwindet. Der WechseletroBanteil der Spannung kann wie

1984623

< η +ρ {η + ρ )

k 2 /

T · & if

οΐίνΛ¹' I^WT-"1A/

% - ηρ²- A „. _Α τ>(3η² ·»■ 4nk ^ TS 2_ν2 * ^{Bb +} ,,(2 O

(η + ρ ) '·rip. 4- ρ )

2 urobei η = H4) - k und ρ

Wenn die Betriebsfrequenz drei bis fünf mal größer als

2 Eigenfrequenz des Systems ist, Liegen «lie B . b und b ent kaltenden Ausdrücke in der Größenordnung 10 bis 10 des ersten Ausdrucks, und zwar bei jenen Werten von. f, wwlenae in άβτ Praxie erreicht werden können, und wenn b in der gleicben Größenordnung wie B liegt, d. h. bei einer Änderung des magnetiecheη Feldes -yon O bis zu einem Maximalwert innerhalb einer Sekunde. Das bedeutet, daß die induzierte Spannung in jedem Augenblick den Ist-Wert (troe magnitude) auf weist, selbst wenn sieb, das Feld so rasch ändert, daß während jeder HaIbp er lode des Stroms eine beträchtlich· Änderung des magnetischen Feldes vorliegt.

- Patemtmnsprüch· -^

009829/104 2

Claims

Patentansprüche:

Ι« Einrichtung zur Erzeugung einer dem Quadrat eines magnetischen Feldes proportionalen Spannung, gekennzeichnet durch eine Anzahl mechanisch schwingungsfähiger Systeme, von welchen jedes eine Anzahl fickidant atf gehängter Leiter (Primärstromkreis) aufweist, welche an eine Wechselstrom einer höheren Frequenz als die Eigenfrequenz des Systems liefernd« Stromquelle angeschlossen sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärstromkreis zwei parallele elektrisch in Reihe geschaltete Stäbe oder Bohre aufweist, welche an Blattfedern aufgehängt sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeidt net, daß das Schwingungssystem einen Sekundärstromkreis aufweist, welcher Mechanisch mit dem Primärstromkreis verbunden ist.

4. Einrichtung, nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der PrimärStromkreis Bohre aufweist und daß der Drähte aufweisende Sekundäre tr oiikre is in den Bohren angeordnet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der SekundärStromkreis zwei Drähte aufweist, welche in neutraler Lage parallel zu den Primärstromkreiselementen liegen und zu beiden Seiten der Elemente angeordnet sind und mechanisch mit diesen mittels Streben in den !litten der Drahte verbunden sind.

0098 29/ 10A 2 ^₂₀

- au -

6, Einrichtung nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß die-S tr eben elastisch- an den Stangen o-der Rohren und den . Drähten- befestigt s ind aber- sonst -verhältnismäßig;:steif sind»:;· ■:'·"■ v. "= :--·.....-.■ :, .■-..- ■-. :■- ■: ■·· - ■■■-. .- -':..-" : '■

7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte dergestalt vorgespannt sind, daß die Eigenfrequenz der freien Teile hoch in Bezug auf die Frequenz des Wechselstroms ist,

8« Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung der Drähte mittels einer Vorrichtung mit außerordentlich geringer Federkonstante, wie etwa durch gewölbte Federn, erreicht wird.

9, Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung der Drähte durch Blattfedern erreicht wird, welche vorzugsweise die Form von gleichschenkligen Dreiecken besitzen, wobei der Draht bei der Spitze zwischen den gleichen Schenkeln angebracht ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der. Sekundäretromkreie zwei steife Leiter aufweist, von welchen jeder in der Mitte angelenkt ist und welche mechanisch mit einem zum PrimärStromkreis gehörenden Leiter verbunden sind.

- 21 -

009829/1042

11. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Primäratromkreis mit Leitern versehen ist, welche in der Mitte flexibel oder elastisch auf eine der für den Sekundärstromkreis in den Ansprüchen 5 hie 10 angegebenen Arten ausgebildet sind.

0098 29/1042