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KAISERLICHESIMPERIAL

PATENTAMT.PATENT OFFICE.

PATENTSCHRIFTPATENT LETTERING

- M 263899 KLASSE 21 e. GRUPPE- M 263899 CLASS 21 e. GROUP

Einrichtung zur Messung kleiner Widerstandsänderungen.Device for measuring small changes in resistance.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 9. Mai 1912 ab.Patented in the German Empire on May 9, 1912.

Zur direkten Anzeige der Größe eines Widerstandes durch Zeigerausschlag auf einer Skala benutzt man am besten ein Drehspuleninstrument, dessen gegeneinander versetzte Spulen ausschließlich unter dem Einfluß zweier entgegengesetzt gerichteter elektromagnetischer Drehmomente ohne sonstige mechanische /Richtkräfte stehen und dessen Anzeige demgemäß von Änderungen der Meßspannung unbeeinflußt ist. Im allgemeinen entspricht dabei die Schaltung der des Differentialgalvanometers; handelt es sich jedoch um sehr kleine. Widerstandsdifferenzen oder Änderungen, wie solche beispielsweise bei elektrischen Widerstandsthermometern auftreten, so genügt unter Umständen die Differentialgalvanometer-Schaltung nicht mehr und wird mit Vorteil durch eine andere ersetzt, die den Gegenstand der Erfindung bildet.For direct display of the size of a resistance by means of a pointer deflection on a The best way to use a scale is to use a moving coil instrument with its offset against each other Coils exclusively under the influence of two oppositely directed electromagnetic Torques stand without other mechanical / straightening forces and its Display is accordingly unaffected by changes in the measuring voltage. In general the circuit corresponds to that of the differential galvanometer; it is, however to be very small. Resistance differences or changes, such as those at electrical resistance thermometers occur, the differential galvanometer circuit may be sufficient no longer and is advantageously replaced by another which forms the subject of the invention.

Bei dieser neuen Schaltung wird die Empfindlichkeit der Anzeige für kleine Widerstandsänderungen dadurch beträchtlich erhöht, daß sich das Verhältnis der in den Drehspulen fließenden Ströme in wesentlich stärkerem Maße ändert als das der zu vergleichenden Widerstände. Ihr liegt eine der Wheatstoneschen ähnliche Stromverzweigung zugrunde, und das mit dem Zeiger verbundene, aus den beiden räumlich gegeneinander versetzten Spulen bestehende drehbare System enthält auf jeder Spule eine oder mehrere Wicklungen, die so geschaltet sind, daß mindestens ein .Drehmoment von dem Diagonalstrom und ein entgegengesetztes von einem Seitenstrom erzeugt wird.This new circuit increases the sensitivity of the display to small changes in resistance thereby considerably increased that the ratio of the flowing in the moving coils Currents changes to a much greater extent than that of the resistances to be compared. It is based on a branch of the current similar to that of Wheatstone, and the one connected to the pointer from the two spatially offset coils existing rotatable system contains on each Coil one or more windings, which are connected so that at least one .Trehmoment from the diagonal flow and an opposite one from a side flow.

Fig. ι zeigt schematisch eine derartige Schaltung mit beispielsweise im ganzen drei Wicklungen, die durch Kreise angedeutet sind. Eine vom Diagonalstrom durchflossene Wicklung mit hoher Windungszahl bildet die eine Spule und zwei von den Strömen der Vierecksseiten 1 und 2 durchflossene Wicklungen mit niedriger Windungszahl bilden die andere Spule. Ein das feste Feld liefernder Magnet ist der übersichtlicheren Darstellung halber fortgelassen. Der veränderliche, mit X bezeichnete Widerstand kann jeden der vier Zweige bilden, bei Fernmessungen wird man ihn jedoch vorzugsweise in einen der Zweige 3 oder 4 legen. Die beiden Wicklungen mit geringer Windungszahl sind so geschaltet, daß sie Drehmomente in demselben Sinne ergeben, und die Größe der Einzelwiderstände des Vierecks ist so bemessen, daß der in der Brückenspule fließende Strom nur seine Stärke, nicht aber sein Vorzeichen ändert, wenn X innerhalb des beabsichtigten Meßbereichs zu- oder abnimmt, und daß er ein Drehmoment liefert, welches dem der Doppelspule entgegengesetzt ist. Die Zeigereinstellung des Instruments wird allgemein durch die Bedingung bestimmt, daß die algebraische Summe aller Drehmomente = ο sein muß. Man hat also im einfachsten Falle — eine Seitenspule und eine Diagonalspule von «-fächer Windungszahl, die gegeneinander wirken — die Gleichgewichtsbedingung :Fig. Ι shows schematically such a circuit with, for example, a total of three windings, which are indicated by circles. A winding with a high number of turns through which the diagonal current flows forms one coil and two windings with a low number of turns through which the currents of the square sides 1 and 2 flow through it form the other coil. A magnet supplying the fixed field has been omitted for the sake of clarity. The variable resistance, marked X , can form any of the four branches, but for remote measurements it is preferably placed in one of the branches 3 or 4. The two windings with a small number of turns are connected in such a way that they produce torques in the same sense, and the size of the individual resistances of the square is such that the current flowing in the bridge coil only changes its strength but not its sign when X is within the intended measuring range increases or decreases, and that it delivers a torque which is opposite to that of the double coil. The pointer setting of the instrument is generally determined by the condition that the algebraic sum of all torques must be = ο. So in the simplest case - a side coil and a diagonal coil with a number of turns which act against each other - the equilibrium condition is:

H₁^f(O)-H •n-i-f(a₁) = O,H ₁ ^ f (O) -H • nif (a ₁ ) = O,

wo i den Diagonalstrom, i_s den Seitenstrom und α sowie Ci₁ die Winkel bedeuten, welche die beiden gegeneinander versetzten Spulenwhere i is the diagonal current, i _{s is} the side current and α and Ci _{1 are} the angles which the two coils offset from one another

mit einer festen Richtung des Magnetfeldes von der Stärke H bilden. Aus dieser Beziehung folgt dannwith a fixed direction of the magnetic field of strength H. From this relation it then follows

n· %n%

da sich α und U₁ nur um eine konstante Größe unterscheiden. Der Zeigerausschlag ist also durch das Verhältnis der beiden Ampere-ίο windungszahlen bestimmt und kann, durch geeignete Formgebung des Feldes, so daßsince α and U ₁ differ only by a constant amount. The pointer deflection is thus determined by the ratio of the two ampere-ίο number of turns and can, by suitable shaping of the field, so that

F(a) = konst. α F (a) = constant α

wird, diesem Verhältnis proportional gemacht werden. Sind auf der Gegenspule anstatt einer zwei wirksame Wicklungen vorhanden, die z. B. von i, und i₂ gespeist werden, so würde die Zeigerstellung durch den Quotientenwill be made proportional to this ratio. Are on the counter coil instead of one two effective windings that z. B. are fed by i, and i ₂ , the pointer position would be by the quotient

— bestimmt sein usf. Gibt man nun- be determined, etc. You give now

I₁ + l-i I ₁ + left

dem Widerstand in der Diagonale und dem in drei Vierecksseiten die Größe w, während die vierte Seite den Widerstandthe resistance in the diagonal and that in three sides of the square is the size w, while the fourth side is the resistance

X = w -j- X = w -j-

hat, so erhält man nach den für die Ströme in der Wheatstoneschen Verzweigung geltenden Formelnhas, then one obtains according to the valid for the currents in the Wheatstone branch Formulas

E-o'-w² E-o'-w ²

ι =ι =

während den Seitenströmen i_s ein Ausdruck von der Formduring the side streams i _s an expression of the form

(4(4th

entspricht. Dabei ist E die Meßspannung, N eine bestimmte Funktion aller in der Verzweigung vorkommenden Widerstände und c eine Konstante, die je nach der in Betracht gezogenen Vierecksseite den numerischen Wert 0, i, 2, 3 hat. Für das in Fig. 1 gezeichnete Ausführungsbeispiel würde sich hiernach ergeben :is equivalent to. E is the measurement voltage, N is a specific function of all resistances occurring in the branch and c is a constant, which has the numerical value 0, i, 2, 3 depending on the square side under consideration. For the embodiment shown in Fig. 1, the following would result:

η iη i η. ft· ie> 2 «.Λ η . ft · ie> 2 «.Λ

und man erkennt, daß einerseits die Angaben des Instruments von der Meßspannung E unabhängig sind und andererseits, da d eine kleine Größe ist (bei Ausbildung von X als Widerstandsthermometer, ζ. Β. = 0,004 für jeden Grad Temperaturänderung), praktisch dem Wert von ö proportional werden. Diese Proportionalität bleibt auch noch bestehen, wenn lediglich die Widerstände der Zweige 1 und 2 einander gleich genommen werden, während die in den beiden anderen Zweigen und in der Diagonale liegenden Widerstände von den ersteren und auch unter sich verschieden sind.and it can be seen that, on the one hand, the information provided by the instrument is independent of the measurement voltage E and, on the other hand, since d is a small quantity (if X is designed as a resistance thermometer, ζ. Β. = 0.004 for every degree of temperature change), practically the value of ö become proportional. This proportionality remains even if only the resistances of branches 1 and 2 are taken to be equal to one another, while the resistances in the other two branches and in the diagonal are different from the former and also among themselves.

Es ist einleuchtend, daß bei kleinen Änderungen von X der Strom in der Brückenspule sehr viel schwächer ist als in der räumlich dagegen versetzten Doppelspule, und daß man also, um sich ausgleichende* Drehmomente zu erhalten, die betreffenden Windungszahlen sehr verschieden wählen muß. Dieser Umstand kann in gewissen Fällen technische Schwierigkeiten für die Ausführung des Meß- bzw. Anzeigegerätes ergeben, die aber durch eine etwas geänderte Anordnung und Schaltung des Spulensystems vermieden werden.It is evident that with small changes in X, the current in the bridge coil is much weaker than in the double coil, which is spatially offset against it, and that in order to obtain equalizing torques one must choose the number of turns in question very differently. In certain cases, this fact can result in technical difficulties for the implementation of the measuring or display device, but these can be avoided by changing the arrangement and switching of the coil system.

Fig. 2 zeigt schematisch eine entsprechend abgeänderte Einrichtung. Hier besteht jede der räumlich gegeneinander versetzten Spulen aus zwei getrennten Windungssystemen, von denen immer je eines in der Brücke und das andere in einem der an diese anstoßenden Hauptzweige liegt. Die Schaltung und Wicklung werden so gewählt, daß die durch Pfeile angedeutete Richtung der Drehmomente zustande kommt. Sind die Ströme in den gemäß Fig. 2 mit ι und 2 bezeichneten Zweigen i_x und i₂ und durchfließt der Diagonalstrom i wieder Spulen von der «-fachen Windungszahl wie jene, so hat man für die Zeigereinstellung die GleichgewichtsbedingungFig. 2 shows schematically a correspondingly modified device. Here each of the spatially offset coils consists of two separate winding systems, one of which is always in the bridge and the other in one of the main branches adjoining it. The circuit and winding are chosen so that the direction of the torques indicated by the arrows comes about. If the currents are i _x and i _{2 in the} branches i x and i 2 designated according to FIG. 2 and the diagonal current i again flows through coils with times the number of turns, then the equilibrium condition is obtained for the pointer setting

H(n i + ι,) · f(a) + H(ni — i₂) · f (aj
woraus H (ni + ι,) f (a) + H (ni - i ₂ ) f (aj
from what

F (α) = F (α) =

= 0,= 0,

ΛΛΛΛ

tvtv

folgt. Dafollows. There

H = h —
ist, kann man auch setzen H = h -
can also be set

h — (m + 1) i h - (m + 1) i

— iⁿ - i ⁿ

und wenn bezüglich der Größe der Widerstände in der Stromverzweigung die gleichen Annahmen wie oben gemacht werden, ergibt sichand if the same in terms of the size of the resistors in the current branch Assumptions as made above result

^s 4 — (n — 2) δ ^s 4 - (n - 2) δ

ein Ausdruck, dessen zweites Glied für η = 2 genau proportional d wird. In besonderen Fällen können hier natürlich auch bezüglich der Ströme, Widerstände und Windungszahlen andere Voraussetzungen zugrunde gelegt werden. an expression whose second term becomes exactly proportional to d for η = 2. In special cases, other requirements can of course also be applied here with regard to the currents, resistances and number of turns.

Bei den in Fig. 1 und 2 gezeichneten Schaltungsskizzen war nur der Widerstand X eines Zweiges 3 als veränderlich angenommen; die neue Meßschaltung kann aber auch dazu dienen, die Differenz zweier veränderlicher Widerstände (X und Y), die wie in Fig. 3 z. B. in den Zweigen 3 und 4 liegen, anzuzeigen, da bei geeigneter Wahl der Zweigwiderstände,In the circuit sketches drawn in FIGS. 1 and 2, only the resistance X of a branch 3 was assumed to be variable; The new measuring circuit can also be used to measure the difference between two variable resistances (X and Y) which, as shown in FIG. B. in branches 3 and 4, because with a suitable choice of branch resistances,

wenn ζ. B. der Wert der unveränderlichen Widerstände seiner Größe nach zwischen dem der beiden veränderlichen liegt, der Brückenstrom praktisch proportional X-Y wird. In dieser Ausführungsform findet dann die Meßeinrichtung mit Vorteil Verwendung zur Konstruktion eines Fernpsychrometers, das den Feuchtigkeitsgehalt der Luft durch die Temperaturdifferenz zwischen einem feuchten undif ζ. B. the value of the invariable resistances is between that of the two variable resistances according to its size, the bridge current is practically proportional to XY . In this embodiment, the measuring device is then used to advantage for the construction of a remote psychrometer, the moisture content of the air by the temperature difference between a humid and

ίο einem trockenen Thermometer mißt. Die beiden Thermometer werden als Widerstandsthermometer ausgebildet und etwa so justiert, daß ihr Widerstand bei der tiefsten vorkommenden, für das trockene Thermometer maßgebenden Meßtemperatur der gleiche ist. Innerhalb nicht zu weiter Grenzen für diese Meßtemperatur zeigt dann das Meßgerät mit praktisch ausreichender Genauigkeit die relative Luftfeuchtigkeit an, wenn die Skala entsprechend geeicht und beziffert ist, und es steht nichts im Wege, hierbei das Instrument auch als Registrierapparat auszubilden.ίο a dry thermometer. The two thermometers are called resistance thermometers trained and adjusted so that their resistance at the lowest occurring, for the dry thermometer the decisive measuring temperature is the same. The measuring device then shows within not too wide limits for this measuring temperature practically sufficient accuracy the relative humidity, if the scale accordingly is calibrated and numbered, and nothing stands in the way of the instrument being designed as a recording device.

Claims

Patent Claims:

i. Device for measuring small changes in resistance, characterized by a circuit similar to the Wheatstone resistor combination, in which the resistance to be measured forms a branch of the square, while the winding systems of the display or recorder partly in the bridge and partly in the sides of the square and are connected in such a way that they, in a permanent magnetic field spatially offset from one another, deliver two opposite torques, whose Size ratio depends except on the branch resistances only on the position of the coils in the field, so that on the scale of the instrument concerned, the resistance sought or the change in resistance concerned can be read directly and independently of the measuring voltage.

2. Device for measuring small resistance changes according to claim 1, at which in two adjacent branches of the Wheatstone square are two mutable Resistances lie, the difference of which is displayed directly by the measuring instrument.

3. Device for measuring small changes in resistance according to claim 2, at which the variable resistances as a dry and wet resistance thermometer are designed and the display or recorder directly displays the relative humidity.

1 sheet of drawings.