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Einrichtung: zur Vergrößerung der durch die Wärme hervorgerufenen
Verlängerung eines Drahtes oder Stabes, insbesondere bei Hitzdrahtinstrumenten.
Die Verlängerung eines ausgespannten Drahtes oder Stabes durch die Wärme ist-sehr
gering. Soll diese Verlängerung zu Meßzwecken, etwa zur Messung der Drahttemperatur
direkt oder zur Messung des diesen Draht durchfließenden elektrischen Stromes, also
in, einein Hitzdrahtinstrument Verwendung finden, so würde eine Einrichtung von
großem Wert sein, die diese Verlängerung vergrößert, insbesondere wenn mit dieser
Vergrößerung
eine Energievergrößerung Hand in Hand ginge. Das letztere
würde einer Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades gleichkommen. Bei allen
Meßinstrunienten spielt aber der Wirkungsgrad eine ebenso große Rolle wie bei Motoren;
denn die Exaktheit der Meßinstrumente wächst naturgemäß mit der verfügbaren mechanischen
Energie.
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Für Hitzdrahtinstrumente ist die Vergrößerung des Wirkungsgrades besonders
wichtig, weil der Energieverbrauch der bisherigen Hitzdrahtinstrumente wesentlich
größer als bei Gleichstrominstrumenten ist und das Hitzdrahtinstrument das einzige
Instrument ist, welches für Gleich- und Wechselstrom gleiche Angaben zeigt.
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Die Anordnung kann aber auch bei Thermometern oder anderen Apparaten
Verwendung finden.
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Als Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens «-erden Hitzdrahtinstrumente
gewählt.
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Die .bisher gebauten Hitzdrahtinstrumente arbeiten alle derart, daß
auf den Hitzdraht eine Federkraft wirkt. Dehnt sich derselbe aus, so gibt die Feder
nach. Die auf diese Weise hervorgerufene Verschiebung des Angriffspunktes der Feder
wird unter Vermittlung von Übertragungsgetrieben, welche in verschiedener Weise
ausgebildet worden sind, auf einen Zeiger der die Länge des Drahtes und damit die
Größe des in dem Draht fließenden Stromes anzeigt.
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Da die Kraft einer Feder beim Zusammenziehen derselben kleiner wird,
so wird die elastische Dehnung des Drahtes immer kleiner, je größer die Wärmedehnung
ist. Die tatsächlich auftretende und für das Instrumentverwendbare Dehnung ist daher
kleiner als die Wärmedehnung, mit anderen Worten, die zur Cberwindung der im Instrument
auftretenden Reibungswiderstände verfügbare Energie wird reduziert. Das wichtigste
Erfordernis beim Bau von Meßinstrumenten ist aber bekanntlich, mit möglichst geringer
Energie im Instrument auszukommen. Diese Forderung resultiert weniger aus dem Bestreben,
mit kleinem Energieverlust in dem Instrument zu arbeiten, als in der Tatsache, daß
die Energieverluste im Instrument durch ihre Rückwirkung auf das zu messende Netz
Rückwirkungen ausüben, welche die Richtigkeit der Messung beeinträchtigen. Die Hitzdrahtinstruinente
leiden besonders stark unter diesem Einfluß. Dies ist besonders störend, weil -die
Hitzdrahtinstrumente die einzigen sind, welche Gleich- und Wechselstromspannungen
und Ströme ohne Kollektion auf der gleichen Skala messen können. Außerdem fehlt
es an einem Instrument, welches kleine Wechselströme und -spannungen überhaupt messen
kann. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hitzdrahtinstrument, welches mit einem
wesentlich besseren thermischen Wirkungsgrad arbeitet als die bisher bekannten Instruinente.
Dies bietet den Vorteil, <laß es hierdurch möglich wird, Hitzdralitinstruinente
für wesentlich kleinere Energien zu bauen, was die oben angeführten Vorteile hat.
Steht aber genügend Energie zur Verfügung, so können Instrumente gebaut werden,
welche ohne Schädigung wesentlich höher übertastbar sind. Auch die Überlastbarkeit
durch Ströme oder Spannungen, welche den maximalen Skalenwert des Instrumentes wesentlich
überschreiten, ist für die Hitzdrahtinstrumente ein wesentlicher Punkt. Erstens
brennen bei Hitzdrahtinstrumenten unter dernEinfluß derÜberlastung die dünnen Drähte
leicht durch, zweitens aber wird dasNlaterial unter dem Einfluß der höheren Temperatur
und dem Einfluß der auf dieDrähte wirkendenFederkräfte elastisch verändert, so daß
die Instrumente nach einer Überlastung nicht mehr auf den Nullpunkt zurückgehen
und falsche Angaben liefern.
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Das Prinzip der Erfindung ist in Abb. z dargestellt: i sei ein vom
Strom durchflossener Hitzdraht, der im kalten Zustand die 'Länge l habe. Der Hitzdraht
ist an einem um den Punkt :2 drehbaren Hebel 3 im Punkt .4 befestigt. Außerdem wirkt
auf den funkt q. eine Kraft h senkrecht zum Hitzdraht, die durch ein Gewicht 5 dargestellt
ist. Der Hebel 3 ist über den Punkt d. hinaus zu einem Zeiger 6 verlängert, der
sich vor einer Skala 7 bewegt, die bei 8 ihren Nullpunkt hat. Das Gewicht des Hebels
3 ist durch ein Gegengewicht 9 ausgeglichen. Bei io liegt ein Anschlag, der verhindert,
daß der Zeiger 6 vollkommen auf den Nullpunkt zurückgeht; vielmehr bleibt derselbe
bei kaltem Draht i. auf dein Skalenstrich r i der Skala; stehen. Wird nun dem Hitzdraht
i durch die Stromzuführung 12 und 13 ein Strom zugeführt, so dehnt sich der
Hitzdraht etwas aus. Hierdurch verschiebt sich der Hebel 3 nach rechts; der Hebelarm
des Gewichts 5 erhält die Länge g, so daß das Drehmoment g. h dem Drehmoment
r, p entgegen wirkt, worin r die Länge des Hebels 3 zwischen den Punkten
a uiid .4 ist, und wobei der Winkel #@ so klein angenommen ist, daß cos a =z: L
gesetzt werden kann. Man erkennt nun, daß das Drehnioment g, k mit der Verlängerung
des Hitzlrahtes zunimmt. `Fenn der Hebel 4. an dein Anschlag ro liegt, ist der auf
den Hitzdraht ausgeübte Zug annähernd gleich Null. Je weiter der Hitzdraht erwärmt
wird und je mehr er sich verlängert, um so mehr dreht .sich der Hebel 3 nach rechts
und um so größer wird die auf den Hitzdraht ausgeübte Kraft, um so größer wird infolgedessen
auch
seine elastische Dehnung. Es wird also durch die Anordnung
erreicht, daß die elastische Dehnung in demselben Sinn wie die Dehnung durch die
Wärme wirkt, so daß für die nutzbare Verlängerung des Hitzdrahtes die Summe dieser
beiden Dehnungen in Frage kommt. Die Wirkung dieser Maßnahme sei an Hand einer kurzen
Ableitung noch in ihren quantitativen Verhältnissen betrachtet. Die Dehnung durch
die Wärme w - C - t,
worin t die Temperatur und C eine Konstante ist. Die
auf den Hitzdraht ausgeübte Kraft p ist bei kleinem Winkel a mit genügender Annäherung
worin g die Verschiebung des Endpunktes .a. und K eine andere Konstante bedeutet.
Die elastische Dehnung v ist v - R # p, worin R eine dritte Konstante ist. Die Verschiebung
g des Punktes ,4 ist g=w+v=R.p4 C-t hieraus ergibt sich mit
Falls auf den Punkt d. eine konstante Kraft wirken würde, würde sich der Punkt q.
um die Größe w verschieben. Aus .der vorstehenden Formel erkennt man, daß durch
die angegebene Einrichtung die Verschiebung des Punktes d. fast beliebig vergrößert
werden könnte, falls man nur die Größe R annähernd gleich der Größe K macht. Man
würde also leicht eine Vergrößerung der Wärmedehnung auf das iofache oder ioofache
erreichen können, falls man- R ^ o,9 - K bzw. R = o,og K macht. Man erkennt ohne
weiteres, daß diese Maßnahme eine Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades der
Anordnung um das io-bzw. ioofache bedeutet, denn die Kraft, welche auf den Zeiger
wirkt, ändert sich durch die Anordnung nicht, sie ist die gleiche elastische Kraft,
die der Hitzdraht ausübt, dagegen wird derWeg um die angegebenenBeträge vergrößert.
Eine Grenze ist nur dadurch gegeben, daß die elastische Kraft des Drahtes nicht
beliebig gesteigert werden kann. Um dies praktisch zu vermeiden, ist ein Anschlag
12 angebracht. Würde man die Unterschiede zwischen den Kräften R und K noch kleiner
machen, so würde man zu einem Wirkungsgrad unendlich kommen. Dies erklärt sich dadurch,
:daß die bei der Dehnung des Drahtes entstehende Temperaturverringerung nicht berücksichtigt
ist. Würde man die Konstante R so weit vergrößern, daß sie größer als die Konstante
K würde, so würde beider kleinsten Temperaturvergrößerung der Zeiger sofort ausschlagen
und falls er nicht ' durch den Anschlag 12 in seiner weiteren Bewegung behindert
wäre, den Hitzdraht i zum Zerreißen bringen.
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Dieselbe Anordnung kann durch eine einfache Veränderung, wie sie in
Abb. 2 dargestellt ist, noch eine für den Bau von Hitzdrahtinstrumenten wichtige
weitere Verbesserung erfahren. Diese wird dadurch erreicht, daß der Hitzdraht an
der Stelle 14. vermittels einer Feder 1¢ an einem Festpunkt 15 gehalten wird. Durch
diese Feder wird die Gesamtfederung von Feder plus Hitzdraht eine weichere, auch
die Kraft der Feder 16 (Abb. 2), welche dem Gewicht 5 (Abb. i) entspricht, muß kleiner
werden. Die Anbringung der Feder 1q. bedeutet keine Energievergrößerung; vielmehr
wird durch diese eine eigenartige Übersetzung eingeschaltet, welche den Anschlag
des Zeigers 6 auf Kosten der auf ihn ausgeübten Kraft vergrößert. Eine derartige
Übersetzung ist naturgemäß für Hitzdrahtinstrumente wichtig, da in irgendeiner Weise
die kleine Verlängerung des Hitzdrahtes auf die große Zeigerbewegung übersetzt werden
muß. Das Instrument (Abb. 2) kann ohne jegliche Übersetzung direkt als Zeigerinstrument
Verwendung finden. Ein Unterschied zwischen Abb. i und Abb. 2 besteht noch darin,
-daß die Kräfte k und nicht an demselben Punkt angreifen, sondern daß an dem um
den Punkt :z drehenden Teil 17 zwei Befestigungspunkte q. und 18 vorgesehen sind.
Die Hebel ig und 2o können auch in ihrer Länge verschieden sein.
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Bei der oben durchgeführten Rechnung war die vereinfachende Annahme
gemacht, daß der cos a. - l und der sin a - a sei. Wird nun der Ausschlag
größer gemacht, wie dies in Abb. 2 angegeben ist, so treffen diese Voraus= Setzungen
nicht mehr zu. Außerdem war die Kraft k konstant angenommen, auch diese Voraussetzung
trifft nicht mehr zu, falls die Kraft, wie in Abb. 2, von einer Feder 16 aus--geübt
wird. Macht man die Feder 16 kurz, i so kann man die Verhältnisse so einrichten,
daß die auf den Hitzdraht ausgeübten Dehnungskräfte mit wachsendem a zwar noch zunehmen
aber weniger rasch zunehmen als bei kleinem a. Hierdurch wird erreicht, daß die
Gesamtdehnung des Hitzdrahtes pro Wärmedehnung oder pro Temperatursteigerung mit
wächsendem a immer kleiner wird. Dies hat eine Reihe von Vorteilen.
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Bekanntlich erwärmt sich der Hitzdraht nicht linear, sondern quadratisch
mit :dem ihn durchfließenden Strom. Seine Wärmeverlängerung wird also bei den höheren
Strömen pro Stromänderung größer. Wird. nun die elastische Dehnungszunahme bei größeren
Ausschlägen verkleinert, so nähert sich der Ausschlag mehr einer Stromproportionalität.
Ein
weiterer Vorteil liegt in folgendem: Die Beanspruchung des Drahtes hat eine Grenze;
bei den höheren Strömen steht an sich für das Instrument genügend Energie zur Verfügung.
da die Wärmedehnung dem Ouadrat der Stromstärke proportional wächst; die Schwierigkeit
ist wesentlich größer bei den kleinen Stromstärken. Läßt man nun die zusätzliche
elastische Dehnungskraft bei größeren Ausschlägen abnehmen, während man sie bei
kleineren Ausschlägen und Stromstärken voll ausnutzt, so benutzt man die Vorteile
der Energievergrößerung gerade dort, wo sie am nötigsten sind und entlastet den
Draht von zu großen elastischen Zusatzbeanspruchungen dort, wo eine Energievergrößerung
nicht mehr notwendig ist- Diese Verbesserung läßt sich wie angegeben dadurch erreichen,
daß die Feder 16 kurz gemacht wird. Da sich kleine Federn nicht mit voller Präzision
vorausberechnen und ausführen lassen, und da es darauf ankommt, sowohl die Kraft
der Feder als auch denjenigen Punkt, an dem sie vollkoniinen entspannt ist, genau
einzustellen, so kann die Feder 16 durch die beiden in Abb. 3 und d. angegebenen
Anordnungen ersetzt werden. Diese beiden Anordnungen werden hintereinander zwischen
dein Punkt q. und dem Punkt 21 der Abb. 2 angeschlossen. In Abb. 3 ist 22 ein gekordeltes
Rädchen, welches von außen gedreht werden kann und die oben mit rechtsgängigem und
unten mit linksgängigem Gewinde versehene Spindel 23 dreht. Diese Spindel
wirkt auf die mit Muttergewinde versehenen Stücke 24 und 25, welche beim Drehen
der Spindel die Federn 26 und 27 zusammendrückt. Man erkennt, daß durch das Zusammendrücken
der Federn der Entspannungspunkt des in Abb. 3 dargestellten Federorganismus nicht
verändert wird, daß dagegen die Kraft pro Längenänderung eine Veränderung erleidet.
Würde der Federorganismus der Abb.3 zwischen den Punkten .4 und 21 in dem Instrument
der Abb. 2 angebracht, so würde damit die Kraft k verändert werden können; diese
kann dann empirisch so eingestellt werden, daß das Instrument den gewollten Ausschlag
hervorbringt, d. h. die Gesaintdrahtverlängerung oder der Zuschuß der elastischen
Dehnung kann beliebig einreguliert «erden. Soll das Instrument einen großen Ausschlag
inachdn, so muß die Federkraft k so groß gemacht werden, daß das Instrument gerade
noch labil arbeitet. Zur Verteilung der elastischen Dehnungsvergrößerung nach den
verschiedenen Ausschlägen war für notwendig erkannt worden, den Entspannungspunkt
der Feder zu verändern. Dies kann durch die in Abb..I angegebene Anordnung geschehen.
22 bedeutet wieder ein gekordeltes Handrädchen, 23 eine ebenfalls oben mit Rechts-,
unten mit Linksgewinde versehene Spindel, 28 und 29 sind Stücke mit je einem Muttergewinde,
30 ist ein Plättchen, welches gegen die Feder 31 drückt. Wird nun die Spindel 23
gedreht, so wird das Stück 29 nach unten und das Stück 3o nach oben gedreht. Die
beiden Federn 31 und 33 sind in ihren Dimensionen gleich. Die Feder 33 wird gedehnt,
die Feder 31 zusammengedrückt. Die Summe der Kräfte der Federn auf die Spindel bleibt
also die gleiche, dagegen wird der Abstand zwischen dem Punkt 34 und dem Punkt 35
verändert. Der Federmechanismus der Abb..I verlegt also den Entspannungspunkt der
Feder, ohne die Kraft derselben pro Spannweg zu verändern. Wird der Federorganismus
d. zwischen den Punkten d. und 21 im Instrument bei Abb. 2 eingehängt, so kann damit
das Verhältnis zwischen Strom und Ausschlag bei den verschiedenen Winkeln reguliert
werden. Die Verringerung des Zeigerausschlages pro Wärmedehnungslänge -des Drahtes
mit wachsendem Ausschlagswinkel läßt sich auch dadurch erreichen, daß auf den Zeiger
6 der Abb. 2 eine Feder 36 wirkt, deren Spannung mit dem Ausschlagswinkel a wächst
und deren Spannung Null ist, wenn der Zeiger auf dein Nullpunkt der Skala steht.
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In Abb. 5 ist eine etwas andere Anordnung des in Abb. 2 angegebenen
Instruments dargestellt. Der Zugdraht 37 liegt dem Hitzdraht 1 etwa parallel, dementsprechend
muß der Winkel zwischen den beiden Hebeln 19 und 2o größer sein. 38 und 39 sind
Einstellungsschrauben. Der Drehmechanismus 40 arbeitet nicht direkt auf den Zeiger,
sondern wirkt auf den Zeiger q.1 unter Vermittlung eines Kolzonfaden .f2, wobei
eine Übertragung auf größere Winkel vorgesehen ist. Die Feder 36 hat die gleiche
Aufgabe wie die Feder 36 in Abb. 2. In diesem Falle hat die Anbringung einer Feder
noch den Vorteil, daß der Kokonfaden 423 immer auf Zug beansprucht ist, so daß man
mit einem Kokonfaden auskommt. Die Feder 36 kann auch weggelassen werden; dann muß
noch ein zweiter Kokonfaden 44 vorgesehen sein. Der Hitzdraht i ist durch die Drähte
45 gegen Beeinflussung durch die Raumtemperatur kompensiert. Die Drähte 45 werden
mit dem Material und mit dem Querschnitt des Hitzdrahtes ausgeführt, damit sie die
Raumtemperatur mit derselben Geschwindigkeit annehinen wie der Hitzdraht i. Die
Kompensationsdrähte :IS werden durch die Federn .I6 gespannt. Die Platte 4.7 kann
sich etwas bewegen. Dehnen sich die Drähte .IS unter dein i:influß der Raumtemperatur,
so rückt der Punkt :I8 etwas nach oben. Fließt in dem IIitzdraht i kein Strom, so
tritt also eine Verschiebung
des Punktes 49 nicht ein. Es ist wichtig,
daß mehrere Drähte 4.5 vorgesehen sind; damit ihre elastische Beanspruchung nicht
zu hoch wird, denn die nach oben ziehende Kraft muß unter allen Umständen die des
Hitzdrahtes überwiegen, damit sie unter allen Umständen gespannt bleiben und ihre
kompensierende Wirkung ausüben. Es ist am zweckmäßigsten, dreiDrähte zu verwenden,
die an drei Dreieckspunkten an einem Halteteil47 befestigt sind, welches durch eine
im Mittelpunkt angreifende Feder nach oben gezogen wird, damit die Belastung auf
die drei Drähte gleichmäßig verteilt wird. Auch zwei Drähte sind noch möglich. Sollen
mehr Drähte angeordnet werden, so müssen dieselben mechanisch so montiert werden,
daß ihre Belastungen nur wenig voneinander abweichen.
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In Abb. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gegeben.
i ist der Hitz.-draht, 50 ist ein um den Punkt 51 drehbarer Teil. Derselbe
trägt einen Hebelarm 52, an welchen das Ende des Hitzdrahtes befestigt ist. Auf
einen zweiten Hebel 53 wirkt eine Kraft k; die durch ein Gewicht 54 dargestellt
ist; die Kraft steht senkrecht auf dem Hitzdraht. Auf den Hebeln 52 und 55 sitzt
je ein Bogenstück, auf welchem je der Hitzdraht bzw. ein Faden 56 abrollt. Der eine
Faden ist durch die Kraft q gespannt; sie wird durch das Gewicht 57 ausgeübt. Die
Befestigungen des Hitzdrahtes am Ende 58 wird derart vorgenommen, daß der Hitzdraht
im kalten Zustand gerade so lang ist, daß die Linie 54 58 genau senkrecht auf den
Hitzdraht steht. Außerdem wird das Verhältnis der Kräfte q und k so gewählt, daß
dieselben bei -kaltem Hitzdraht sich gerade ausgleichen, so daß sie ein Drehmoment
auf den Hebel 52 nicht ausüben, d. h., daß der Hitzdraht vollkommen entlastet ist,
dies führt zu folgender Bedingung: q-k#cos ä.
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Wird nun außerdem noch der Radius
gemacht, so ist der Drehungswinkel a des Instruments, der an dem Zeiger 6 abgelesen
«,erden kann, bei nicht zu großem Winkel a fast genau proportional der Wurzel aus
der Wärmedehnung und, da die Wärmedehnung proportional dem Quadrat des Stromes ist,
fast genau proportional dem Strom. In der obigen Gleichung bedeutet l die Länge
des Hitzdrahtes, q seinen Querschnitt und E seinen Elastizitätskoeffizienten. Das
Instrurnent nach Abb. 6 gibt also einen dem Strom proportionalen Ausschlag. Es hat
nebenbei alle Vorzüge der oben angegebenen Anordnungen, indem nämlich der thermische
Wirkungsgrad wesentlich verbessert wird, und zwar wird der thermische Wirkungsgrad
bei Gien kleineren Ausschlagswinkeln ganz wesentlich mehr verbessert als bei den
größeren Ausschlagswinkeln, wodurch erreicht wird, daß der Hitzdraht bei den größeren
Ausschlägen verhältnismäßig wenig elastisch beansprucht wird.
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In Abb. 7 ist eine Ausführungsform dieses Instruments angegeben. Die
Kräfte q und k werden von einem zweiarmigen Hebel 59 ausgeübt, dessen beide Schenkel
im Verhältnis von r zu r - cos d stehen. Dieser Hebel wird in seinem Drehpunkt 6o
von der Feder 61 nach oben gezogen. Das Verhältnis der Kräfte q und k bleibt bei
allen Lagen des Hebels 59 konstant. Die Kräfte q und k werden durch Stahldrähte
oder Kokonfäden 62 und 63 ausgeübt. Der Kokonfaden 62 ist um ein Rädchen 64 geschlungen,
welches den Zeiger 65 des Instruments trägt. Zur Vergrößerung des Ausschlags ist
auch hier wieder eine Feder 66 angebracht. Infolge dieser Feder müssen die Kräfte
q und k kleiner werden; sie ergeben sich aus der nunmehr geänderten
Beziehung:
worin ß die Verlängerung der Feder pro Kraft bedeutet.
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Die Kräfte k bzw. q und k bei dem Instrument
:der Abb. i, 2, 5, 6 und 7 sind verhältnismäßig groß gegenüber den Kräften des Hitzdrahtes.
Damit daher die Reibungseinflüsse nicht schädlich "wirken, ist es zweckmäßig, die
verschiedenen Hebel auf Schneiden zu lagern, ähnlich wie dies bei Wagen geschieht.
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Die angegebenen Instrumente stellen nur Ausführungsformen des Grundgedankens
dar. Die Ausführung könnte noch in ganz anderer Weise erfolgen, beispielsweise könnten
die als g:eicharmig gezeichneten Hebel ungleicharmige Hebel sein, wodurch die Kräfte
entsprechend geändert würden. Die Instrumente können mit Dämpfung versehen werden.