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Bewegliches Meßsystem für elektrische Meßinstrumente. Die Erfindung
bezieht sich auf elektrische Meßinstrumente aller Art, wie sie z. B. für Galvanometrie
und Elektrometrie im weitläufigsten Sinne des Wertes benutzt werden können und betrifft
im besonderen eine neuartige Aus- , bildung des Drehteils oder beweglichen Meßsystems.
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Bei den modernen galvanometrischen Instrumenten wird die Kraft, die
von einem magnetischen oder elektromagnetischen Felde
auf einen
beweglichen Stromleiter ausgeübt wird, in vielfacher Weise ausgenutzt, nach welcher
die Instrumente sich in vier Gruppen einteilen lassen x. in Drehspulengalvanometer,
2. in Saitengalvanometer, 3. in Elektrodynamometer und q.. in Oszillographen.
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Die Instrumente der Gruppen i und 2 werden allgemein als Gleichstrominstrumente
und die der Gruppen 3 und q. als Wechselstrominstrumente bezeichnet.
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Gemäß der Erfindung wird beim Bau von Drehspulengalvanometern das
von Dr. Moll klargelegte Prinzip benutzt, gemäß welchem man diesen Instrumenten
bei Beibehaltung der Empfindlichkeit eine größere Anzeigegeschwindigkeit gibt. Das
Prinzip' besteht darin, daß das Trägheitsmoment der Spulen wesentlich kleiner als
bisher gemacht wird und daß zu gleicher Zeit aber in geringerem Maße die Direktionskraft
verringert wird, während die Eindeutigkeit der Nullpunktslage dadurch erhöht wird,
daß die Spule nicht wie üblich aufgehängt, sondern zwischen Metalldrähten eingespannt
wird.
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Die obengenannten Überlegungen haben in konsequenter Weiterbildung
zu der Konstruktion eines neuen Galvanometers geführt, das die günstigen Eigenschaften
des Drehspulengalvanometers und des Saitengalvanometers, d. h. Empfindlichkeit und
Geschwindigkeit in sich vereinigt. Infolgedessen zeigt das System, wenn es auch
seinem Wesen nach näher mit der Drehspule als mit der Saite verwandt ist, mit beiden
eine teilweise Übereinstimmung, und es kann daher Torsionssaitensystem genannt werden.
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Der charakteristische Teil des neuen Galvanometers, das Torsionssaitensystem,
ist in Abb. i schematisch dargestellt.
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a b c d ist ein zweimal rechteckig umgebogener Draht, e und
f sind zwei damit verbundene Spanndrähte. Die Drähte bestehen aus leitendem Material.
In den festen Punkten g und h finden sich die Stromzuleitungen.
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Die Ausbiegung a b c d oder evtl. nur der Teil b, c befindet-
sich in einem magnetischen oder elektromagnetischem Felde. Man kann das System betrachten
als eine Spule mit nur einer halben Windung a b c d, eingespannt zwischen
den Drähten e und f, oder bis zu einem gewissen Grade auch als eine Saite b c, die
um die Achse g a d h drehbar ist.
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Als Spule betrachtet hat das System ein minimales Trägheitsmoment
und daher eine große Ansprechgeschwindigkeit.
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Dies ergibt sich vor allem daraus, daß die Spule nicht wie bei den
bekannten Systemen aus vielen Windungen, sondern z. B. nur aus einer einzigen halben
Windung besteht, die -. ebenfalls irn Gegensatz zu bekannten Ausführungen --- exzentrisch
oder besser einseitig am Aufhängedraht sitzt.
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Als Saite betrachtet zeigt sich, daß die Empfindlichkeit auf eine
gänzlich andere Weise erreicht wird, als dies bei allen bekannten Saitensystemen
der Fall ist.
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Bei diesen wird die Saite durchgebogen, wenn ein Strom durch dieselbe
geschickt wird, wobei als Gegenkraft die mechanische Spannung dient, welche infolgedessen
groß sein muß, wenn die Saite eine große Geschwindigkeit erhalten soll. Beim System
gemäß der Erfindung hingegen wird die Saite beim Durchgehen eines elektrischen Stromes
gedreht, wobei als Gegenkraft Torsionskräfte auftreten, welche von den Spanndrähten
erzeugt werden. Die Torsion aber ist praktisch unabhängig von der mechanischen Spannung.
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Wenn das Torsionssaitensystem und die gespannte Saite verglichen werden,
so zeigt eine leichte Rechnung, daß bei derselben Ansprechzeit und bei derselben
linearen Bewegung die Torsion eine wesentlich kleinere Gegenkraft zeugt als die
Spannung.
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In Abb. 2 ist eine andere mögliche Ausführungsform des Torsionssaitensystemes
dargestellt. Der Einspanndraht g a d h besteht hier aus einem durchgehenden
Draht, an dem bei a und d die Ausbiegung z. B. durch Verlötung befestigt
ist.
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Reben Einfachheit der Konstruktion und mechanischer Stärke hat diese
Ausführung den Vorteil erhöhter elektromagnetischer Dämpfung, weil der Teil
a, d des Einspanndrahtes mit a b c d einen geschlossenen Kreis bildet.
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Wenn man das System mechanisch verstärken will, so können zwischen
der Ausbiegung und dem Einspanndrahte, Verbindungen angebracht werden. Eine mögliche
Verstärkungsverbindung ist. in.Abb 3.angedeutet, gemäß welcher ein dünnes, dreieckiges
Aluminiumplättchen k hier die Verbindung bildet und zu gleicher - Zeit. als Träger
.für einen Spiegel dient. Noch größere Dämpfung auch infolge Luftdämpfung wird erreicht,
wenn an Stelle der Ausbiegung ein dünnes Metallplättchen an den Einspanndraht befestigt
wird.
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In bestimmten Fällen wird man eine Ausbiegung oder ein Plättchen von
anderer als rechteckiger Gestalt wählen. Gegebenenfalls können z. B. zu Kompensationszwecken
zwei oder mehrere Ausbiegungen oder Plättchen an demselben Einspanndraht befestigt
werden, wie dies z. B. in Abb. q. dargestellt ist. In den meisten Fällen wird man
das Torsionssaitensystem vertikal einspannen. Jedoch ist auch eine schräge oder
gegebenenfalls wagerechte Einspannung möglich.
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Die Drehung des Systems kann in beliebiger Weise abgelesen werden,
z. B. mit Hilfe eines
Zeigers oder mittels Spfegelablesung oder
auch mittels vergrößerter Abbildung eines Körpers, der bei der Drehung des Systems
sich linear bewegt. So kann z.- B. der Draht b, c selbst durch ein Projektionssystem,
z. B. durch ein Mikroskop abgebildet werden.
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Um bei Ablesungen mittels eines Spiegels oder eines Zeigers die Vorteile
des außerordentlich kleinen Trägheitsmomentes des beschriebenen Meßsystems zu verwerten,
muß natürlich auch der Spiegel oder der Zeiger selbst außerordentlich leicht sein.
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Auch gegen das Projizieren des Drahtes selbst bestehen Bedenken, weil
dann die Polschuhe durchlocht werden müssen.
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Eine gute Ablesung, wobei auch dieser Nachteil beseitigt ist, erreicht
man, wenn man einen außerordentlich leichten Zeiger, der aus einem gebogenen Draht,
dessen Ebene senkrecht zu der Ebene der Ausbiegung steht, an das Meßsystem befestigt.
Besonders eignet sich hierzu ein Wollastondrähtchen; dessen unteres von der Schutzhülle
befreites Ende die Bewegungen ausführt, die z. B. in einem Mikroskop abgelesen werden.
In Abb. g ist ein Torsionssaitensystem mit einem derartigen Zeiger dargestellt.
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Die Ebene der Ausbiegung steht senkrecht auf der Zeichnungsebene,
l ist der Zeiger mit dem verjüngten Ende m.
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Die Galvanometerausschläge können in beliebiger Weise registriert
oder auch auf einer Skala abgelen werden, die gegebenenfalls in dem als Mikroskop
eingerichteten Ableseinstrumente angeordnet ist. Das Galvanometer kann auch für
Wechselstrom benutzt werden. Ein außerordentlich empfindliches Instrument, das eine
große Ablesegeschwindigkeit gestastet, erhält man, indem man ein Elektrodynamometer
mit einem Torsionssaitensystem versieht. - Die elektromagnetische Dämpfung kann
in diesem Falle erhalten werden, wenn man in einem magnetischen Feld eine zweite
Ausbiegung anordnet.
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Bei den modernen elektrometrischen Instrumenten wird die gespannte
Saite häufig benutzt. Wenn man in diesen Instrumenten die gespannten Saiten durch
ein Torsionssaitensystem ersetzt, erreicht man die folgenden Vorteile: große Empfindlichkeit,
die Möglichkeit von Spiegelablesung und schließlich die Möglichkeit elektromagnetischer
Dämpfung.
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-In Abb. 6 ist das Innere eines empfindlichen Torsionssaitenelektrometers,
welches mit großer Geschwindigkeit arbeitet und in Abb. 7 eine der üblichen Lösungen
darstellt. In Abb. 7 bedeuten p und q zwei dünne gespannte Drähte (Metalldrähte
oder z. B. versilberte Quarzdrähte), die in elektrischem Kontakt sind. Wenn das
System geladen wird, d. h. wenn es ein anderes Potential bekommt als die Umgebung,
dann stoßen die Drähte einander ab und biegen sich ein wenig entgegen ihrer mechanischen
Spannung aus.
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In Abb. 6 ist p ein gespannter Draht und q ein Torsionssaitensystem,
z. B. von der in Abb. 2 dargestellten Art. Dieselbe Kraft zwischen p und q wird
jetzt eine viel größere Bewegung von q gegen P veranlassen.
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In Abb. 8 ist das Innere eines Binantelektrometers von großer Empfindlichkeit
und Ablesegeschwindigkeit dargestellt und in Abb. g das Innere eines Quadrantelektrometers.
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In bestimmten Fällen wird man auch hier eine Ausbiegung oder ein Metallplättchen
von anderer als rechteckiger Gestalt wählen und die feststehenden Leiter, vorzugsweise
nicht als Drähte ausbilden.