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Elektromagnetische Druckmeßvorrichtung. Die Erfindung besteht in einer
elektromagnetischen Druckmeßvorrichtung, die besonders zum Messen der magnetischen
Leitfähigkeit !oder Penneabilität geeignet ist, aber auch für andere Zwecke gebraucht
werden kann.
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Das Hauptmerkmal der Erfindung besteht darin, daß das Verhalten. eines
flüssigen Leiters, z. B. Quecksilber, nutzbar gemacht wird, der in einem schraubenförmigen
Hohlra.urn mit mehreren Gängen zwischen zwei isolierenden und zwei leitenden Wänden
`von magnetischen Kraftlinien durihzogen wird, die Komponenten parallel zu den leitenden
Wänden geben, wobei gleichzeitig ein elektrischer Strom das Ganze von einem Ende
zum anderen durchfließt. Dabei läuft der Strom durch die Flüssigkeit und die leitenden
Wände in Richtung der Erzeugenden des Zylinders hindurch, auf den die Schraube aufgewickelt
ist.
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Betrachtet man einen Abschnitt des Schraubenganges zwischen zwei radialen
Schnitten a, b, c, d und a', b', c'3 d' (Abb. z ), so ist mit
B die radiale Komponente des magnetischen Kraftlinienzuflusses bezeichnet, außerdem
geht ein Strom A I hindurch, der, wie gesagt, längs der Zylindererzeugenden
verläuft. Aus grundlegenden Gesetzen des Elektromagnetismus ergibt sich dann, daß
die Flüssigkeit in dem dargestellten Schraubenelement einer das Gleichgewicht störenden
Wirkung unterworfen ist, deren Richtung durch F bezeichnet ist und die senkrecht
auf der Ebene der Komponente B und des Stromes AI steht, also tangential
zur Zylinderoberfläche gerichtet isst.
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Der Wert der Kraft F wird durch die Formel:
F=BL,I
gegeben. Diese Kraft bewirkt einen Unterschied des hydraulischen Druckes zwischen
den beiden Flächen a, b,
c, d und a', b', c'', d'. Dieser
Druckunterschied wird ausgedrückt durch
Hierin sind l und s die Quers,chnittsabmessungen des Schraubenganges bzw. des betrachteten
Elementes. Wenn jetzt eine Anzahl solcher Elemente, wie das betrachtete, vereinigt
werden, bis ein vollkommener Schraubengang entsteht, so wird der Druckunterschied
p zwischen dem Anfangs- und Endquerschnitt des Schraubenganges ausgedrückt durch-.
Hierin bezeichnet I den Gesamtstrom, der längs der Zylindererzeugenden auf der ganzen
Zylinderoberfläche fließt, und B," den Mittelwert der radialen Komponenten B der
magnetischen Kraft. Außerdem ist angenommen, daß der Betrag s für jedes Element
des Schraubenganges konstant ist. Wenn die Schraubengänge nicht alle im selben Sinne
wie die Gänge eines Solenoids, herumlaufen, so beträgt der Druckunterschied zwischen
Anfang und Ende des Solenoids
Dieser Druckunterschied P, den man durch, Vermehrung der Zahl n der Schraubengänge
vergrößern kann, bringt eine Niveaudifferenz in den beiden Piezometerröhren hervor,
die mit dem Anfang und dem Ende derb etrachteten Schraube in Verbindung _stehen.
Diese Differenz dient zur Messung des Produktes B # 1 oder von diesem Produkt proportionalen
Größen. Setzt man voraus, daß I bekannt sei, so kann der Betrag B,", der Mittelwert
der magnetischen Komponenten B, d. h. eine Größe, gemessen werden, die dem Kraftlinienfluß
durch die Oberfläche des Zylinders, der den Schraubengang trägt, proportional ist.
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Ein Ausführungsbeispiel eines Meß_gerätes nach der Erfindung ist in
den . Abb. 2 und g gegeben, von denen erstere ein Schnitt durch die Achse des Schraubenganges
und letztere eine Stirnansicht in Richtung der Achse i ist. Die Oberfläche eines
Zylinders h, in die ein Schraubengang eingearbeitet ist, wird müt einer gut haftenden
Isolierschicht k überzogen und dann schraubenförmig mit einem Draht! umwickelt,
dessen Querschnitt im Ausführungsbeispiel rechteckig ist. Außen um die Drahtwindungeni
herum äst dann eine zweite Isolierschicht m gewickelt. Zwischen den Drahtwindungen
und der Isolierschicht k entsteht ein Hohlraum von der Form eines Schraubenganges,
der mit Quecksilber gefüllt wird. Der Querschnitt dieses »Quecksilb,erschraubenganges«
ist überall gleichmäßig, so daß der durch ihn hindurchgehende geringe Stromanteil
-- der Hauptanteil geht in der Richtung achsial zur Trommel quer durch Quecksilber
und Draht - gleichförmig ist und innere Bewegungen vermieden werden, die einen Teil
der Druckhöhe verzehren und den Betrag der Niveaudifferenz herabsetzen würden. Diese
inneren Bewegungen würden selbstverständlich um so größer sein, je ungleic'hfö.rmiger
die Verteilung der das Flüssigkeitsgleichgewicht störenden Kraft bzw. des elektrischen
Stromes im Flüssigkeitsquerschnitt sein würde.
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Das äußere Rohr m und das innere Rohr k
sind über die
Enden des Schraubenganges hinaus verlängert und schließen einen Metallring -p sowie
einen ringförmigen Hohlraum n für das Quecksilber an beiden Enden des Schraubenganges
ein.
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Eine Verlängerung der Isolierschichten k und m über den Ring p hinaus
schließt einen weiteren Ringraumf y ein, der mit dem Ringraum n durch kleine Bohrungen
im Ringe p in Verbindung steht. Der Ringraum Y ist endlich .außen durch einen Ansatz
der ringförmigen Elektrode t begrenzt, auf welchem zur Erzielung vollkommener Dichtigkeit
die Isolierrrohre k und m befestigt sind.
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Die Elektrode .t ist auf den Zylinder ft geschoben. und- sitzt auf
diesem unter Zwischenschaltung einer Isolierschicht z. Durch die Elektrode geht
eine Bohrung v hindurch, durch die die Kammer r mit einer Kammer w in der Elektrode
in Verbindung steht, während in die Kammer w 'durch die Stopfbüchse u hindurch das
Ende des einen Piezometerrohres mündet.
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Die Anordnung der einzelnen soeben be- j schriebenen Teile wiederholt
sich genau am anderen Ende des Schraubenganges. Die Niveaudifferenz in den Piezometerrohren
kann auf einer Skala zwischen ihnen abgelesen werden, zu welchem Zweck die Rohre
durch Abbiegen einander genähert sind. Die beiden Ringelektroden t dienen, da sie
vom Zylinder k vollkommen isoliert sind, auch zur Einführung des elektrischen Stromes
von außen her. Zu diesem Zweck sind zwei Klemmschrauben y vorgesehen, die um i8o'
gegeneinander versetzt sind. An diese Klemm.-schrauben werden die Stromzuführungsleitungen
,angeschlossen.
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Es ergibt sich klar, daß, der Strom von °iner Elektrode t zur anderen
durch die Flüssigkeit und den Ring p und darauf quer durch
die Schraubengänge
parallel zu den Erzeugenden des Zylinders Jt hindurchfließt.
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Durch die ganze Länge des Zylinders h, läuft eine große Bohrung e,
in die das zu prüfende magnetische Material eingeführt wird.
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Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist nur eine Schraube! dargestellt.
Es liegt jedoch auf der Hand, daß, wenn man, wie bei einem Solenoid, mehrere Schraubenlagenweise
übereinanderlegt, es möglich sein wird, auch beim Gegenstand der Erfindung mehrere
Flüssigkeitsschrauben übereinander zu lagern und so eine hydraulische Niveaudifferenz
zu erhalten, die gleich der Summe derjenigen Differenzen ist, die durch jede Lage
einzeln hervorgebracht werden würden. Zu diesem Zweck genügt .es, die Schraube!
um den Zylinder herumzuführen, indem man zwischen die einzelnen Lagen isolierende
Rohre legt und dafür Sorge trägt, daßdie einzelnen Schichten an ihren Enden miteinander
in Verbindung stehen, damit die Flüssigkeit nacheinander durch die Schraubengänge
der einzelnen Lagen hindurchgehen kann. Zur Verbindung der einzelnen Schraubenlagen
dienen Kammern zwischen den isolierenden Schichten, die nach oben und unten die
Schraubenlagen einschließen. Diese Kammern müssen selbstverständlich vollkommen
dicht sein und in unmittelbarer leitender Verbindung mit den Ringelektroden t stehen.
Die Formel, die in diesem Falle die gesamte Niveaudifferenz ausdrückt, ist
worin I derjenige Strom ist, der durch eine einzelne Schraubenlage hindurchgeht,
und tr. die Zahl der Lagen.
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Man sieht also, da.ß, die Niveaudifferenz und damit die Empfindlichkeit
der Vorrichtung mit dem Produkt m # tt wächst, d. h. mit der Gesamtzahl der
Schraubengänge, vorausgesetzt, daß, der Strom, der jede Lage des Solenoids durchsetzt,
gleich ist.
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Abb. ,1 zeigt eine Ausführungsform einer Vorrichtung mit drei Schraubenlagen.
Es sind die gleichen Bezugszeichen für die einzelnen Teile, wie in Abb. 2 benutzt.
Man hat in diesem Falle vier Quecksilberkammern it, st', :tt", n'. Der Ringp, der
nicht unbedingt notwendig ist, ist fortgelassen.
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Die Teilung der Vorrichtung kann, wenn sie zum Messen der magnetischen
Leitfähigkeit (Fluxometer) benutzt wird, leicht vorgenommen werden, indem man in
die Bohrung e in bestimmter Lage ,einen permanenten Eichmagneten oder besser ein
Solenoid einführt, dessen. Zahl von Amperewindungen bekannt ist. Der Vergleich zwischen
dem Eichmagneten und demjenigen, dessen Leitfähigkeit man bestimmen will, kann auch
jedesmal neu erfolgen, da die ganze Arbeitsweise äußerst einfach ist. Die Messung
wird auf diese Weise von Veränderungen, die mit der Zeit in. den Anzeigen des Instruments
eintreten könnten, völlig unabhängig gemacht.
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Die neue Meß:vorrichtung erleichtert das Studium der magnetischen
Eigenschaften von Materialien sowie =die Untersuchung- der Verteilung der Leitfähigkeit
(Dispersion) längs magnetischer Strömungen. Sie ersetzt mit Vorteil offensichtlich
ballistische Galvanometer und Magnetometer.
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Um die Empfindlichkeit der Vorrichtung zu erhöhen, ist es endlich
möglich, in den Piezometerröhren x z. B. Alkohol und Quecksilber übereinanderzuschichten,
wobei dafür zu sorgen ist, daß die Trennungsfläche zwischen Alkohol und Quecksilber
in einer Erweiterung der Piezometerrohre liegt. Diese Erweiterung hat solchen Querschnitt,
daß@ der Querschnitt der Alkoholsäule im Vergleich zu ihm vernachlässigt werden
kann. Man kann so die Empfindlichkeit umgekehrt proportional zu den spezifischen
Gewichten von Alkohol und Quecksilber vergrößern.