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Vibrationsgalvanorneter Für gewisse Zwecke ist es wünschenswert, in
den elektrischen Kreis eines Vibrationsgalvanometers außer Selbstinduktion und Widerstand
einen Kondensator einzuschalten. Die Diskussion der Differentialgleichungen, durch
die die elektrischen und mechanischen Schwingungsvorgänge in diesem Falle dargestellt
werden, ergibt, daß es unter Umständen möglich ist, für den Winkelausschlag des
beweglichen Galvanometersysterns in -,#£bbängigkeit von der Frequenz des erregenden
Stroms Resonanzkurven zu erhalten, die in einem größeren Frequenzbereich konstante
Höhe oder zwei weit auseinander liegende Maxima hat. Derartige Resonanzkurven gestatten
Verwendungsarten des Vibrationsgalvanometers, wie sie bei einer normalen Resonanzkurve,
die nur ein scharfes Maximum hat, nicht möglich sind.
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Die Theorie zeigt aber weiter, daß der geschilderte Fortschritt nur
erzielt werden kann, wenn folgende Bedingung erfüllt wird: Bezeichnet man mit
a, b und c drei für das Instrument und seine Schaltung charakteristische
Größen derart, daß
co" die Eigenfrequenz, K das Trägheitsmoinent, p die Dimpfung des Galvanometersvsterns,
L die Selbstinduktion, R der elektrische Widerstand des elektrischen Kreises und
A die Galvanometerkonstante (Drehmoment pro Stromeinheit) ist,
so muß in erster Annäherung
sein. Da der Wert von
durchVorschaltselbstinduktion nicht beliebig vergrößert werden kann, bedeutet die
aufgestellte Bedingung auch für die Selbstinduktion L und den Widerstand R der Wechselstromwicklung
des Galvanometers selbst ohne Vorschaltselbstinduktion eine gewisse Anforderung.
Praktisch muß wenigstens
Bei den bisher gebräuchlichen Vibrationsgalvanometern ist diese Bedingung nicht
erfüllt.
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Um sie zu verwirklichen, kann man bei Nadelgalvanometern z. B. folgende
Mittel anwenden: Erstens gibt man dem Eisenkern, auf den die Galvanometerspulen
geschoben sind, einen an sich unnötig großen Querschnitt, so daß man konische Polschuhe
verwenden kann, deren kleine Endflächen der Größe der Galvanometernadel entsprechen.
Dadurch
wird das Feld im Luftspalt erheblich größer als die Induktion im Eisen innerhalb
der Spulen. Zweitens kann man die Wirkung der Polschuhe noch durch Aufbringung von
Polschuhwicklungen verbessern, durch die das Austreten von Kraftlinien aus den konischen
Seitenflächen verhindert wird. Dieser Zweck wird besonders gut erreicht, wenn man
die Polschuhwicklung aus Teilen mit verschiedener Drahtstärke herstellt, so daß
die durch diese verschiedenen Teile erzeugte Feldstärke nach der Endfläche der Polschuhe
hin zunimmt. Drittens kann man zur Vergrößerung von c die Nadel des Galvanometersystems
aus einer der neuerdings erfundenen Stahlsorten mit besonders hoher Remanenz herstellen,
die bisher für Vibrationsgalvanometer nicht verwendet wurden, weil die dabei erzielte
Vergr5ßerung der Empfindlichkeit nicht von besonderer Bedeutung ist, während hier
alles darauf ankommt, die Konstante c zu vergrößern. Ein viertes Mittel, um geeignete
Galvanometerkonstanten zu erhalten, besteht darin, daß man den Spulenquerschnitt
der Wicklung und damit das hiervon abhängige Verhältnis
groß macht.
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Wird statt eines Nadelvibrations-alvanometers ein Spulenvibrationsgalvanometer
verwendet, so liegen die Verhältnisse ganz ähnlich, nur daß sich die Verwendung
der Polschuhe, des großen Eisen- und Spulenquerschnitts und eines besonderen Materials
mit hoher Retnanenz auf den zur Erzeugung des konstanten Hilfsfeldes dienenden permanenten
oder Elektromagneten und die Drehspule bezieht.
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Ein Anwendungsfall für die neuartigen, im vorhergehenden gekennzeichneten
Vibrationsgalvanometer bezieht sich z. B. auf folgendes -
Bei der bisher
üblichen Verwendungsart der Vibrationsgalvanometer ist es vielfach sehr störend,
daß der Ausschlag des Galvanometers bei geringer Schwankung der Frequenz des erregenden
Stromes sich stark verändert. In gewissen Grenzen kann man diesen Mangel verringern
durch Vergrößerung der Dämpfung des Galvanometersysteins, wobei aber die Wechselstrornempfindlichkeit
unverhältnismäßig stärker als die Unempfindlichkeit gegen Frequenzschwankungen sinkt
und sich trotzdem kein Gebiet ergibt, in dem der Ausschlag einigermaßen unabhängig
von der Frequenz wird, da die Form der Resonanzkurve denselben Charakter behält.
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Bei Verwendung der neuartigen Galvanometer ist es im Gegensatz zu
bisher Bekanntem möglich, sogar unter Vermehrung der Empfindlichkeit, den Ausschlag
in einem großen Bereich für praktische Zwecke völlig frequenzunabhängig zu machen,
wobei die Resonanzkurve einen tischförmigen Verlquf annimmt.
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Es *läßt sich dies dadurch erreichen, daß in den Vibrationsgalvanometerkreis
Kapazität und Selbstinduktion derart eingeschaltet wird, daß man einen Schwingungskreis
erhält, dessen Resonanzfrequenz a), bei inechanisch festgehaltenem Galvanometersystern
in der Nähe der Resonanzfrequenz üj" des Galvanoinetersystems liegt. Die Frequenzdifferenz
(»,- co#, die Dämpfung des elektrischen Kreises, die durch Einschaltung von Widerstand
in denselben variiert werden kann, sowie die Art der Einschaltung von Selbstinduktion
und Kapazität können dabei in verschiedener Weise so eingestellt werden, daß der
Ausschlag in einem gewissen Frequenzb#ereich konstant wird, wobei je nach
der Art der Schaltung usw. die Größe des Frequenzbereiches und die Empfindlichkeit
verschieden ausfällt. Die Herstellung des frequenzunabhängigen Bereichs gelingt
,%owohl, wenn die erregende Spannung konstant ist, wie wenn sie von der Frequenz
abhän 'gig ist. Voraussetzung für die Wirksamkeit der geschilderten Maßnahmen ist
aber, daß die Konstanten des benutzten Galvanometers den oben angegebenen Bedingungen
genügen. Mit den bisher üblichen Galvanometern läßt sich die Tischform der Resonanzkurve
auch bei Einschaltung von Kapazität nicht erreichen.
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Welche praktischen Ergebnisse man bei Anwendung des geschilderten
Verfahrens erzielt, ist für einige Beispiele in Abb. i bis 3
dargestellt,
die sich auf Versuche mit einem den erörterten Bedingungen entsprechend gebauten
Nadelvibrationsgalvanorneter beziehen. In dem Fall der Abb. i war vor das Galvanometer
nur eine Kapazität sowie ein Widerstand von 1400 fi vorgeschaltet. Die Lage von
co, und to, ist in die Abbildung ein-U --en. Die erregende Spannung war pro-"etrag
b
portional co. Man sieht, daß man ein Gebiet von 17,5 Hertz erhält, in dem
der Ausschlag"r"ntiruml/,"/"schwankt. Abb.2, bezieht sich auf den Fall, daß noch
eine zusätzliche Selbstinduktion vor das Galvanometer gelegt wird. Man erhält dann
die ausgezogene Kurve, während die gestrichelte Linie gilt, falls die zusätzliche
Selbstinduktion fortgelassen ist. Man sieht, daß der Bereich, in dem der Ausschlag
konstant ist, etwas weniger breit wird. Man gewinnt aber den Vorteil, daß man einen
Eingangstransformator mit hoher Selbstinduktion der Sekundärseite, als welche dann
die Vorschaltselbstinduktion dient, verwenden kann, wodurch eine erhebliche Steigerung
der Empfindlichkeit erzielt wird. Zur Aufnahme der in Abb. 3 dargestellten
Kurven wurde auß-.r
der Kapazität vor dem Galvanorneter noch eine
SelbstinduktionLp mit Widerstand Rp parallel zum Galvanometer gelegt; und zwar sind
die Resonanzkurven für verschiedene Werte von Lp und geeignet gewählte zugehörige
Werte des Vorschaltwiderstandes R, eingetragen, zum Vergleich auch die Resonanzkurve
ohne Vorsclialtkapazität (C = CXD) und ohneVorschaltwiderstand (Rv
= o), wie man sie bei der gewöhnlichen Verwendungsart der Vibrationsgalvanometer
erhält. Man sieht, daß bei Lp = 1,18 Henry das Maximum des Ausschlags größer ist
als für C = co und Rz, = o, obwohl noch ein beträchtlicher
Frequenzbereich vorhanden ist, in dem der Ausschlag konstant bleibt.
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In anderen Schaltungsarten lassen sich nach dem angegebenen Verfahren
ganz ähnliche Formen der Resonanzkurven erreichen.
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Ein anderer Anwendungsfall des neuen Vibrationsgalvanorneters besteht
darin, daß man mit seiner Hilfe wieder unter Einschaltung von Kapazität und eventuell
von Selbstinduktion oder Widerstand oder von allen dreien in den Galvanoineterkreis
Resonanzkurven mit zwei ziemlich weit auseinander liegenden ausgesprochenen Maximalstellen
des Ausschlags herstellt. Es wird dadurch möglich, das Galvanometer ohne Änderung
an ihm für zwei verschiedene erregende Frequenzen bei nahezu gleicher Empfindlichkeit
zu benutzen.