DE625453C - Einrichtung zur Umsetzung von sehr kleinen Bewegungen in einen elektrischen Strom - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM
10. FEBRUAR 1936

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

JVl 625453 KLASSE 42 d GRUPPE

Patentiert im Deutschen Reiche vom 16. September 1931 ab

Es ist bekannt, durch mechanische Organe geringer Richtkraft, z. B. durch Zeiger von Meßgeräten, elektrische Ströme dadurch zu steuern bzw. auszulösen, daß mit dem mechanischen Organ eine Blende gekuppelt oder verbunden wird und mit dieser ein oder mehrere Luftströme gesteuert werden, die ihrerseits ein Bolometer oder eine andere thermoelektrische Vorrichtung beeinflussen.

So ist es z. B. bereits bekannt, bei solchen Meßgeräten den Zeiger desselben mit einem Glimmerplättchen zu versehen und dieses über temperaturabhängige Widerstände einer Brückenschaltung spielen zu lassen und durch die auf diese Weise erzielte Temperaturbeeinflussung der genannten Widerstände die gewünschten Vorgänge herbeizuführen. Praktische Versuche haben jedoch ergeben, daß diese Anordnung in unkontrollierbarer Weise äußeren Einflüssen zugänglich ist.

Bei einer anderen bekannten Anordnung wird von einer Bolometeranordnung und einem drehbar gelagerten Rohr Gebrauch gemacht, das an eine Druckluftfördereinrichtung angeschlossen und dessen Düse auf die Bolometeranordnung gerichtet ist. Mittels eines Gestänges ist dabei das Rohr mit dem beweglichen Meßwerksteil eines Meßgerätes gekuppelt. Bei dieser Ausführung sind jedoch die Lagerreibung an der- Drehachse des den Luftstrom lenkenden Rohres und die Reibung an den Angriffspunkten der die Verstellkräfte auf das Rohr übertragenden Stangen störend. Außerdem wird das steuernde System durch diese Teile noch zusätzlich belastet und verliert deswegen an Empfindlichkeit.

Endlich ist auch vorgeschlagen worden,' zur Steuerung bzw. Auslösung von Strömen, z. B. auch zum Zwecke der Nachführung eines Organes, auf eine thermoelektrische Anordnung, z. B. auf ein Bolometer, einen oder mehrere scharf begrenzte Luftströme zu richten und diese dadurch zu steuern, daß das steuernde Organ oder eine mit ihm verbundene Blende zwischen den Luftaustrittsdüsen und dem Bolometer ο. dgl. seitlich in dieLuftströme ein- bzw. austritt.

Gemäß der Erfindung soll eine Einrichtung geschaffen werden, die sich einer Vorrichtung der letztgenannten Art bedient und geeignet ist, sehr kleine Bewegungen (oder sonstige physikalische Größen, wie z. B. elektrische Ströme unter zuvoriger Umsetzung in Bewegungen) in elektrische Ströme umzuwandein. Während bei der bisherigen Ausführung die Anordnung so getroffen ist, daß zur Auslösung bzw. Steuerung die Blende den oder die Luftströme freigibt bzw. völlig abschließt, ist es in diesem Falle erforderlich, die Eintauchtiefe der Blende (des Zeigers o. dgl.) in den an sich sehr schmalen Luftstrom (Luft-

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Dr. Helmut Seil in Neubabelsberg.

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ströme) und die damit-verbundene, kontinuierlich erfolgende Widerständsänderung, der Bolometeranordnung o. dgl; ι als Maß für die kleinen Bewegungen nutzbar zu machen. Dadurch ergibt sich, wie es sich gezeigt hat, eine unerwartete Steigerung der Empfindlichkeit bzw. eine ganz neue Wirkungsweise insofern, als es nunmehr möglich ist, beliebige Bewegungen von kleinstem Ausmaß to in entsprechende Änderungen des das Bolometer o. dgl. durchfließenden Stromes umzusetzen. Insbesondere kann die neue Einrichtung Anwendung finden, um die Stellung von Meßorganen kleinsten Ausschlagsbereiches t5 durch die Stärke eines Stromes nachzubilden. Die neue Einrichtung ist dabei, empfindlicher als das zu steuernde Meßorgan bzw. Meßgerät. Man kann jedoch die Empfindlichkeit noch wesentlich steigern, wenn gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Blende mit zwei in bezug auf die Bewegungsrichtung entgegengesetzten Kanten in zwei nach ihr hin scharf begrenzte, durch eine besondere Blasvorrichtung, insbesondere, wie bereits bei der erwähnten Bolometeranordnung zur Nachführungbeweglicher Organe vorgeschlagen war, mit schwingender Membran erzeugte Luftstrahlen zweckmäßig .bandförmigen Querschnittes eintaucht. Es ist klar, daß ein an einer Kante vorbeistreichender Luftstrahl auf den die Kante enthaltenden Körper Rückwirkungen ausüben wird. Diese Rückwirkungen können aber, wenn sie von beiden Seiten aus in entgegengesetztem-Sinne auf eine Blende ausgeübt werden, als Rückstellkräfte des die Blende tragenden, beweglich gelagerten Teiles aufgefaßt werden. Da nun diese Rückstellkräfte innerhalb eines sehr kleinen Weges von Null auf den Endwert anwachsen, so ist erklärlich, daß durch diese Wirkung der beiden, an sich nur geringe Rückstellkräfte abgebenden Luftstrahlen die Empfindlichkeit auf ein Vielfaches gesteigert werden kann. >.

Zur Formgebung der .Luftstrahlen werden zweckmäßig schmale Schlitzdüsen von z. B. Vio mm Breite und io mm Länge benutzt. Um möglichst scharf begrenzte Luftströme zu schaffen, empfiehlt .es sich, Düsen mit sehr scharfkantigen Schlitzen zu verwenden und außerdem mit den steuernden Kanten möglichst nahe an die Düsenöffnungen heranzugehen, um Teile der Luftströme zu benutzen, in denen die einzelnen Strömungslinien noch nicht wesentlich divergieren.

Der mit der Erfindung erreichte Erfolg besteht vor allem darin, daß man außerordentlich kleine Ausschläge (V₁₀O nun und'weniger) eines empfindlichen Meßinstrumentes beliebiger Art um ein Vielfaches linear vergrößert zur Anzeige bringen kann, daß also durch die Erfindung z. B. ein Gleichstromverstärker idealer Empfindlichkeit geschaffen ist, der es ermöglicht, sehr schwache Gleichströme, deren Nachweis und vor allem Messung nur entweder durch besonders empfindliche Spiegelgalvanometer mit besonders langem Lichtzeiger unter besonderen Schwierigkeiten oder durch Umformen der Ströme und anschließende Verstärkung möglich war, unmittelbar zur Anzeige zu bringen, und zwar mit einer verhältnismäßig einfachen und vor allem gegen äußere Einflüsse unempfindlichen Apparatur. Infolge der Rückstellkräfte, welche von den Luftstrahlen auf die Blende bzw. das Meßorgan ausgeübt werden, kann ein derartiges Gerät auch in den üblichen Erschütterungen ausgesetzten Räumen ohne besondere Vorkehrungen Aufstellung finden, ohne daß die Anzeige wesentlich gestört würde. Ein empfindliches Zeigergalvanometer müßte, um die gleiche Anzeigeempfindlichkeit zu erreichen, einen Lichtzeiger von etwa 50 m Länge erhalten. Ganz abgesehen von sonstigen Schwierigkeiten würde schon die erschütterungsfreie Aufstellung eines solchen Galvanometers nur an wenigen Stellen möglich sein.

Die Ablesemöglichkeit kann bei der neuen Einrichtung so weit getrieben werden, daß beispielsweise noch IO"¹¹ Volt meßbar sind. Die Empfindlichkeit der neuen Einrichtung ist so groß, daß man bei Verwendung empfindlicher Zeigermeßgeräte bereits in einen Bereich kömmt, in dem stabile Messungen wegen der Brownschen Molekularbewegüngen und des elektrischen Schroteffektes nicht mehr möglich sind. Man kann indessen den Überschuß an Empfindlichkeit dazu ausnutzen, die Einstellzeit zu verringern. Diese beträgt bei einem Spiegelgalvanometer etwa 7 bis 10 Sekunden für eine Halbperiode. Sie läßt sich bei dem Erfindungsgegenstand auf etwa eine halbe Sekunde verringern.

Die Empfindlichkeit des Erfindungsgegen-Standes hängt von der Stärke der Luftströme und der Temperatur der Bolometerspiralen ab. Infolgedessen zeigen sich bei Entnahme der für die Heizung der Spiralen erforderlichen Energie aus dem Lichtnetz den Spannungsschwankungen entsprechende Schwankungen der Empfindlichkeit. Diese lassen sich bei der Einrichtung gemäß der Erfindung in bekannter Weise dadurch ausgleichen, daß z. B. die Bolometerspulen in einer Brückenschaltung angeordnet werden, wie dies in Fig. ι dargestellt ist. Mit E₁ ist die zur Erhitzung der Bolometerwiderstände dienende Spannungsquelle bezeichnet. T ist ein Beruhigungswiderstand. W₁ bis PF₄ sind die Bolometerspulen, von denen je zwei derselben schlitzförmigen Blende gegenüberliegen. / ist

das Brückenmeßgerät. M ist die Spule eines an die zu messende Spannung oder Stromquelle E₂ geschalteten Meßgerätes, von welchem die zwischen den die Luftströme formenden Blenden und den Bolometerwiderständen spielende Fahne getragen wird. R₃ ist ein Vorwiderstand für dieses Meßgerät und R₁ und R₂ sind zwei parallel zur Meßgerätspule geschaltete Widerstände.

ίο Der kleine Widerstand R₁ liegt außerdem im Stromkreis des Brückennulleiters. Von ihm wird eine Spannung abgegriffen, die entweder, wie in der Schaltskizze dargestellt ist, unmittelbar über die Drehspule des Steuer-Instrumentes M oder aber über eine auf dieser Drehspule angeordnete besondere Hilfswicklung geführt wird, und zwar derart, daß sie der Spannung der Stromquelle E₂ entgegenwirkt. Das sich einstellende Gleichgewicht ergibt sich als das Gleichgewicht aller auf die Spule M einwirkenden Kräfte. Diese Kräfte sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel : das durch die angelegte Spannung E₂ erzeugte Drehmoment, das diesem entgegenwirkende Drehmoment des Aufhängebandes, das von der Gegenspannung aus dem Widerstand R₁ herrührende Drehmoment sowie ein zusätzliches Drehmoment, das sich, wie oben bereits erwähnt, aus einer Rückwirkung der Luftströme auf den Zeiger ergibt. Da die verstärkende Wirkung der Anordnung sehr groß ist, genügen sehr kleine Zeigerausschläge, um an dem Widerstand R₁ eine Gegenspannung zu erzeugen, die in 'der Größenordnung der angelegten Spannung liegt. Die Gegenspannung ist nur um den Betrag kleiner, der dem Drehmoment der Aufhängung für den sehr kleinen Winkelausschlag sowie der Rückwirkung der Luftströme entspricht.

Die Empfindlichkeit der Anordnung kann durch Verändern des Widerstandes R₁ beliebig verändert werden. Bei kleinen Widerständen R₁ ist die Verstärkung geringer als bei großen Widerständen. Eine Grenze ist dadurch gegeben, daß bei zu großer Verstärkung die Anordnung zu pendeln beginnt. Bei einer derartigen Anordnung beträgt bei einer mittleren Empfindlichkeit der Unterschied zwischen der angelegten Spannung und dem am Kompensationswiderstand R₁ erzeugten Spannungsabfall weniger als 1 %. Die Ströme im Brückennulleiter hängen also praktisch nur von der Größe des eingeschalteten Widerstandes R₁ ab, der den Verstärkungsgrad vorschreibt. Es stellt sich automatisch am Widerstand R₁ eine Gegenspannung ein, die bis auf sehr geringe Abweichungen stets der angelegten Spannung E₂ proportional ist. Infolgedessen kann aus der bekannten Größe des 6σ Widerstandes R₁ und der vom Instrument / gemessenen Stromstärke über den Spannungs- j abfall in dem Widerstand R₁ unmittelbar auf die an die Spule M gelegte zu messende Spannung zurückgeschlossen werden. Dabei gelten die Beziehungen um so strenger, je größer die Empfindlichkeit ist. Man kann somit für bestimmte Widerstände R₁ das Instrument / unmittelbar in Werten der zu messenden Spannung eichen und dabei die Differenz zwischen angelegter und Kompensationsspannung berücksichtigen." Bei auftretenden Netzschwankungen betragen die Abweichungen nur Bruchteile von der Differenz zwischen der Meßspannung und der vom Widerstand R₁ abgegriffenen Kompensationsspannung, so daß Spannungsschwankungen praktisch bedeutungslos sind. Infolgedessen kann die für den Erfindungsgegenstand erforderliche Energie unbedenklich aus einem zur Verfügung stehenden Netz entnommen werden, so daß auch einer ständigen Registrierung kleinster Spannungen oder Ströme keinerlei Hindernisse im Wege stehen.

Ein Ausführungsbeispiel für eine zweckmäßige Anordnung der Düsen, der Eahne und der Bolometerdrähte ist in der Fig. 2 dargestellt in welcher die miteinander wirkenden Teile in einem Schnitt in Richtung der Bewegungsbahn der Fahne gezeigt sind. Mit 1 ist die Achse eines Meßwerkes, z. B. eines empfindlichen Drehspulinstrumentes, bezeichnet, von der u. a. die Fahne 2 getragen wird. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, erstreckt sich die Fahne 2 in Richtung der Instrumentenachse, die Fahne kann also z. B. senkrecht an dem Zeiger eines Galvanometers angeordnet werden. Mit 3 und 4 sind zwei Düsen bezeichnet, aus denen die Luftstrahlen austreten. Die Fahne 2 ist in ihrer Breite so bemessen, daß sie in ihrer Mittelstellung mit ihren Längskanten die inneren Längskanten der Düsen 3 und 4 noch etwas überdeckt. Die Düsenbreite beträgt etwa Vi₀ mm, während die Länge 10 mm beträgt. Mit 5, 6, 7 und 8 sind die vier spulenförmigen Bolometerdrähte bezeichnet, bei denen die Paare 5 und 6 bzw. 7 und 8 in Wirklichkeit auf einem wesentlich kleineren Raum angeordnet sind, als in der Zeichnung dargestellt werden konnte. Der Abstand zwischen den Düsen 3, 4 und der Fahne 2 ist möglichst klein zu halten, damit die Fahnenkanten innerhalb eines möglichst scharf abgegrenzten Bereiches der Luftstrahlen angeordnet werden können. Die Bolometerdrähte werden zweekmäßig ebenfalls in der Nähe der Fahne untergebracht, jedoch tritt hier ein etwas größerer Abstand nicht so störend in Erscheinung.

Grundsätzlich kann jede kleine Bewegungsänderung in der erfindungsgemäßen Weise verstärkt werden,, z. B. kann man mit Hilfe der Apparate auch ein hochempfindliches

Elektrometer bauen. Sein Aufbau wird deshalb besonders einfach, weil die erforderlichen Drehwinkel sehr klein sind.

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   i. Einrichtung zur Umsetzung von sehr kleinen Bewegungen (oder physikalischen Größen, wie z. B. elektrischen Strömen, unter zuvoriger Umsetzung in Bewegungen) in einen elektrischen Strom, insbesondere unter gleichzeitiger \^rerstärkung, dadurch gekennzeichnet, daß unter Verwendung einer unter dem Einfluß eines oder mehrerer gerichteter Luftströme stehenden, den (verstärkten) Strom liefernden Bolorneteranordnung o. dgl. und einer quer zu dem Luftstrom (Luftströmen) frei bewegbaren Blende die Eintauchtiefe der Blende (des Zeigers o. dgl.) in den an sich sehr schmalen Luftstrom (Luftströme) und die damit verbundene, kontinuierlich erfolgende Widerstandsänderung der Bolometeranordnung o. dgl. als Maß für die kleinen Bewegungen dient.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende mit zwei in bezug auf die Bewegungsrichtung entgegengesetzten Kanten in zwei nach ihr hin scharf begrenzte, durch eine besondereBlasvorrichtung, insbesondere mit schwingender Membran, erzeugte Luftstrahlen zweckmäßig bandförmigen Querschnittes eintaucht.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zwischen die Bolometeranordnung und die zu messende Spannung geschalteter Kompensationswiderstand (i?i), z. B. über einen Widerstand (R_s), mit der Spule des Meßwerkes oder einer auf der Meßwerkachse angeordneten Hilfsspule parallel geschaltet ist.

   Hierzu I Blatt Zeichnungen