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Nach Art der elektrischen Dynamometer arbeitendes Meßinstrument
Die
Erfindung betrifft nach Art der elektrischen Dynamometer arbeitendes Meßinstrument,
d. h. jedes elektrische SIeßinstrument, das die Wirkungen der Einwirkung einer Kraft
kenntlich macht, und zwar nicht nur, falls diese Kraft selbst den Gegenstand der
Untersuchung oder der Messung durch das Meßinstrument bildet, sondern auch, wenn
sie nur als Zwischenfaktor zur Kenntlichmachung anderer äußerer mit Hilfe dieses
Instrumentes zu untersuchender Erscheinungen dient.
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Sie hezweckt insbesondere, diese Meßinstrumente so auszubilden, daß
sie besser als bisher den verschiedenen Erfordernissen der Praxis entsprechen.
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Sie besteht im wesentlichen darin, derartige nach Art der elektrischen
Dynamometer arbeitende Instrumente, die insbesondere als Meß- und Regelapparate
verwendbar sind, so auszubilden, daß man eine äußere Kraft auf einen beweglichen
Teil einwirken läßt, der sich in einem magnetischen Kreis befindet und eine vorzugsweise
durch zwei Anschläge begrenzte hin und her gehende Bewegung ausführen kann, wobei
dieser Teil periodisch an einem Ende des bei dieser Bewegung durchlaufenen Weges
einen Kontakt in einem elektrischen Stromkreis herstellt, welcher dann auf diesen
Magnetkreis und/oder auf diesen Teil so einwirkt, daß dieser Kontakt entgegen dieser
äußeren Kraft zeitweilig unterbrochen wird und die aufeinanderfolgenden, gleichartigen
Arbeitsspiele in dem elektrischen Stromkreis Kippschwingungen annähernd rechteckiger
Form auslösen,
welche in diesem Stromkreis einen elektrischen Strom
hervorrufen, dessen Mittelwert nur von dem Verhältnis der Dauer der Kontaktperioden
zu der Dauer der Unterbrechungsperioden und somit auch von dem Wert der auf diesen
beweglichen Teil einwirkenden Kraft abhängt.
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Das Verständnis der Erfindung wird durch die nachstehende Beschreibung
erleichtert werden, welche auf die Zeichnungen Bezug nimmt, welche nur beispielshalber
angegeben sind.
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Fig. 1 ist ein Prinzipschema eines erfindungsgemäßen Meßinstrumentes,
und Fig. 1bis ist ein weiteres Prinzipschema eines anderen erfindungsgemäßen, in
einer elementaren Form ausgebildeten Dynamometers; Fig. 2 ist ein Schaubild, welches
die mit einem erfindungsgemäßen Meßinstrument erhaltenen Kippschwingungen zeigt;
Fig. 3 bis 6 sind schematische Schnittansichten von erfindungsgemäßen Meßinstrumenten
in ihrer Anwendung auf die Herstellung folgender Apparate: Differentialmanometer
(Fig: 3), Thermometer (Fig. 4), eigentliches Dynamometer, d. h. ein den Wert einer
selbst untersuchten Kraft messender Apparat (Fig. 5), und schließlich Stromregler
(Fig. 6).
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In Fig. I ist schematisch eine besondere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Meßinstrumentes dargestellt.
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Bei dieser Ausführungsform wird der erwähnte bewegliche Teil durch
eine elektrodynamische Spule B gebildet, welche unter der Einwirkung einer auf sie
wirkenden Kraft F einen Kontakt C zu schließen sucht. Vor der Schließung von C gibt
eine negative Spannung - Vg0 über Widerstände R1, R2, R3 und eine Kapazität K dem
Gitter der Röhre T eine solche Vorspannung, daß diese Röhre gesperrt wird, so daß
ihr Anodenstrom Null ist.
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Bei der Schließung des Kontakts C erhält das Gitter der Röhre über
den Widerstand R4 eine in der Nähe von Null liegende Spannung. Es entsteht so ein
Strom in dem Anodenkreis der Röhre T und fließt auch durch die Spule B, welche infolge
ihrer Lage in einem magnetischen FeldH der Einwirkung einer elektrodynamischen Kraft
F' unterliegt, die gleich HII (l = wirksame Länge der Wicklung) ist und der zu messenden
Kraft F entgegenwirkt, so daß sie den Kontakt C zu unterbrechen sucht, wenn das
Gleichgewicht der so auf diese Spule wirkenden Kräfte erreicht ist.
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Bei der oeffnung des Kontakts klingt der Augenblicksstrom i nach
einem Exponentialgesetz ab, welches von den in den Gitterstromkreis eingeschalteten
Organen R3 und K (Widerstand und Kondensator) abhängt. Da das Kräftegleichgewicht
hierauf zugunsten von F gestört wird, schließt sich der Kontakt nach einer gewissen
Zeit, welche von F abhängt, wieder, so daß ein dem vorhergehenden Arbeitsspiel ähnliches
Arbeitsspiel von neuem beginnt.
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Unter diesen Bedingungen zeigt Fig. 2 die Veränderung des Augenblicksstromes
i in Abhängigkeit von der Zeit. Man stellt fest, daß i zwischen 0 und dem Höchstwert
IM schwankt. wobei das Ver-T hältnis t ,d. h. der Formfaktor der Schwingung von
der Kraft F derart abhängt, daß der SIittelwert des Stromes der Kraft F das Gleichgewicht
halten kann.
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Anders ausgedrückt, falls I den mittleren Strom darstellt, kann man
durch ein WIeßinstrument,4 wegen der Gültigkeit der Gleichung HII = F einen Wert
Wert 1 messen.
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Bei diesen Anwendungen kann das Feld H auf verschiedene Weise erhalten
werden, insbesondere mittels eines Dauermagneten, wie bei dem Beispiel der Fig.
I angenommen, oder mittels eines Elektromagneten.
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In diesem letzteren Fall und unter der Annahme daß der bewegliche
Teil des Systems wiederum eine der Spule B ähnliche elektrodynamische Spule ist,
kann die induzierende Spule des Elektromagneten von dem oben beschriebenen Kreis
unabhängig oder auch mit diesem verbunden und insbesondere mit der Spule B in Reihe
geschaltet sein. Wenn dies der Fall ist, wird die Gleichgewichtsbedingung des Systems
K12 = F. Der mittlere Strom I ist somit YF proportional. Um mit einem Aleßinstrument
den Wert von F feststellen zu können, genügt es somit, einen Apparat der Bauart
eines Hitzdrahtamperemeters zu benutzen, der unmittelbar den Wert von I2 angibt.
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Falls in dem gleichen Fall das Felde durch einen Elektromagneten
gebildet wird, kann man den H unterworfenen beweglicheil Teil durch einen magnetischen
Anker o. dgl. bilden lassen, der nicht von dem Hauptstrom des Kreises des Systems
durchflossen wird. Diese Ausfübrungsabwandlung ist bei den in Fig. 3 bis 6 dargestelltenAnwendungsbeispielen
gewählt.
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Die Verstellung eines solchen NIagnetankers kann übrigens geradlinig
erfolgen, wie bei diesen Beispielen angenommen, sie könnte jedoch auch auf andere
Weise erfolgen und z. B. eine Drehbewegung um einen festen Punkt aufweisen, wobei
man insbesondere Drehmomente durch i2nn:endung der Erfindung messen könnte.
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Bei der Benutzung eines solchen NIagnetankers in einem erfindungsgemäßen
System ist die der auf den beweglichen Teil ausgeübten Kraft F entgegengesetzte
Rückführungskraft dem Quadrat der Induktion im Eisen und infolgedessen dem Quadrat
des die Wicklung durchfließenden Stromes proportional, wenn der magnetische Widerstand
des Luftspalts gegenüber dem des Eisens hinreichend groß ist.
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Unter diesen Bedingungen mißt der Mittelwert 1 des Stromes VF, so
daß ein Apparat der Bauart eines Hitzdrahtamperemeters wiederum unmittelhar den
Wert von F anzeigen kann.
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Schließlich sei noch bemerkt, daß die Röhre T in den beschriebenen
Beispielen benutzt wurde, um praktisch einen Unterbrecher herzustellen, dessen Eigenkenngrößen,
Kontaktwiderstand und Unterbrechungsbedingungen in der Hauptsache, keine Veränderungen
erleiden. Eine solche Röhre kann jedoch durch eine beliebige Kontaktvorrichtung
ersetzt
werden, welche keine Veränderliche in den hergestellten
Stromkreis einführt. So kann der Kontakt C, anstatt als ltelais für die Herstellung
einer Vorspannung fiir die Röhre T benutzt zu werden. den diese Röhre ersetzenden
Hauptkontakt bilden.
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1n diesem Fall ist es jedoch zweckmäßig, diesen Kontakt in einer Umfriedigung
unterzubringen, in welcher ein Vakuum herrscht, um die Möglichkeit einer Oxydierung
des Kontakts, der Bildung von Glimmentladungen hei der Unterbrechung. usw. auszuschließen.
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Zur Darstellung verschiedener der in den verschiedenen obigen Absätzen
vorgeschlagenen Abwandlungeit ist auf Fig. das Schema eines derartige .\hwandlungen
aufweisenden Dynamometers dargestellt. Bei dieser .\usführungsform ist der bebewegliche
Teil 1' ein vorzugsweise unmagnetisches Leiterstück, welches mit einem magnetischen
Kern .V verbunden ist, der dem Feld einer Spule D ausgesetzt ist, welche in dem
elektrischen Kreis mit diesem Stück ' in lteihe geschaltet ist. Außerdem schließt
der Kontakt C unmittell)ar diesen Stromkreis, ohne als relais für eine Elektronenröhre
zu dienen. lan kann mehrere .\nwendungsgel)iete für die erfindungsgemäßen elektrischen
Meßinstrumente ins Auge fassen.
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Eines dieser Gebiete ist das von Meßinstrumenten, bei welchen man
die zu messende Größe durch eine auf den liewegl iclteii Teil des Meßinstrumentes
wirkende Kraft ausdrückt. welche hierauf auf das Meßinstrument in der ollen leschriebenen
Weise einwirkt. Unter Bezugnahme auf Fig. 3 bis 5 sind drei Anweiiduiigsl>eispiele
auf diesem Gebiet angegeben.
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Ein weiteres Gebiet ist die Regelung eines elektrischen Stromes.
Ein solches Anwendungslieispiel ist auf Fig. 6 dargestellt.
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Fig. 3 zeigt ein I)ifferentialmanometer. Dieser Apparat mißt eine
einem Druckunterschied proportionale Kraft.
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Der Alagnetkreis dieses Apparates besteht aus einem ol,ereti Gehäuse
aus Weicheisen I mit einem Mittelkern 2, dem gegenüber sich ein zylindrisches I-'lättchen
3 verstellen kanu, welches den beweglichen Teil bildet. I)ieses Plattchen 3 ist
mit einer elastischen I\lembrall 4 starr verbunden und kann kleine Schwingungen
iii der Symmetrieachse des Systems ausführen.
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Die induzierende Spule ist bei 6 dargestellt. Das Plättchen und die
Alembrall sind in einen unteren Kasten 7 eingeschlossen, der einen isolierten Fußteil
trägt, an welchem ein metallischer Kontakt 8 gegenüber einem zweiten, an der Membran
befestigten Kontakt g angebracht ist. Die obere und die untere Kammer, die auf diese
Weise gebildet sind, werden gegeneinander auf die übliche Weise abgedichtet, wobei
Druckstutzen 10 bzw. 11 an jeder derselben angebracht sind. Der obere Teil des beweglichen
Plättchens weist vorzugsweise einen zylindrischen Fortsatz 12 auf, der den nicht
magnetischen Teil 5 durchdringt. Er hat den Zweck, einerseits die Führung und die
Begrenzung des Hubes des Plättchens und anderseits die Dämpfung seiner kleinen Bexvegungen
zu bewirken. Teile I3 gestatten die Herausführung der Verbindungen. Das Schema ist
schließlich noch durch die Teile eines dem Stromkreis der Fig. I ähnlichen elektrischen
Kreises vervollständigt.
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Unter diesen Bedingungen kann die auf die Membran 4 wirkende Druckdifferenz
unmittelbar an dem Meßinstrument A abgelesen werden, wobei die Arbeitsweise des
Systems der bereits angegebenen entspricht.
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Natürlich mißt der Apparat bei Herstellung eines Vakuums in der unteren
Kammer 14 den in der oberen Kammer 15 herrschenden absoluten Druck.
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Fig. 4 zeigt ein Meßinstrument, welches gemäß einer weiteren Anwendung
der Erfindung zur Temperaturmessung bestimmt ist. Der elektromagnetische Teil gleicht
dem des Apparates der Fig. 3. In der unteren Kammer 14 wird ein Vakuum hergestellt,
und eine kleine Druckkammer I6 ist an dem oberen Teil des beweglichen Plättchens
mittels eines Rohres I7 hergestellt, welches einerseits an den Kern 2 und anderseits
an das Fußstück I8 angelötet ist. Das Führungsloch I2' des Plättchens ist verlängert,
um in die thermostatische Umfriedigung 19 zu münden, die mit einem Gas gefüllt ist,
welches in dem betrachteten Temperaturbereich einen linearen Ausdehnungskoeffizienten
besitzt, insbesondere Wasserstoff. Unter diesen Bedingungen entspricht jeder Temperatur
der Umfriedigung ein Gasdruck, der durch den die Wicklung durchfließenden Strom
gemessen wird.
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Fig. 5 stellt ein Meßinstrument dar, welches gemäß einer weiteren
Anwendung der Erfindung zur unmittelbaren Messung von Kräften bestimmt ist.
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Der eigentliche Meßapparat ist dem der Fig. 3 gleich.
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Die kleine Druckkammer I6 ist mit einem praktisch unzusammendrückbarenFluidum
gefüllt, auf dessen oberen Teil ein dicht schließender Kolben 20 die zu messende
Kraft überträgt, welche so auf das bewegliche Plättchen 3 übertragen und hierdurch
durch den Wert des durch die Wicklung fließenden Stromes ausgedrückt wird.
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Fig. 6 zeigt ein Meßinstrument, welches gemäß einem Anwendungsbeispiel
der Erfindung aus dem Gebiet der Regelapparate für einen Stromregler bestimmt ist.
Das Prinzip dieser Anwendung ist die Herstellung eines dem Kreis der vorhergehenden
Beispiele ähnlichen elektrischen Kreises, in welchem der mittlere Strom unabhängig
von den Eigenkenngrößen dieses Stromkreises, wie Impedanz, angelegte Spannung, Temperatur
usw., konstant bleibt, wenn die auf den beweglichen Teil des Systems wirkende Kraft
ihrerseits konstant bleibt.
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Natürlich gilt dies nicht für den Augenblicksstrom, welcher mit dem
Formfaktor des Stromes veränderlich ist, wenn sich diese Eigenkenngrößen des Stromkreises
ändern.
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Die Kraft F, welche man so zur Erzielung der Regelung auf den beweglichen
Teil des Systems wirken läßt, kann auf verschiedene Weise erhalten werden. In dem
Fall des auf Fig. 6 dargestellten Beispiels, hat man eine Kraft elektromagnetischen
Ursprungs gewählt, die durch einen Magneten 21
erzeugt wird, der
einen Teil eines magnetischen Kreises 22 bildet, der dem obenerwähnten magnetischen
Kreis gegenüberliegt.
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Die aufgewandte Kraft kann noch gemäß einer anderen Ausführungsform
durch einen den Magnetkreis 2In22 ersetzenden Elektromagneten erzeugt werden. Durch
Veränderung der Teile des elektrischen oder magnetischen Kreises dieses Elektromagneten
kann man dann die Stärke des mittels der Vorrichtung eingestellten mittleren Stromes
verändern.
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Eine ähnliche Vorrichtung kann auch als gleich stromtransformator
und-verstärker benutzt werden.
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Wenn nämlich die angelegte Kraft durch eine von einem Strom i1 durchflossene
Spule mit n,1 Windungen und die Rückführungskraft durch eine von dem Meßstrom i2
durchflossene Spule von n2 Windungen erzeugt wird, entspricht dem Gleichgewicht
der Kräfte das Gleichgewicht der Amperewindungen, wenn die Magnetkreise gleich sind,
d. h. n1 nlil = n2i2 und infolgedessen i, i2 n' = n2 Da n 1/n2 größer als eins sein
kann, so sieht man, daß dann eine Verstärkung des Stromes i1 erfolgt.
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Es ist zu bemerken, daß jede an dem Magnetkreis vorgenommene Anderung,
z. B. die Änderung des Wertes des Luftspaltes, die obige Beziehung verändert, so
daß man so ein Mittel hat, um den Wert des Verstärkungskoeffizienten kontinuierlich
zu verändern. Praktisch kann dieses Ergebnis leicht dadurch erhalten werden, daß
der Kern des oberen Magnetkreises mit Gewinde versehen wird, wie in Fig. 6 dargestellt,
wobei die durch dieses Mittel erhaltene Veränderung des Verstärkungskoeffizienten
in einem weiten Verwendungsbereich linear ist.
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Die Erfindung ist noch auf die Fernübertragung des Wertes einer beliebigen,
durch eine Kraft darstellbaren Größe anwendbar, da die Veränderungen der Impedanz
des äußeren Stromkreises keinen Einfluß auf den Wert des gemessenen mittleren Stromes
haben, was gestattet, in diesem Stromkreis ohne Veränderung der an den Instrumenten
abgelesenen Werte eine beliebige Zahl derartiger Instrumente anzubringen, die beliebig
ausgebildet sein können.