DE853310C

DE853310C - Moving coil mirror galvanometer for measuring the smallest currents and voltages or as a zero indicator

Info

Publication number: DE853310C
Application number: DER5917A
Authority: DE
Inventors: Erich Dr Meyer
Original assignee: RUHSTRAT GEB
Current assignee: RUHSTRAT GEB
Priority date: 1950-12-28
Filing date: 1950-12-28
Publication date: 1952-10-23

Description

Drehspul-Spiegelgalvanometer zur Messung kleinster Ströme und Spannungen bzw. als Nullindikator Die Stromanzeige bisherigerSpiegelgalvanometer beruht darauf, daß der geringe Drehausschlag der Drehspule mit einem Lichtzeiger, der an einem mit der Drehspule fest verbundenen Spiegel reflektiert wird. gemessen wird. Diese bewährte Einrichtung nach Gauß und P o gge n d o r f gestattet,feineDrehungen abzulesen, die je nach Qualität der Optik und nach Abständen der Skalen o,i bis o,oi Grad betragen. Durch Verfeinerungen dieser Drehwinkelmeßart mit Hilfe des Autokollimationsverfahrens läßt sich eine Drehung von o,ooi Grad noch sicher messen. Das unaufhörliche Streben nach Mitteln zur Messung noch kleinerer Drehungen und damit noch kleinerer Ströme führt zwangsläufig zur weiteren Verfeinerung der Drehwinkelmessungen.Moving coil mirror galvanometer for measuring the smallest currents and voltages or as a zero indicator The current display of previous mirror galvanometers is based on that the small amount of rotation of the moving coil with a light pointer on a with the moving coil firmly connected mirror is reflected. is measured. These Proven device according to Gauss and P o gge n d o r f allows fine rotations to be read, which, depending on the quality of the optics and the spacing of the scales, amount to o, i to o, oi degrees. By refining this type of rotation angle measurement with the help of the autocollimation method a rotation of o, ooi degrees can still be measured with certainty. The ceaseless pursuit after means for measuring even smaller rotations and thus even smaller currents inevitably leads to further refinement of the angle of rotation measurements.

Dies ist unter Zuhilfenahme der Interferenzlinien des sichtbaren Lichtes möglich. Bildet man zwischen zwei halbdurchlässigen Oberflächen zweier planer t@lasl>latten einen Luftkeil von kleinem Winkel, so entstehen bei einfallendem monochromatischem Licht für das von Vorder- und Rückwand reflektierte oder hindurchgelassene Licht parallele Interferenzlinien. Der Abstand dieser Linien ändert sich mit @iriderung des Winkels, den beide Platten miteinander bilden. Die Abstandsänderung dieser Linien kann zur Feststellung der Nichtparallelität beider Begrenzungsflächen bzw. zur Messung der @% inkeländerung des Luftkeils ausgenutzt werden.This is done with the help of the interference lines of visible light possible. If you form two flat t @ lasl> laths between two semi-permeable surfaces an air wedge of a small angle, so arise with incident monochromatic Light for the light reflected or transmitted from the front and rear walls parallel interference lines. The distance between these lines changes with @iriderung the angle that the two plates form with one another. The change in the distance between these lines can be used to determine the non-parallelism of both boundary surfaces or for measurement the @% angle change of the air wedge can be used.

Von dieser Tatsache wird in der Erfindung dadurch Gebrauch gemacht, daß dem als Oberflächenspiegel hoher optischer Planlheit ausgebildeten Drehspiegel der üblichen Galvanom-eteranordnung eine ebenfalls optisch hochwertige, beispielsweise halbdurchlässige Planglasplatte als Galvanometerfenster in geringster Entfernung gegenübersteht; so daß beide einen zwischen ihnen entstehenden Luftkeil von planparallelem bzw. keilförmigem Querschnitt bilden, derart, das interferenzfähiges Licht an ihm Interferenzlinien bilden kann, durch deren Vorhandensein die Verdrehung des Spiegels gegen das Fenster feststellbar bzw. meßbar wird.Use is made of this fact in the invention by that the rotating mirror designed as a surface mirror of high optical flatness the usual galvanometer arrangement is also optically high-quality, for example semi-permeable flat glass plate as a galvanometer window in the smallest distance faces; so that both of them create a wedge of air between them from form plane-parallel or wedge-shaped cross-section, in such a way, the interference-capable Light can form interference lines on it, the presence of which causes the twist of the mirror against the window can be determined or measured.

Der Luftkeil wird durch den drehbaren Galvanometerspiegel und eine feste Glasplatte gebildet, die zugleich das Galvanometerfenster darstellt. Galvanometerfenster, Spiegel und der von ihnen eingeschlossene Luftkeil bilden das Interferenzsystem. Als Licht wird monochromatisches Licht verwendet. Dieses kann von einer der bekannten technischen Lichtquellen für monochromatisches Licht, z. B. Natriumlampe, bezogen oder durch ein monochromatisches Lidlitfilter aus dem Licht einer weißen oder nicht monochromatischen Lichtquelle gebildet werden. Die Beobachtung der Interferenzlinien kann mit bloßem Auge erfolgen, bei feinerem Abstand derselben erfolgt sie zweckmäßig mit Mikroskop. Der Abstand der Interferenzlinien dient als Maß des Drehwinkels des Spiegels.The air wedge is driven by the rotatable galvanometer mirror and a Formed solid glass plate, which also represents the galvanometer window. Galvanometer window, Mirrors and the air wedge enclosed by them form the interference system. Monochromatic light is used as the light. This can be from one of the well-known technical light sources for monochromatic light, e.g. B. sodium lamp, based or through a monochromatic Lidlit filter from the light of a white or not monochromatic light source can be formed. Observing the interference lines can be done with the naked eye; if the distance is finer, it is expedient with microscope. The distance between the interference lines serves as a measure of the angle of rotation of the Mirror.

Das Interferenzgalvanometer kann, wie alle sonstigen Spiegelgalvanometer, als Nullindikator und zur Ausschlagsmessung verwendet werden.. Bei Verwendung des Interferenzgalvanometers als Nullindikator besteht die Feststellung, das kein Ausschlag vorliegt, darin, das die Messchaltung so lange verändert wird, bis die Interferenzlinien völlig verschwinden. Um ein Interferenzgalvanometer als Nullindikator verwenden zu können, ist daher eine Eichung nicht erforderlich. Das Interferenz.galvanometer ist ein außerordentlich empfindlicher Nullindikator.The interference galvanometer can, like all other mirror galvanometers, can be used as a zero indicator and for deflection measurement. When using the Interference galvanometer as a zero indicator shows that there is no deflection is present, in that the measuring circuit is changed until the interference lines disappear completely. To use an interference galvanometer as a zero indicator calibration is therefore not necessary. The interference galvanometer is an extremely sensitive zero indicator.

Das Verschwinden der Interferenzlinien kann mit bloßem Auge, mit Mikroskop, aber auch mit Photozelle festgestellt werden; denn jede Interferenzlinie stellt eine Schwächung der Gesamthelligkeit des Bildfeldes im Mikroskop dar. Würde man also an Stelle des Okulars eine Photozelle anbringen (Sperrschichtzelle), so würde der Höchstausschlag derselben die Nullstellung des Galvanometers anzeigen, konstante Brennspannung der Beleuchtungslichtquelle vorausgesetzt, was durch Spannungskonstanthalter hinreichend möglich ist.The disappearance of the interference lines can be seen with the naked eye, with a microscope, but can also be detected with a photocell; because every interference line represents a weakening of the overall brightness of the image field in the microscope So instead of the eyepiece attach a photocell (barrier cell), so would the maximum deflection of the same indicate the zero position of the galvanometer, constant Burning voltage of the illuminating light source is provided, which is provided by voltage stabilizers is sufficiently possible.

Für Verwendung des Interferenzgalvanometers als Ausschlagsinstrument ist eine Eichung desselben erforderlich. Diese kann auf verschiedene Weise vorgenommen werden: Erstens durch Messung des Abstandes der Interferenzstreifen mit einem Okularmikrometer und Berechnung des Winkels aus diesem Abstand und der Wellenlänge.For using the interference galvanometer as a pick-up instrument a calibration of the same is necessary. This can be done in a number of ways First, by measuring the distance between the interference fringes with an eyepiece micrometer and calculating the angle from this distance and the wavelength.

Zweitens durch optisdheKompensation, indem die Wellenlänge so geändert wird, z. B. durch Drehung des zur Herstellung des monochromatischen Lichtes benötigten Interferenzfilters oder durchBeschickung des Interferenzgalvanometers mit Licht verschiedener Wellenlänge aus einem Monochromator, das der Abstand der Interferenzlinien vor Drehung des Interferenzspiegels wieder hergestellt wird. Eine exakte, physikalische Beziehung zwischen Drehwinkel des Drehspiegels Acp und Änderung der Wellenlänge 0 A, ist angebbar. Somit kann für konstanten Abstand der Interferenzstreifen am Einstellwinkel des Interferenzfilters der Drehwinkel der Galvanometerspule direkt abgelesen werden.Second, by optisdhe compensation by changing the wavelength will, e.g. B. by rotating the required to produce the monochromatic light Interference filter or by charging the interference galvanometer with light different wavelength from a monochromator, which is the distance between the interference lines is restored before rotating the interference mirror. An exact, physical one Relationship between the angle of rotation of the rotating mirror Acp and the change in wavelength 0 A, can be specified. Thus, for a constant distance, the interference fringe can be at Adjustment angle of the interference filter the angle of rotation of the galvanometer coil directly can be read.

Drittens durch Einbau eines zweiten Spiegels, mit dem eine solche Drehung auf normale Weise gemessen wird, deren Wirkung noch an auftretenden Interferenzlinien festgestellt, die aber auch. schon mit Drehspiegel gemessen werden kann, durch Auszählung der von Nullstellung hei planparallelem Luftkeil bis zum Ausschlag entstehenden Interferenzlinien.Thirdly, by installing a second mirror with which such a mirror Rotation is measured in the normal way, the effect of which is still on occurring interference lines found that but also. can already be measured with a rotating mirror by counting from the zero position with a plane-parallel air wedge to the deflection Interference lines.

Eine mögliche Ausführung stellt die Abbildung dar. In dem zylindrischen Gehäuse i befinden sich am oberen und unteren Ende die Zapfen 2 und 3, von denen der Zapfen 2 drehbar angeordnet ist. Die Drehspule 4 hängt an den Spannbändern 5 und 6 zwischen den Zapfen 2 und 3. Der Strom wird der Drehspule 4 durch die Spannbänder 5 und 6 zugeleitet. Über oder unter der Drehspule befindet sich ein planer Oberflächenspiegel 7. Diesem gegenüber ist die .halbdurchlässige, metallisierte planparallele Platte in geringstmöglidhein Luftabstand io angeordnet. Der Luftabstand io ist durch den mit Feingewinde versehenen Tubus 9 feirist ju@stierbar.One possible design is shown in the figure. In the cylindrical Housing i are located at the top and bottom, the pins 2 and 3, of which the pin 2 is rotatably arranged. The moving coil 4 is suspended from the tensioning straps 5 and 6 between the pins 2 and 3. The current is fed to the rotating coil 4 through the tensioning straps 5 and 6 forwarded. A flat surface mirror is located above or below the rotating coil 7. Opposite this is the semi-permeable, metallized plane-parallel plate arranged in the smallest possible air gap. The air gap io is through the Tube 9 with fine thread is freely adjustable.

In dem lichtdichten Gehäuse i i befindet sich die Natriumlampe 12 (auch Quecksilberdampflampe oder andere Lampe mit monochromatischem Licht), die über ein Stabilisierungsgerät mit Netzspannung betrieben wird. Das monochromatische (Licht 13, bei der Natriumlampe gelbes Licht, fällt über den Glasspiegel 14, den sogenannten Vertikalilluminator, in die optische Achse des aus Gehäuse 1s, Objektiv 17 und Okular 16 bestehenden Mikroskops, welches fest mit dem Gehäuse i verbunden ist.In the light-tight housing ii is the sodium lamp 12 (also mercury vapor lamp or other lamp with monochromatic light), which is operated via a stabilization device with mains voltage. The monochromatic (light 1 3, yellow light for the sodium lamp, falls through the glass mirror 14, the so-called vertical illuminator, into the optical axis of the microscope consisting of housing 1s, objective 17 and eyepiece 16, which is firmly connected to housing i.

Die Stromzuführungen zur Drehspule erfolgen über die in der Konsole 23 befindlichen Klemmen 18 und i9. Mit Hilfe der Rändelschraube 22 ist der Zapfen 2, der isoliert im Gehäuse drehbar gelagert ist, über das Schneckenrad 21 fein einstellbar, so das der Winkel, den der Spiegel? mit der Glasplatte 8 bildet, beliebig eingestellt werden kann. Auch der Zapfen 3 ist isoliert im Gehäuse gelagert. Stehen Spiegel 7 und Glasplatte 8 genau parallel, so sieht der Beobachter durch das Mikroskop keine Interferenzlinien.Wlrd ein geringer Strom durch die Drehspule geschickt (der zu der Drehspule 4 gehörige Magnet ist nicht gezeichnet), so erfährt die Drehspule und der mit ihr starr verbundene Spiegel 7 eine kleine Verdrehung. Dadurch wird der planparallele Luftspalt zum Luftkeil. Der Beobachter sieht Interferenzlinien, aus deren Abstand er auf die Verdrehung schließen kann.The power supply to the moving coil is made via the one in the console 23 located terminals 18 and i9. With the help of the knurled screw 22 is the pin 2, which is rotatably mounted in an isolated manner in the housing, finely adjustable via the worm wheel 21, so that the angle that the mirror? forms with the glass plate 8, arbitrarily set can be. The pin 3 is also mounted in an insulated manner in the housing. Standing mirrors 7 and glass plate 8 exactly parallel, so the observer cannot see any through the microscope Interference lines. If a small current is sent through the moving coil (the one to the moving coil 4 associated magnet is not shown), so the moving coil learns and the mirror 7 rigidly connected to it a small twist. This will the plane-parallel air gap to the air wedge. The observer sees interference lines, from the distance from which he can deduce the rotation.

Um willkürlich das Interferenzgalvanometer auf Nullstellung (Planparallelität des Luftkeils) zu bringen, ist an dem oberen Abschluß des Galvanometerdoms eine drehbare Feineinstellung vorhanden, welche es gestattet, die Winkelstellung des Drehsystems'über das feine Aufhängeband mittels eines Feinsttriebes, der mechanisch höchstwertig sein muß, einzustellen.To arbitrarily set the interference galvanometer to zero (plane parallelism to bring the air wedge) is at the top of the galvanometer dome rotatable fine adjustment available, which allows the angular position of the Turning system via the fine suspension tape by means of a fine drive, which is mechanically must be of the highest order.

Die Reproduzierbarkeit der Ausschläge wird in bekannter Weise durch Wahl von bei kleiner Torsionsbeanspruchung nachwirkungsfrei reagierenden Spannbändern des Dreii-,\-stems erreicht. Da die Ausschlüge des Interferenzgalvanometers seinem Wesen nach außerordentlich gering sind, ist die Reproduzierbarkeit besonders gut erfüllbar.The reproducibility of the deflections is achieved in a known manner Choice of those that react without any after-effects in the case of small torsional loads Tensioning straps of the tri -, \ - stems reached. Since the deflections of the interference galvanometer his Are extremely low, the reproducibility is particularly good achievable.

Ein Interferenzgalvanometer wird auf Temperatureinflüsse stark reagieren infolge der durch einsymmetrische Erwärmungen entstehenden Längenänderungen von Bauteilen, welche eine Abstandsänderung des Interferenzspiegels vom Fenster oder ähnliches zur Folge haben. Diese Temperaturempfindlichkeit wird durch geeignete Wärmeisolation sowie durch künstliche thermische Alterung aller einfluahabenden Bauelemente hinreichend beseitigt, wie die Verwendung des Interferenzverfahrens in der Meßoptik als dasjenige der höchst erreichbaren Präzision beweist.An interference galvanometer will react strongly to temperature influences as a result of the changes in length of Components that change the distance of the interference mirror from the window or have the same result. This temperature sensitivity is determined by appropriate Thermal insulation as well as artificial thermal aging of all incoming evenings Sufficiently eliminated components, such as the use of the interference method in measuring optics proves to be that of the highest achievable precision.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Moving-coil mirror galvanometer for measuring the smallest currents and voltages or as a zero indicator, characterized in that the rotating mirror of the usual galvanometer arrangement, which is designed as a surface mirror of high optical flatness, projects a likewise optically high-quality, for example semi-transparent flat glass plate as the galvanometer window at the smallest possible distance, so that both one Form between them resulting air gap of plane-parallel or wedge-shaped cross-section, such that interference-capable (coherent, practically monochromatic) light can form interference lines on it, through the presence of which the rotation of the mirror against the window can be determined or measured. a. Interference galvanometer according to claim i, characterized in that the plane-parallel galvanometer window opposite the rotating mirror is enclosed by a rotating tube which can be displaced by means of a fine thread in the direction of the axis of the tube which coincides with the normal of the flat glass plate, so that the air gap width can be fine-tuned as required . 3. interference galvanometer according to claim i. and a, characterized in that the optical axis of a microscope is mounted in the normal of the plane glass plate in such a way that the presence or disappearance of the interference lines can be observed with the microscope. .4. Interference galvanometer according to claims i to 3, characterized in that an ocular microineter is mounted in the microscope in such a way that with it the distance between the interference lines z. B. can be measured by counting coincidences. 5. interference galvanometer according to claim i to 4, characterized in that the 'microscope is equipped with Auflichtilluminutor for side light illumination. 6. interference galvanometer according to claim i to 3 and 5, characterized in that a photocell is attached in place of the microscope eyepiece, such that an electrical measuring instrument indicating the photocurrent gives the maximum deflection when the interference lines disappear, i.e. when the mirror galvanometer is zero deflection. 7. interference galvanometer according to claim i to 6, characterized in that the practically monochromatic light incident in the interference system formed by the glass plate and mirror is formed from non-monochromatic light through an interference filter of the narrowest Hall value width. B. interference galvanometer according to claim i to 7, characterized in that the interference filter arranged between the light source and the interference system is rotatable about an axis perpendicular to the light path, such that a small change in the distance between the interference fringes caused by a very small rotation of the galvanometer mirror a large rotation of the interference filter, which is therefore easily accessible for measurement, can be optically compensated for. 9. interference galvanometer according to claim i to 8, characterized in that the rotation system of the interference galvanometer has, in addition to the mirror necessary for the formation of interference, a conventional rotating mirror for measuring large angles compared to the measurable with the interference method, such that these relatively large rotating coil rotations with the Poggendorfschen Rotating mirror mebhode are measurable. ok Interference galvanometer according to claims i to 9, characterized in that the rotary system is mounted on one side on a mechanically high-quality fine rotary drive in such a way that the rotary mirror of the interference system is set at any angle or desired interference line spacing, especially parallel to the galvanometer window, i.e. plane parallelism Air wedge and thus disappearance of the interference lines can be made.