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Magnetische Aufhängung von Drehsystemen empfindlicher Meßinstrumente
und Steuergeräte
Abgesehen von der Spitzenlagerung sind im wesentlichen zwei Arten
von Aufhängungen für empfindhche Meß- und Steuergeräte, bei denen das bewegliche
System Drehbewegungen ausführt, bekannt: 1. die Schwerkraftaufhängung: Das Drehsystem
hängt am Ende eines Torsionsfadens, der im allgemeinen das Richtmoment liefert,
durch das Systemgewicht senkrecht nach unten ausgespannt wird und der mit der Drehachse
des beweglichen Systems zusammenfällt; 2. die Spannfadenaufhängung: Das bewegliche
System sitzt in der Mitte eines Spannfadens oder -bandles, der bzw. das durch Fedlerkräfte
in Richtu,ng der Systemdrehachse auslgesplannt wird.
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Erfindungsgemäß werden durch folgenden Grundgedanken gegenüber diesen
bekannten Aufhängung gen wesentliche Vorteile erzielt und neue Anwendungsmöglichkeiten
geschaffen. Der Torsionsfaden wird im wesentlichen nicht durch das Systemgewicht
gespannt und in Richtung der Drehachse gehalten, sondern durch magnetische Kräfte,
die auf ferromagnetische Körper wirken, die am Ende des Torsionsfadens, zweckmäßig
meist zusammen mit dem Drehsystem, befestigt sind. Die Magnetfelder können dabei
z.B. von zweiten, feststehenden ferro-
magnetischen Körpern, aber
auch von Stromspulen ausgehen. Je ein mit dem Torsionsfaden bzw. mit dem Drehsystem
verbundener und ein feststehender ferromagnetischer Körper (oder eine Stromspule)
bilden ein zusammengehöriges, sieh anziehendes Paar, das kurz als Magnetsystem bezeichnet
wird.
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Für die praktische Anwendung dieses Grundgedankens sind folgende
Gesichtspunkte zu beachten: I. Um etwaige unerwünschte Richtmomente, die von magnetischen
Kräften herrühren könnten, zu vermeiden, wird mindestens je einer der beiden ferromagnetischen
Körper eines Magnetsystems rotationssymmetrisch gestaltet, falls es aus konstruktiven
Gründen nicht möglich sein sollte, beide rotationssymmetrisch auszuführen.
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2. Um eine möglichst schare Einstellung der Drehachse des Systems
zu erreichen, ist es zweck mäßig, die sich anziehenden ferromagnetischen Körper
eines Magnetsystems an den einander zugewandten Seiten mit rotationssymmetrischen
Spitzen zu versehen und den Abstand zwischen diesen Spitzen klein zu machen; das
letztere nicht nur um die Anziehungskräfte möglichst groß zu machen, sondern besonders
auch deshalb, weil, bei gleichen Anziehungskräften und für kleine Ausr lenkungen,
die radialen Richtkräfte umgekehrt proportional dem Abstand zwischen den Spitzen
sind.
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3. Um kleine unkontrollierbare Richtmomente, die von Hystereseerscheinungen
herrühren, zu vermeiden, werden zweckmäßig die sich anziehenden Spitzen aus magnetisch
möglichst weichem, d. h. hysteresefreiem Material gemacht.
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4. Um den Torsionsfaden vom Systemgewicht zu entlasten, wie das für
besonders empfindliche Instrumeute von Bedeutung sein kann, wird der Torsionsfaden
(ungefähr) senkrecht nach oben gespannt, dergestalt, daß er das Drehsystem und den
oder die daran befestigten ferromagnetischen Körper an seinem oberen Ende trägt.
Bei dieser Anordnung fällt außerdem der bei der Schwerkraftaufhängung oft so störende
Aufhängeturm weg.
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5. Bei der magnetischen Aufhängung können mindestens diegleichen
Vorteile bezüglich Lageunabhängigkeit erreicht werden wie bei der Spanufadenaufhängung,
d. h. es kann durch richtige Bemessung des Systemgewichtes und der magnetischen
Kräfte erreicht werden a) daß die Systemachse in einem beliebigen Winkel gegen die
Vertikale verlaufen kann, b) daß der Systemausschlag in mehr oder weniger ausgesprochenem
Maße unabhängig ist von Antderungen- dieses Winkels: Dadurch, daß das System und
damit der etwaige Zeiger am einen Ende des Torsionsfadens sitzt, wird, ebenso wie
bei der Schwerkraftaufhängung, ein Idie Ablesung störender Spannturm vermieden.
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6. Um kleine Abmessungen der Magnetsysteme bei guter Ausnutzung und
großen Anziehungskräften zu erhalten, ist es zweckmäßig, die feststehenden Teile
der Magnetsysteme als permanente, rotationssymmetrische Topfmlagnete auszubilden,
deren zentrale Pole in eine (zweckmäßig aus magnetisch besonders weichem Material
bestehende) Spitze auslaufen, und die so magnetisiert - sind, daß ein rotationssymmetrisches,
stark inhomogenes Feld mit maximaler Intensität an der zentralen Spitze entsteht.
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7. Um seitliche Auslenkungen des beweglichen Systems aus der Drehachse
möglichst vollkommen zu vermeiden und die bei der Spitzenlagerung herrstehenden
Verhältnisse möglichst zu erreichen, ist es zweckmäßig, je ein magnetisches System
an möglichst weit auseinanderliegenden Stellen der Systemdrehachse anzubringen.
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In den Abb. I und 2 sind zwei Ausführungbeispiele von magnetischen
Aufhängungen unter Weglassung aller in diesem Zusammenhang unwesentlichen Teile
schematisch dargestellt.
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Abb. I zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem Magnetsystem, Abb.
2 ein Ausführungsbeispiel mit zwei Majgnetsystemen.
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Es bedeutet F den Torsionsfaden, S das Drehsystem, M die Topfmagnete
mit dem in die Spitze Sp ans laufenden zentralen Pol und den den Spitzen Sp gegenüberstehenden
ferromagnetisehen-Nadeln N, die mit dem .System S und damit mit dem (in diesem Falle)
oberen Ende des Torsionsfadens F fest verbunden sind, und so von den Spitzen Sp
angezogen werden, daß sich der Torsionsfaden F von seiner unteren Einspannstelle
E aus nadh oben ausspannt. In der Abb. 2 list der untere Topfmagnet mit dem Eisenkern
K zusammengebaut, dl. h. der in bekannter Weise im Innern der Drehspule S sitzende
Eisenkern K ist an seinem unteren Ende als Topfmagnet M ausgebildet, wobei zweckmäßig
der zen trale Pol permanent-maguletisch ist. Es ist in diesem Zusammenhang besonders
zu betonen, daß die Systemachse nicht notwendig vertikal zu liegen braucht, sondern
daß sie unter Umständen beliebig geneigt odier horizontal liegen kann wie bei spitzengelagerten
Instrumenten.
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Die Vorteile derartiger magnetischer Aufhängungen gegenüber der gewöhnlichen
Schwerkraftaufhängung sind fol"gende: Die radialen Richtkräfte, d. h. die Kräfte,
die einer Auslenkung d;es Drehsystems aus der drehachse entgegenwirken, beruhen
bei Ider magnetischen Aufhängung auf der Inhomogenität des Magnetfeldes, wobei der
kleine Abstand zwischen den sich anziehenden Spitzen wesentlich ist. Bei der magnetischen
Aufhängung bleiben die radialen Richtkräfte unter gleichen Bedingungen ungeändert,
wenn der Torsionsfaden länger gemacht wird. Bei der Schwerkraftaufhängung dagegen
sind bekanntlich cliesle radialen Richtkräfte umgekehrt proportional der Länge des
Torsionsfadens. Die radialen Richtkräfte sind bei der magnetischen Aufhängung (für
kleine Auslenkungen und gleiche axiale Anziehungskräfte) umgekehrt proportional
dem Abstand -der sich anziehenden Spitzen. Sie sind im allgemeinen außerordentlich
viel größer als bei der Schwerkraftaufhängung. Dadurch können die bei der Schwerkraftaufhängung
so lästigen Pendelerscheinungen praktisch vollkommen beseitigt werden, und zwar
ohne Einbuße an Empfindlichkeit. Die
magnetische Aufhängung verhält
sich also praktisch wie eine Spitzenlagerung, ohne deren Nachteile, vor allem die
Lagerreibung, aufzuweisen. Die Lageabhängigkeit kann bei der magnetischen Aufhängung
verhältnismäßig sehr gering gemacht werden, besonders wenn in Analogie zur Spitzenlagerung
zwei Magnetsysteme zur Aufhängung verwendet werden.
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Daher kann für viele Zwecke auf eine genaue Einstellung der Lage des
Instrumentes durch Wasserwaagen u. dgl. verzichtet werden, ja es ist sogar möglich,
die Drehachse waagerecht oder unter beliebigem Winkel gegen die Waagerechte zu legen.
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Das Drehsystem und damit der Zeiger kann oben liegen, so daß ein
die Ablesung störender Aufhängeturm vermeidbar fest.
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Wegen der erfindungsgemäß erzielbaren außerordentlich scharfen Einstellung
der Drehachse können Anordnungen gewählt werden, bei denen es darauf ankommt, daß
sich die Drehachse nicht seitlich verschiebt. Dieser Gesichtspunkt ist besonders
wichtig z. B. für elektrostatische Instrumente, bei denen es jetzt nicht mehr nötig
ist, eine der bisher üblichen Anordnungen nach Art des Quadrantenelektrometers oder
des Multizellularinstrumentes zu wählen, bei denen die wirksamen Elektrodenflächen
im wesentlichen senkrecht zur Drehachse verlaufen und damit zwangsläufig zu einem
großen Trägheitsmoment des beweglichen Systems führen. Die magnetische Au'fhän'gung
ermöglicht es, zu Anordnungen mit im wesentlichen zylindrischen Elektrodenflächen
überzugehen und damit das Trägheitsmoment und die Einstellzeit des Drehsystems ganz
wesentlich herabzusetzen.
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Da das Systemgewicht durch die magnetischen Kräfte aufgenommen werden
kann, kann der Torsionsfaden vom Systemgewicht entlastet und unter Umständen zwecks
Empfindlichkeitssteigerung wesentlich schwächer gewählt werden als bei der Schwerkraftaufhängung.
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Die Vorteile der magnetischen Aufhängung gegeniiber der gewöhul ichen
Spann faden aufhängung sind hauptsächlich etwa folgende: Bei gleichem Querschnitt
und gleicher Gesamtlänge des Aufhängefadens für die magnetische Aufhängung einerseits
und des Spannfadens der gewöhnlichen Spannfadenaufhängung andererseits hat die magnetische
Aufhängung die vierfache Empfindlichkeit, verglichen mit der gewöhnlichen Aufhängung,
denn bei der magnetischen Aufhängung wird ja ein einziger Aufhängefaden mit der
doppelten Länge einer Spannfadenhälfte tordiert, während bei der Spannfadenaufhängung
beide Hälften des Spannfadens je mit der halben Gasamtlänge tordiert werden müssen.
Die geringe Lageabhängigkeit, ein Hauptvorteil des Spannfadenprinzips, ist bei der
magnetischen Aufhängung sogar noch besser ausgeprägt als bei der gewöhnlichen Spannfadenaufhängung.
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Ebenso wie bei der Schwerkraftaufhängung sind bei der Spannfadenaufhängung
die radialen Richtkräfte umgekehrt proportional der Spannfadenlänge, während sie
bei der magnetischen Aufhängung praktisch unabhängig von der Länge des Torsionsbandes
sind. Die Empfindlichkeit der Spannbandaufhängung kann also nicht ohne weiteres
durch Verlängerung der Spannbänder gesteigert werden, da sonst die radialen Richtkräfte
zu klein werden, wodurch die Vorzüge der Spannfadenaufhängung verlorengehen.
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Bei der magnetischen Aufhängung dagegen kann die Empfindlichkeit ohne
Beeinträchtigung der radialen Richtkräfte gesteigert werden, indem die Länge des
Torsionsfadens vergrößert wird.
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Wegen der Lage des Drehsystems am einen Ende des Aufhängefadens kann
ein unter Umständen lästiger Spannturm vermieden werden.