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Registrierendes Meßgerät mit metallisiertem Aufzeichnungsträger
Die
Erfindung bezieht sich auf ein registrierendes Meßgerät mit mindestens einer am
Zeiger eines beliebigen Meß instrumentes befestigten Schreibelektrode, durch welche
aus dem Metallbelag eines aus Isolierstoff bestehenden Aufzeichnungsträgers vermittels
elektrischen Stromes eine Schreibspur ausgebrannt wird, welche den Verlauf der zu
registrierenden Meßwerte wiedergibt.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, eine Schreibelektrode am Zeiger
eines Meßgerätes zu befestigen und aus einer auf Papier aufgeklebten Zinnfolie oder
aus einem auf Papier als Trägerunterlage aufgespritzten Metallbelag eine Schreibspur
auszubrennen. Derartige Geräte konnten bisher in der Registriertechnik keinen Eingang
finden. Die Gründe dafür sind darin zu suchen, daß sowohl Zinnfolien als auch aufgespritzte
Beläge eine Stärke von mindestens 6 bis 8 p aufweisen und zum Schmelzen und Entfernen
dieser Metallbeläge Ausbrennenergien erforderlich sind, welche zu einer Verkohlung
oder Zerstörung des in der Regel aus einem Papierstreifen bestehenden Trägers aus
Isolierstoff führen.
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Außerdem gelingt es bei derartigen Aufzeichnungsträgern nicht, den
Ausbrennvorgang auf ein sehr kleines Flächenstück zu begrenzen. Insbesondere die
aufgespritzten Metallbeläge ergeben infolge ihrer rauhen Oberfläche in der Breite
stark schwankende Schreibspuren, welche ein genaues Ablesen der aufgezeichneten
Meßwerte unmöglich machen.
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Es zeigte sich nun, daß man mit sehr scharfen Rändern begrenzte Schreibspuren
bekommt und selbst sehr rasch wechselnde Vorgänge genau darstellen kann, wenn man
in einem schreibenden Meßgerät mit einer in Abhänbigkeit von einer Meßgröße beweglichen
Schreibelektrode einen Aufzeichnungsträger verwendet, dessen Metallbelag gemäß der
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findung einen Flächenwiderstand von I bis 50 Ohm, vorzugsweise
2 bis 10 Ohm/cm2 Belagfläche aufweist.
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Die Messung dieser Widerstandswerte erfolgt zweckmäßig dadurch, daß
auf einen I cm breiten Streifen des durch Bedampfen oder durch Kathodenzerstäubung
metallisierten Trägers im Abstand von I cm zwei Meßelektroden aufgesetzt werden.
Ergeben sich bei der Messung die obengenannten Widerstandswerte, so liegt die Stärke
des Metallbelags in der Größenordnung von 0,3 bis 0,002 ».
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Es ist erkannt worden, daß lediglich innerhalb der erwähnten Widerstandsgrenzen
der besondere Vorteil solcher Metallbeläge für die amplitudengetreue Wiedergabe
voll zur Geltung kommt. Metallbeläge mit höherem Flächenwiderstand erweisen sich
nämlich als zuwenig widerstandsfähig; solche mit niedrigerem Flächenwiderstand erlauben
nur geringe Schreibgeschwindigkeiten. Bei Metallbelägen von I bis 50 Ohm/cm2 Flächenwiderstand
genügen bereits kleine Ausbrennenergien, um auch bei stark wechselnder Schreibgeschwindigkeit
sauber ausgebrannte Schreibspuren zu erhalten. Dies ist besonders dann wichtig,
wenn Vorgänge aufgezeichnet werden sollen, die sich zeitlich sehr rasch und mit
großer Amplitude ändern und deshalb für ein genügendes Auflösungsvermögen eine hohe
Vorschubgeschwindigkeit des Aufzeichnungsträgers notwendig machen. Die sich als
Summe aus Vorschub- und Ausschlaggeschwindigkeit ergebende Schreibgeschwindigkeit
kann dabei beträchtliche Werte erreichen, beispielsweise bis zu 10 m/sec und mehr.
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Die außerordentlich geringe Stärke des Metallbelags erlaubt es ferner,
bei einem kleinen Aufwand an technischen Mitteln in den Ausbrennstromkreis Widerstände
und Kondensatoren oderDrosselspulen oder Kombinationen dieser Elemente einzubauen,
welche infolge der niedrigen Ausbrennleistung für eine niedrige Belastung bemessen
sein können und selbst bei Verwendung von für niedrige Leistungen dimensionierten
Stromquellen gewährleisten, daß der Metallbelag über die ganze Länge der Schreibspur
in elektrisch voneinander isolierte Teile getrennt wird. Dies ist mit Rücksicht
auf gewisse Auswertungsverfahren oder Kombinationen mit Steuergeräten u. dgl. wichtig,
bei welchen es einerseits auf diese Trennung durch die Schreibspur, andererseits
auf den genauen Abstand der Schreib spur vom Rand des Aufzeichnungsträgers oder
von einer sonstigen Bezugslinie ankommt. Außer in diesen Fällen sind elektrische
Widerstände im Ausbrennstromkreis besonders dann notwendig, wenn als Ausbrennspannung
die Spannung eines Lichtnetzes, insbesondere eines Wechselstromnetzes, verwendet
werden soll.
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Die Erfindung ist an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben
und erläutert. Es zeigt Abb. I ein registrierendes Meßgerät mit einem bandförmigen
Aufzeichnungsträger, Abb. 2 in stark verzerrten Größenverhältnissen einen Querschnitt
durch den Aufzeichnungsträger und Abb. 3 ein Schaubild, aus welchem die Abhängigkeit
von Schreibgeschwindigkeit, Dicke des Metallbelags und Ausbrennstrom hervorgeht.
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Das registrierende Meßgerät besteht in der Hauptsache aus einem mit
10 bezeichneten Meßwerk mit einem Zeiger II, der aus seiner Nullstellung unter dem
Einfluß der zu messenden Größe, beispielsweise eines elektrischen Stroms, entgegen
der I(raft einer Spiralfeder I2 ausgelenkt wird und an seinem Ende eine Schreibelektrode
I3 aus etwa 0,I5 mm starkem Wolfram- oder Platindraht trägt. Die Schreibelektrode
liegt mit ihrer Spitze mit sehr niedrigem Anpreßdruck auf dem Metallbelag 14 des
Aufzeichnungsträgers 15 auf, so daß nur eine geringe Reibung zwischen Metallbelag
und Schreibelektrode entsteht. DerAufbau des Aufzeichnungsträgers 15 ist in Fig.
2 schematisch, jedoch mit stark verzerrten Dickenverhältnissen dargestellt. Der
auf ein Papierband I6 von 0,03 mm Stärke aufgedampfte Metallbelag 14 aus Zink hat
eine Dicke von etwa 0,03 y und einen spezifischen Flächenwiderstand von 4 Ohml cm2
Belagfläche. Der Zinkbelag ist nach einem der bekånnten.Verfahren im Vakuum thermisch
oder durch Kathodenzerstäubung auf das Papierband 16 aufgedampft.
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Der aus dem Metallbelag 14 und dem Papierband r6 bestehende Aufzeichnungsträger
15 wird von einer nicht gezeichneten gebremsten Vorratsrolle abgezogen und zwischen
einer Kohlewalze 20 und einer Umlenkwalze I8 hindurch an der Schreibelektrode vorbeigeführt
und auf eine weitere nicht gezeichnete Rolle aufgewickelt. Die Kohlewalze 20 ist
an die Plusklemme einer Spannungsquelle 24 von etwa 30 Volt angeschlossen und dient
als großflächige Stromzuführung für den Metallbelag 14.
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Die Minusklemme der Spannungsquelle ist über eine Kombination eines
Widerstandes 23 von etwa 400 Ohm und eines parallel geschalteten Kondensators 22
von etwa I yF mit der Schreibelektrode I3 verbunden. Da die Schreibelektrode sehr
dünn ist, entsteht an ihrer Spitze eine hohe Stromdichte, welche eine große Stromwärme
erzeugt. Diese wird wegen der geringen Stärke des Metallbelages schlecht abgeleitet
und reicht deshalb auch bei hoher Schreibgeschwindigkeit aus, um aus dem dünnen
Metallbelag eine Schreibspur auszubrennen.
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Der Ausbrennvorgang selbst geht etwa folgendermaßen vor sich: Beim
Einschalten der Batterie 24 fließt über den Metallbelag 14 und die Spitze der Schreibelektrode
I3 ein zunächst durch die Höhe der Ausbrennspannung und die im Ausbrennstromkreis
liegenden elektrischen Widerstände bestimmter Strom, der das Metall um die Schreibspitze
herum zum Schmelzen und gegebenenfalls zum Verdampfen bringt. Dabei steigt der elektrische
Widerstand zwischen Schreibelektrode und Metallbelag, und der Ausbrennstrom sinkt
und reißt schließlich beim Verschwinden der letzten geschmolzenen Teile ganz ab,
wenn dabei der Aufzeichnungsträger und die Schreibelektrode stillstehen.
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Da jedoch der Aufzeichnungsträger während des Ausbrennvorganges fortlaufend
weiterbewegt wird, kommt die Schreibelektrode auch bei konstantem Ausschlag immer
wieder mit noch nicht entfernten
Teilen des Metallbelages in Berührung,
so daß eine zusammenhängende Schreibspur 30 entsteht. Dabei stellt sich ein mittlerer
Ausbrennstrom I ein, der sich aus rasch aufeinanderfolgenden abklingenden Stromstöflen
ergibt. In Abb. 3 sind die in mA gemessenden Werte des mittleren Ausbrennstroms
als Ordinaten, die zugehörigen Werte der Schreibgeschwindigkeit v in m/sec als Abszissen
aufgetragen.
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Die Kurve a stellt die Abhängigkeit des mittleren Aubbrennstromes
von der Schreibgeschwindigkeit bei einer Zinkschicht von o,o6 ,u dar, entsprechend
einem spezifischen Flächenwiderstand von 2 Ohm/cm2 bei einer Ausbrennspannung U
von 24 Volt; die Kurve b gibt die Abhängigkeit bei einer Zinkschicht von 0,ob2 p
entsprechend einem spezifischen Flächenwiderstand von 10 Ohm/cm2 bei einer Spannung
U von 36 Volt an. Man kann aus diesen Schaubildern entnehmen, daß die Spannungsquelle
24 bei diesen extrem dünnen Metallbelägen für sehr niedrige Ausbrennleistungen bemessen
iein kann. Bei einer Schreibgeschwindigkeit von 0.5 m/sec und einem Metallbelag
aus Zink von 0,OI2 p Stärke wird die Spannungsquelle 24 beispielsweise nur mit etwa
36 V .4 4 mA = o,I44 Äv belastet. Die im Augenblick des Auftreffens der Schreibelektrode
auf noch nicht geschmolzene Stellen des Metallbelags entstehenden Stromstöße können
bis zum 30 fachen Wert des mittleren Ausbrennstroms ansteigen. Um die Stromquelle
trotzdem nur für den mittleren Ausbrennstrom bemessen zu können, ist es zweckmäßig,
einen als Energiespeicher wirkenden, in Abb. I mit 26 bezeichneten Kondensator von
etwa 10 pF zu ihr parallel zu schalten. Der Kondensator ist unentbehrlich, wenn
der Ausbrennstrom einer Wechselstromquelle über einen nur für den mittleren Ausbrennstrom
bemessenen Gleichrichter entnommen wird.
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Da die Ausbrennenergie bei dem beschriebenen Gerät außerordentlich
gering ist, kann der Ausbrennstrom durch eine in Abb. I mit 25 bezeichnete Kontakteinri
chtung bei geringster Kontaktbelastung selbst mit hoher Schaltfrequenz unterbrochen
und dadurch die Aufzeichnung mit einem Zeitmaßstab versehen werden.
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Als besonders geeignet für derartige Registrierverfahren haben sich
außer den Aufzeichnungsträgern mit einem aufgedampften Metallbelag aus Kadmium und
Zink, vor allem solche aus Zink-Kadmium-Legierungen mit einem Zinkgehalt von weniger
als 30 ovo erwiesen, weil diese einen besonders niedrigen Schmelzpunkt haben und
daher sehr kleine Ausbrennspannungen von weniger als 10 Volt zulassen. Die nietallheläge
aus Zink-Kadmium-Legierungen bieten außerdem noch den weiteren \ vorteil, daß sie
gegenüber atmosphärischen Einflüssen sehr widerstandsfähig sind. Aufzeichnungsträger
mit einer nur 0,OI » starken Zink-Kadmium Schicht können lange Zeit aufbewahrt werden,
ohne daß sich ein merklicher Abbau des Belagmaterials bemerkbar macht.
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In denjenigen Fällen, in denen die Reibung der Sehreibelektrode auf
dem Metallbelag eine unzulässige Dämpfung des Zeigerausschlags des Meßinstrumentes
verursachen würde, kann der Aufzeichnungsträger auch im Abstand von einigen Zehntelmillimetern
an der Schreibelektrode vorbeibewegt werden. Bei dieser Anordnung liegt die Schreibelektrode
also nicht auf dem Metallbelag auf. Bei der außerordentlich geringen Stärke des
Metallbelags reicht die Energie von überschlagenden Funken aus, um eine zusammenhängende
saubere Schreibspur auszubrennen. In dieser Anordnung muß die Ausbrennspannung allerdings
höher als die Lichtbogengrenzspannung sein, also mindestens 14 Volt betragen.