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Einrichtung zum Messen oder Vergleich kleinster Kräfte oder Drehmomente
Die
Lagerung von empfindlichen Meßwerken für Galvanometer, Elektrometer, Drehwaagen
aller Art, z. B. Schwerewaagen, führt mitunter zu beträchtliegen Schwierigkeiten.
Vor allem stellt die Torsionsdrahtaufhängung eine gegen mechanische Störeinflüsse
höchst empfindliche Konstruktion dar, die oft in Verhältnissen, wie sie bei zahlreichen
technischen Problemen vorliegen, wegen dieser Empfindlichkeit nicht in Betracht
kommt. Insbesondere sind solche Geräte außerordentlich empfindlich gegen horizontale
Beschleunigungen und Neigungen, wie sie z. B. beim Gebrauch auf Fahrzeugen auftreten.
Ferner ist, wenn besonders kleine Richtkräfte verlangt werden, die Festigkeit der
Fäden sehr begrenzt und damit auch das höchst zulässige Gewicht des Meßsystems beschränkt.
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Erfindungsgemäß wird in all den Fällen, in denen die genannten Schwierigkeiten
untragbar sind, das Meßsystem, auf Idas die zu messenden Kräfte bzw.
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Momente aufgebracht werden, mittels in Abhängigkeit vom Luftspalt
steuerbarer Elektromagnete frei schwebend um seine Drehachse aufgehängt.
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Das Meßwerk einer solchen Meßanordnung stellt ein weitgehend richtkraftloses
System dar, da die durch Inhomogenitäten der magnetischen Radialsymmetrie auftretenden
restlichen Richtkräfte ohne $chwiedgkeiten in die Größenordnung von unge fähr Io-4
gcm pro Grad gebracht werden können.
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Das Meßsystem wird mit einem rückwirkungsfreien Abgriff ausgestattet,
vorzugsweise einem Lichtabgriff, der die Bewegung des Systems in vefhältige Strom-
bzw. Spannungsänderungen umsetzt. Es ist
ferner eine Einrichtung
vorgesehen, mit der auf elektrischem Wege Vergleichsmomente aufgebracht werden können.
Insbesondere ist vorgesehen, daß die Messung nach dem Prinzip der selbsttätigen
Kompensation erfolgt, wobei durch eine selbsttätig wirkende Einrichtung ein Kompensationsmoment
aufgebracht wird, das zudem Meßmoment das Gleichgewicht hält. Der Strom, der zur
Erzeugung des Kompensationsmomentes nötig ist, stellt dann ein Maß für das zu ermittelnde
Moment dar. In all den Fällen, in denen eine Stromzuführung zum beweglichen System
nicht nötig ist, wie z. B. bei Schwerewaagen, Elektrometern, Wechselspannungsleistungsmessern
u. dgl., besteht dann keinerlei körperliche Berührung des schwebenden Meßsystems.
In anderen Fällen wird oft eine Stromzufuhr mit richtkraftlosen Bändern keine' wesentlichen
Nachteile mit sich bringen, deren geringe Restrichtkraft im Bledarfsfalle auch noch
elektrisch kompensiert werden könnte.
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Fig. I der Zeichnung ist eine bei spiels weise Ausführungsform einer
solchen Meßanordnung für einen Elektrometer in Seitenansicht; Fig. 2 zeigt eine
Draufsicht auf die Anordnung gemäß Fig. I in Richtung der Pfeile a nebst den elektrischen
Kompensationsmitteln; Fig. 3 ist ein Schaltungsbeispiel für die Steuerung der elektrischen
Lagermagnete.
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In Fig. I bezeichnen I und 2 die Lagermagnete, zwischen denen das
Meßsystem 3 frei schwebend -gehalten wird. 3a und 3b sind die an dem Meßsystem angebrachten
Kondensatoren, die miteinander leitend verbunden sind und zusammen mit den am nicht
dargestellten Gehäuse befestigten Gegenplatten 3,7 und 3b' ein Elektrometersystem
bilden. An dem drehbaren System sind ferner ein Spiegel 4 und ein Magnetstab 5 befestigt;
letzterer stellt zusammen mit der gehäusefesten Spule 6 einen Momentengeber dar.
Die Lichtquelle 7 wirft über den Spiegel 4 ein Lichtbündel auf die.Fotozelle8, welche
über den Verstärker g die Erregung der Spule 6 steuert. Wenn an den Platten 3,'
und 3b' die an den Klemmen IO liegende Spannung liegt, erzeugt diese Spannung durch
elektrostatische Wirkung ein Drehmoment. Dieses bewirkt zunächst eine Verdrehung
des Systems 3. Dadurch wird über den lichtelektrischen Abgriff 7, 4, 8 und den Momentengeber
5, 6 ein Gegen drehmoment auf das Meßsystem 3 übertragen, so daß lediglich eine
kleine Restdrehung übrigbleibt. Der durch die Spule 6 des Momentengebers fließende
Strom wird durch das Instrument II gemessen und stellt ein Maß für das zu messende
elektrostatische Moment dar. Damit das Meßsystem 3 zwischen den Magneten I und 2
frei schwebt, muß offensichtlich die von dem Magneten I auf den Anker ausgeübte
Kraft die von dem Magneten 2 auf diesen Anker ausgeübte Kraft um das Gewicht des
Körpers 3 überwiegen. Die dazu notwendige Gleid½stromerregung der beiden Elektromagnete
I und 2 wird, wie nunmehr an dem in Fig. 3 dargestellten Schalt bild erläutert werden
soll, abhängig von zudem Spiel zwischen dem Elektromagneten I und dessen Anker gesteuert.
Der Elektromagnet 1 erhält zu diesem Zweck eine Wechselstromerregung, so daß seine
Selbstinduktion sich entsprechend dem genannten Lagerspiel ändert.
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In Fig. 3 liegt die Primärwicklung des Transformators I6 an einer
Wechselstromquelle I7, welche eine Wechselspannung hoher Frequenz von etwa IOOO
Hz liefert. Die von der Sekundärwicklung des Transformators I6 abgegebene Spannung
kann- mittels des Spannungsteilers I8 beliebig eingeregelt werden. Dile hiervon
abgenommene Spannung dient zur Speisung einer Wheatstoneschen Brücke, die durch
die beiden Ohmschen Widerstände 19 und 20 und die beiden Drosseln 21 und I' gebildet
wird. Di,e Drossel 21 ist eine veränderlich einstellbare Vergleichsselbstinduktion
zur Einstellung des Brückennullpunktes. 1' ist die Erregerwicklung des in'Fig. I
dargestellten Lagermagneten.
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Die von der Brücke bei Störung ihres Gleichgewichts infolge Änderung
des oberen Luftspaltes bei der Einrichtung nach Fig. 3 abgegebene Wechselspannung
gelangt über den Eingangstransformator 22, die Verstärkerstufe 23 und den Zwischentransformator
24 auf den Diodengleichrichter 25. In dessen Stromkreis liegt ein Kondensator 26.
Der an dessen Klemmen bestehende Gleichspannungsunterschied erzeugt an den Widerständen
27 und 28 einen Gleichspannungsabfall, der zur gpgenläufigeh Steuerung der beiden
Endröhren 29 und 30 Idient. Im Anodenkreis der Röhre 29 liegt die Magnetwicklung
I', im Anodenkreis der Röhre 30 liegt die Magnetwicklung 2', die auf dem unteren
Magneten 2 (Fig. I) angeordnet ist und bei einfacher Ausführung auch weggelassen
werden könnte.