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Elektrische Widerstandsringwaage und Verfahren zu ihrer Herstellung
Bei elektrischer Messung kontinuierlich veränderlicher Größen, beispielsweise der
Höhe von Flüssigkeitsspiegeln, Winkeländerungen u. dgl., wo eine Fernanzeige gewünscht
wird, hat man sich schon sogenannter elektrischer Ringwaagen in Verbindung mit einer
Wheatstoneschen Brücke bedient. Gegenüber der gröberen Meßanordnung mit Schleifdraht
und Schleifkontakten, welche durch Veränderung der zu messenden Größe bewegt werden,
besitzen diese elektrischen Widerstandsringwaagen den Vorteil, daß sie der Verschmutzung,
chemischen Veränderungen der metallischen Schleifdrähte und den daraus resultierenden
irreversiblen Widerstandsänderungen nicht ausgesetzt sind.
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Diese bisher bekannten elektrischen Ringwaagen bestehen in der Hauptsache
aus einem ringförmigen, allseits geschlossenen Glasrohr, wobei die Ringebene in
Meßstellung eine genau vertikale Lage haben muß. Das Ringrohr ist durch geeignete
Befestigungsmittel mit einer durch seinen Mittelpunkt gehenden, durch die Veränderung
der Meßgröße drehbaren Welle verbunden. An der inneren Wandung des Ringrohres liegt
ein elektrischer Widerstandsdraht längs des größten Teiles des Rohrumfanges, und
zwar im unteren Ringteil. Er endet beiderseits in zwei vakuumdicht in die beiden
oberen Ringhälften eingeschmolzenen Elektroden. Die untere Hälfte des Ringes ist
mit Quecksilber gefüllt und besitzt eine weitere vakuumdicht eingeschmolzene Elektrode
als Kontakt für das Quecksilber. Wird diese Anordnung in leichtverständlicher Weise
in einer Wheätstonebrücke derart geschaltet, daß die beiden vom Quecksilber überbrückten
und vom Metalldraht gebildeten Widerstandshälften
zwei nebeneinanderliegende
Wider- " standszweige bilden, während der Brückenzweig, in dem irgendein anzeigendes
oder steuerndes Meßgerät liegt, an der Quecksilberkontaktelektrode endet, so macht
sich bei Stromzuführung jede Veränderung der Winkellage des Ringrohres durch Änderung
des Brückenstromes bemerkbar. Diese Anordnung kann daher zur Messung oder Regelung
einer Größe angewandt werden.
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Bei den bisher bekannten, durch Anwendung nichtgewendelter Widerstandsdrähte
gekennzeichneten elektrischen Ringwaagen besteht nun der Mangel, daß die hierfür
verwandten Metalle keine genügende Adhäsion zur Glaswandung aufweisen, wodurch ihre
Lage nicht festgehalten ist und Fehlermöglichkeiten gegeben sind.
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Eine Ringwaage mit neuer Anordnung des Widerstandsdrahtes, die den
geschilderten Mängel nicht mehr aufweist, ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Die Erfindung betrifft ferner das Verfahren zur Herstellung der neuen Ringwaage.
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Erfindungsgemäß ist bei der neuen Ringwaage der Widerstandsdraht nicht
in gestreckter Form, sondern vielmehr wendelförmig an der Innenseite der Glaswandung
angebracht. Durch die innere Spannung .der Wendel legt sich nämlich die Drahtwicklung
fest an die Wandung des Rohres an, ohne Rücksicht darauf, ob die natürliche Adhäsion
klein oder groß ist. Es wird weiter vorgeschlagen, die Drahtwendel in schraubenförmigen
Windungen an der Innenwandung des Rohres anstatt auf die glatte Glaswandung zu legen.
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Die Aufgabe, die Widerstandsdrahtwendel in schraubenförmigen Windungen
an der Innenseite eines Glasrohres einzulegen, barg beträchtliche Fertigungsschwierigkeiten
in sich, die jedoch durch folgendes neue, nach der Erfindung vorgeschlagene Verfahren
gemeistert werden konnten.
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An Hand deriAbbildungen seien das Herstellungsverfahren (Abb. i) sowie
die nach der Erfindung ausgebildete Ringwaage (Abb.2) und die Meßschaltung der Ringwaage
(Abb. 3) beschrieben. Auf dem Mantel eines Metallrohres g (s. Abb. i), das beispielsweise
aus Kupfer besteht und einen Durchmesser besitzt, der etwa dem größten Gewindedurchmesser
des fertigen Ringrohres entspricht, wird ein Schraubengewinde io nach Maßgabe der
gewünschten Ganghöhe der Widerstandsdrahtwicklung eingefräst oder eingeschnitten.
Die Kanten i i des Gewindes sollen dabei entweder abgeflacht sein oder eine geringe
konkave Form besitzen, damit der Widerstandsdraht 5 darauf aufgewickelt werden kann
und dieser nicht in den Gewindeeinschnitten, sondern auf den Gewindekanten liegt.
Über das gerade Kupferrohr mit aufgewickeltem Draht wird ein weites Glasrohr geschoben,
letzteres bis zum Erweichen erwärmt und dann eines seiner Enden zusammengeschmolzen,
während das andere Ende an eine Vakuumpumpe angeschlossen wird. Nach Evakuieren
des Glasrohres wird durch den äußeren Luftdruck das erweichte Glasrohr zusammengepreßt,
wobei es sich fest um das innere Kupferrohr legt und sogar in die Gewindeeinschnitte
io des Kupferrohres eingepreßt wird. Dadurch kommen dann die beim Kupferrohr auf
den Gewindekanten i i liegenden Wicklungen des Widerstandsdrahtes 5 in die an der
Wandung des Glasrohres entstehenden Gewindeeinschnitte zu liegen. Mittels einer
Säure wird nun das innere Kupferrohr aus dem Glasrohr i herausgelöst, während der
Widerstandsdraht, der deshalb aus säurebeständigem Metall bestehen muß, zurückbleibt.
Nach Einschmelzen der Metallelektroden 2 für den Widerstandsdraht und der Anschlußelektrode
3 für den Quecksilberkontakt in der Glaswandung wird dann das erwärmte und weiche
Glasrohr i zu einem Ring gebogen und die zusammengebogenen Enden des Rohres bis
auf einen kleinen, zum Auspumpen und Einfüllen dienenden Stutzen verschmolzen (s.
Abb. 2). Nun wird Quecksilber q. in das Ringrohr in einer Menge eingefüllt, die
etwa dem halben Volumen des Rohrinnenraumes entspricht.
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Die Ringwaage kann nun noch evakuiert und auch mit einem Schutzgas,
wie Wasserstoff, gefüllt werden, damit oxydierende Einflüsse auf den Widerstandsdraht
und das OOuecksilber vermieden werden. Danach wird der Stutzen 6 zugeschmolzen.
Zur Verbindung der Ringwaage mit dem die Meßwerte gebenden Fühlorgan wird erstere
am besten mittels einer Speiche 8 auf einer Welle 7 gelagert, die in irgendeiner
Weise durch das Fühlorgan gedreht wird.
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Für das Ringrohr können die gebräuchlichen Gläser, auch Spezialgläser,
verwandt werden. Der Widerstandsdraht muß aus Metallen gefertigt sein, die mit Quecksilber
kein Amalgam bilden und in bezug auf Alterungsbeständigkeit und Konstanthaltung
ihres Widerstandes günstige Eigenschaften besitzen. Insbesondere eine Legierung
von 8o °/o Platin und 2o°/o Iridium hat sich als Widerstandsmaterial bewährt. Die
Elektroden 2 für den Widerstandsdraht 5 und für den Quecksilberkontakt 3 bestehen
vorteilhaft aus Platin und müssen vakuumdicht in das Glasrohr eingeschmolzen sein.
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Der durch die neue Ringwaage gegebene Fortschritt besteht vor allen
Dingen darin, daß wegen der Wendelform des Widerstandsdrahtes und Lagerung in einem
Gewinde an der Innenseite des Glasrohres seine Lage unverrückbar festgehalten wird,
so daß auch bei starken Erschütterungen der Widerstandsdraht sich nicht ändert,
sein innerer Spannungszustand und damit auch sein Widerstand konstant bleibt.
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Die wendelförmige Ausbildung der Metalldrähte bei Präzisionswiderständen
und Lagerung derselben auf mit Schraubengewinden versehenen keramischen Trägern
ist zwar an sich bei Außenwicklung schon bekannt. Die Innenwicklung ist aber neu
und bringt die beschriebenen Vorzüge mit sich. Die Empfindlichkeit des neuen Gerätes
ist auf jeden Fall bedeutend besser als bei den bisher bekannten Ringwaagen mit
nichtgewendeltem Widerstandsdraht.
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Die zur Messung und auch zur Regelung übliche Wheatstonebrückenschaltung
der Ringwaage ist in Abb. 3 schematisch dargestellt. Es bilden die durch
die
Quecksilberfüllung 4 getrennten beiden Teile 13 und 14 des Widerstandsdrahtes 5
zwei hintereinanderliegende Zweige der Wheatstoneschen Brücke. Die weiteren zwei
Widerstände 15 und 16 können entweder konstant oder auch einstellbar sein. Im Brückenzweig
liegt irgendein zur Anzeige oder auch zur Regelgebung geeignetes Gerät 18, beispielsweise
ein Amperemeter, Fallbügelregler od. dgl. Der Meßstrom wird von einer Gleichstromquelle
17 geliefert. Je nach dem vom Fühlorgan ausgehenden Meßimpuls wird die auf der Welle
7 gelagerte Ringwaage i gedreht, wobei jedoch in den von den beiden Ringhälften
gebildeten kommunizierenden Röhren die O_uecksilberspiegel auf gleiches Niveau sich
einstellen und dabei das Verhältnis der Teilwiderstände 13 und 14 des Widerstandsdrahtes
verändern. Die dadurch bedingte Veränderung des Brückenstromes kann gemessen oder
zur Regelgebung benutzt werden. Das Gerät i8 kann bei Fernanzeige in beliebiger
Entfernung von den Meßstellen liegen.
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Zur trägheitslosen und genau gleichen Einstellung der beiden Quecksilberspiegel
hat es sich noch bewährt, darüber in den beiden Ringhälften jeweils noch eine kleine
gleich große Menge einer chemisch indifferenten, nicht leitenden Flüssigkeit geringer
Oberflächenspannung zu füllen, wie z. B. destilliertes Wasser. Diese bewirkt, daß
die Glaswand von dem Quecksilber ohne Unterbrechung benetzt wird und der Meniskus
sich immer gleichmäßig ausbildet. Gemäß einem weiteren Vorschlag wird anstatt eines
glatten Drahtes für die Widerstandswicklung ein bereits feingewendelter Draht angewandt,
so daß also bei der fertigen Ringwaage der Widerstand in Form einer Doppelwendel
an der Rohrinnenseite liegt. Beim Aufpressen des erweichten Glasrohres dringt dann
nämlich das Glas sogar zwischen die feinere Wicklung der primären Wendel ein und
füllt diese teilweise aus, wodurch eine weitere Verbesserung .der Haftung des Drahtes
am Glas erzielt wird.
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Die nach der Erfindung ausgebildete Ringwaage hat sich wegen ihrer
größeren Genauigkeit, Konstanthaltung ihres Widerstandes und großer Lebensdauer
in der Praxis gut bewährt und zeigt sich den bisherigen Ausführungsformen überlegen.