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Elektronisch gesteuerte Neigungswaage Bekanntlich ist die gewichtsanalytische
Methode häufig die bequemste und genaueste zur Kennzeichnung der Entwicklung des
Zustands einer Substanz oder eines chemisch reagierenden Systems unter dem Einfluß
beliebiger Behandlungen, wie Erwärmung, Abkühlung, Einwirkung eines Gases, des Vakuums,
des Lichtes usw.
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Die üblichen analytischen Laboratoriumswaagen gestatten nur die Veränderung
des Gewichts in Abahängigkeit von einer beliebigen Veränderlichen, wie Zeit, Temperatur,
Druck, Konzentration eines Gases usw., in diskontinuierlicher Weise und unter Inkaufnahme
häufiger Unterbrechungen der Behandlung zu verfolgen.
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Es ist daher verständlich, daß zahlreiche Versuche gemacht wurden,
Registrierwaagen herzustellen, welche jeden Transport der Probe und jede Unterbrechung
der im Gange befindlichen Behandlung zu vermeiden gestatten.
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Die meisten Ausführungsformen sind als Neigungswaagen ausgebildet.
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Bei einer Art von Neigungswaagen wird dem Moment des Gewichts der
Last in bezug auf eine waagerechte Achse durch ein Rückzugsmoment das Gleich-
gewicht
gehalten, dessen Stärke der Drehung durch die Last proportional ist. Dieses Rückzugsmoment
wird entweder durch einen Torsionsfaden oder durch die Verlagerung des Schwerpunkts
eines Waagebalkens um die waagerechte Drehachse geschaffen.
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Bei einer weiteren Art von Waagen wird der Last durch eine lotrechte
Kraft das Gleichgewicht gehalten, welche von der Verlagerung des Angriffspunktes
abhängt.
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In allen Fällen wird die Aufgabe der fortlaufenden Registrierung
eines Gewichts oder einer Gewichtsänderung auf die fortlaufende Messung einer Drehung
oder einer lotrechten Verstellung zurückgeführt.
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Es sind jedoch auch Waagen für selbsttätige Wägung bekanntgeworden,
welche auf der Nullmethode beruhen. Wenn der Abgleich elektromagnetisch erfolgt,
wird der die Magnetspule durchfließende Strom stets auf den Wert eingestellt, welcher
den Waagebalken in die gleiche Stellung (Nullstellung) zurückführt. Diese Regelung
erfolgt bei den bekannten Waagen dieser Art entweder von Hand oder auch selbsttätig
mittels einer lichtelektrisch von der Waage gesteuerten Einrichtung.
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Die Erfindung betrifft eine elektronische Neigungswaage mit Registrierung
und mit magnetischem selbsttätigem Ausgleich der Gewichte oder Gewichtsänderungen,
welche bei Atmosphärendruck, im Teilvakuum oder Hochvakuum, oder in einer konditionierten
Atmosphäre arbeiten kann.
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Bei der Lösung dieser Aufgabe wurde bisher entweder die Neigungsmethode
oder die Nullmethode benutzt.
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Der Nachteil - der Neigungsmethode besteht darin, daß die gegenseitige
Lage der Anziehungsspulen -(oder einer Spule und einer magnetischen Masse) veränder
lich ist. Die magnetische Kraft ist dann eine Funktion sowohl des die Spulen durchfließenden
elektrischen Stroms als auch der gegenseitigen Stellung derselben.
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Dies bedeutet einen schweren Nachteil hinsichtlich der Stabilität
der Eichung, und diesem Nachteil konnte bisher nicht abgeholfen werden. Die Methode
weist jedoch auch eine sehr schätzungswerte Eigenschaft auf, nämlich die Einfachheit
des elektronischen Teils.
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Bei der Nullmethode, bei welcher die gegenseitige Lage der magnetischen
Teile konstant ist, hängt die Anziehungskraft einzig und allein von der Stärke des
die Spulen durchfließenden Stroms ab, so daß sich die Eichung zeitlich nicht ändert.
Leider ist jedoch die die Abgleichung steuernde elektrische Einrichtung stets erheblich
kompliziert, kostspielig und schwer einzustellen.
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Die Erfindung verfolgt drei Ziele: I. Ausnutzung der einfachen Ausführung,
welche die sogenannte Neigungsmethode gegenüber der Nullmethode ermöglicht.
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2. Herstellung einer Waage, deren Angaben gegen die Schwankungen
der Kenngrößen der elektronischen Teile des Systems, wie Schwankungen der Empfindlichkeit
der Zelle, Schwankungen der Emissivität der Kathoden der Röhren usw., unempfindlich
sind.
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Diese langsame Änderung der Kenngrößen der elektronischen Kreise
ist nämlich bei Vorgängen, welche über 10 Stunden dauern können, sehr erheblich.
Eine Lösung dieses Problems konnte bisher von den Herstellern von elektronischen
Waagen der Neigungsbauart nicht gefunden werden, deren Eichung sich stets während
längerer Versuche änderte.
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3. Vermeidung der Notwendigkeit einer sorgfältigen Stabilisierung
der von dem Netz gelieferten Speisespannung, da eine derartige Stabilisierung kostspielig
und schwer einzustellen ist.
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Hierzu wird bei einer elektronisch gesteuerten Neigungswaage mit
elektromagnetischer Abgleichung und Registrierung von Gewichten oder Gewichtsänderungen,
die zur Herstellung des Gleichgewichtes eine durch den verstärkten Strom einer in
Abhängigkeit von der Neigung des Waagebalkens verschieden stark belichteten Photozelle
gespeiste Magnetspule sowie einen hysteresefreien, an dem Waagebalken aufgehängten
und in der Achse der Magnetspule verstellbaren Eisenkern aufweist, die Ausbildung
erfindungsgemäß so getroffen, daß einerseits zu dem Zweck, die von der Magnetspule
auf den Eisenkern ausgeübte Anziehungskraft für jeden der verschiedenen Werte derStromstärke
in dieser Spule von den Schwankungen der Belichtungsintensität, Netzspannung od.
dgl. unabhängig zu machen und andererseits, die Stabilität der Eichung zu gewährleisten,
die Wicklung dieser Spule ein solches Profil hat, daß sie, wenn sie von einem Strom
konstanter Stärke durchflossen wird, den Weicheisenkern unabhängig von der in weiten
Grenzen veränderlichen Stellung des Kerns in der Achse der Spule mit einer konstanten
I(raft anzieht, wobei der Schwerpunkt auf der Drehachse der Mittelschneide liegt.
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Die Erfindung ist nachstehend beispielshalber unter Bezugnahme auf
die Zeichnung, welche zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Waage zeigt,
erläutert.
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Fig. I ist eine Seitenansicht einer erstenAusführungsform der erfindungsgemäßen
Waage; Fig. 2 zeigt das elektronische Schaltbild derselben; Fig. 3 zeigt eineAusführungsabwandlung
der Fig. I; Fig. 4 zeigt eine Anordnung für die Dämpfung der Waage.
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Gemäß Fig. 1 und 2 steuert ein an einem Ende des Waagebalkens 3 einer.
Waage aufgehängter Schirm 2 den von einer Lichtquelle 4 kommenden Lichtfluß, welcher
auf eine elektrische Photozelle 5 fällt. Der Strom der Zelle wird durch eine elektronische
Vorrichtung 6 (Fig. 2) verstärkt und in eine Magnetspule 7 zur Wiederherstellung
des Gleichgewichts geschickt.
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Der Waagebalken 3 gehört einer Präzisionswaage an und befindet sich
in einem geschlossenen Raum 2I.
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Die Vorrichtung zur Freigabe des Waagebalkens und der Schalengehänge
wird durch eine sChraubenförmige Rampe g gesteuert, wobei die Abdichtung durch einen
Metallbalg 10 hergestellt wird.
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12 bezeichnet die Probe, deren Entwicklung verfolgt werden soll.
I3 ist ein Taragewicht, welches, wie die Probe, an dem den Schirm 2 tragenden Ende
entgegengesetzten Ende des Waagebalkens 3 aufgehängt ist. I4 bezeichnet mit der
Zelle j und dem Verstärker6 der Fig. 2 verbundene Leiter. 15 bezeichnet mit diesem
Verstärker und der Spule 7 verbundene Leiter.
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16 bezeichnet mit demWiderstand 8 und derRegistriervorrichtung verbundene
Leiter. 17 (Fig. 2) bezeichnet eine Dämpfungsvorrichtung, welche im Nebenschluß
zu der Verstärkungseinrichtung 6 liegt; Es ist übrigens zu bemerken, daß. die Verstärkungs-und
Dämpfungsstromkreise zu einer Einheit zusammengefaßt werden können; oder daß der
Dämpfungsstromkreis durch eine oder mehrere zusätzliche Zellen gesteuert werden
kann.
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Wenn der Waagebalken 3 der Waage untet den üblichen Bedingungen benutzt
wird, d. h. durch das verstellbare Gewicht 20 so eingestellt ist, daß sich der Schwerpunkt
unterhalb der Drehachse 19 befindet, so ist leicht einzusehen, daß jede Veränderung
der Netzspannung, des Verstärkungsfaktórs des elektro nischen Teils, der Empfindlichkeit
der Zelle, oder der Lichtstärke der Lichtquelle eine Veränderung der Stromstärke
in der Spule bewirken würde, welche keinerGewichtsveränderung der Probe entspricht
.Wenn sich nämlich die Empfindlichkeit der Zelle 5 oder der Verstärkungsfaktor ändern
würde, so würde sich auch sofort die Stromstärke in der Spule 7 ändern, so daß der
Waagebalken 3 eine neue stabile Gleichgewichtsstellung einnehmen würde In dieser
neuen Gleichgewichtsstellung wäre die auf den Waagebalken 3 wirkende magnetische
Kraft eine andere, so daß sie die Änderung des Moments des Schwerpunkts in bezug
auf die Drehachse der Anordnung ausgleicht. Infolgedessen würden im allgemeinen
die dieser neuen Gleichgewichtsstellung entsprechende Stromstärke sowie die an das
Registriergerät angelegte elektromotorische Kraft nicht mehr die gleichen sein wie
vorher. Dasselbe wäre der Fall, wenrs sich die Lichtstärke der Lichtquelle ändern
würde.
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Zur genaueren Erläuterung der obigen Ausführungen sei nachstehend
die Gleichgewichtsbedingung des Waagebalkens angeschrieben: Fs, L cos a+M,=Fm L
cos a. (I) Hierin bedeuten: F, das Gewicht der Probe, Mg das Moment des Schwerpunkts
in bezug auf die Drehachse des Waagebalkens, Fm die auf den Eisenkern wirkende magnetische
Kraft, L die Länge der Arme des Waagebalkens, a die Neigung des Waage balkens in
bezug auf diB Waagerechte.
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Unter der Annahme, daß Fp konstant ist, d. h. daß sich das Gewicht
der Probe nicht ändert, ist M0 eine Funktion der Neigung des Waagebalkens, d. h.,
Mg = f (a) und Fm ist eine Funktion einerseits der Stromstärke in der Spule und
andererseits der gegenseitigen Lage der Spule und des Eisenkerns, d. h. der Neigung
a des Waagebalkens, so daß man schreiben kann: Frn =g (a, i).
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Jede Veränderung einer elektrischen Größe (Empfindlichkeit der Zelle,
Verstärkungsfaktor, Lichtfluß der Lichtquelle usw.) hat eine Veränderung der Neigung
des Waagebalkens und eine Veränderung der Stromstärke in der Spule zur Folge, so
daß sich ergibt:
Wenn nicht besondere Vorkehrungen getrfk'n werden, bedeutet die obige Gleichung,
daß i1 von i2 verschieden ist. Dies ist bei allen bisher bekannten elektronischen
Neigungswaagen der Fall.
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Wesentlich für die erfindungsgemäße Registrierwaage ist nun folgendes:
x. Der Schwerpunkt der beweglichen Teile (Waagebalken 3, Probe I2, Taragewicht 13,
Schirm 2, Eisenkern I8) liegt auf der Kante der mittleren Schneide 19 des Waagebalkens
3. Anders ausgedrückt, die bewegliche Anordnung ist so eingestellt, daß sie sich
im indifferenten Gleichgewicht befindet, wenn keine magnetische Kraft auf das System
einwirkt.
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2. Bei konstanter Stärke des die Spule 7 durchfließenden Stromes
hängt die magnetische Kraft nicht von der Neigung des Waagebalkens 3 ab.
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.Hierdurch wird die Gleichung (2) zu Fs, worin i?m=g (i).
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Die erste Bedingung wird durch eine richtige Einstellung einer Masse
20 verwirklicht.
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Zur Verwirklichung dieser Bedingung darf die magnetische Kraft nicht
von der Stellung des l}isenkerns I8 abhängen, wenn die Stromstärke in der Spule
konstant gehalten wird.
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Hierfür nimmt gemäß Fig. I die Dicke der Wicklung der Spule 7 von
unten nach oben gemäß einem geeigneten Profil ab, wodurch diese Bedingung in einem
sehr weiten Bereich vérwirklicht werden kann. Da praktisch die Verstellungen des
Waagebalkens 3 beiderseits einer mittleren Lage stets sehr gering bleiben, genügt
es, daß diese Bedingung in einem beschränkten Bereich bis auf Abweichungen zweiter
Ordnung verwirklicht ist. Es genügt daher gemäß einer Ausführungsabwandlung, bei
welcher keine Sonderwicklung erforderlich ist, daß der Eisenkern eine Zone einnimmt,
welche einem Maximum (oder einem Minimum) der magnetischen Anzugskraft entspricht.
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Wenn das Gewicht der Probe durch die die Spule durchfließende Stromstärke
bestimmt sein soll, entspricht jedem Gewicht der Probe eine Potentialdifferenz an
den Klemmen des mit der Spule 7 in Reihe geschalteten Widerstands 8.
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Es ist dann leicbt einzusehen, daß bei Erfüllung der obigen Bedingungen
die Gewichtsangabe unabhängig von den Schwankungen der elektrischen Kenngrößen des
Systems, wie Empfindlichkeit der Photozelle 5, Lichtstärke der Lichtquelle 4, Verstärkungsfaktor
der elektronischen Vorrichtung 6, Netzspannung, ist. Eine beliebige Schwankung einer
dieser Größen hat nämlich eine selbsttätige Verstellung des Schirms 2 in einem solchen
Sinn zur Folge, daß die magnetische Kraft und infolgedessen die Stromstärke in der
Spule und die Gewichtsanzeige konstant bleiben.
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Die Gleichung g (i3) = g (52) bedeutet in der Tat s 12.
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Diese Vorrichtung zur Selbststabilisierung, welche tadellos arbeitet,
wenn die Veränderungen der obigen Größen allmählich vor sich gehen, arbeitet nicht-sclnell
genug bei plötzlichen Schwankungen der Netzspannung. Die Trägheit des Waagebalkens
läßt nämlich plötzliche Verstellungen des Schirms 2 nicht zu.
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Wenn daher das Netz zu heftige Schwankungen auf-
weist,
ist es zweckmäßig, den elektronischen Teil und die Lichtquelle über Transformatoren
mit gesättigtem Eisen. zu speisen.
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Die Erfindung ist natürlich nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform
beschränkt, an welcher gewisse Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne das
Prinzip dieser neuen Waage mit fortlaufender Registrierung, welche in einem geschlossenen
Raum arbeiten kann, zu verändern.
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So kann z. B. der hysteresefreie Eisenkern I8 durch eine kleine eisenlose
Spule 25 ersetzt werden, welche von einem konstanten Strom durchflossen wird (Fig.
3).
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Diese Vorrichtung ist zwar theoretisch zweckmäßiger als die vorhergehende,
da der Zusammenhang zwischen den Gewichten und den elektromotorischen Kräften linear
ist, sie weist jedoch den Nachteil auf, daß sie eine sehr gute Stabilisierung des
diese kleine Spule durchfließenden Stroms erfordert, so daß in dieser Hinsicht die
Lösung der Fig. I einfacher und vorteilhafter ist. Diese Spule 25 kann auch durch
den Strom der außerhalb des Raums 21 liegenden Gleichgewichtsspule 7 gespeist werden.
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In diesem letzteren Fall sowie bei Benutzung eines Eisenkerus 18
ist die Kurve der Gewichtsveränderungen parabolisch.
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Es ist übrigens selbstverständlich, daß die verschiedenen Teile,
wie Schirme, Taragewicht, Eisenkern, zu untersuchende Probe, in einer anderen Reihenfolge
an dem einen oder dem anderen Ende des Waagebalkens angebracht werden können.
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Die Dämpfung der Waage erfolgt magnetisch. Hierfür wird ein Dämpfungsstrom,
welcher der Verstellungsgeschwindigkeit des Schirms 2, d. h. der Ableitung des Stroms
der Photozelle 5 nach der Zeit, proportional ist, in die Anzugsspule 7 geschickt,
so daß er dem Gleichgewichtsstrom überlagert ist. Ein sehr einfaches Verfahren zur
Erzeugung dieses Dämpfungsstroms besteht darin, den Stromkreis der Zelle 5 oder
einer von dieser gesteuerten Verstärkerröhre 22 mit dem Gitter der letzten Verstärkerröhre
23 des elektronischen Teils mittels eines Kondensators 24 (Fig. 4) zu koppeln.
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Diese Ausführungsform der Dämpfung ist natürlich nicht beschränkend.
Man kann nämlich auch eine getrennte Dämpfung mit Hilfe einer zweiten Spule herstellen,
welche, wie die Gleichgewichtsspule 7, von der Zelle 5 gesteuert wird, oder von
einer anderen Zelle und einem anderen Schirm. Diese zweite Spule kann auf den zweiten
Eisenkern 18 oder aui einen anderen Kern einwirken.
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Die Erfindung ist natürlich auch auf andere als auf Laboratoriumswaagen
anwendbar.
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Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet somit die Registrierung
beliebiger Gewichtsschwankungen und beliebiger Gewichte. Es karxr z. B. bei Brückenwaagen
verwendet werden, welche in schneller Folge die Gewichte von Wagen registrieren
können, welche über eine Wägeplattform laufen.
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PATENTANSPR8CHE: I. Elektronisch gesteuerte Neigungswaage mit elektromagnetischer
Abgleichung und Registrierung von Gewichten oder Gewichtsänderungen, die zur Herstellung
des Gleichgewichts eine durch den verstärkten Strom einer in Abhängigkeit von der
Neigung des Waagebalkens verschieden stark belichteten Photozelle gespeiste Magnetspule
und einen hysteresefreien, an dem Waagebalken aufgehängten und in der Achse der
Magnetspule verstellbaren Eisenkern aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits
zu dem Zwecke, die von der Magnetspule (7) auf den Eisenkern (I8) ausgeübteAnziehungskraft
für jeden der verschiedenen Werte der Stromstärke in der Magnetspule von Schwankungen
der Belichtungsintensität, Spannung od. dgl. unabhängig zu machen und andererseits,
die Stabilität der Eichung zu gewährleisten, die Wicklung dieser Spule (7) ein solches
Profil hat, daß sie, wenn sie von einem Strom konstanter Stärke durchflossen wird,
den Weicheisenkern (I8) unabhängig von der in weiten Grenzen veränderlichen Stellung
des Kerns in der Achse der Spule mit einer konstanten Kraft anzieht, wobei der Schwerpunkt
auf der Drehachse der Mittelschneide liegt.
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2. Elektronisch gesteuerte Neigungswaage mit elektromagnetischer
Abgleichung und Registrierung von Gewichten oder Gewichtsänderungen, die zur Herstellung
des Gleichgewichtes eine durch den verstärkten Strom einer in Abhängigkeit von der
Neigung des Waagebalkens verschieden stark belichteten Photozelle gespeiste Magnetspule
und einen hysteresefreien, an dem Waagebalken aufgehängten und in der Achse der
Magnetspule verstellbaren Eisenkern aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere,
von dem sich längs der Achse der Spule verstellenden Weicheisenkern (I8) eingenommene
Stellung so gewählt ist, daß sie für jede Stromstärke einer Zone des Maximums oder
des Minimums der magnetischen Anziehungskraft entspricht, wobei die Spule durch
eine nicht in besondererWeise ausgebildeteWicklung gebildet wird.