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Anordnung zur kapazftativen Bestimmung der Winkellage eines um eine
feste Achse drehbaren Hebels
Die Erfindung betrifft eine neuartige Anordnung zur
kapazitativen Bestimmung der Winkellage eines um eine feste Achse drehbaren Hebels,
von dem ein Teil als eine in einer durch die feste Achse verlaufenden Ebene liegende
ebene Kondensatorplatte ausgebildet ist, die sich zwischen zwei feststehenden ebenen
Kondensatorplatten bewegt. Diese neue Anordnung Läßt sich in besonders zweckmäßiger
Weise in einem Komparator zur Messung kleiner mechanischer Dimensionen oder Bewegungen
verwenden. Ein derartiger Komparator kann nicht nur zum Messen, sondern auch zur
automatischen Steuerung von Geräten und Maschinen benutzt werden, wobei der Komparator
die Auslösung von Vorgängen verursacht, wenn er Abweichungen der Dimensionen eines
zu messenden Teils von vorgegebenen Werten feststellt.
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Es ist an sich bekannt, kapazitative Sender mit veränderbarem Elektrodenabstand
zur Bestimmung kleiner räumlicher Maße oder Verschiebungen zu verwenden. Der Erfindung
liegt aber die Aufgabe zugrunde, die Winkelstellung eines Hebels in einfacher und
zuverlässiger Weise auf kapazitativem Wege zu bestimmen.
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Es sind bereits Verfahren und Einrichtungen bekannt, mit denen die
Anderungen einer räumlichen Abmessung in Induktivitäts- oder Kapazitätsveränderungen
umgewande!t werden können,
wobei diese letzteren Veränderungen dann
gemessen werden, um den Wert der Maßveränderungen festzustellen.
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Die bekannten.Bauarten der Einrichtungen mit Induktivitäten weisen
in der Herstellung Schwierigkeiten auf, besonders wenn lineare Meßkurven erzielt
werden sollen.
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In manchen bekannten Einrichtungen mit Kondensatoren werden Anordnungen
verwendet, in denen die Verschiebung eines Fühlers Änderungen einer Kapazität hervorruft,
so daß die Messungen der Kapazität durch Messung der Frequenz eines durch diese
Kapazität abgestimmten Oszillator-Kreises vorgenommen werden kann. Unter diesen
Umständen ist es schwierig, ein Gerät zu bauen, das stabil ist und von der Umgebungstemperatur,
der Ionisierung der Lufthülle usw. unabhängige Ergebnisse liefert.
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Man könnte versuchen, diesen Fehler durch gleichzeitiges Ändern einer
geraden Anzahl von über eine Sauty-Brücke verbundenen Kondensatoren in einander
entgegengesetzten Richtungen zu unterdrücken. Diese Anderungen lassen Abgleichfehler
in der Brücke aufkommen, was durch eine Verschiebung, die auf einen zusätzlichen
Kondensator zur Wiederherstellung des Abgleiches wirkt, kompensiert werden kann.
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Es wurde auch'schon eine andere Doppel-Kapazität zur Bestimmung einer
räumlichen Lage durch Betätigung eines elektrischen Ausgleiches für die bestimmte
Lage verwendet.
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Diese Systeme, bei denen die Messung stets in einer Nullpunktbrücke
vorgenommen wird, sind sehr stabil, da sie von äußeren Einflüssen (Umgebungstemperatur,
Luftfeuchtigkeit, Ionisierung, Speisespannung und -frequenz) unabhängig sind,. haben
jedoch bestimmte, ihnen eigentümliche Nachteile.
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Zunächst erfordern sie eine verhältnismäßig große elektrische Verstärkung
(bestimmte Geräte dieser Bauart haben bis zu sechs Röhren), und das schließt die
Möglichkeit aus, den Verstärker und den Spannungsgenerator in unmittelbarer Nähe
des Fühlers unterzubringen. Deshalb muß eine Speiseleitung zwischen diesen beiden
vorgesehen werden, was die Verwendung einer verhältnismäßig großen Kapazität notwendig
macht, um die parasitären Kapazitätsveränderungen in der Speiseleitung (hervorgerufen
durch deren Drall oder Biegung usw.) gegenüber den gemessenen Kapazitätsveränderungen
außer acht lassen zu können.
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Diese Lösung erfordert wiederum große und unförmige Kondensatoren,
und es wird eine Vergrößerung der Zahl oder Fläche der Elektroden notwendig. Falls
die bewegliche Elektrode senkrecht zur Fläche der Platten verstellt wird, müßte
der Abstand der feststehenden Platten groß genug sein, um der Bewegung des Tasters
oder Fühlers einen ausreichenden Raum zu bieten. Diese beiden Verfahren führen nur
zum Bau von recht unförmigen Kondensatoren.
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In einem bekannten Gerät, das zur elektrischen Messung von Oberflächenrauhigkeiten
bestimmt ist, dient zur Abtastung der zu messenden Oberfläche ein um eine feste
Achse drehbarer Hebel, von dem ein Teil als ebene Kondensatorplatte ausgebildet
ist, die in einer durch die feste Achse des Hebels verlaufenden Ebene liegt und
sich zwischen zwei feststehenden ebenen Kondensatorplatten bewegt.
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Diese feststehenden Kondensatorplatten sind parallel zueinander angeordnet.
Dieser bekannte kapazitative Geber ist aber nur zur Bestimmung sehr geringer Winkelverstellungen
des drehbaren Hebels geeignet, was auch für seine Anwendung in einem Gerät zur Messung
von Oberflächenrauhigkeiten völlig ausreicht, da diese Oberflächenrauhigkeiten nur
sehr kleine Winkelverstellungen des Hebels zur Folge haben. Für größere Winkelverstellungen
ist der bekannte Geber dagegen unbrauchbar, da die kapazitative Spannungsteilung
zwischen den feststehenden Platten durch die am Hebel angebrachte bewegliche Platte
nicht der Winkelverstellung des Hebels proportional ist. Größere Winkelverstellungen
lassen sich aber nur dann mit der erforderlichen Genauigkeit messen, wenn die Meßspannung
der Winkelverstellung des Hebels streng proportional ist.
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Im Gegensatz zu der eben erwähnten bekannten Einrichtung gestattet
es die erfindungsgemäße Anordnung auch bei größeren Winkelverstellungen des mit
der beweglichen Kondensatorplatte starr verbundenen drehbaren Hebels eine der Winkelverstellung
des Hebels streng proportionale Meßspannung zu erzielen.
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Von der bekannten Einrichtung unterscheidet sich die erfindungsgemäße
Anordnung dadurch, daß die Ebenen der feststehenden Kondensatorplatten ebenfalls
die feste Drehachse des Hebels schneiden, wobei die feststehenden Kondensatorplatten
an einer konstanten Wechselspannung liegen und eine Meßspannung zwischen der beweglichen
und einer der festen Kondensatorplatten abgenommen wird.
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Mit dieser erfindungsgemäßen Anordnung lassen sich auch sehr kleine
Drehungen des Hebels um seine Achse mit großer Genauigkeit und Zuverlässigkeit bestimmen.
Zu diesem Zweck ist ein Teil des um die Achse drehbaren Hebels als Kondensatorplatte
ausgebildet.
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Die Kondensatorplatte liegt in einer Ebene, die durch die Achse verläuft.
Die Winkelstellung des Hebels wird nun in der Weise gemessen, daß sich die Kondensatorplatte
zwischen zwei feststehenden Kondensatorplatten bewegt, zwischen denen eine Wechselspannung
liegt, die von dem Generator geliefert wird. Eine solche Anordnung der drei Kondensatorpiatten
wirkt wie ein kapazitativer Spannungsteiler, d. h. aber, daß an der beweglichen
Kondensatorpiatte eine Spannung auftritt, deren Größe von der Stellung der Kondensatorplatte
zwischen den Platten abhängig ist. Ordnet man die festen Platten so an, daß sie
in Ebenen liegen, die ebenfalls die Drehachse des Hebels schneiden, so ergibt sich
der weitere Vorteil, daß die an der Kondensatorplatte entstehende Spannung der Winkelstellung
des Hebels zwischen den festen Platten proportional ist.
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Da die absolute Kapazität zwischen der beweg-
lichen
Platte einerseits und den festen Platten andererseits keinen Einfluß auf die an
der beweglichen. Platte auftretende Spannung hat, sondern ausschließlich von dem
winkelmäßigen Abstandsverhältnis gegenüber den festen Platten abhängt, machen sich
seitliche Verschiebungen der Platte in Richtung der Achse nicht bemerkbar und verfälschen
die Anzeige nicht. Außerdem hat die erfindungsgemäße Anordnung den Vorzug, daß man
den um die Achse drehbaren Hebel mit seiner Kondensatorplatte auf ein beliebiges
Gleichstrompotential oder an Erde legen kann, sofern das die Verhältnisse erforderlich
machen sollten.
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Die erfindungsgemäße Anordnung kann mit Vorteil die Grundlage eines
Komparators bilden, der sehr kleine räumliche Maße oder Verschiebungen zu messen
imstande ist. Um aus der erfindungsgemäßen Anordnung einen Komparator zu machen,
genügt es im Prinzip, einen der beweglichen Kondensatorplatte gegenüberliegenden
Arm des drehbaren Hebels als Tastfühler auszubilden.
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Weitere Merkmale der Erfindung beziehen sich auf zweckmäßige Schaltungen,
die zur Versorgung der feststehenden Kondensatorplatten mit der konstanten Wechselspannung
sowie zur genauen Bestimmung der Meßspannung zwischen der beweglichen und einer
der festen Kondensatorplatten dienen. Die Einzelheiten dieser Schaltungen gehen
aus den Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Anordnung hervor, die in der
Zeichnung dargestellt und nachstehend erläutert sind. Es zeigt Fig. I das Grundschaltschema
für die Messung einer Verschiebung mit der erfindungsgemäßen Anordnung, Fig. 2 ein
vereinfachtes Schema mit der Kombination einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einer
einzigen Gleichrichter-Oszillatorröhre, Fig. 3 ein erweitertes Schema ähnlich dem
von Fig. 2, das ein Verfahren zur Bestätigung einer Arbeitsvorrichtung und eine
Kombination der erfindungsgemäßen Anordnung mit dem Fühler eines Komparators erkennen
läßt, Fig. 4 eine Ausführungsform einer besonders für Innenmessungen gestalteten
Anordnung, Fig. 5 eine Ausführungsform der Anordnung für Außenmessungen, Fig. 6
die Kurven des Anodenstromes B und der Gitterspannung A' in der in Fig. g gezeigten
Anordnung als Ordinaten in Funktion der als Abszissen eingezeichneten Verschiebungen
des Fühlers des Komparators; die angegebenen Werte entsprechen den Effektivwerten;
die Kurve C"" zeigt außerdem die entsprechende Hochfrequenz Anodenspannung; .Fig.
7 zeigt ein Schema ähnlich dem von Fig. 2 mit einer gasgefüllten Röhre zum Stabilisieren
der Speisespannung, Fig. 8 ein Schaltungsschema ähnlich dem in Fig. 2 gezeigten
mit einem Kompensationswiderstand, Fig. 9 ein Schaltschema, das im großen und ganzen
dem in Fig. 2 gezeigten ähnlich ist, für den Fall, daß der Fühler des Komparators
nicht gegen Erde isoliert werden kann, Fig. 10 eine ähnliche Schaltung, bei der
die Speisespannung von einem Transistorgenerator erzeugt wird.
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Nach Fig. I werden die beiden festen Platten I, 2 eines Doppelkondensators
Ct, C2 mit einer von einem Generator G erzeugten Hochfrequenzspannung gespeist.
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Eine bewegliche Platte P ist starr mit dem Fühler T eines Komparators
verbunden, und ihre Verschiebung verursacht gleichzeitig eine Erhöhung der Kapazität
C1 und eine Verminderung der Kapazität C2 oder umgekehrt. Eine bestimmte Wechselspannung
kann zwischen P und I abgenommen, in einem Gleichrichter D gleichgerichtet und dann,
wenn notwendig, in einem Gleichstromverstärker A, welcher mit einem Meßinstrument
V verbunden ist, verstärkt werden. Man sieht, daß, wenn die Platte P von einer dicht
an der festen -Platte I liegenden Stellung ausgeht und sich der festen Platte 2
nähert, die Spannung VAB an den Klemmen des Gleichrichters von einem sehr niedrigen
Wert ausgeht und sich fortlaufend bis zu einem Maximalwert steigert; dieser wird
erreicht, wenn sie sich sehr dicht an der festen Platte 2 befindet. Es läßt sich
zeigen, daß diese Vorrichtung praktisch wie ein kapazitativer Spannungsteiler arbeitet
und daß die erzielte Spannung VAB nur eine Funktion des Verhältnisses der beiden
Kapazitäten C1 und C2 ist; im Falle eines Kondensators, dessen feste Platten in
einem später beschriebenen Winkel zueinander geneigt stehen, oder im Falle von parallelen
Platten ist diese Funktion linear. Dem Doppelkondensator können natürlich andere
als die gezeigten Formen gegeben werden.
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In gleicher Weise kann die Vorrichtung für die Messung der Spannung
VAB verschiedenartige Formen und insbesondere solche haben, die später beschrieben
werden. Die Empfindlichkeit der Vorrichtung steigt in umgekehrtem Verhältnis zum
dielektrischen Abstand unter der Bedingung, daß die Impedanz der Kapazitäten c gegen
die Im pedanz des Spannungsmesserkreises klein ist. Dies läßt sich selbst für kleine
Werte von C leicht verwirklichen.
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Zu Fig. I ist ferner zu bemerken, daß der den Fühler T des. Komparators
und die bewegliche Platte P des veränderbaren Doppelkondensators tragende Hebel
bei 3 schwenkbar um eine feste Achse angebracht ist. Die festen Platten I und 2
der veränderbaren Kapazität liegen in ihrer Winkelstellung so zueinander, daß die
Ebenen, in denen sich ihre wirksamen Flächen befinden, durch die Schwenkachse 3
gehen. Die Platte P hat Abmessungen, die denen der Platten I und 2 ähnlich sind,
und wird von einem Arm 5 des Hebels getragen, dessen anderer Arm 4 entweder selbst
als ein Fühler T ausgebildet ist oder aber in Verbindung mit einem zum Ausführen
der gewünschten Messung geeigneten Fühler steht.
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In der Anordnung gemäß der Erfindung ist der dielektrische Abstand
zwischen den Platten unter Berücksichtigung der vorhandenen Spannungen
zwischen
den Elektroden auf ein Minimum herabgesetzt. Dies hat den Vorteil, daß der Wert
der Kapazitäten C; und C2 erhöht und auch die Empfindlichkeit der Vorrichtung durch
Vergrößerung der Veränderungen von C1 und C2 bei gleichen Werten der Verschiebung
gesteigert wird. Dies ermöglicht es auch, daß der Raumbedarf des Gerätes sehr klein
gehalten werden kann, weil nur ein einziger Satz von festen und beweglichen Platten
verwendet zu werden braucht.
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Wenn dafür Sorge getragen wird, daß die beiden festen Elektroden
beim Bau und beim Zusammenbau symmetrisch -angebracht werden, haben Querverschiebungen
der beweglichen Platte senkrecht zur Zeichenebene keine Wirkung auf das Verhältnis
der Kapazitäten, so daß die erzielten Ablesungen der. Vorrichtung nicht durch eine
Parallaxe beeinträchtigt werden können.
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Es ist auch zu beachten, daß die Lage des Fühlers T, des Kontaktpunktes
mit dem Fühler und auch die Lage der beweglichen Platte P auf dem -Arm 3 in bezug
auf die Drehachse 3 eine gewisse mechanische Verstärkung ermöglichen.
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Schließlich haben die Teile des Doppelkondensators keine Reibung
und nehmen also keine Energie auf. Der Meßdruck kann also auf sehr niedrige Werte
herabgesetzt werden und gerade noch ausreichen, um einen Kontakt mit dem zu -messenden
Teil zu erzielen, was die Meßgenauigkeit -erhöht. Es ist auch sehr günstig, daß
irgendeine Biegung des Hebelarmes immer einen konstanten Faktor darstellen wird,
da jegliche Reibung fehlt.
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In dem in Fig. 2 gezeigten Grundschaltschema sind die festen Platten
I und 2 mit den Enden einer Spule 8 verbunden, deren eines Ende mit der Anode einer
Gleichrichter-Oszillator-Verstärkerröhre 6 in Verbindung steht. Der Mittelpunkt
der Spule 8 ist mit der positiven Klemme einer als Batterie dargestellten Gleichspannungsquelle
verbunden, deren negative Klemme an der Kathode der Röhre 6 liegt.
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Der Hebel 4, 5, der die bewegliche Platte P und den -Fühler T des
Komparators trägt, ist unmittelbar mit dem Steuergitter der Röhre 6 verbunden, und
ein Meßinstrument V liegt, in- Reihe in der Kathoden-Gitter-Rückleitung der Röhre.
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Diese Anordnung ist der in Fig; 1 gezeigten gleichwertig, wobei die
Funktionen des Gleichrichters und des Verstärkers in Fig. I mit dem Spannungsgenerator
G in einer einfachen Triode 6 kombiniert sind. Die Verwendung einer Grundschaltung
dieser Art ermöglicht es, das Instrument in einer äußerst leichten und zusammengedrängten
Form zu bauen.
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In Fig. 1 ist es möglich, als Wechselstromgenerator irgendeine für
diesen Zweck geeignete Vorrichtung, wie Vibratoren, Entladungsröhren, Transistoren
usw., zu verwenden, die in einer tragbaren Ausrüstung wegen ihrer geringen Speisespannungen
gewisse Vorteile aufweisen.
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Es, können auch bekannte Oszillatorschaltungen verwendet werden,
die eine sinusförmige oder auch :licht sinusförmige Wellenform erzeugen - (z. B.
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Kippschwingungsgeneratoren). Wechselstrom der üblichen Industriefrequenzen
kann genausogut ver wendet werden.
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Die Verwendung von Niederfrequenz als Speise spannung weist keine
Nachteile auf, ausgenommen, daß sie wegen der hohen Impedanz der Kondensatorelemente
einen Gleichrichterverstärker mit einer sehr hohen Impedanz erfordert, da der Widerstand
des Stromkreises des Meßinstrumentes imnler groß gegen die kapazitative Impedanz
sein soll.
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In gleicher Weise können alle bekannten Gleichrichter und Verstärkereinheiten,
wie Kupferoxyd-und Selengleichrichter, Germaniumdioden usw., verwendet werden; in
bestimmten Fällen kann der Verstärker wegfallen.
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In einer vorzugsweisen Ausführungsform, die schematisch in Fig. 3
gezeigt ist, arbeitet eine einfache Triodenröhre 6 gleichzeitig als Oszillator,
Gleichrichter und Verstärker, ähnlich wie die Röhre 6 in Fig. 2. Diese Anordnung
gestattet, das Gerät im Bau recht klein zu halten, und ferner die Anbringung der
Röhre in unmittelbarer Nähe des Fühlers, was das Gerät gleichzeitig handlich und
wirtschaftlich macht.
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Bei dieser Schaltung ist die Anode 7 der Triode 6 mit einer Induktionsspule
8 verbunden, die eine Mittelanzapfung hat, die mit einer Gleichstromquelle oder
mit einer pulsierenden Spannung ver-.bunden ist. Die Enden g und 10 sind je über
einen Sperrkondensator II mit den festen Elektroden 1 und 2 des Doppelkondensators
verbunden. Die bewegliche Platte P des Doppelkondensators, die sich zusammen mit
dem Fühler T bewegt, ist gegen Erde isoliert und mit dem Gitter I2 der Triode 6
verbunden. Ein Widerstand 13 und ein Galvanometer V sind in der Rückleitung vom
Gitter I2 zur Kathode 14 vorgesehen. Ein veränderbarer Kondensator 15 ermöglicht
die geringfügige Verstellung des Symmetriepunktes und dient als Mikrojustierung
der Stellung, wodurch gleichzeitig der nutzbare Ablesebereich vergrößert wird.
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Die Schaltung unterscheidet sich von einem normalen Hartley-Oszillatorkreis
durch eine zusätzliche Kapazität. Das Ergebnis ist, daß die dem Gitter aufgedrückte
Energie durch einen Vektor dargestellt wird, der dieSumme von zwei Vektoren von
einander entgegengesetzten Phasen ist und den beiden Hälften der Induktionsspule
8, entspricht.
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Wenn sich die festen Kondensatorplatten I, 2 und die Induktionsspule
8 in bezug auf die bewegliche Platte P des Kondensators in völligem Gleichgewicht
befinden, also bei einer mittleren Stellung des Fühlers T des Komparators, so ist
die dem Gitter 12 aufgedrückte Spannung gleich Null, und die Röhre 6 kann nicht
schwingen. Wenn sich der Fühler T nach unten bewegt, d. h., wenn die bewegliche
Platte P sich der festen Platte I nähert, erfährt die dem Gitter 12 aufgedrückte
Spannung eine Phasenverschiebung von I800 und verhindert das Schwingen. Wenn der
Fühler T sich nach oben bewegt und die bewegliche Platte P sich der festen Platte
2 nähert, arbeitet die Röhre 6 als Oszillator.
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Die Anordnung unterscheidet also die Bewegungs-
richtung
der Meßverschiebung und mißt nur die Verschiebung in einer Richtung.
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Selbstverständlich können die Verbindungen mit den Klemmen des veränderbaren
Doppelkondensators umgekehrt werden, um die Verschiebungen je nach Wunsch in der
einen oder der anderen Richtung zu messen. Der Nullpunkt des Gerätes entspricht
der Mittelstellung.
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Die Vorspannung des Gitters der Röhre 6 ist sehr klein oder gleich
Null, und ihre einzige Aufgabe ist es, die Anodenleistung in zulässigen Grenzen
zu halten, wenn die Schwingungen einsetzen. Diese Begrenzung kann vorteilhaft durch
die Verwendung einer Mehrgitterröhre vorgenommen werden oder mittels einer dem Schirmgitter
aufgedrückten Spannung, die den Anodenstrom auf einen zulässigen Wert begrenzt.
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Fig. 4 zeigt eine besonders für Innenmessungen geeignete Ausführungsform
des Fühlers des Komparators und des veränderbaren Doppelkondensators. Für die gleichen
Teile sind die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. I genommen worden.
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Das Schwenkglied S ist so ausgebildet, daß es den festen Teil des
Doppelfühlers des Instrumentes .bildet. Die obere feste Platte I wird in ihrer normalen
Lage durch Widerlager a und b gehalten, gegen die sie normalerweise durch eine Feder
d gedrückt wird. Diese Anordnung dient als federnder Puffer, um die Messung von
Teilen besonders großer Dicke zu ermöglichen, wobei ein Kondensator zwischen jeder
festen Platte und den Klemmen der Induktionsspule eingeschaltet ist, um Kurzschlüsse
zu vermeiden, wenn sich die beiden Platten berühren.
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Eine ähnliche gefederte Anbringung für die feste Platte 2 ist in
der in Fig. 3 veranschaulichten An ordnung gezeigt, wobei die Platte 2 normalerweise
in ihre feste Stellung mittels einer zentralen Druckfeder 22 gedrückt wird.
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Für Außenmessungen kann die in Fig. 5 gezeigte Anordnung genommen
werden, in der sich die Fühlerstange R zum Betätigen der beweglichen Platte P über
einen Kurbelhebelarm 4 eignet.
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Fig. 6 zeigt die Änderungen der GitterspannungA' des Anodenstromes
B und der Hoch frequenzspannung an den Klemmen der Induktionsspule 8 in Fig. 3 als
Funktionen der Verschiebung des Fühlers T des Komparators, wobei sie von einem dem
Einsetzen der Schwingungen entsprechenden Punkt ausgehen. Diese Kurven beziehen
sich besonders auf die in Fig. 3 gezeigte Schaltung.
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Es ist ersichtlich, daß die Gitterspannung A' zunächst etwa linear
verläuft, wobei sie eine ziemlich steile Neigung (Zone 1) aufweist, und dann scharf
abbiegt (Zone II), worauf eine Änderung folgt, die fast linear mit einer weniger
starken Neigung (ZoneIII) ist.
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Der Anodenstrom B, der zu Beginn ziemlich hoch - ist und, wie bereits
erwähnt, mittels einer gezeigt neten Vorrichtung begrenzt ist, fällt ziemlich schnell
und mit praktisch linearem Verlauf in Zone 1 ab, biegt scharf nach rechts in Zone
II um und wird darnach in Zone III fast konstant. Schließlich beginnt die Hochfrequenzspannung
an den Klemmen der Induktionsspule 8 mit einem scharfen Anstieg in fast linearer
Weise in der Zone I, krümmt sich scharf in Zone II und wird fast konstant in Zone
III.
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D5e beiden Kurven.i4' und B deuten eine Anzahl von Verwendungsmögl.ichkeiten
der Einrichtungen an, wie das Vornehmen von Messungen oder das Betätigen einer Steuerung
als Funktion der Verschiebung eines Fühlers T des Komparators: a) Durch eine Messung
der Gitterspannung A' in der Zone 1. Hier steht eine hohe Empfindlichkeit zur Verfügung,
jedoch hat diese Zone nur einen kleinen Bereich und geht danach schnell in eine
Zone über, in der die Spannungsänderungen nicht mehr proportional zu den Verschiebungen
sind (Zone II). In diesem Falle beträgt der Meßbereich nur wenige Mikron. b) Durch
Messung der Gitterspannung A' in der Zone III. In diesem Falle stehen eine proportionale
Ablesung und ein großer Meßbereich zur Verfügung (mehrere Zehntelmillimeter). Dies
ist eine zweckmäßige Anwendungsform zum Messen. Das Meßinstrument V kann dann direkt
in Längeneinheiten eingeteilt sein. c) Durch Anderung des Anodenstromes B in der
Zone I. Dies ist das bevorzugte Anwendungsverfahren für die Steuerung einer Maschine
in Abhängigkeit von Dimensionsänderungen. Es ist zu erkennen, daß, wenn die Änderung
nach Null hin geht, ein sehr schneller Anstieg des Anodenstromes erfolgt, der durch
die Spule I6 eines Relais 17 (s. Fig. 3) fließt und dazu dient, um einen in einem
Arbeitskreis liegenden Kontakt zu betätigen. Das Relais I7 kann mit einer Kompensationsspule
I8 ausgestattet sein, die ein magnetisches Feld erzeugt, das gleich und entgegengesetit
dem ist, welches durch den stabilen, im Falle großer Verschiebungen des Fühlers
erzielten Anodenstrom entsteht. Die Kompensationsspule 18 kann vorteilhaft mit einer
Anzapfung der in Fig. 3 als Batterie gezeigten Gleichstromquelle verbunden sein.
Der bewegliche Kontakt 19 des Relais ist zum Offnen und Schließen des Stromkreises
der Steuervorrichtung CD' (Fig. 3) geeignet.
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Man sieht, daß sich in Zone 1 der Anodenstrom auch in linearer Weise
als Funktion der Speisespannung ändert, was einen Fehler hervorrufen kann. In der
Praxis wird man für verschiedene Werte der Speisespannung die Steigung des mit der
Anodenstromkurve zusammenfallenden Teiles der Geraden ändern, jedoch schneiden diese
Geraden die Achse e in einem gedachten festen Punkt N, da der Strom gleich Null
ist. Die Kompensationsspule oder eine Potentiometervorrichtung, die den durch das
Relais in einem festen Punkt der Kurve fließenden Strom aufhebt, macht aber den
Punkt N reell, und die durch die Speisespannung hervorgerufenen Fehler verschwinden
in diesem Punkt. Der Nullpunkt entspricht als genau einer gegebenen-Stellung des
Fühlers T und ist unabhängig von der Speisespannung und von der Umgebungstemperatur.
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Im Falle einer Messung, bei der die Gitter-
spannung
A' in der Zone III als Maß der Verschiebung des Fühlers T verwendet wird, hat die
Gitterspannung' eine Neigung, die auch von der der Röhre aufgedrückten Gleichspannung
abhängig ist. Es können auch bei Schwankungen dieser Spannung Fehler vorkommen.
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Die Speisespannung kann durch bekannte Mittel stabilisiert werden,
oder es wird im Falle der Verwendung von Akkumulatoren ein Regelwiderstand verwendet,
um die Spannung auf einen bestimmten, mittels eines Voltmeters zu prüfenden Wert
zu halten. Es kann auch eines der nachfolgenden Verfahren verwendet werden: I. Die
Spitzen der der Anode in Zone III aufgedrückten Wechselspannung können, wie in Fig.
7 gezeigt, mittels einer parallel zu der Induktionsspule 8 liegenden gasgefüllten
Röhre 20 beseitigt werden. Dies gleicht durch Schwankungen der Anodenspannung und
der Heizspannung verursachte Fehler aus.
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2. Der am Gitter als Funktion der gemessenen Spannung und der Speisespannung
abgelesene Spannurlgswert kann korrigiert werden. Um dies vorzunehmen, genügt es,
den Speisewiderstand des Meßinstrumentes V durch eine Vorrichtung 21 (Fig. 8) zu
ersetzen, deren Widerstand sich in Abhängigkeit von der Speisespannung ändert (Widersfand
mit hohem Temperaturkoeffizienten) oder parallel zu dem Meßinstrument einen Widerstand
mit negativem Temperaturkoeffizienten zu legen, wobei diese Widerstände indirekt,
beispielsweise mittels eines wie in Fig. 8 schematisch gezeigten Heizstromes, geheizt
werden.
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Wenn es notwendig sein sollte, die Spannung zu verstärken, könnte
die Schaltung von Fig. 3 verwendet und durch einen oder mehrere Verstärker vervollständigt
werden, wobei die zu verstärkende Spannung je nach dem vorliegenden Falle von der
Induktionsspule 8 am Punkt g oder 10 oder von den Widerständen 13 oder 2I im Punkt
D" (s. Fig. 3 und 8) abgenommen wird. Diese Verbindungen sind mit gestrichelten
Linien in X, X1, X2 in Fig. 8 angedeutet, während die Verstärker schematisch mit
A und die Arbeitsvorrichtung mit UD gezeigt sind.
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Diese Schaltung ist durch eine Verbindung von der Kathodenseite des
Meßinstrumentes zur Erde, wie mit E gestrichelt gezeigt, vervollständigt.
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Wenn die bewegliche Kondensatorplatte des Doppelkondensators, die
mechanisch direkt mit dem -Fühler T verbunden ist, gegen Erde nicht isoliert werden
kann, so wird die in Fig. g gezeigte Schaltung verwendet. In dieser Schaltung wird
das Gitter über zwei Kondensatoren C', C" gesteuert, die mit den Enden einer Induktionsspule
23 verbunden sind, und erhält folglich zwei Spannungen mit entgegengesetzten Phasen,
wobei die Anode an dem einen Ende einer mit der Spule 23 induktiv gekoppelten Spule
24 angeschlossen ist, deren anderes Ende mit dem positiven Pol einer Gleichstromquelle
in Verbindung steht. Wenn die Erdrückleitung über zwei weitere Kondensatoren C1,
C2, ausgeführt ist, die . die von dem veränderbaren Doppeikondensator gemäß der
?Erfindung gebildet werden, so entsteht gegen Erde eine Gitterspannung, die je nach
der Stellung des Fühlers in bezug auf seine Ruhelage in Phase ist und das Einsetzen
von Schwingungen ermöglicht oder entgegengesetzte Phase hat.
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Die gezeigten Triodenböden können selbstverständlich durch Transistoren
oder durch Elektrodenröhren mit mehreren Gittern oder durch irgendeine andere gleichwertige
Vorrichtung ersetzt werden. Folglich soll mit dem Ausdruck »Elektronenröhre« irgendeine
Elektronenvorrichtung, welche eine Anode, eine Kathode und wenigstens ein Gitter
oder andere gleichwertige Elektrodenelemente hat, bezeichnet sein, während der Ausdruck
»Gitter« die Steuerelektrode einer solchen Vorrichtung andeutet. Die anderen Gitter
oder Elektroden der Vorrichtung können - soweit vorhanden - zur Erzielung zusätzlicher
Steuerwirkungen verwendet werden.
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Eine abgeänderte Schaltung mit einem Transistor wird in Fig. 10 gezeigt.
Der Teil A" zeigt einen Traussistorgenerator bekannter Bauart. Der TeilB' stellt
die Anordnung dar, die die mechanischen Verschiebungen in Änderungen elektrischer
Größen umwandelt und den Hauptgegenstand der Erfindung bildet.
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Eine Glimmentladungsröhre dient zum Stabilisieren der den äußeren
festen Platten des Doppelmeßkondensators aufgedrückten Spannung. Der Teil C"' stellt
eine Schaltung zum Messen des Ausgangspotentials dar, wobei eine Germaniumdiode
von ebenfalls bekannter Bauart verwendet wird.