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Vorrichtung zur Kraftmessung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Kraftmessung, bei der die zu messende Kraft durch eine gleich große, in entgegengesetzter
Richtung wirkende, elektromagnetisch erzeugte Kraft kompensiert wird, die ihrerseits
von einem mechanisch-elektrischen Wandler über einen Verstärker gesteuert wird.
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Bei bekannten Vorrichtungen zur Kraftmessung ist es in nachteiliger
Weise nicht möglich, dem Augenblickswert des magnetischen Feldes Rechnung zu tragen,
die Veränderungen bzw. Schwankungen eines von einer beliebigen Quelle herstammenden
Feldes zu kompensieren bzw. auszugleichen und die Null-Methode anzuwenden, um die
Linearitätsfehler eines Meßfühlers oder federnden Aufhängungselements zu unterdrücken.
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Es sind bereits Hall-Generatoren bekannt, wobei der Hall-Effekt im
wesentlichen darin besteht, daß eine Potential-Differenz, die sogenannte Hall-Spannung,
zwischen zwei gegenüberliegenden Rändern einer Platte aus halbleitendem Material
auftritt, die einerseits von einem elektrischen Strom, dem Steuerstrom, unter einem
Winkel von im wesentlichen 900 in bezug auf die erwähnten Ränder durchflossen wird
und andererseits von einem magnetischen Feld senkrecht zu ihrer Fläche durchsetzt
ist.
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Bekanntlich ist die Hallspannung U durch die Gleichung Rit IH e gegeben,
in der Rh die Hall-Konstante, e die Dicke der Platte, I die Stärke des Steuerstroms,
H die magnetische Feldstärke bedeutet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Kraftmessung
zu schaffen, welche nicht mit den oben geschilderten Nachteilen der bekannten Vorrichtungen
behaftet ist.
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Zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe wird eine
Vorrichtung zur Kraftmessung vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß
im magnetischen Kreis ein Hall-Generator angeordnet ist, dessen Betriebsgrößen zur
Kraftmessung benutzt werden.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist im wesentlichen
darin zu sehen, daß man der zu messenden Kraft (die auf einen beweglichen Punkt
einwirkt) eine gleiche, in entgegengesetzter Richtung wirkende Kraft gegenüberstellt,
die durch die kombinierte Wirkung eines magnetischen Feldes und eines meßbaren elektrischen
Stromes erzeugt ist, wobei der eine oder der andere dieser Parameter in Abhängigkeit
von der Hall-Spannung gemessen wird und wobei das Verhältnis zwischen diesen beiden
Kräften dazu dient, automatisch die Gegenkraft zu steuern bzw. zu betätigen. Dabei
wird die zu messende Kraft entweder direkt von der Hall-Spannung oder von einem
Strom abgeleitet, der unabhängig von der Hall-Spannung gesteuert wird, wobei jedoch
diese Spannung, die zur Stabilisierung des magnetischen Feldes dient, indirekt in
der Messung mit verwendet wird. Durch die Zuordnung eines Hall-Generators ist es
möglich, a) dem Augenblickswert des Magnetfeldes Rechnung zu tragen, b) die Veränderungen
bzw. Schwankungen eines von einer beliebigen Quelle herstammenden Feldes zu kompensieren
bzw. auszugleichen und c) die Null-Methode anzuwenden, um die Linearitätsfehler
eines Stellungsgebers oder federnden Aufhängungselements zu unterdrücken.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand einiger Ausführungsbeispiele,
die in der Zeichnung dargestellt sind, beschrieben. In dieser zeigt F i g. 1 eine
schaubildliche Ansicht eines Hall-Generators, F i g. 2 eine schaubildliche Ansicht
der die Grundlage der Erfindung bildenden Mittel, F i g. 3 im Achsschnitt eine Ausführungsform
eines Druckanzeigegeräts nach der Erfindung,
F i g. 4 im Achsschnitt
eine Abwandlung des Druckmeßgeräts nach F i g. 3, Fig. 5 im Achsschnitt eine andere
Abwandlung des Druckmeßgeräts nach F i g. 3, F i g. 6 ein synoptisches Schema einer
weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, enthält ein Hall-Generator eine Platte
A aus halbleitendem Material.
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Wenn man zwischen den Rändern und b dieser Platte von der Dicke e
einen Steuerstrom von der Stärke 1 fließen läßt und die Platte in ein Feld von der
Feldstärke H senkrecht zur Ebene der Platte bringt, so tritt an den gegenüberliegenden
Klemmen c und d eine Potentialdifferenz, die Hall-Spannung, auf: Rh U IH. e Da die
Hall-KonstanteRh und die Dicke e konstant sind, ergibt sich Rh = K, somit U = KIH.
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Für die Anwendung des Hall-Generators auf ein Dynamometer wird die
in Fig. 2 gezeigte Prinzipanordnung zugrunde gelegt, bei der eine biegsame Lamelle
C und D eingespannt ist, an der im Punkt E die Kraft F 1 angreift, die gemessen
werden soll. Im Punkt E ist mechanisch, z. B. durch einen Faden bzw. Draht, ein
Leiter B angehängt, der von einem Strom von der Stärke 1 durchflossen und in demselben
MagnetfeldH wie der an Hand von Fig 1 beschriebene Hall-Generator angeordnet ist,
der hier in Reihe mit dem Leiter B liegt, so daß der Steuerstrom des Generators
der Strom I ist, der durch den Leiter B fließt, welcher so angeordnet ist, daß das
Feld H senkrecht zu diesem Leiter gerichtet ist.
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Auf Grund des Gesetzes von Laplace und der Ampereschen Regel unterliegt
der Leiter einer Kraft F2 senkrecht zu der Ebene, die durch den Leiter B und die
Richtung der Kraftlinien festgelegt ist, wobei diese Kraft durch den Ausdruck gegeben
ist: F2 = K2IH.
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Man kann also die Kraft F2 regeln, indem man entweder I oder H oder
I und H gleichzeitig ändert.
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Wie man sieht, haben F2 und U den gleichen Ausdruck, woraus folgt:
F2 = K' U.
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Um F2 zu kennen, genügt es, die Spannung U an den Klemmen c und d
des Hall-Generators zu messen.
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In Abwesenheit jeglicher Kraft nimmt die Lamelle C eine Ruhelage ein,
die durch den Punkt O festgelegt ist. Bei der Einwirkung einer unbekannten Kraft1
auf die Lamelle C biegt sich diese aus. Wenn man den Strom 1 fließen läßt, sind
die im PunktE angreifenden verschiedenen Kräfte folgende: F1 die Kraft, die gemessen
werden soll, F2 die Kraft, die durch den Strom 1 und das Feld H erzeugt wird, F3
die Kraft, die durch die Elastizität der Lamelle hervorgerufen wird.
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Allgemein gilt F1 = F2 + F3.
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Wenn man F2 ändert, z. B. durch Regeln von I, derart, daß der AngriffspunktE
der Kräfte in die
Lage O gelangt, wird die Kraft F3 Null, und es ergibt sich Fl=F2=k'U.
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Der Wert von F 1 kann also unmittelbar an einem GalvanometerG von
hohem innerem Widerstand abgelesen werden, dessen Skala vorteilhaft in Krafteinheiten
geeicht ist. Um eine genauere Ablesung zu ermöglichen, kann ein Röhrenvoltmeter
verwendet werden, bei dem der Eingangswiderstand praktisch unendlich ist.
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Zur Vereinfachung der vorstehenden theoretischen Entwicklung ist
angenommen, daß die Lage O der Lamelle C von der Bedienungsperson optisch erfaßt
wird, doch kann diese Lage automatisch durch Mittel überwacht werden, wie sie als
Lagedetektor bzw.
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-fühler bekannt sind, wobei ein solcher Fühler dazu dienen kann, automatisch
den Strom 1 oder das Feld H oder beide Größen zu beeinflussen, um die Gleichheit
der Kräfte F1 = F2 zu verwirklichen.
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Bei der praktischen Ausführung des Geräts ist der Leiter kein geradliniger
Draht, sondern vielmehr eine Spule, die in dem radialen Magnetfeld angeordnet ist,
das in dem ringförmigen Spalt einer elektrodynamischen Vorrichtung nach Rice-Kellog
erzeugt wird.
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Bei dieser ist ein Magnetkern in einem metallischen Topfmagneten angeordnet
und mit seinem einen Ende am Boden des Topfes befestigt, dessen freier Rand dem
anderen Ende des Kerns gegenüberliegt und mit diesem einen Ringspalt bildet, in
dem sich frei und gleichachsig zum Kern eine Spule bewegen kann, die von einem Strom
durchfiossen ist, der die axiale Lage der Spule steuert.
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Das Gerät nach der Erfindung kann dazu dienen, jede physikalische
Größe zu messen, die durch eine Kraft dargestellt werden kann.
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Die nachstehenden besonderen Beispiele beziehen sich auf die Messung
von Drücken. Wenn nämlich die Kraft F 1 durch einen Druck erzeugt wird, der auf
eine biegsame Membran von der Fläche einwirkt, gestattet das Gerät die Messung von
P, da S konstant ist: Fl=PS=FZ=k'U, P=K"U.
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Fig. 3 zeigt die Anwendung der Erfindung auf einen Differentialdruckabnehmer.
Hier weist ein dichtes Gehäuse 1, das den größten Teil der Bestandteile des Geräts
einschließt, einen Raum 2 auf, der durch eine Membran 3 von der Kammer 4 getrennt
ist, die das Gehäuse bildet. In dem mit einem Anschluß 2 a versehenen Raum 2 herrscht
ein Druck Pl, während die mit einem Anschluß 4 a versehene Kammer 4 unter einem
Drucke2 steht.
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Im Prinzip soll P1<P2 sein, so daß die Membraun 3 einer KraftF1
unterliegt, die der Differenz der Drücke proportional ist: F1 =kl(P2 -Pl).
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Die Membran 3 ist durch einen Stab 5 mit dem Magnetkem 6 a eines
magnetischen Lagefühlers 6 von bekannter Bauart verbunden, wobei die Anordnung so
getroffen ist, daß, wenn P1= P2 ist, der
Kern 6 a eine solche Lage
einnimmt, daß das vom Fühler 6 abgegebene Zeichen Null ist.
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An Stelle des magnetischen Fühlers kann auch ein Fühler mit Kontakten
oder ein kapazitiver Fühler verwendet werden.
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Der Stab 5 verbindet ferner die Membran 3 mit einer Spule 7, deren
Windungen sich in einem Feld H befinden, das in dem Spalt 8 eines magnetischen Kreises
erzeugt wird, der einen Kern 9 und einen Topf 10 enthält und durch eine Wicklung
11 erregt wird.
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Der magnetische Kreis besitzt einen zweiten Spalt 12, der den Hall-Generator
13 enthält, der von dem Feld H durchsetzt wird und dessen Klemmen, an denen die
Hall-Spannung auftritt, mit einem Spannungsmesser 14 verbunden sind.
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Der Steuerkreis des Generators 13 ist in Reihe geschaltet mit der
Wicklung der Spule 7 am Ausgang eines Leistungsverstärkers für Gleichstrom 15, der
durch den Lagefühler 6 gesteuert wird.
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Die Erregerwicklung 11 kann entweder durch den Verstärker 15 oder
durch eine besondere Stromquelle gespeist werden. Als Variante kann die Erregerwicklung
entfallen (oder ihre Wirkung auf eine Erregerkorrektur beschränkt werden) und als
Kern 9 ein Dauermagnet dienen.
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Bei der vorstehend beschriebenen Vorrichtung läßt jede Verlagerung
der Membran 3 unter der Wirkung einer Druckdifferenz P 2 - Pl, die eine Kraft F
1 erzeugt, zufolge der entsprechenden Verschiebung des Kerns 6 a eine Spannung in
den Wicklungen des Fühlers 6 auftreten, die, an den Verstärker 15 gelegt, den Strom
I erzeugt, der durch die Spule 7 sowie als Steuerstrom durch den Hall-Generator
fließt. Die Spule 7 erzeugt alsdann eine Kraft F2 = KlHI, welche der Kraft F1 =
K1 (P2P1) das Gleichgewicht hält. Es gilt dann F1=F2=K'U.
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Dies ist nur richtig, wenn die Verstärkung des Verstärkers 15 unendlich
ist, was sich praktisch offensichtlich nicht verwirklichen läßt. Denn das Gleichgewicht
stellt sich ein, wenn die Verschiebung e des Kerns 6 a des Fühlers 6 so groß ist,
daß die vom Produkt HI erzeugte Kraft F 2 F2 = beträgt, worin F die elastische Kraft
aus der Verformung der Membran 3 ist. Die Gleichung der Kräfte lautet: F1 = F2Fe,
was keine Bedeutung hat, wenn Fe eine lineare Funktion von e ist und wenn das vom
Fühler 6 abgegebene Zeichen ebenfalls eine lineare Funktion von e ist.
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Bei vorstehend beschriebener Ausführungsform des Geräts kann als
Abwandlung beispielsweise vermöge eines Nebenwiderstandes der Hall-Generator 13
nur von einem Bruchteil des Stroms I durchflossen sein.
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Damit die auftretenden Kräfte nicht zu groß sind, ist wichtig, daß
die Fläche der Membran 3 klein ist, von der Größenordnung von 1 cm2 beispielsweise,
und daß, um für die schwachen Drücke empfindlich
zu sein, die Membran sehr dünn sein
muß, z. B. 0,03 bis 0,04 mm stark.
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Jedoch ist eine Dicke von dieser Größenordnung nicht zu vereinbaren
mit der Starrheit, die die Zentrierung der Spule 7 im Ringspalt 8 erfordert, der
möglichst eng gewählt werden sollte.
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Um diese Schwierigkeiten zu umgehen, wird vorteilhaft eine kompensierte
Manometerkapsel von der Art der in F i g. 4 dargestellten verwendet, in der die
gleichen Bezugszahlen wie in Fig. 3 die bereits in dieser Abbildung dargestellten
Teile bezeichnen.
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Bei dieser Ausführungsform weist die Kapsel zwei Membranen mit den
Flächen usa bzw. Sb auf, von denen Sa > Sb ist.
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Der Raum 2x wird über den Anschluß 2xa mit einem DruckP1 und die
Kammer 4 über den Anschluß 4a mit einem Drucke2 beaufschlagt, wobei P1<P2 ist.
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Die beiden Membranen 3 a und 3 b sind untereinander durch den Stab
5 verbunden, der außerdem an der Spule 7, am Kern 6 a des Fühlers 6 und an einem
zweiarmigen Hebel 16 angreift, der bei 17 drehbar ist und ein Gegengewicht 18 trägt.
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Die Membran 3 a wird im Sinne des Pfeils fa durch eine Kraft Fa =
Sa (P2P1) beaufschlagt, während die Membran 3 b im Sinne des Pfeils fb unter der
Wirkung einer Kraft Fb=Sb(P2-Pl) steht. Auf die Gesamtheit der beiden miteinander
verbundenen Membranen wirkt also im Sinne des Pfeils fa eine Kraft F1 = FaFb = (Sa-Sb)(P2-Pl).
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Indem Sb nahe genug an Sa gewählt wird, bleibt die Kraft F 1 mit
Sicherheit klein.
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Mit Membranen 3 a und 3b von großem Durchmesser ist die Gesamtanordnung
weich in Längsrichtung des Stabs 5, was eine gute Empfindlichkeit gewährleistet;
sehr starr quer zum Stab 5, was eine sehr genaue Zentrierung in einem möglichst
kleinen Spalt 8 gestattet.
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Die Wirkungsweise dieser Ausführung ist genau die gleiche wie die
des in F i g. 3 dargestellten Geräts, mit der zusätzlichen Verbesserung auf Grund
des Gegengewichts 18, durch das die Masse der aus Kern 6 a, Stab 5 und Spule 7 gebildeten
Einheit im Gleichgewicht gehalten ist, was das Gerät unempfindlich gegen Beschleunigungen
macht.
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Wenn ein Anzeigegerät für absoluten Druck verwirklicht werden soll,
wird die Kammer 2 bzw. 2x luftleer gemacht und abgedichtet.
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Die Vorrichtung nach Fig. 4 hat über die nach Fig. 3 hinaus den Vorteil,
daß der Kern 6 a sich nicht mehr in dem Raum der Manometerkapsel, sondern in der
Kammer 4 befindet. Da dieser Kern im allgemeinen aus Ferrit besteht, kann er zu
einer bedeutenden Entgasung Anlaß geben, die der Güte des Vakuums im Raum 2 schädlich
ist, wenn der Kern sich in diesem Raum befindet.
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In Fig. 5 ist eine andere Anwendungsform des Hall-Generators dargestellt,
die genauere Messungen liefert, als sie mit den obigen Anordnungen erhalten werden.
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Zur Vereinfachung der nachstehenden Beschreibung sind für die schon
beschriebenen Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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Bekanntlich besitzt der Hall-Generator eine Linearität von 2 Promille.
Um eine genauere Messung zu erhalten, genügt es, nur einen sehr kleinen Teil der
Charakteristik des Generators auszunutzen.
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Zu diesem Zweck läßt man in dem Generator einen Steuerstrom von konstanter
Stärkelc fließen, der von einer konstanten Stromquelle 19 geeigneter Art abgegeben
wird. In diesem Fall ist die Hall-Spannung U = K Ic H proportional zum Feld H: U
= K2H.
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Die Stromquelle 19 kann auch eine Stromquelle für Wechselstrom, für
Rechteckimpulse usw. sein.
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Die Ausgangsspannung U hat stets die Form der Eingangsspannung, aber
ihre Amplitude ist zum Feld H proportional.
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Diese Spannung U wird benutzt, um (durch Vergleich dieser Spannung
mit einer Bezugsspannung) mittels eines Gleichstromverstärkers 20 (oder jedes anderen
geeigneten Mittels) den Erregerstromle in der Spule 11 zu regeln, derart, daß der
Wert H des magnetischen Feldes streng konstant bleibt.
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In gewissen Fällen kann es vorteilhaft sein, daß der magnetische
Kreis 9-10 durch Dauermagneten gebildet wird, die eine FeldstärkeHa ergeben, die
dem gewünschten konstanten Wert H sehr benachbart ist. In diesem Fall braucht der
in der Wicklung 11 fließende Erregerstrom le nur eine positive oder negative Korrektur
des permanenten Feldes Ha sicherzustellen, damit Ha + h = H ist.
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Die in der Wicklung 11 abgegebene Leistung ist dann sehr gering,
was gewisse Vorteile hat, insbesondere für den Verstärker 20 (oder die ihn ersetzenden
Mittel) können kleinere Leistungen gefordert werden; die Verteilung der Jouleschen
Wärme in der Wicklung 11 kann sehr niedrig sein, wodurch die Aufrechterhaltung einer
konstanten Temperatur des Hall-Generators erleichtert wird.
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Da das Feld H konstant ist, kann der Ausdruck F1 = F2 = CI, für die
Kraft F2, die die Spule 7 ausübt, die von dem Strom 1 durchflossen und in dem konstanten
Feld H angeordnet ist, geschrieben werden: F2 = CI, worin C ein konstanter Faktor
ist.
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Im Gleichgewicht ist Fl=F2=CI, so daß die Messung der Kraft F 1 auf
die Messung einer Intensität bzw. Stromstärke zurückgeführt ist, was mit Hilfe eines
Strommessers erfolgen kann, der in Krafteinheiten geeicht und in den Stromkreis
der Spule 7 eingeschaltet ist.
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Es ist zu beachten, daß bei den Ausführungsformen nach F i g. 4 und
5 das Weglassen des Gegengewichts 18 und der Ersatz der Manometerkapsel durch eine
Masse, die in der Querrichtung festgehalten und in Richtung des Stabs 5 elastisch
gehalten ist, die Messung der Komponente der Beschleunigung ermöglicht, die in Richtung
der Achse des Stabs 5 gerichtet ist.
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Welche Kraftmessungen auch mit dem Gerät der Erfindung vorgenommen
werden, so ist ersichtlich, daß die Genauigkeit der Messungen lediglich von der
Charakteristik des Hall-Generators abhängt. Alle Anderungen, die von Veränderungen
von Kennzeichen des magnetischen Kreises und der Wicklungen herrühren, sind ohne
Einfluß auf die Messung.
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Da die Vorrichtung der Erfindung keine bewegte Masse hat, erfolgt
die Anzeige ohne Verzögerung.
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Der Hall-Generator ändert sich sehr wenig mit der Umgebungstemperatur:
etwa 1 0/o für 1000 Temperaturänderung. Wenn man die Temperatur der Gesamtanordnung
mittels eines Thermostaten stabilisiert, um diese auf einem Wert zu halten, der
in einem Bereich von 100 schwankt, liegt der Meßfehler unter 1 Promille.
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Bei der abgewandelten Ausführungsform nach F i g. 6 ist das magnetische
Feld streng konstant vermöge einer neuen Art der Speisung der dieses Feld regelnden
Spule 11. Um dies zu erreichen, ist der Steuerstrom des Hall-Generators 13 ein Wechselstrom
von der wirksamen Stärke Ic, der aus einer Stromquelle 19 a stammt und einen Widerstand
22 (von geeignetem Wert R) in Reihe mit dem Generator durchfließt.
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Die Hall-Spannung U = K IcH ist an die erste Primärwicklung 23 a
eines Differentialtransformators 23 gelegt, dessen zweite Primärwicklung 23 b, die
an den Klemmen des Widerstands 22 liegt, eine Spannung von dem Wert U' = K' 1cR
angelegt erhält.
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Der Wert R des Widerstandes 22 ist so gewählt, daß U'= = U ist, wenn
das Feld den gewünschten konstanten Wert H hat.
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Die beiden Primärwicklungen 23 a und 23b sind so geschaltet, daß
die Wechselspannung U", die in der Sekundärwicklung des Differentialtransformators
23 induziert wird, gleich der Differenz der Spannungen U und U' ist (U" = U - U').
Wenn U = ist also U" = 0.
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Wenn bei festem Feld der Strom sich ändert, so wird durch diese Änderung
der Stromstärke eine Änderung von U und von U' hervorgerufen, aber das Vorzeichen
(oder die Phase) der Differenz U -wird nicht geändert, und wenn H so groß ist, daß
U = U' ist, so ergibt sich U" = 0, was zeigt, daß die Stromquelle 19a nicht besonders
stabil zu sein braucht. Wenn dagegen H sich ändert, so besitzt die an der Sekundärwicklung23c
auftretende Wechselspannung eine Phase, die eine Funktion von dem Sinn der Änderung
von H ist und deren Wert zu der Amplitude dieser Feldänderung proportional ist.
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Die an der Sekundärwicklung 23 c auftretende Spannung U" wird durch
den Gleichstromverstärker 24 verstärkt, dann dem Demodulator 25 zugeführt, an dessen
Ausgang eine Gleichspannung V auftritt, deren Vorzeichen eine Funktion des Änderungssinnes
von H ist und deren Wert zu dieser Änderung proportional ist.
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Die Spannung V des Demodulators 25 steuert den Gleichstromverstärker
20, der die das MagnetfeldH regelnde Spule 11 speist.