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Elektrischer Meßapparat mit beweglichen Eisenmassen. Es ist bekannt,
daß die Größe der Magnetisierung eines Stückes weichen Eisens, das ins Innere einer
Spule gebracht wird, die von einem Gleichstrom von der Stromstärke I durchflossen
wird, verschiedene Werte annimmt, je nachdem, lob der Strom die Stärke I durch zunehmende
oder abnehmende Werte erhält; die Größen der Hagnetisierungen durch abnehmende Werte
sind stets größer als die Größen der Magnetisierungen durch zunehmende Werte.
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Die Kurve der Abb. r stellt die eben besprochenen Verhältnisse dar.
Diese Kurve erhält man, wenn man als Abszissen die Stromstärken I und als Ordinaten
die entsprechenden Größen der Magnetisierungen B des Stück weichen Eisens aufträgt.
Man sieht bei dieser Kurve, daß die Magnetisierung B z. B. zwei Werte Bi und B.
für ein und denselben Wert Il der Stromstärke annimmt, je nachdem, ob dieser Wert
h durch zunehmende oder durch abnehmende Zierte des Stromes erhalten wird.
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Infolgedessen nimmt das Antriebsdrehmoment eines elektromagnetischen
Systems auf den beweglichen Teil eines Meßapparates, das man durch das entgegengesetzte
Moment einer Spiralfeder oder eines Gegengewichtes mißt, für die gleiche Stromstärke
verschiedene Werte an, je nachdem der Strom diesen Wert zunehmend oder abnehmend
erreicht; das Antriebsdrehmoment, das durch abnehmende Werte erhalten wird, ist
stets größer als das durch zunehmende Werte erhaltene Drehmoment.-Infolge der vorstehend
erwähnten Erscheinungen
der Hysteresis weichen die Anzeigen elektrischer
Meßapparate voneinander ab, jc nachdem diese Apparate auf zunehmenden oder abnehmenden
Gleichstrom geeicht sind; die Eichungen unterscheiden sich auch, je nachdem der
gebrauchte Strom Gleich- oder Wechselstrom ist.
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Diese Nachteile und Fehlerquellen sind mehr oder weniger groß, je
nach der magnetischen Eigenschaft des benutzten' Eisens, der Form der Eisenmassen
und der Siärke der Felder, denen sie unterworfen sind.
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Man hat bereits vorgeschlagen, die Hysteresisfehler eines auf die
Drehspule eines elektrischen Meßapparates einwirkenden Elektromagneten dadurch auszugleichen,
daß man diesem Elektromagneten einen Gegenelektromagneten hinzufügt, der durch das
Streufeld des Elektromagneten erregt wird; die Drehspule steht dann unter dem Einfluß
zwcLr entgegengesetzt gerichteter magne:ischer Felder. Die bisher bekannten Vorschläge
dieser Art sind jedoch nur für Meßapparate verwendbar, die eine von einem Ström
in gleichbleibender Richtung durchflossene Drehspü_e aufweisen. wobei also die Drehspule
ihre besondere Polarität besitzt, unabhängig von dem äußeren Magnetfeld, in dem
sie sich befindet.
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Infolgedessen sind diese Vorschläge nicht für elektrische Meßapparate
mit beweglichen Eisenmassen verwendbar, denn die von einem äußeren Magnetfeld auf
ein Eisenstück ausgeübte Wirkung ist unabhängig von der Richtung des Feldes; infolgedessen
würden, wenn man bei den bisher bekannten Vorschlägen zur Beseitigung der Hysteresisfehler
die Drehspule durch ein bewegliches Eisen ersetzen würde, die von dem Hauptelektromagneten
und seinem erzielten Drehmomente auf das Eisen im gleichen Sinne wirken und sich
addieren, ebenso wie auch i die Hysteresisfehler dieser beiden Magnetsysteme; man
würde also dann ledig:ich eine Vergrößerung der Hysteresisfehler erzielen.
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Die vorliegende Erfindung hat nun im Gegensatz dazu den Zweck, bei
elektrischen Meßapparaten mit beweglichen Eisenmassen eine möglichst vollkommene
Ausgleichung der Hysteresisfehler dieses beweglichen Eisens zu erzielen.
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Sie ist im Gegensatz zu den bekannten Vorschlägen im wesentlichen
gekennzeichnet durch die Hinzufügung von elektrischen Kompensationssystemen, deren
Drehmomente auf den beweglichen Eisenteil des Meßapparates dem Drehmoment des Hauptsystems
entgegenwirken: diese Kompensationssysteme unterliegen der Einwirkung veränderlicher
Ströme wie der Strom, der im Hauptsystem fließt derart, daß die Fehler infolge der
Hysteresis oder der Remanenz des Kompensat:o:issystems die :ntsprechenden Fehler
des Hauptsystems verringern.
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Die Kompcnsationssysteme, welche dem Hauptsystem entgegenwirken, werden
gleichmäßig derart ausgewählt, daß sie beträchtliche Hysteresisfehler im Verhältnis
zu ihrem Drehmoment aufwe'sen, derart, daß die Einführung dieser Kompensationssysteme
den Erfolg hat, in geringerem Maße das Antriebsdrehmoment des Apparates zu verringern,
während ihre Hysteresisfeh'-er die Fehler des gesamten Systems verringern .oder
aufheben können.
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Ein solches Kompcnsationssys:em kann entweder unabhängig von dem Hauptsystem
oder mit ihm verbunden sein. Es kann von derselben Bauart wie das Hauptsystem sein
o der auch von einer anderen abweichenden Bauart. Unter allen Umständen ist das
Kompensationssystem der Einwirkung von Strömen unterworfen, die sich in der gleichen
Weise ändern wie der Strom, der auf das Hauptsystem einwirkt.
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Eine praktische Schwierigkeit tritt in gewissen Fällen auf, wenn die
Hysteresis des Hauptsystems mit Hilfe von Kompensationssystemen kompensiert werden
soll, deren Drehmomente sämtlich dem Dr--hmoment des Hauptsystems entgegen gerichtet
sind. Wenn man nämlich ein Kompensationssystem, dessen Hysteresis von der Hysteresis
des Hauptsystems abzuziehen ist, mit dem Hauptsystem verbindet, kommt es zuweilen
vor, daß dieses bestimmte Kompensationssystem im Anfang der Skala des Meßapparates
die Hysteresis vollständig kompensiert, .aber daß am Ende der Skala seine Wirkung
zu stark wird und infolgedessen einen Fehler im entgegengesetzten Sinne wie der
Fehler, der aus der Hysteresis des Hauptsystems allein folgt., hervorruft. In diesem
Fall ist es notwendig, ein zweites System hinzuzufügen, dessen Drehmoment im gleichen
Sinn wirkt wie das Drehmoment d:s Hauptsys:ems und dessen Hysteresis, die sich erst
am Ende der Skala bemerkbar macht, sich zu der des Hauptsystems addiert, damit die
resultierende Hysteresis immer gleich Null ist. Die Erfindung erstreckt sich auch
auf einen solchen Fall.
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Auf der beiliegenden Zeichnung sind verschiedene Ausführungsformen
der Erfindung dargestellt.
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Die Abb. 2 und 3 veranschaulichen in senkrechtem Schnitt und Aufsicht
einen elektromagnetischen Apparat mit einem Anker, d. h. einen Apparat, bei welchem
eine Spule auf eine einzige Eisenmasse einwirkt und dem man ein getrennt--s Kompensationssystem
von der gleichen Bauart zugefügt hat.
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Die Abb. q. und 5 veranschaulichen in senkrechtem Schnitt und Aufsicht
einen Apparat,
der auf Abstoßung zweier in einer Wicklung angeordneter
Eisenanker beruht, dem man ein Kompcnsationssystem zugefügt hat, das in derselben
Spule untergebracht ist und zwei Eisenmassen umfaßt, die sich anziehen.
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Abb.6 ist ein senkrechter Schnitt durch eine veränderte Ausführungsform
des vorhergehenden Apparates.
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Abb. 7 zeigt in senkrechtem Schnitteine abgeänderte Form der Abb.
6.
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Abb.8 ist ein senkrechter Schnitt durch einen Apparat entsprechend
den vorher dargestellten, der zwei Anker mit einem Kompensationssystem umfaßt, welch
letzteres aus einer einzigen, exzentrisch zur Spule liegenden Eisenmasse besteht.
-Abb. 9 ist ein senkrechter Schnitt eines den vorstehenden entsprechenden Apparates,
der mit zwei festen und einer beweglichen Eisenmasse ausgestattet ist.
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Abb. io ist eine schaubildliche Darstellung eines doppelten Kompensationssystems
mit festen Eisenmassen.
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Abb. i i ist eine schematische Darstellung der Anordnung der Abb.
i o.
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Bei der Vorrichtung nach den Abb. 2 und 3 setzt sich das Hauptsystem
nach einer wohl. bekannten Anordnung zusammen aus - einer Welle i, welche zwischen
zwei Lagern oder Druckzapfen drehbar gelagert ist und einen Zeiger oder eine Nadel
2 trägt.
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Ein Stück weiches Eisen 3 ist auf der Welle befestigt und steht unter
der Wirkung einer Spule 4., die von dem zu messenden Strom durchlaufen wird. Hierdurch
wird ein Drehmoment erzielt, welches in dem Sinne des Pfeiles 5 (Abb.3) wirkt. Eine
Gegenkraft (Feder oder Gewicht) gleicht diese Wirkung aus. Das Kompensationssystem
setzt sich hier aus einem Stück Weicheisen 6 zusammen, das auf der Welle i befestigt
ist und in dem Feld einer zweiten Spule 7 sich befindet, welch letzteres von demse_ben
Strom wie die Spule 4 oder von einem Zweigstrom durchlaufen wird.
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Die Teile dieses zweiten Systems sind derart angeordnet, daß sie Drehmomente
erzeugen, die im Sinne des Pfeiles 8 wirken, also cntgegengesetzt zu den Drehmomenten
des Hauptsys tems.
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Unter diesen Bedingungen sind die Hysteresisfehler des Kompensatio::ssystems
6, 7 von denen des Hauptsystems 3. ,. abzuziehen; infolgedessen kann man die Zahl
der Amperewindungen der Spule 7 derart wählen, daß die beiden Hysteresisfehler sich
genau aufheben. Man erhält auf- diese Weise die Kompensation der Hysteresis des
Hauptsystems.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der Abb. 2 und j Ist zur Kompensation
ein System von der gleichen Bauart gewählt wie- das Haupt-System; man könnte aber
ebensogut irgendeine andere Bauart wählen, die z. B. auf Abstoßung zweier in derselben
Spule befindlichen Eisenmassen beruht.
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Es ist aber für den Aufbau der Meßvorrichtung viel vorteilhafter,
den Kompensator mit dem Hauptsystem in dem Feld eine und derselben Spule anzuordnen.
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Die Abb.4 und 5 zeigen eine Meßvorrichtung, die nach diesem Prinzip
gebaut ist. Das Hauptsystem setzt sich hier aus den beiden Eisenmassen 9 und io
zusammen, die alle beide in dem Feld der Spule i i angeordnet sind und in dem gleichen
Sinne magnetisiert werden, sich infolgedessen abstoßen.
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Das Kompensationssystem besteht hier aus den beiden Eisenmassen 12
und 13; die Masse 12 ist auf der Drehachse i befestigt und daher beweglich angeordnet,
während die Eisenmasse 13 feststeht. Die Enden dieser beiden Eisenmassen
bilden in bezug aufeinander entgegengesetzte Pole, infolgedessen ziehen sich die
beiden Eisenmassen an.
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Der Vorteil eines derartigen Systems besteht darin, daß das Gesetz
der Anziehung der Eisenmassen des Kompensators ungefähr das gleiche ist, wie das
Gesetz der Abstoßung. der Eisenmassen des Hauptsystems, sobald sich die Welle i
dreht. Daraus ergibt sich, daß man dazu gelangen kann, ein annäherndes Gleichgewicht
zwischen den Hysteresisfehlern der beiden Systeme herzustellen, gleichgültig, wie
die Stellung der Drehachse ist. Im übrigen ermöglicht die hier angenommene Form
es, der Eisenmasse 13 eine große Länge zu geben, was, wie man weiß, die Hysteresisfehler
vermehrt. Wenn man also in geeigneter Weise die Länge des Eisens 13 wählt,
kann man es erreichen, daß in dem Kompensationssystem 12, 13 die Hysteresisfehler
gleich und entgegengesetzt den Hysteresisfehlern des Hauptsys:ems 9, io sind.
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Es sei übrigcns darauf hingewiesen, daß die Anordnung des Kompensationssystems
neben dem Hauptsystem Veranlassung zu sehr viel komplizierten Wirkungen gibt infolge
der Rückwirkung der verschiedenen Eisenmassen aufeinander.
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Die Achse i des Meßapparates ist folgenden verschiedenen Kräften unterworfen:
t. Das feste Eisen io und das bewegliche Eiscn 9, deren gleichnamige Pole benachbart
sind, stoßen sich gegenseitig ab, wodurch ein Drehmoment im Sinne des Uhrzeigers
aiif die Achse i entsteht.
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2. Das feste Eisen 13 zieht das bewegliche Eisen 9 an, wodurch, gleichfalls
ein Drehmoment im Sinne des Uhrzeigers auf die Achse i erzeugt wird.
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3. Das feste Eisen 13 zieht das bewegliche Eisen 12 an, wodurch ein
Drehmoment entgegen
dem Sinn des Uhrzeigers auf die Achse i ents:eht.
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q.. Das feste Eisen io stößt das bewegliche Eisen 12 ab, wodurch ebenfalls
ein Drehmoment entgegen dem Sinne des Uhrzeigers auf die Achse i erzeugt wird.
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Demnach erzeugt die Verbindung eines Hilfskompensationssystems 12,
13 mit dem Hauptsystem 9, io drei zusätzliche Drehmomente auf die Achse i : Ein
Drehmoment (13,9) im gleichen Sinn wie das des Hauptsystems und zwei Drehmomente
(13, 12 und io, 12) im entgegengesetzten Sinn zum Hauptdrehmoment.
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Infolgedessen ergibt die Hinzufügung des Kompensationssystems 12,
13 zum Hauptsystem 9, io einen Hysteresisfehler, der sich zu dem Hysteresisfehler
des Hauptsystems addiert und zwei Hysteresisfehler, die sich vom Hysteresisfehler
des Hauptsystems subtrahieren.
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Es ist leicht einzusehen, daß unter diesen Bedingungen durch eine
geeigne:e Regelung des Kompensationssystems 12, 13 eine sehr genaue Kompensation
des Hauptsystems möglich ist.
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Es gibt Fälle, in denen es zur Kompensation der Hysteresisfehler des
Hauptsystems zweckmäßig sein kann, die Fehler zuerst zu vergrößern und dann auf
eine möglichst vollständige- Weise die so vergrößerten Fehler zu kompensieren.
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Es kommt tatsächlich zuweilen vor, daß ein bestimmtes Kompensationssystem,
das nur Hysteresisfehler gibt, die von denen des Hauptsystems abzuziehen sind, die.
Hysteresisfehler am Anfang der Ska'-a des Meßapparates genau kompensiert, daß aber
am Ende der Skala seine Wirkung zu stark wird und infolgedessen einen Fehler hervorruft
im entgegengesetzten Sinn zu dem aus der natürlichen Hysteresis des Systems folgenden
Fehler.
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In diesem Fall ist es vorteilhaft, das Kompensat:orszyz;tem io anzuordnen-
oder ihm andere Hilfssysteme so beizufügen, daß am Ende der Skala des Meßapparates
Hysteresisfehler auftreten, die sich zu den Hysteresisfehlern des Systems addieren.
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Unter diesen Bedingungen erhält man eine so vollkommene Kompensation
wie möglich, und zwar vom Anfang bis zum Ende ider Skala des Meßapparates.
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Die Abb.6 veranschaulicht eine abgeänderte Ausführungsform der eben
beschriebenen Einrichtung, bei welcher das feste Kompensatoreisen 13 außerhalb der
Spule liegt und das bewegliche Eisen 12 durch eine auf der Welle befestigte Stange
gebildet ist. Die so angeordneten und ausgebildeten Eisenmassen können gleichzeitig
für den Aufbau der Vorrichtung verwendet werden, nämlich das äußere Eisen z. B.
als Träger für den beweglichen Teil der Vorrichtung und die auf der Achse befestigte
Stange äls Träger für eines der zum Gewichtsausgleich der be-# v( . ichcn
Teile nötig-en 'Gegengewichte. 11 Die Abb. 7 veranschaulicht eine hiernach ausgestaltete
Ausführungsform der Erfindung. In Abb. 8 ist eine noch weiter vereinfachte Einrichtung
zur Kompensation dargestellt. Das Hauptsystem s°tzt sich auch hier wieder aus den
beiden Ankern 9 und io zusammen, die sich unter dem Einfluß des die Spule i i durchlaufenden
Stromes abstoßen. Die K ompcnsation erfolgt hier mit Hilfe einer einfachen Weicheisenstange
12, die auf der Drehachse befestigt ist und durch geeignete exzentrische Anordnung
der Spule i i in bezug auf die Achse des beweglichen Teiles der Vorrichtung; infolge
dieser exzentrischen Anordnung strebt die Stange 12 danach, sich auf den Teil der
Spule einzustellen, wo der Kraftlinienfluß sein Maximum hat. Infolgedessen ergibt
sich ein Drehmoment, welches in entgegengesetztem 'Sinne zu dem Hauptdrehmoment
wirkt, entsprechend der Richtung der Exzentrizität. Dadurch, daß man den Grad der
Exzentrizität, regelt, kann man ebenso wie in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel
auch die Kompensation regeln.
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Die Abb.9 gibt eine Ausführung der Erfindung wieder, bei welcher sich
das Hauptsystem aus den beiden abstoßenden Eisenmassen 9 und io zusammensetzt. Die
Kompensation wird hier durch ein einziges festes Eisen 13 bewirkt, welches durch
Anziehung auf das bewegliche Eisen 9 des Hauptsystems einwirkt.
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Die in der Abb. i o veranschaulichte Ausführungsform umfaßt ein doppeltes
Kompensationssystem mit festen 'Eisen in Verbindung mit einer Spule i i, die mit
einer Eisenmasse 15 kombiniert ist. Diese Eisenmasse ist auf einer mit Gewinde versehenen
Stange 16 angeordnet und kann der Spule genähert werden, indem man sie auf der Gewindestange
16 dreht.
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Das doppelte Kompensationssystem besteht aus zwei Eisen 13 und 14,
die so gebogen sind, daß ihre geradlinigen Enden in d@er@-senkrechten Ebene des
festen Eisens io liegen.
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Wenn die Kraftlinien des durch die Spule i i erzeugten Magnetfeldes
in der Richtung des Pfeiles 26 in der Abb. i i verlaufen, nehmen die Eisen 9, i
o, 13 und 1 4. Nord- und Südpole an, wie es in der Zeichnung durch die Buchstaben
n und s angegeben ist.
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Die hauptsächlichsten, dadurch erzeugten magnetischen Kräfte sind
folgende: Die Nord-und Südpole der Eisen 9 und io des Hauptsystems stoßen sich ab,
wodurch die Achse i
in der Richtung des Pfeiles 27, also entgegengesetzt
dem Sinne des Uhrzeigers, gedreht wird.
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Der Südpol des Kompensationseisens 13 zieht den Nordpol des Eisens
9, und der Nordpol des Kompensationseisens 14 zieht den Südpol des Eisens 9 an;
infolgedessen drehen die Hauptkräfte der beiden Kompensationseisen 13, 14 gemeinsam
das bewegliche Eisen 9 und die Achse i im entgegengesetzten Sinn zum Pfeil 27; also
subtrahieren sich die durch die Kompensationseisen 13, 14 erzeugten Hysteresisfehler
von den Hysteresisfehlern des Hauptsystems 9, 1o, wodurch man die Kompensation der
letzteren Hysteresisfehler erreicht.
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Man sieht, daß die wirksamen Enden der Kompensationseisen 13 und 14,
die dem festen Eisen 1o überlagert sind und sich in unmittelbarer Nähe dieses festen
Eisens befinden, auf das bewegliche Eisen 9 nach denselben Gesetzen wie das feste
Eisen 1o wirken, «#ie auch immer die Lage des beweglichen Eisens 9 während seiner
Drehung um die Achse i sei. Diese Bedingung ist in der Praxis sehr wichtig, damit
die Hysteresis des Kompensationssystems denselben Gesetzen folgen kann wie diejenige
des Hauptsystems.
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Die in den Zeichnungen veranschaulichten verschiedenen Ausführungsformen
sind nur als Beispiele gedacht und wiedergegeben, um die Erfindung zu veranschaulichen
und einige der Kombinationen, die man sich erdenken kann, darzustellen. Eine große
Zahl anderer Anordnungen kann auch erdacht werden, die nach demselben Prinzip der
Erfindung aufgebaut sind. Das Kompcnsationssystem kann von dem Hauptsystem vollkommen
getrennt oder mit ihm vereinigt sein; es kann schließlich sehr einfach sein, d.
h. es kann nur von einem einzigen System gebildet werden, oder mehrfach sein, d.
h. aus mehreren miteinander vereinigten Systemen zusammengesetzt sein.