DE838019C - Elektromagnetischer Oszillograph - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen Oszillograph zur Aufzeichnung von schnell veränderlichen elektrischen Strömen, l>ei welchem ein l>e\veglicher, an einer geeigneten Aufhängung angebrachter Weicheisenanker einerseits einer festen Magnetisierung, die von einem Dauermagnet erzeugt wird und sich in Richtung der einen SymmetrieelxMie dieses Ankers auswirkt, und andererseits einer Magnetisierung unterworfen

ίο wird, welche dem eine Erregerwicklung durchfließenden Strom proportional ist und sich in einer Richtung auswirkt, die zu der vorerwähnten Richtung senkrecht verläuft.

Die Erfindung l>ezweckt eine erhebliche Verlessening der Arbeitsbedingungen eines solchen Gerätes durch Erzielung einer sehr hohen Eigenfrequenz des 1>eweglichen Systems, einer sehr gute,n Dämpfung, eines möglichst kleinen Iveistungsverbrauches in der Erregerwicklung, einer sehr guten Anzeigestabilität und sich daraus ergebender Möglichkeiten bezüglich der Aufzeichnungsmittel.

Der elektromagnetische Oszillograph gemäß der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß einerseits das bewegliche System aus einem Weicheisenanker von parallelepipedischer Form besteht, deren Grundflächen Rauten bilden, die zu den Seiten, die ihrerseits zu den Endflächen zweier fester Polstücke parallel sind, senkrecht stehen, und daß andererseits das Gegendrehmoment durch einen Torsionsstab erzeugt wird, der an seinem einen Ende' in den l>eweglichen Anker eingefügt und dessen wirksamer Teil über die Hälfte im Innern dieses Ankers enthalten ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsl>eispiels an Hand der Zeichnung.

Fig. ι zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Oszillographen gemäß der Erfindung; Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht des Gerätes im Grundriß;

Fig. 3 zeigt einen Schnitt des Hauptteiles des Oszillographen;

Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht des beweglichen Systems;

Fig. 5 und 6 zeigen in der Draufsicht bzw. im

ίο Schnitt eine bevorzugte Ausführungsform des Torsionsstabes;

Fig. 7 ist ein Diagramm zur Darstellung der Ausschläge des beweglichen Systems in Abhängigkeit von einer zu dem Antriebsmoment proportionalen Größe.

Der bewegliche Anker 10 besteht, wie oben erwähnt, aus einem Weicheisenteil von parallelepipedischer Form, deren Grundflächen Rauten sind, die zu den Seiten senkrecht stehen, welche ihrerseits parallel zu den Endflächen von zwei festen Polstücken 15 und 15' sind. Der Torsionsstab ii, welcher die Aufhängung des beweglichen Ankers 10 bildet und zur Erzeugung des Gegendrehmomentes dient, ist in der Symmetrieachse dieses Ankers angeordnet.

Die l>eiden Polstücke 15 und 15' bestehen aus

U-förmigen Weicheisenblechen und sind mit vier Wicklungen 16, 17, 16' und 17' versehen. Das mit

• der Wicklung 16' versehene Ende des Polstückes 15' ist in Fig. 1 abgebrochen dargestellt. Diese Wicklungen magnetisieren den beweglichen Anker 10 proportional zu dem sie durchfließenden Strom. Die von diesen Wicklungen erzeugten magnetischen Flüsse sind bei einer gegebenen Polarität des Erregungsstromes in Richtung der Pfeile 18' (Fig. 2) gerichtet, so daß die Magnetisierung in der El>ene der größeren Diagonale des beweglichen Ankers erfolgt. Ferner ist ein Dauermagnet 13 vorgesehen, dessen Fluß durch die Weicheisenjoche 14 und 14' den beweglichen Anker in einer durch die Pfeile 18 bezeichneten Richtung (Fig. 2) parallel zu der kleineren Diagonale des beweglichen Ankers durchsetzt.

Der bewegliche Anker 10 ist nach seiner Symmetrieebene von einer glatten Bohrung 19 durchbrochen. Der Torsionsstab 11 ist an seinen beiden Enden von zwei zylindrischen Teilen 20 und 20' abgeschlossen, die genau geschliffen sind. Das Ende 20 ist in die Bohrung 19 des beweglichen! Ankers stramm eingedrückt, so daß ein größeres Teilstück des wirksamen Teiles dieses Stabes sich im Innern des Ankers befindet. Das Ende 20' ist gleichfalls in eine glatte Bohrung stramm eingedrückt, die in einem Träger 12 vorgesehen ist, an welchem die Polstücke 15 und 15' l>efestigt sind.

Das den Torsionsstab 11 bildende Metall ist sehr hart, z. B. gehärteter' Kohlenstoffstahl, so daß seine geschliffenen Endteile sich leicht in die weicheren Metalle einfügen, welche den beweglichen Anker 10 und den Träger 12 bilden, wobei der Lochdurchmesser des beweglichen Ankers und des Trägers 12 etwas kleiner ist als der Durchmesser der Endteile des Stabes. Der Anker kann beispielsweise aus geglühtem Nickelstahl mit geringer magnetischer Hysterese und die Brücke aus Messing oder Bronze bestehen. Vorausgesetzt, daß der Querschnitt des Torsionsstabes in seinem wirksamen Teil hinreichend kleiner ist als sein Querschnitt an seinen eingefügten Enden, kann man sicher sein, daß die mechanische Beanspruchung auf Torsion bei der Einfügung mäßig bleibt, woraus sich ergibt, daß keine dauernde Deformation auftritt und die Nullage des Systems vollkommen stabil bleibt. Der Torsionsstab 11 soll ein verhältnismäßig kleines Torsionsmoment, aber eine große Biegungsfestigkeit haben, so daß der bewegliche Anker 10 in bezug auf die festen Polstücke 15 und 15' trotz der erheblichen magnetischen Anzugskräfte, die auf diesen Anker ausgeübt werden, gut zentriert bleibt. Zu diesem Zweck erhält der Torsionsstab 11 vorzugsweise einen kreuzförmigen Querschnitt, wie er in Fig. 5 und 6 angegeben ist, wobei die Endteile 20 und 20' zylindrisch bleiben, um ihre Einfügung in den Anker 10 einerseits und in das Trägerstück 12 andererseits zu erleichtern.

Das bewegliche System des Oszillographen gemäß der Erfindung ermöglicht die Verwendung eines besonders günstigen Aufzeichnungsorgans (Fig. 3 und 4), durch welches die Bewegung dieses beweglichen Systems auf einem geschwärzten Film aufgezeichnet werden kann, welcher sich mit gleichförmiger Bewegung verschiebt und von dem Schreiborgan bestrichen wird. Dieses Schreiborgan besteht aus einer Leichtmetallzunge 21 in Dreieckform. Diese Dreieckform ergibt das kleinste Trägheitsmoment bei höchster Festigkeit in der Bewegungsrichtung. Die Zunge wird an dem Ende des beweglichen Systems möglichst starr angebracht, z. B. mittels zweier Schrauben 22 und 22', wobei der Anker zu diesem Zweck nach oben verlängert ist, so daß die Zunge in bezug auf die Wicklungen frei liegt.

Die Zunge trägt an ihrem Ende eine sehr scharfe Spitze 23, die auf den geschwärzten Film mit einer Andrückkraft aufgelegt wird, welche durch die Elastizität der Zunge und durch ihre Durchbiegung bestimmt ist. Damit die Spitze durch die Reibung auf dem Band nicht abgenutzt wird, ist sie aus einem Stoff von höchster Härte, wie Diamant, Saphir, oder aus einem Metallkarbid hergestellt. Die Spitze 23 zeichnet auf dem schwarzen Grund des Films einen äußerst feinen, durchsichtigen Strich, dessen Breite in der Größenordnung eines hundertstel Millimeters liegt. Man kann daher mit einer äußerst zufriedenstellenden Feinheit Diagramme einer Amplitude aufzeichnen, die kleiner als oder gleich einem Millimeter ist. Der Film kann dann mit einer Vergrößerungseinrichtung beobachtet werden ähnlich den Einrichtungen, wie sie zum Lesen von dokumentarischen Mikrofilmen benutzt werden.

Die geringe Breite der Spur ebenso wie die kleine Abmessung der Amplituden ermöglichen es, nebeneinander eine große Anzahl von Schreib-Organen auf einem Film von üblichen Abmessungen

anzuordnen. Diese Anordnung in Verbindung mit dem Umstand, daß die Verschiebungsgeschwindigkeit des Films im Maßstab der Amplituden gewählt werden kann, ermöglichen es, erheblich an Aufzeichnuugsfiltn zu sparen und eine große Anzahl von Diagrammen zu erhalten, die vollkommen synchronisiert und, da sie nicht ül>ereinandergreifen, leicht lesbar sind.

Wenn der bewegliche Anker io in seiner mittleren Lage steht, sind die vier Luftspalte gleich. Der Magnet 13 erzeugt in den Polstücken 15 und 15' eine konstante Induktion, die als Nenninduktion B_n l>ezeichnet wird und welcher sich eine Induktion 15,- algebraisch addiert, die von den vier Wicklungen 16, 17, 16' und 17' erzeugt wird und dem diese Wicklungen durchfließenden Strom proportional ist (Fig. 2). Die resultierende Induktion ist demnach gleich B_n + B₁ bei den Polen 15_α und i5_ft' bzw. gleich B_n — B₁ l>ei den Polen 1S₆ ao und 15,/. Da die Anzugskraft, welche von der Fläche jedes Pols auf die gegenüberliegende !"lache des l>e\veglichen Ankers ausgeübt wird, proportional zu dem Quadrat der Induktion ist, wird das magnetische Drehmoment proportional zu *5 (/J₁₁ + H₁)* — (/'„ — I'd² = 2B_n B₁.

Dieses Drehmoment ist dernnach proportional zu Bj und somit zu dem Strom, welcher die Wicklungen 16, 17, 16' und 17' durchfließt.

Wenn jedoch der l>ewegliche Anker aus seiner mittleren Lage ausschlägt, verändert er in jedem Polstück die von dem Magnet herrührende Induktion, so daß das Drehmoment mit dem Ausschlagwinkel schwankt.

Bei den bisher verwendeten elektromagnetischen Oszillographen hat man es immer so eingerichtet, flaß der Ausschlag des l>eweglichen Ankers im Verhältnis zu dem Luftspalt vernachlässigbar klein ist, damit das magnetische Drehmoment sich mit dem Ausschlagwinkel nicht verändert. Ks wurde nun festgestellt, daß man bei dem oben l>eschriel>enen Oszillograph den beweglichen Anker um ein viel größeres Maß, z. B. 20 bis 25% des Luftspaltes, ausschlagen lassen kann, ohne daß der Ausschlag deshalb aufhört, proportional zu dem Strom der Wicklungen zu sein.

Daraus orgel>en sich Folgen von größter Wich- _< tigkeit:

1. Zunächst können die Luftspalte äußerst kurz sein und, da die Amperewindungen, die zur Krzeugung eines gegebenen Drehmomentes benötigt werden, proportional zu der Länge des Luftspaltes sind, können sie l>eträchtlich verkleinert werden, wodurch in einem noch größeren Verhältnis die für die Frregung der Wicklungen benötigte Leistung vermindert wird, die sich mit dem Quadrat der Amperewindungen ändert.

2. Die Änderung des magnetischen Flusses, welche in den I'olstücken durch die freie Schwingung des beweglichen Ankers erzeugt wird, ist viel größer, somit auch die in den Wicklungen induzierte Spannung. Dadurch wird es möglich, das lx?wegliche System durch einen parallel zu diesen Wicklungen vorgesehenen äußeren Nel>enschluß zu dämpfen, wie bei den gewöhnlichen Meßgeräten der Bauart mit Magnet und beweglichem Rahmen, während alle bisher verwendeten Oszillographen zur Dämpfung eine viskose Flüssigkeit, .wie öl, benötigen. Die Dämpfung durch induzierte Ströme ist aber der öldämpfung darin überlegen, daß sie keinen dichten Behälter erfordert und mit der Temperatur nur sehr wenig schwankt.

3. Dadurch, daß die Luftspalte sehr kurz sind, kann man leicht den Magnet so bemessen, daß die Nenninduktion B_n trotz sehr kleiner Abmessungen des Magnetes hoch ist. Das auf den beweglichen Anker ausgeübte Drehmoment ist aber für eine gegebene AW-Zahl proportional zu B_n, und daraus ergibt sich eine zusätzliche Veranlassung zur Verminderung der AW.

Diese Ergebnisse werden bei dem Oszillograph gemäß der Erfindung, wie im folgenden dargelegt, erreicht:

I. Die Aufhängung des beweglichen Systems ergibt eine äußerst hohe Festigkeit in der Biegungsrichtung infolge der Verwendung eines Stabes als Torsionsfeder und der Eindringung eines erheblichen Teilstückes des wirksamen Teiles dieses Stabes in das Innere des Ankers, so daß die Achse des beweglichen Ankers keine Verschiebung erfährt, obwohl die magnetischen Seitenkräfte erheblich sind.

II. Der bewegliche Anker, dessen Querschnitt rautenförmig ist, besitzt ein verhältnismäßig geringes Trägheitsmoment. Außerdem wird als Folge der Form dieses Querschnittes die Sättigung in dem Anker vermieden, obwohl der magnetische Fluß, der ihn durchsetzt, wenn er sich aus seiner mittleren Lage entfernt, beträchtlich ist. Die Induktion ist praktisch an allen Punkten des Ankers gleich, da der Fluß, welcher den Anker in einem gegebnen Querschnitt durchsetzt, um so größer ist, je näher sich dieser Querschnitt an der Mitte befindet.

Führt man eine vollständige Analyse der Arbeitsweise eines elektromagnetischen Oszillographen durch, so kann man das Drehmoment berechnen, welches von den magnetischen Anzugskräften der Polstücke auf den beweglichen Anker in Abhängigkeit von dem Ausschlag des· beweglichen Ankers einerseits und in Abhängigkeit von dem Strom, welcher in den Wicklungen fließt, andererseits ausgeübt wird. Die entsprechenden Kurven sind in Fig. 7 wiedergegeben.

Als Abszissen sind die Ausschläge des beweglichen Ankers in Prozent des Ausschlages aufgetragen, l>ei welchem das Ende dieses Ankers das Ende der festen Polstücke berührt.

Als. Ordinaten sind die Drehmomente, odex genauer die Verhältnisse der Drehmomente zu dem Quadrat der Nenninduktion, aufgetragen.

Die verschiedenen Kurven sind für verschiedene Werte des Stromes in den Wicklungen gezeichnet, wobei diese Werte bestimmt sind durch das Ver-

hältnis k =

D.

zwischen der von dem Strom erzeugten Induktion und der Nenninduktion.

Es ergibt sich so ein normalisiertes System von Einheiten.

Die Kurve k = ο ist die Kurve der magnetischen Drehmomente, wenn die Wicklungen nicht erregt sind.

Die Gerade stellt das mechanische Drehmoment

dar, welches durch die Aufhängung erzeugt wird.

Das Richtmoment ist die Differenz zwischen

diesen beiden Drehmomenten, da diese gegensinnig

ίο wirken, wobei das mechanische Drehmoment bestrebt ist, das bewegliche System in die mittlere Lage zurückzuführen, während das magnetische Drehmoment das Bestreben hat, das bewegliche System aus der mittleren Lage zu entfernen.

Wenn die Wicklungen von Strömen mit verschiedenen Werten durchflossen werden, wird die Gleichgewichtslage des beweglichen Ankers bestimmt durch den Schnittpunkt der Geraden des mechanischen'Drehmomentes mit den Kurven der magnetischen Drehmomente für die entsprechenden Werte von k. Damit der Ausschlag des beweglichen Systems zu dem Strom proportional ist, müssen die Schnittpunkte der Geraden mit den Kurven, für Werte von k in arithmetischer Progression gleiche Abstände haben. Dies trifft praktisch zu bis zu einem Ausschlag gleich 25%) des Nennluftspaltes e„. Unter diesen Umständen kann 1. das magnetische Drehmoment bei Abwesenheit eines Stromes größer sein als der halbe Wert des mecha-

D.

nischen Drehmomentes, 2. das Verhältnis k = -gden Wert 0,15 bei dem Ausschlag erreichen, der dem Höchstwert des Maßstabes entspricht. Dieser Höchstwert ist durch die senkrechte Gerade der Fig. 7 angegeben.

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Elektromagnetischer Oszillograph zur Aufzeichnung schnell veränderlicher elektrischer Vorgänge, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits das bewegliche System aus einem Weicheisenanker in Form eines Parallelepipedes besteht, dessen Grundflächen Rauten sind, die zu den Seiten senkrecht liegen, welche ihrerseits parallel zu den Endflächen zweier fester, mit den Erregerspulen bewickelter Polstücke verlaufen, und daß andererseits das Gegendrehmoment durch einen Torsionsstab erzeugt wird, welcher an seinem einen Ende in den beweglichen Anker eingefügt und dessen wirksamer Teil mehr als zur Hälfte im Innern dieses Ankers enthalten ist.

2. Oszillograph nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Torsionsstab an seinem einen Ende im Innern des beweglichen Ankers und an seinem anderen Ende in einem Träger eingefügt ist, an welchem die Polstücke befestigt sind.

3. Oszillograph nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der aus hartem Metall bestehende Torsionsstab an seinen beiden Enden geschliffen ist und diese Enden stramm in glatte Bohrungen eingedrückt sind, die in dem Anker bzw. in dem Träger, die aus weicheren Metallen bestehen, vorgesehen sind.

4. Oszillograph nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Torsionsstab einen kreuzförmigen Querschnitt aufweist.

5. Oszillograph nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schreiborgan aus einer dreieckförmigen Leichtmetallzunge besteht, die an ihrem Ende mit einer sehr feinen Spitze aus einem äußerst harten Stoff versehen und an ihrer Grundfläche an dem freien Ende des beweglichen Ankers befestigt ist, wobei die Andrückkraft der Spitze nur durch die Elastizität der Zunge und ihre Durchbiegung bestimmt wird.

6. Oszillograph nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufzeichnung auf einen geschwärzten Film erfolgt, der sich mit gleichförmiger Bewegung verschiebt und von dem Schreiborgan bestrichen wird.

7. Oszillograph nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere bewegliche Systeme vorgesehen sind, von denen jedes mit einem Schreiborgan versehen ist, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß die Schreiborgane nebeneinander auf dem Film angebracht sind.

8. Oszillograph nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Anker bei dem Höchstwert des Meßbereiches einen Ausschlag ausführt, der wenigstens 20% des Ausschlages beträgt, welcher der Berührung des Ankers an den Polstücken entspricht.

9. Oszillograph nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Moment, welches von den magnetischen Anzugskräften der Endflächen der Polstücke gegenüber dem beweglichen Anker bei Abwesenheit eines Stromes in den Erregerwicklungen ausgeübt wird, wenigstens 30% des mechanischen Drehmomentes beträgt, welches von dem Torsionsstab erzeugt wird.

10. Oszillograph nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem beweglichen Anker von dem Strom in den Erregerwicklungen erzeugte Induktion bei einer Stromstärke, die dem Höchstwert des Meßbereiches entspricht, wenigstens 10% der von dem Magnet herrührenden Induktion beträgt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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