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Elektrodynamische Registriervorrichtung zur formgetreuen Aufzeichnung
von sich ändernden elektrischen Strömen Neben der seit langem ausgeübten phGtographischen
Registrierung wird in zunehmendem Maße die unmittelbar sichtbare Aufzeichnung veränderlicher
elektrischer Ströme oder solcher Größen, die sich durch entsprechende Wandler in
elektrische Ströme umformen lassen, angewandt. Dem Vorteil :der vereinfachten und
sofort auswertbaren Aufzeichnung steht dabei die Begrenzung des registrierbaren
Frequenzbereiches auf verhältnismäßig niedrige Höchstfrequenzen gegenüber. Deshalb
hat eine lebhafte Entwicklungstätigkeit eingesetzt, um bei gegebener Leistungsempfindlichkeit
der Registriervorrichtung diese Frequenzgrenze möglichst weit hinauszuschieben.
Dabei hat sich im allgemeinen gezeigt, daß Dreheisen- und Drehmagnet-Schreibgeräte
die ihnen hinsichtlich der Freiheit von nichtlinearen Verzerrungen, hysteresebedingten
Nullpunktfehlern und anderen Mängeln weit überlegenen Drehspulschreiber in den Frequenzeigenschaften
übertreffen. Andererseits sindRegistriervorrichtunge.nbekanntgeworden, bei denen
sowohl eine feststehende Wicklung wie ein beweglicher Leiter vom Meßstromdurchflossen
wird. (S. G. Ke i n at h : »Elektrische Meßgeräte«, Bd. r, S.296.) Es besteht nun
der Wunsch, die Vorteile des üblichen Dreh.spul-Schreibsystemes, insbesondere seine
strenge Stromproportionalität für verhältnismäßig
.große Drehwinkel,
ferner die Unabhängigkeit der dynamischen Dämpfung vom Drehwinkel und die Freiheit
von .nichtlinearen Verzerrungen, mit der Fähigkeit der bekannten Dreheisen- und
Drehmagnet-Schreibgeräte zur Wiedergabe höherer Frequenzen zu vereinigen. Dies läßt
sich bei. der elektrodynamischenRegistriervorrichtung zur formgetreuen Aufzeichnung
von sich ändernden elektrischen Strömen in einem Bereich, der von schwankenden Gleichstromwerten
bis zu möglichst hohen Frequenzen reicht, wobei relativ hochohmige Stromquellen
die aufzuzeichnenden Ströme liefern, erfindungsgemäß dadurch erreichen, daß man
zur Erzielung möglichst großer stromproportionaler Drehwinkel des Schreibhebels
und zur Erzielung einer günstigen Impedanzanpassung :des Schreibsystems an die Stromquelle
bei gleichzeitiger Vermeidung des niedrigen Kupferfüllfaktors 'ho@chohmiger Dreh-
oder Tauchspulen das bekannte Drehspulsystem insofern umkehrt, als man -den zuregistrierenden
Strom mindestens einer - feststehenden Wicklung zuführt und in dem :dadurch erzeugten
magnetischen Feld einen beweglichen, die Aufzeichnung bewirkenden, elektrisch leitenden
Teil anordnet, durch den man einen konstanten oder gleichmäßig schwankenden elektrischen
Hilfsstrom leitet, dessen Wechselwirkung mit :dem Magnetfeld der feststehenden Spule.
oder Spulen die bewegende Kraft erzeugt.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis der Ursachen für die einleitend
erwähnte Unterlegenheit der bekannten Drehspulschreibgeräte zugrunde. Eine günstige
Ausnutzung der Verstärkerleistung, die das Schreibgerät speist, setzt die richtige
Anpassung zwischen dem Verstärker-Innenwiderstand und dem Schreibsystem voraus.
Dadurch ergeben sich zwangläufig verhältnismäßig hohe Windungszahlen für die Drehspule.
Da gleichzeitig die in Betracht kommenden Wicklungsdrahtstärken nur Kupferfüllfaktoren
von etwa 30% und weniger ergeben, resultieren relativ große Luftspaltlängen, um
diese sperrige Wicklung aufnehmen zu können. Da das erzielbare Drehmoment aber von
dem Produkt der gesamten Drehspul-Ampere-Windungsfläche und der von einem Permanent-
oder Eleeomagnet erzeugten Luftspaltinduktion abhängt, so führt die geschilderte
schlechte Ausnutzung des Luftspaltes zu einer beträchtlichen Verminderung der Luftspaltinduktion
und damit des - bei sonst unveränderten Bedingungen - erzielbaren Drehmomentes.
Anzustreben wäre demnach die Benutzung einer Drehspule mit einem Kupferfüllfaktor,
der nur möglichst geringfügig unter dem Idealwert (zooo/ol liegt. Dieser Grenzfall
wäre erreichbar, wenn die Drehspule die -Form eines nur aus einer Windung bestehenden
Metallrahmens annehmen könnte. Für Frequenzen, die sich liinreichendwirtschaftlich
durch Transformatoren überträgen lassen, ist die Verwendung einer solchen Drehspule
möglich. Sie scheidet jedoch aus, wenn auch Frequenzen registriert werden sollen,
die sich nach dem bekannten Stand der Technik nicht mehr wirtschaftlich transformieren
lassen, wie etwa die im Elektrokardiogramm und Elektroencephalogramrn enthaltenen
Frequenzen unterhalb i Hz. Um auch diese Frequenzen unter möglichstier Ausnutzurig
der bekannten guten Eigenschaften des Drehspulsystems, aber unter Erreichung einer
möglichst hohen oberen Grenzfrequenz registrieren zu können, wird die Umkehrung-
des üblichen Dreh-@3oXulprinzips vorgeschlagen (Abb. i).
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"Der aufzuzeichnende veränderliche Strom (Meßstrom) IM erregt-im allgemeinen
nach entsprechender Verstärkung - eine oder mehrere feststehende Wicklungen W, die
im allgemeinen mit - vorzugsweise lamellierten - Eisenkernen K versehen sind. In
dem auf diese Weise erzeugten magnetischen Wechselfeld ist eine Drehspule D mit
möglichst großem Kujerfüllfaktor beweglich gelagert; der ein so bemessener Hilfsgleichstrom
IH zugeführt wird, daß die zulässige Grenzerwärmung der Drehspule D etwa
erreicht wird. In dieser Anordnung entsteht das treibende Drehmoment also durch
die Wechselwirkung zwischen :der durch den Meß-Strom IM .erzeugten, zeitlich also
in seinem Takt schwankenden Luftspaltin:duktion und dem in der Drehspule
D fließenden Hilfsgleichstrom IH. Ein zusätzliches konstantes Magnetfeld,
wie es bei den üblichen Drehspul- sowie bei Dreheisen- und Drehmagnetschreibern
erforderlich ist, entfällt hier selbstverständlich, was eine beträchtliche Gewichtsund.
Aufwandsersparnis bedeutet. n Gegenüber Dreheisen- und Drehmagnetschreibern hat
die Vorrichtung gemäß !der Erfindung folgende Vorteile: i. Das Trägheitsmoment des
beweglichen Teiles kann bei gleichem Drehmoment erheblich niedriger als bei .diesen
Konstruktionen gehalten werden.
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2. Der ausnutzbare Drehwinkel mit linearem Zusammenhang zwischen Strom
und Ausschlag kann, wie von normalen Drehspulmeßgeräten her bekannt, ohne Schwierigkeiten
auf 6o° und mehr, d. h. auf größere Werte als bei Dreheisen- und Drehmagnetschreibern,
ausgedehnt werden.
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Dadurch kann ein kurzer trägheitsarmer Schreibhebel H verwendet werden,
der eine relativ hohe Frequenzgrenze ergibt.
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Die Drehspule D wird zweckmäßigerweise an Torsionsfedern F aufgehängt,
die gleichzeitig die Zu- und Ableitung des Hilfsgleichstromes IH übernehmen.
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An die Stelle einer Drehspule, deren gegenüberliegende, zur Drehachse
parallele Seiten gegenläufig vom Hilfsgleichstrom durchflossen werden, kann nach
der Erfindung ein Drehrahmen R treten (Abb.2), dessen gegenüberliegende Seiten.
in gleicher Richtung von Teilströmen des Hilfsgleichstromes IH durchflossen
werden. Natürlich muß dann, damit irr Zusammenwirken mit dem Magnetfeld der vom
(verstärkten) Meßstrom IM durchflossenen, feststehenden Wickelungen W ein Drehmoment
resultiert, dieses Magnetfeld die beiden Rahmenseiten des Drehrahmens R in gegenläufiger
Richtung durchsetzen. Bei dieser Anordnung ergibt sich :der Vorteil, daß die beiden
Luftspalte L magnetisch parallel geschaltet sind,
während sie bei
der üblichen Bauweise des Drehspulmeßinstrumentes nach Abb. i magnetisch hintereinandergeschaltet
sind. Die durch die Parallelschaltung erzielte Herabsetzung des magnetischen Widerstandes
:erleichtert die Erzielung hoher Luftspaltin:duktionen und damit großer Drehmomente.
Die zuletzt beschriebene Drehrähmenkonstruktion kann durch Weglassen einer Rahmenhälfte
-vereinfacht werden (Abb. 3). Zweckmäßig wird dabei das Trägheitsmoment des einseitigen
Drehbügels B :durch das auf der Gegenseite der Drehachse befindliche Trägheitsmoment
des Schreibhebels H etwa ausgewuchtet.
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Die Speisung des Drehrahmens oder Drehbügels erfordert bei der gebotenen
Verwendung gutleitender Werkstoffe Stromstärken in der Größenordnung zwischen io
und ioo A oder darüber, bei Spannungen, .die nur einige mV betragen. So starke Ströme,
die außerdem möglichst gut geglättet sein müssen, sind durch die üblichen Hilfsmittel
(Trockengleichrichter mit Tiefpaßketten) in derart niederohmigen Verbrauchern nicht
wirtschaftlich darstellbar. Sie werden in zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung
in ideal wechselspannungsfreier- Weise mittels eines Thermoelem:entes erzeugt. Dabei
ist verhältnismäßig .leicht die gewünschte Anpassung zwischen Generator-und Verbraucher-Innenwiderstand
erzielbar. Die Heizung des Thermoelementes kann in einfacher Weise mittels einer
.direkt aus der Neetzspaunung gespeisten Widerstandswicklung erfolgen.
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Falls die zum Betrieb des Thermoelem:entes erforderliche Wärmentwicklung
oder seine - nicht unter ein gewisses Maß herabzudrückende - thermische Zeitkonstante
stört, kann auch ein kleiner Unipolargenerator, der vorzugsweise von dem ohnehin
erforderlichen: Antriebsmotor des Registrierpapieres angetrieben wird, für die Speisung
des Drehrahmens dienen.
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An Stelle eines Gleichstromes kann auch ein Wechselstrom der Frequenz
fH als Hilfsstrom JH für die Durchflutung .der Drehspule D, des Drehrahmens R oder
des Drehbügels B treten. Dabei muß jedoch ein mit diesem Wechselstrom gleichfrequenter
und: in einer festen Phasenbeziehung stehender Wechselstrom dem Meßstrom
Im überlagert werden, der zur Erregung der feststehenden Wicklungen W dient.
Da sich unter diesen Voraussetzungen die Magnetfelder des Drehrahmens R und des
Eisenkerns K im Gleichtakt umpolen, so ergibt sich ein im doppelten Tempo :der Hilfsfrequenz
fH zwischen Null und einem Höchstwert schwankendes Drehmoment. Dieser Höchstwert
hängt, wenn die Überlagerung :der Hilfsfrequenz und der Meßspannung mit Trägerunterdrückung
erfolgt, d. h., wenn die feststehenden Wicklungen W so lange urerregt bleiben, als
keine Meßspannung vorhanden ist, vom Momentanwert der Meßspannung ab und ist somit
ihr getreues Abbild: Die Hilfsfrequenz fH wird zweckmäßig so gewählt, daß ihre zweite
Harmonische 2 fH etwa an der Grenze des vom Schreibsystem registrierbaren
Frequenzbereiches oder oberhalb dieser Grenze liegt. Im ersten Fall vibriert der
Schreiber H leicht im Takt der zweiten Harmonischen, wodurch Reibungsfehler vermindert
werden können, im zweiten Falle ergibt sich eine vollkommen glatte Wiedergabe der
Meßspannung. Die Verwendung eines Hilfswechselstromes hat hierbei gegenüber einem
Hilfsgleichstrom,den Vorteil, daß hysteresebedingte Wiedergabeverzerrungen durch
die ständige schnelle Ummagrnetisierung des Eisenkernes entscheidend herabgesetzt
werden.
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An die Stelle eines Drehrahmens oder Drehbügels kann i!n vollständiger
Anwendung :des Erfindungsprinzips selbstverständlich auch ein translatorisch schwingender,
von dem Hilfsstrom JH durchflossener Leiter treten. Auch bei einer derartigen Anordnung
wird die Hilfsstromzu- und -ableitung zweckmäßig von den Federn übernommen, die
auch. die erforderliche Rückstellkraft liefern.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung können neben veränderlichen elektrischen
Strömen auch Phasenverschiebungen zwischen zwei gleichfreqen, ten Wechselströmen
registriert werden. Insbesondere kann es sich dabei um solche Phasenverschiebungen
handeln, die an einer Hilfswechselspannung beispielsweise durch einen vom Meßvorgang
gesteuerten, veränderlichen Kondensator gegenüber einer aus dem gleichen Hilfsgenerator
stammenden, unbeeinflußten Wechselspannung hervorgerufen werden. Diese beiden gegeneinander
in wechselndem Maße phasenverschobenen Ströme werden dazu wieder dem Drehrahmen
bzw. der feststehenden Wicklung zugeführt.
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Während sich bei rotationssymmetrischer Anordnung der Polschuhe und
des Eisenkernes die von Drehspulmeßinstrumenten her bekannte strenge Linearität
zwischen Meßstrom und Ausschlagwinkel ergibt, solange der magnetische Spannungsabfall
im Eisenkern und damit die :durch ihn hervorgerufenen Unlinearitäten hinreichend
klein bleiben, läßt sich - wieder in Analogie zu den Verhältnissen bei' Drehsp.ulmeßgeräten
- der Skalenverlauf auch in weiten Grenzen speziellen Forderungen anpassen. Hierzu
kann sowohl die Form der Polschuhe als auch die Gestalt der Luftspalte zweckentsprechend
abgewandelt werden. Auf d 4,ese Art können beispielsweise verstärkerbe:dingte Verzerrungen
entzerrt und es können nichtlineareAbbildungsgesetz:e verwirklicht werden.
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Für Frequenzen des Meßstromes, die von dem Schreibsystem nicht mehr
aufgezeichnet werden können, kann durch Gleichrichtung die Einhüllende :des Meßvorganges
gewonnen werden, die dann als einseitige Auslenkung von der Null-Linie aus registrierbar
ist. Falls dabei die Erscheinung stört, daß durch die endliche Zeitkonstante der
üblichen Verstärker langdauernde Abweichungen von der Null-Linie verkleinert und
entstellt werden, so kann in naheliegender Weise die gleichgerichtete, der Einhüllenden
entsprechende Spannung den feststehenden Wicklungen und ein durch das Schreibsystem
frequenzmäßig noch registrierbarer
Hilfswechselstrom dem Drehrahmen
zugeführt werden.
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Dadurch entsteht eine Aufzeichnung, die dem Verlauf,der Meßkurve dann
gleicht, wenn sowohl die ursprünglich vorhandenen Frequenzen des Meßstromes als
auch die Frequenz des Hilfswechselgtromes in der Registrierung zeitlich nicht mehr
aufgelöst erscheinen. In diesem Falle entstehen nämlich in beiden Darstellungsarten
zusa,inmenhängende Registrierflächen mit der Einhüllenden als Begrenzung. "