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Direkt zeigender Kapazitätsmesser. Die Erfindung bezieht sich auf
einen für direkte Ablesung eingerichteten Kapazitätsmesser, welcher die genaue Messung
von Kapazitäten in Normalmaßeinheiten auf Grund der Stellung eines Zeigers auf einer
Skala gestattet.
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Das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip beruht auf :der Recktanz,
welche durch die Kapazität in einem Stromkreis auf einen periodischen Strom ausgeübt
wird. Bei der Ausführung der Erfindung wird die zu messende Kapazität ausgeglichen
gegen eine Normalkapazität, indem man das Verhältnis der Wirkungen ihrer Recktanzen
bestimmt, mit anderen Worten : die Recktanzen werden mit Bezug aufeinander gemessen,
und es wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, .daß die Kapazitäten im umgekehrten
Verhältnis zueinander stehen wie die Recktanzen. Wenn man die mathematischen Formeln
betrachtet, welche die Recktanz von Kondensatoren bestimmen, so zeigt sich, daß
ihre Kapazitäten in der Tat in der genannten Weise sich andern.
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Zweckmäßig werden eine Normalkapazität und die zu messende Kapazität
in Stromkreiszweige gelegt, welche getrennte Spulen oder Windungen auf einem beweglichen
Glied des Instruments in einem magnetischen Feld enthalten. Es ist wichtig, daß
das magnetische Feld von solcher Art ist, daß seine Stärke und seine Richtung der
Kraftlinien im wesentlichen Schritt halten mit den periodischen Strömen im beweglichen
Glied. Das bewegliche Glied ist zweckmäßig frei im Schwerpunkt aufgehängt und kann
demgemäß jede Lage frei einnehmen. Das bewegliche System ist jedoch gezwungen, eine
bestimmte Lage einzunehmen wegen der elektromagnetischen Wirkung und kommt für gewöhnlich
in die o-Lage, wenn eine Kapazität vom Werte o gemessen wird oder mit anderen Worten,
wenn sich ein offener Stromkreis zwischen den Klemmen befindet, zwischen welchen
für gewöhnlich die zu messende Kapazität eingeschaltet ist. Dieses bietet eine Kontrolle
für die o-Lage des Zeigers des Imstruments. Wenn jedoch irgendeine meßbare Kapazität
zwischen den Klemmen liegt, dann kommt eine magnetische Kraft von veränderlicher
Stärke, deren Größe abhängt von dem Wert der eingeschalteten Kapazität, zur Wirkung
und strebt, das bewegliche System und den Zeiger um veränderliche Wegstrecken zu
bewegen, welche bis nahe an 9o° oder auch darüber hinaus gehen können.
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Gemäß der Erfindung sind Mittel vorgesehen, um die Skalenteilung einigermaßen
gleichförmig zu machen, ohne daß die Striche in einem Teil .der Silcala sich al@lzusehr
häufen. Die verschiedenen Fehlerquellen, welche -eine ungenaue Ablesung herbeiführen
können, werden auf später angegebene Weise ausgeschaltet. In dieser Hinsicht sind
gewisse Abänderungen der Gesamteinrichtung möglich. Es ist im besonderen wünschenswert,
daß das Instrument in möglichst weiten Grenzen unabhängig ist von der Form der Stromwellen
und von Änderungen der Wellenfrequenz und der Spannung in der periodischen Stromzuführung;
auch dieser Bedingung ist bei der praktischen Ausführung des Instruments genügt.
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Die Erfindung ist auf der Zeichnung veranschaulicht, und zwar zeigt:
Abb. z die Ansicht einer einfachen .Form des neuen Kapazitätsmessers und dient zur
Veranschaulichung gewisser Hauptmerkmale ler Konstruktion.
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Abb.2 ist eine ähnliche Ansicht, welche gewisse Ergänzungen und Abänderungen
zeigt, welche getroffen werden können.
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Abb. 3 ist eine dritte Ansicht eines Insrtuments von ähnlicher Art,
welches weitere Ergänzungen und Abänderungen zeit.
Die Kapazitätsmesser
gemäß der Erfindung besitzen eine bewegliche Spule, welche in einem magnetischen
Feld im Gleichgewicht aufgehängt ist, wenn das Instrument sich in Benutzung -befindet.
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Nach der Darstellung der Zeichnwng wird das magnetische Feld ,durch
dieselbe Stromquelle erzeugt, welche die :bewegliche Spule speist. In Abb. i sind
die Windungen i des magnetischen Feldes in Reihe geschaltet mit der beweglichen
Spule 2, während im Abb. 2 die Windungen des Feldes und die bewegliche Spule sich
in Parallelschaltung befinden. Abb. i zeigt: die einfachere Anordnung und soll daher
zunächst betrachtet werden. Die Einfachheit dieser Konstruktion beruht irn wesentlichen
darauf, daß die Ströme notwendigerweise gleichzeitig sowohl im Felde als auch in
der beweglichen Spule pulsieren, da sich diese in Reihe miteinander befinden. Mit
anderen Worten, die Ströme und auch die .magnetischen Kräfte befinden sich in gleicher
Phase. Beide haben im gleichen Augenblick ihren Maximalwert und beide gehen im gleichen
Augenblick durch o hindurch. Auf diese Weise wird die Neigung der Spule, sich zu
drehen, abhängen sowohl von der Stärke des Feldes als auch .von der magnetischen
Stärke der Spule und sich ändern nach Maßgabe des Produktes der magnetischen Kräfte.
Die Neigung der Spule, sich zu drehen, wird jedoch abhängen von ihrer Lage und wird
ihren Maximalwert erreichen, Nvenn mach, der Darstellung der Abb. i die Lage ihrer
Achse unmittelbar quer zu der Achse des magnetischen Feldes steht. Der Stromkreis
dieser Spule oder Wicklung enthält-Stromzuleitungen 3, zwischen welchen die Kapazität
X beschaltet ist, welche gemessen werden soll. Es mag, an dieser Stelle bemerkt
werden als ein wichtiges Merkmal, welches bei der Ausführung der Erfindung beachtet
werden muß, daß der Widerstand und die induktive Reaktanz dieser Spule 2 sehr klein
sind und praktisch vernachlässigt werden können im Vergleich zu der Kapazitätsreaktanz,
welche gemessen werden soll. Die Wichtigkeit dieses Umstandes wird später näher
erläutert werden.
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Eine zweite Spule 4 bildet auch einen Teil des beweglichen Elementes
und diese Spule 4 ist nach der Darstellung der Abb. i an dem beweglichen Glied derart
befestigt, daß ihre Achse sich im rechten Winkel zu der erste äbnien Spule befindet.
Diese zweite Spule r%v.
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h:ldet eine Abzweigung mit Bezug auf die erste Spule. Diese zweite
Spule 4. dauernd iin gleichen Stromkreis mit einer Kapazität 5, welche einen Teil
des Instruinentes bildet. Diese Kapazität hat ebenso .wie. die zu eiessende. Kapazität
eine Reaktanz, welche groß ist iin Vergleich zu dein Widerstand und der induktiven
Reaktanz -der beweglichen Spule.
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Mit 6 sind Klemmen bezeichnet, %N-elcbe an irgendeine verfügbare Stromquelle
für Wechselstrom, wie tz. B. an ein elektrisches Lichtnetz, angeschlossen werden
können. Ein Widerstand R kann außerdem in diesen Stromkreis-gelegt werden, um das
Auftreten übermäßig starker Ströme im Instrument zu verhüten.
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Es ist ersichtlich, daß die Spule 4 niarinetische Kräfte ausüben könnte,
welche streben, sie -zu drehen nach denselben Grundsätzen, welche bereits
mit Bezug auf .Spule 2 eri>rtert worden sind. Da die Achse der Spule 4 rechtwinklig
zu :derjenigen der `spule 2 steht, wird die Spule 4 ihre 17axin ialdrehwirkung ausüben,
;wenn die Spule ?-
ihre Nulldrehwirkung ausübt und umgekehrt. In der Lage
der Abb. i übt die Spule 4. im Stromkreis mit der .bekannten Kapazität $ kein Drehmoment
aus. Jede Verschiebung des beweglichen Elementes jedoch wird das Drehmoment der
Spule 4. steigern und dasjenige der Spule 2 vermindern, bis die Drehmomente gleich
und entgegengesetzt gerichtet sind, worauf das bewegliche System zur FZuhe kommen
wird. Seine durch den Zeiger 7 auf der Skala angegebene Lage spiegelt daher das
Verhältnis der magnetischen Wirkungen der beiden beweglichen Spulen wieder, welche
in eiine Lage gebracht werden, in welcher sie einander das Gleichgewicht halten
bei der betr. besonderen Lage des beweglichen Systems. Wenn inan annimmt, claß die
Ströme iin den Spulen 2 und 4 sich in Phasengleichheit befinden, dann werden ihre
iilagnetischen Wirkungen, welche die Spulen zu drehen streben, den durch die Spulen
fließenden Strömen proportional sein. Dieses ist augenscheinlich richtig für den
Fall der Abb. i, wo die magnetische Kraft des Feldes unter solchen Umständen auch
notwendigerweise der Stromphase entspricht. Die hekannte Formel, welche die Phase
eines Stromes in einem Stromkreise angibt, der eine Kapazität einschließt, welche
eine sehr große Reaktanz hat im Verhältnis zum Widerstand des Stromkreises, zeigt,
daß sich unter solchen Umständen eine Phasenverschiebung um etwa 9o° ergibt. Da
diese Bedingung in beiden Zweigen des geteilten Stromkreises, welche die Spulen
? und 4 einschließen, erfüllt ist, so Nverden die Ströme in beiden Zweigen eine
Voreilung um etwa 9o° gegenüber ihrer gemeinschaftlichen aufgezwungenen elektrouiotorischcn
Kraft hallen und dieselben befinden sich daher im wesentlichen in Phasengleichheit
miteinander, wie es der soeben gemachten Annahme entspricht. Die
soeben
erwähnte Formel zeigt auch, . daß unter den genannten besonderen Bedingungen der
Stromfluß proportional der Kapazität des Stromkreises ist. Folglich werden die beiden
Spulen Ströme führen, welche zueinander im gleichen Verhältnis stehen wie die Kapazitäten
5 und X zueinander. Mit anderen Worten, unter den Bedingungen des Instruinentes
der A.bb. i werden die Ströme in den Spulen 2 und ¢ im wesentlichen sich in Phasengleichheit
miteinander befinden und werden in einem Verhältnis zueinander stehen, welches bleich
dem Verhältnis der Kapazität X zur Kapazität 5 ist, welches auch immer die Größe
der zu messenden Kapazität X sein mag. Infolgedessen kann die Lage des beweglichen
Systems, welches das Verhältnis-der magnetischen Kräfte der Spulen 2 und 4 - und
dadurch das Verhältnis ihrer Ströme anzeigt, so kalibriert sein, daß sie genau das
-Verhältnis der unbekannten zu messenden Kapazität zu der bekannten oder Normalkapazität
des Instrumentes anzeigt, oder mit anderen Worten, daß sie ein Maß für die Größe
der unbekannten Kapazität bildet.
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Da die Ströme in dem Spulen 2 und 4 durch Veränderungen der Frequenz
im wesentlichen in gleicher Weise beei@nflußt werden, so ergibt sich, daß das Verhältnis
der Ströme in diesen Spulen im wesentlichen unberührt bleibt durch die Änderung
der Frequenz. Im ähnlicher Weise wird die Genauigkeit des Instrumentes nicht berührt
durch Veränderungen in der Form der Stromwellen. Praktisch werden natürlich die
beweglichen Spulen einen schwachen Widerstand besitzen, da es unmöglich ist, sie
ohne jeden Widerstand herzustellen. Da aber der Widerstand sehr gering gemacht werden
kann, so erfüllt das Instrument im wesentlichen die oben entwickelten Bedingungen
und liefert ein sehr genaues Maß der unbekannten Kapazität unabhängig von weiten
Schwankungen in der Stromfrequenz und der Wellenform des dem Instrument zugeführten
Wechselstromes. Das Instrument ist auch.unabhängig von Schwankungen in der Spannung
.des zugeführten Stromes, da eine Vermehrung der Spannung nur bewirkt, daß die Ströme
in den Spulen des beweglichen Systems in gleichem Maße wachsen, wodurch das Verhältnis
ihrer Kräfte zueinander nicht beeinflußt wird. -Die soeben erwähnte Tatsache, daß
die beiden Windungen des beweglichen Elementes tatsächlich einen geringen Widerstand
besitzen, welcher nicht ganz beseitigt werden kann, hat zur Folge, daß eine kleine
Phasendifferenz sich einstellt, welche sich verändern kann entsprechend dem Betrage
der zu messenden unbekannten Kapazität und der Stromfrequenz. Diese Tatsache macht
es wünschenswert, dafür - zu sorgen, daß der Fel-dstroin sich im -wesentlichen in
Phasengleichheit -mit dem des beweglichen Gliedes befindet. Dies verhält sich so,
weil Glas Drehmoment des Feldes auf-das bewegliche System proportional dem Kosinus
des Winkels der Phasendifferenz zwischen dem Felde und dein beweglichem System ist.
Wenn rlie Phasendifferenz zwischen dem Felde und dem .beweglichen System klein ist,
dann ist .:ler Kosinus im wesentlichen konstant - ,und unabhängig von .kleinen Winkelschwankungen.
Auf diese Weise haben keine Phasenverschiedenheiten der Spulen des beweglichen Systems
als Folge des kleinem, aber immerhin endlichen Widerstandes der Spulen die Wirkung
eines vernachlässigbaren Fehlers in bezug auf das Drehmoment gegenüber dem wahren
Verhältnis der tatsächlich durch die Spulen fließenden Ströme.
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Bei der Konstruktion nach Abb. 2 befindet sich die Feldspule i in
Parallelschaltung mit den Spulen 2 und 4 des beweglichen Elementes und .kann daher
gegenüber der Stromphase zier Spulen eine größere oder -geringere Abweichung aufweisen.
Dieses Feld kann jedoch in genaue oder annähernd genaue Phasengleichheit mit dem
beweglichen Element durch eine Induktanz 8, welche in Reihe mit dem Feld geschaltet
ist, und durch einen Widerstand 9 gebracht werden; der parallel mit dem Feld geschaltet
ist. Aus bekannten Grundsätzen ergibt sich, daß diese Induktanz und der Widerstand
so gegeneinander und gegen die Feldspule abgestimmt werden können, daß der Feldstrom.
i in seiner Phase gegenüber dein -Speisestrom um 9o° zurückbleibt. Da die beweglichen
Spulen 2 und 4 Ströme führen, deren Phase dem Speisestrom um 9ö° vorauseilt unter
den angegebenen Bedingungen, so folgt, daß das Feld und die bewegliche Spule sich
in Phasengleichheit befinden. Der Unterschied, welcher einer Phasendifferenz von
i8o° entspricht, ist natürlich der gleiche wie derjenige, den man erhält, wenn man
die Stromanschlüsse der Feldwicklung vertauscht. Selbstverständlich werden die Stromanschlüsse
so gemacht, daß der Feldstrom in gehöriger Richtung zugeführt wird, um das bewegliche
Element im richtigen Sinne auf der Skala zu bewegen.
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Aus dem Vbrstehenden ergibt sich, daß das in Abb. 2 dargestellte Instrument
im wesentlichen dieselbe Wirkung hat wie das in Abh. i dargestellte. Als Mittel
zum Schutz der Spulen gegen Durchbrennen, wie es eintreten könnte, wenn man eine
mangelhafte oder kurzgeschlossene Kapazität zwischen die Meßpolstücake einschaltet,
kann ein Widerstand to in Reihe mit der beweglichen Spule 2 geschaltet
werden.
An Stelle eines solchen Widerstandes .kann auch ein: Widerstand r i in den gemeinsamen
Stromkreis eingelegt werden, von welchem beide beweglichen Spulen abgezweigt sind.
Gewünschtenfalls körnen auch d:e Widerstände io und ii "Heidizeitig benutzt werden.
Die Widerstandseinschaltung hat eine gewisse Tendenz zur Verinehrung der- Fehler
zur Folge, welche sich bei Änderung der. Stromfrequenz und der Wellenform einstellen.
Diese Fehlervergrößerung braucht -aber nicht so groß zu seii!, daß sie für Handelsinstrumente
bedenklich wird. Es ist ersichtlich, daß die bisher be schriebenen Instrumentformen
gewisse geineinsame Merkmale haben. Diese gemeinsamen Merkmale weist auch das in
Abb. ,; dargestellte Instrument auf, welches jedoch noch einige zusätzliche -Merkmale
besitzt, wodurch es gegenüber den in Abb. i und 2 dargestellten Instrumenten eine
gewisse Überlegenheit in der Wirkungsweise erhält. Die in Abb.3 dargestellte Ausführungsform
ist der Beschreibung .der Instrumente nach Abb. i und 2 nachgestellt worden, weil
sie im allgemeinen die bereits beschriebenen Merkmale aufweist, daneben aber noch
zusätzliche Merkmale besitzt, deren Wirkung, leichter verstanden wird nach bereits
voraufgegangener Erläuterung der einfachen Formen.
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Es ist ersichtlich, daß sowohl bei dem Instrument nach Abb. i als
auch bei dem nach Abb. 2 der Zeiger theoretisch keine größere Bewegung als nur etwa
um go° vollführen kann entsprechend ,dem Verhältnis zwischen o und unendlich in
der zu messendem Kapazität. Aber die letzten q.5° der Zeigerbewegung sind für genaue
Messung viel weniger :geeignet als die ersten 45° der Zeigerbewegung erheblich zusammengezogen
gegen ihr oberes Ende hin, wenn eine Zeigerablenkung, die sich dem Winkehvert von
go° nähert, abgelesen werden soll.
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Gemäß der Konstruktion der Abb. 3 besitzt das bewegliche Element,
mechanisch betrachtet, dieselbe Umrißlinie, aber es ist so gewickelt, daß es die
Wirkung von zwei Spulen ergibt, deren Achsen in einem Winkel zueinander liegen,
der von go° verschieden ist.
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Z. B. .können die Spulen s - auszzebilci,2t werden, d aß sie .dieselbe
Wirkung besitzen, als wenn ihre Achsen um 45° gegeneinander verdreht werden, oder
135° oder um irgendeinen anderen Winkel. Diese Konstruktion ist nun in Abb. 3 veranschaulicht.
Aus Gründen der Einfachheit der Darstellung ist die Feldwindung i hier gezeigt als
in Reihe liegend mit dem beweglichen Glied, .ähnlich wie es bei der Anordnung der
Abb. i der Fall ist, aber es ist augenscheinlich, daß die Form der Feldverbindung
gemäß Abb. 2 ebenfalls anwendbar ist. Der Stromkreis, @@ elcher den Strom dem beweglichen
Element zuführt, wird in zwei Zweige 12 und 13 geteilt, welche beide nur einer Spule
des beu-eglichen Elementes zugeordnet sind, Mit anf_Icren Worten, eine der Spulen
hat zwei Abschnitte, welche von der gleichen Zahl von 1V-indungen sein können. Die
andere Spule 14 besitzt eine Lage, welche um go° gegenüber Aer ersten Spule ver
In-,ht ist, und ihre Windung ist in Reihe mit einer der Windungen 13 auf der ersten
beweglichen Spule geschaltet und besitzt dieselbe Zahl von Gängen wie die Wicklwng
13 auf der ersten Spule. Das Paar von Wicklungen 13, 14., welche soinit in Reihe
miteinander geschaltet sind, ist weiter verbunden mit einer der Kapazitäten, und'
zwar nach der Darstellung der Zeichnung mit der Kapazität 5, welche einen festen
Bestandteil .des Instrumentes bildet. Sie ist ferner verbunden mit der Feldspule
i und mit einem Kondensator i5, sofern ein solcher vorgesehen ist. Die andere Wicklung
12 ist mit einer der Xfemmen 3 verbunden, zwischen denen die unbekannte, zu messende
Kapazität X eingeschaltet ist. Diese Wicklung ist ferner ebenfalls mit der Spule
und mit dem Kondensator 15 verbunden. Da die Windungen 13 und r¢ immer zusammenarbeiten,
da sie Teile des gleichen Stromkreises bilden, so ist ersichtlich, daß ihre kombinierte
Wirkung ein Feld auf einer Achse in der Mitte zwischen ihren beiderseitigen Achsen
erzeugt, finit anderen Worten, ein Feld und einem Winkel von 45' zu ihren Achsen
.und auch --von q.5° (oder 135°) zu der Achse .der anderen Spule 12. Der elektrische
:Gesamteffekt ist derselbe wie derjenige von zwei einfach gewundenen Spulen, deren
Achsen mechanisch um q.5° oder 135° gegeneinander verdreht sind. Es ist ersichtlich,
daß unter diesen Umständen der Zeiger die Möglichkeit einer Bewegung von: 135° besitzt
anstatt von nur go°, während die Kapazitäten zwischen o und unendlich gemessen:,werden.
Wenigstens go° dieser möglichen Zeigerbewegung entsprechen einer gut ablesbaren
Skala, d. h. einer Skala, welche befriedigend gleichmäßige Strichabstände aufweist
und bei der sich die Teilstriche an .keinem Punkt in unzuträglicher Weise häufen.
Obwohl .die Bedingung, daß der Zeiger eine Winkelbewegung von 135° auszuführen vermag,
für ein Instrument der in Frage kommenden Art praktisch wünschenswert ist, so ist
es doch ersichtlich, daß dieser Betrag vermehrt oder vermindert werden kann, indem
man die Zahl der Windungen in den Wicklungen 12, 13, 14 im Verhältnis zueinander
ändert. Man kann auch den Spulen eine andere Lage als eine solche
geben,
bei welcher sie um go° gegeneinander verdreht sind.
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In manchen Fällen ist es wünschenswert, über ein starkes Feld zu verfügen,
um das erforderliche Drehmoment im Instrument zu erhalten, während die übrigen Eigenschaften
=des Instrumentes die bereits beschriebenen bleiben. Dies kann .dadurch erreicht
werden, laß man einen Hilfskondensator 15 parallel mit dem Stromkreis des beweglichen
Systems schaltet. Dieser Kondensator 15 ist in Abb. 3 ,der Zeichnung dargestellt
und ist dauernd in :die Stromkreise eingeschaltet, sofern er Überhaupt benutzt wird.
Es ist bereits auseinandergesetzt worden, daß der Widerstand des beweglichen Systems
in seinen beiden Zweigen vernachlässigt werden kann oder nahezu vernachlässigbar
ist gegenüber den Recktanzen dieser Zweige. Hieraus folgt, laß nicht nur ihre Phasen
im wesentlichen Elie gleichen sein werden, sondern daß sie auch im wesentlichen
die gleichen sein werden. wie diejenige des Hilfskondensators 15. Die Phasenbeziehung
der Spulen zueinander oder zu dem Felde wird daher .durch die Einschaltung des Kondensators
15 nichtgeändert, und die bereits erörterten Bedingungen werden .dadurch nicht gestört;
die einzige Wirkung der Einschaltung dieses Kondensators besteht vielmehr darin,
daß der Strom durch :das Feld gesteigert wird, so daß sich ein größeres Drehmoment
ergibt, als es verlangt wurde. Natürlich kann der Kondensator einfach fortgelassen
werden, sofern die anderen Kapazitäten genügen, um ein hinreichend starkes Feld
zu erzeugen, in welchem Falle die Feldspulenverbin.dungen von der einfachen Reihenschaltung
gemäß Abb. i gebildet werden.
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In allen Formen des Instrumentes kann ein Schalter 16 in den Stromkreisen
an einer passenden Stelle vorgesehen sein, .um das Instrument während der Vornahme
einer Widerstandsprüfung zu betätigen. Es ist weiter ersichtlich, daß der. Strom
zu dem beweglichen System durch die üblichen Spiral-oder sonstigen feinen Drähte
geführt wird, welche so eingestellt und in Beziehung zueinander gesetzt sind unter
Beachtung bekannter Grundsätze, daß sie die Lage des Zeigers 7 so wenig wie nur
möglich beeinflussen und eine freie Bewegung desselben, in allen Lagen gestatten.
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Indem man .den Zeiger mit Bezug auf das bewegliche System in passender
Weise lagert, kann man die Anordnungen des normalen oder bekannten Kondensators
und des unibekannten: Kondensators, dessen Kapazität gemessen werden soll, mit Bezug
auf die Stromkreise des beweglichen Systems wert duschen.