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Verfahren und Einrichtung zur Messung von Abklingkurven.
In der Technik kommen oftmals abklingende Energievorgänge vor, bei denen die Ermittlung der Abklingkurve für die Bestimmung gewisser Bestimmungselemente, wie Dämpfung, Induktivität, Kapazität, Widerstand, Wärmeleitfähigkeit, Schallabsorption usw., von Interesse sein kann. Beispielsweise kann es sich um die Entladungskurven von Kondensatoren über hohe Widerstände, um den Feldabfall von Drosselspulen, um das Abklingen von thermischen Vorgängen oder von mechanischen, elektrischen oder akustischen Schwingungen od. dgl. handeln. Das Abklingen erfolgt nach einer Kurve, die in den meisten Fällen mathematisch analysierbar ist und aus der die gesuchten Bestimmungsgrössen ermittelt werden können.
Die bisherigen Methoden zur Ermittlung dieser Abklingkurven bestehen teils in oszillographischen oder ähnlichen Aufzeichnungsmethoden, teils beruhen sie darauf, dass einzelne Punkte der Kurve aufgenommen werden, was schwierig und manchmal ungenau ist.
Die Erfindung betrifft eine Methode, die darin besteht, dass durch eine entsprechende Schaltungmassnahme ein dem zu bestimmenden Energieverlauf analoger elektrischer Stromvorgang erzeugt wird, von welchem erfindungsgemäss mittels der später zu beschreibenden Einrichtungen die Anfangssteilheit seiner Abklinkurve bestimmt wird, wobei aus dieser Anfangssteilheit in bekannter Weise der übrige Verlauf der Kurve berechnet werden kann. Als Beispiel einer der vielen Anwendungsmöglichkeiten ist im folgenden die nach dem beschriebenen Verfahren ausgeführte Messung des akustischen Nachhalls beschrieben :
Der im Raume vorhandene Schall wird in bekannter Weise mittels eines Mikrophons M (Fig. 1) in elektrische Schwingungen umgewandelt und einer Verstärkereinrichtung V zugeführt. An diese ist ein als Gleichrichter geschaltetes Verstärkerrohr G angeschlossen.
Der im Anzeigeinstrument A ablesbare Strom gibt unter Berücksichtigung der Gleichrichterkurve ein Mass für die Schallstärke. Wird der Schall plötzlich abgebrochen, so sinkt die SchaUstärke und damit die Stromstärke im Anzeigeinstrument nach der Abklingkurve. Die Nachhalldauer könnte nun beispielsweise aus der oszillographisch aufgenommenen Abklingkurve oder durch direkte Instrumentbeobachtung dadurch bestimmt werden, dass die Zeit ermittelt wird, innerhalb welcher die Schallamplitude von dem Maximalwerte bei Beginn des Abklingen bis auf ein Hundertstel oder ein Tausendstel des Wertes gesunken ist.
Diese Ermittlung stösst auf Schwierigkeiten, da ein Anzeigeinstrument, welches so kleine Bruchteile des Maximalwertes noch rasch und genau abzulesen gestattet, nur sehr schwer herstellbar ist und die Auswertung des Oszillogramms bei den relativ kleinen Amplituden auf bedeutende Schwierigkeiten stösst. Es sind wohl auch Anordnungen bekannt (beispielsweise in der Elektrischen Nachrichten-Technik"1930, Heft 7), bei denen diejenige Zeit, die der Strom braucht, um von einem Maximalwerte auf einen bestimmten Bruchteil abzufallen, durch mittels Relais gesteuerte Uhren od. dgl. bestimmt wird, jedoch sind hiezu nicht nur komplizierte und teuere Apparaturen erforderlich, sondern auch sehr erhebliche Energiemengen, da es sich in diesem Falle darum handelt, den auf ein Tausendstel oder ein Hundertstel seines Wertes gesunkenen Strom zur Auslösung des Relais zu verwenden.
Es ist aber ohne weiteres möglich, aus dem Verlaufe des ersten Teiles der Kurve rechnerisch auf den übrigen Verlauf zu schliessen und beispielsweise aus der Anfangssteilheit der Kurve die Zeit zu berechnen, welche bis zum Abklingen auf ein Tausendstel notwendig ist.
Die Messung dieser Steilheit geschieht nun dadurch, dass der Stromabfall als solcher der instrumentellen Messung zugrunde gelegt wird. Zu diesem Zwecke wird beispielsweise in den Stromkreis des Gleichrichters die Primärwicklung eines Transformators T (Fig. 1) geschaltet, dessen Sekundärwicklung
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auf einen Indikator 1 arbeitet. Wird der Sekundärkreis vor oder zu Beginn des Abklingens geschlossen '11nd nach einer bestimmten, sehr kurzen Zeit geöffnet, so ist der Feldabfall im Transformator und der dadurch erzeugte sekundäre Stromstoss dem Stromabfall in der Messzeit und dadurch der Steilheit der Abklingkurve proportional, sofern die Messzeit wesentlich kleiner ist als die gesamte Abklingzeit, also etwa ein Fünftel bis ein Hundertstel dieser Zeit.
Durch die Anbringung des Schalters im Sekundärkreis wird aus dem abklingenden Strom das gewünschte Element herausgeschnitten und im Indikator angezeigt. Der Verlauf des Stromes im Primärkreis wird nicht oder nur unwesentlich beeinflusst, und der Schalter selbst hat bei dieser Anordnung nur die geringen, dem Indikator selbst zufliessenden Energien zu schalten. Als Indikator kann beispielsweise ein durch den Strom geheiztes Thermoelement mit angeschlossenem Anzeigeinstrument, ein ballistisches Galvanometer, eine elektrolytische Einrichtung (Silbervoltameter) od., dgl. verwendet werden, wobei die Auswahl und Dimensionierung den Grössen- verhältnissen der zu messenden Energie und der Geschwindigkeit des Abklingen angepasst sein muss.
Sowohl im Eingang der Messeinrichtung als auch im eigentlichen Indikatorkreis können erforderlichenfalls Verstärkereinriehtungen angebracht werden. Falls es sich nicht, wie etwa bei Schallmessungen, um kleine, sondern um grosse Energien handelt, ist es unter Umständen möglich, auf die Verstärkung vor dem
Gleichrichter zu verzichten ; die Anordnung kann auch in gewissen Fällen derart getroffen werden, dass keine Gleichrichtung stattfindet, sondern, etwa bei rasch verlaufenden, schwach gedämpften Schwingungen, der Abfall der Schwingungsenergie selbst innerhalb eines gewissen Zeitraumes mittels eines entsprechenden
Indikators beobachtet wird.
Wird bei der beispielsweise beschriebenen Einrichtung eine in gewissen Grenzen beliebig wählbare
Zeitdauer t, etwa eine Zehntelsekunde, vom Moment des Beginnes der Abklingkurve an, der Messung zugrunde gelegt und an die Sekundärseite des Transformators etwa ein ballistisches Galvanometer angeschlossen, so ergibt sich, dass der Ausschlag dieses Instrumentes um so grösser sein wird, je grösser die Dämpfung des Raumes, also je geringer der Nachhall ist, denn bei stark gedämpftem Raume, beispielsweise einer (1000 :
l) -Nachhalldauer von 1 Sekunde, wird unter Zugrundelegung gleicher
Anfangsamplituden, unter Voraussetzung eines praktisch geradlinig arbeitenden Gleichrichters und unter
Annahme einer logarithmischen Abklingkurve, die Anzeige des Galvanometers einem Stromabfall J1 von rund 0'5 der maximalen Stromstärke entsprechen. Betrüge hingegen die Nachhalldauer vier Sekunden, so würde die Stromanzeige J2 nur rund 0'16 entsprechen (Fig. 2). Es ist auf diese Weise möglich, aus der Anzeige des Galvanometers die (1000 : l)-Nachhalldauer zu berechnen, wobei die Skala des Anzeige- instrumentes direkt in den gesuchten Einheiten, etwa in Nachhalldauer, in Dämpfungsfaktoren od. dgl. geeicht werden kann.
Wird statt des ballistischen Galvanometers etwa ein Thermoelement mit Anzeigeinstrument verwendet, so ist auch hier der Maximalausschlag des Instrumentes von der durch den Stromstoss im
Thermoelement erzeugten Spannung abhängig ; ebenso lässt sich bei dem elektrolytischen Anzeige- instrument, etwa durch Abwägen einer Metallelektrode, durch Messung des erzeugten Gasvolumen, durch Bestimmung der eingetretenen Verfärbung usw., das Mass der durchgeflossenen Stromstärke und damit die Steilheit der Abidingkurve bestimmen.
Für die praktische Anwendung ist es vorteilhaft, die nötigen Schaltvorgänge, etwa bei Nachhallmessungen : Einschalten der Schallquelle, Einschalten des Indikators, Abschalten der Schallquelle,
Abschalten des Indikators nach bestimmter Zeit, durch eine selbsttätige Vorrichtung vornehmen zu lassen, die von vornherein auf die richtigen Zeiten eingestellt ist, also beispielsweise durch einen Uhrwerk- schalter, eine rotierende Kontaktscheibe, ein Verzögerungsrelais od. dgl.
Selbstverständlich ist die Anwendung der beschriebenen Einrichtung nicht auf akustische Messungen allein beschränkt, vielmehr kann dieselbe, wie schon eingangs erwähnt, für die Bestimmung der Abkling- kurven mechanischer, elektrischer oder thermischer Vorgänge beliebiger Art verwendet werden. An
Stelle der erwähnten Transformatorkopplung des Gleichrichters mit dem Indikator kann auch eine
Ankopplung über Drosselspulen oder Widerstände und Kondensatoren oder durch Kombination dieser
Elemente erfolgen. Das Verfahren ist in analoger Weise verwendbar, wenn es sich nicht um Abiding- vorgänge, sondern um periodisch wiederkehrende Energievorgänge oder um Aufschaukelungsvorgänge od. dgl. handelt.
In diesen Fällen muss nicht gerade die Anfangssteilheit der Messung zugrunde gelegt werden, es kann vielmehr ein bestimmter wiederkehrender Zustand, ein Wendepunkt od. dgl. als kritischer
Messpunkt verwendet werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Bestimmung der Abklingkurven von Schwingungsvorgängen und der Elemente I dieser Abklingkurven, wobei der zu verfolgende Energieverlauf in einen elektrischen Stromverlauf umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des dem Energieverlaufe analogen Strom- verlaufes innerhalb einer vorbestimmten Zeit, die wesentlich kleiner ist (max. ein Fünftel) als die Abkling- zeit, der Bestimmung der Abklingkurve zugrunde gelegt wird.