Oszillator Es ist bekannt, dass eine schwingende gespannte Saite oder ein schwingender beiderseitig eingespannter Stab eindeutige, von der jeweils herrschenden mecha nischen Spannung abhängige Eigenfrequenzen (Grund frequenz und höhere Harmonische) aufweist. Es ist somit grundsätzlich möglich, entweder die mechanische Spannung durch Messung der Eigenfrequenzen, oder die Eigenfrequenzen durch Messung der mechanischen Spannung zu ermitteln.
Im Folgenden wird anstelle von Stab oder Saite nur (Saite geschrieben und vorläufig von nur einer Frequenz gesprochen.
Zum vorgenannten Zweck muss aber die Saite mittels einer Erregereinrichtung derart zu Schwingun gen angeregt werden, dass die Eigenfrequenz nicht be- einflusst wird, da sonst die Ermittlung der mechani schen Spannung durch Messung der Frequenz oder der Frequenz durch Messung der mechanischen Span nung nicht mehr eindeutig und auswertbar wäre.
Der nachstehend beschriebene Saiten-Oszillator ist eine Vorrichtung, welche geeignet ist, eine Saite dauernd auf der Eigenfrequenz zu erregen. Dies schliesst nicht eine Verwendung mit stossweiser Erregung mit dazwischen liegenden Messzeiten aus.
Die mechanische Spannung der Saite kann innerhalb weiten Grenzen variieren. Die Eigenfrequenz der Saite variiert ebenfalls innerhalb eines breiten Bereiches, da die Eigenfrequenz mit der Wurzel der Saitenspan nung variiert. Daraus ergeben sich zwei wichtige Fol gen: 1. Die Vorrichtung zur Erregung der Saite soll in einem breiten Frequenzband korrekt arbeiten.
2. Dadurch dass die Eigenschaften des Oszillators im wesentlichen durch ein mechanisches Schwingsy stem bestimmt werden und dass die Eigenfrequenz dieses Schwingsystems in weiten Grenzen variieren kann, gehört der erfindungsgemässe Oszillator zur Gü- te-Klasse des bekannten Stimmgabel-Oszillators mit dem zusätzlichen Vorteil, dass seine Frequenz sehr leicht und präzis in weiten Grenzen variiert werden kann.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrie ben.
Die in Schwingung zu bringende Saite soll elektrisch leitend sein. Sie kann also aus z. B. Metall (M), (Fig. la) oder aber aus metallisierten, (M) isolierenden oder schlecht leitenden Materialien z. B.
Quarz oder Invar etc. (Is) (Fig. 1'b) bestehen, oder auch mit einer oder mehreren leitenden Seelen (M) versehen werden (Fig. 1 c). Diese Saite wird sowohl als mechanisches Schwingungssystem, als auch als elektrische Leitung vom Widerstand R, verwendet<B>Mg.</B> 2).
Die Teile m:it Index 8 bis 10 sind zunächst als nacht vorhanden an zunehmen. Die Saite 1 an deren Enden Spannköpfe 15 & 16 befestigt sind, liegt in einem statischen Ma gnetfeld (NS), quer zur Längsachse der ruhenden Saite und quer zur Schwingungsrichtung, Schwin gungen der Saite in diesem Magnetfeld führen zu elektromotorischen Kräften in der Saite.
Die elek tromotorische Kraft ist proportional zur Frequenz und zur Amplitude der Schwingung. Wird die Saite in einer balancierten, resistiven Brücke R" R2, R3, R4 einge schaltet, mit R.,-R2; R3=R4; R3 > R, R4> R2, so erscheint die oben genannte elektromotorische Kraft als Spannung U über der einen Diagonale der Brücke.
Die se Spannung U ist unabhängig vom allfälligen Wert des die Saite durchfliessenden elektrischen Stromes I. Die schwingende Saite, zusammen mit der Brücken- schaltung, kann als Elektrogenerator aufgefasst wer den, in welchem die mechanisch schwingende Saite elektrisch nur zweipolig, d. h. über die mechanisch festen Punkte (15, 16) mit der Brückenschaltung ver bunden ist.
Wird anderseits die Saite von einem Strom I durch flossen, so erfährt sie eine Kraft, die unabhängig von der Frequenz und proportional zur Amplitude des Stromes ist. Unter der Einwirkung dieser Kraft be nimmt sich die gespannte Saite wie ein mechanisches, einkreisiges, annäherungsweise lineares Schwingsy stem.
Die Amplitude der Saitenschwingung ist propor tional zur erregenden Kraft und variiert mit der Erre gerfrequenz im Sinne einer Resonanz. Dabei liegt das Maximum der Schwingungsamplitude bei einer etwas niedrigeren Frequenz als der Eigenfrequenz, während die Phasenverschiebung zwischen Schwingung und er regender Kraft bei der Eigenfrequenz null ist.
Der die Saite durchfliessende Strom ist Teil eines Stromsystems in der Brückenschaltung. Da die Wider stände R3 und R4 viel grösser als die zwei übrigen ge wählt wurden, d. h. da die elektromotorische Kraft in der Saite klein gemacht wurde gegenüber der Speise spannung der Brücke, ist der Brückenspeisestrom Iw annäherungsweise zweimal so gross wie der Saiten strom I, ungeachtet des Schwingungszustandes der Saite.
Die Brückenschaltung zusammen mit der dadurch elektrisch gespeisten Saite kann als Elektromotor auf- gefasst werden, bei welchem die Saite motorisch in Bewegung gesetzt wird. Die Brückenspeisespannung Uw ist proportional zum Brückenspeisestrom und ist somit in ihren Eigenschaften durch die oben be schriebenen Zusammenhänge definiert.
Man kann nun die Brücke R,. bis R4, wobei R,. durch de Saite dargestellt ist, als Vierpol ansehen, welcher von der Spannung Uw gespeist wird und die Spannung U in unbelastetem Zustande liefert.
Dabei sind U und Uw als synchrone Spannungen anzusehen, deren Amplituden und Phasenverhältnisse durch die oben angeführten Zusammenhänge definiert sind. Der vorgenannte Vierpol ist ein elektrisches Filter, welches die selektive Charakteristik eines einkreisigen Paral- lelschwingkreises aufweist, d. h. sowohl das Amplitu- denmaximum wie auch die Phasenverschiebung null bei der Eigenfrequenz vorhanden ist.
Die Selektivität des elektrischen Filters ist ausschliesslich durch die me chanischen Eigenschaften der schwingenden Saite be stimmt und ist viel höher als jene der elektrischen Fil ter gleicher Resonanzfrequenz.
Wird die Spannung U durch einen passenden Ver stärker wieder an den Eingang des Vierpols gegeben, so ist eine Selbsterregung des Systems Vierpol-Ver- stärker möglich.
Man stelle sich zunächst vor, dass das System auf der Eigenfrequenz schwinge. Wenn der Verstärker nicht selektiv ;ist und eine Phasenverschie bung null und eine Verstärkung Uw / U aufweist, die dem Übertragungsmass des Vierpols bei der Eigen- frequenz entspricht,
so ist das System schwingungs- fähig und labil. Für die übrigen Frequenzen ist das System nicht schwingungsfähig, da die Verstärkung der offenen. Schleife ungenügend ist. Das System soll nun auf eine feste vorzugsweise kleine Schwingungsampli tude stabilisiert werden.
Hierzu soll der Verstärker urlinear gemacht werden; der Verstärker soll für kleine Amplituden mehr verstärken als in obigem Bei spiel des labilen Oszillators, für grosse Amplituden weniger. Man stelle sich einen begrenzenden Verstär ker vor, welcher für ganz kleine, hier nicht interessie rende Amplituden unabhängig von den Amplituden verstärkt, d. h. eine Ausgangsspannung proportional zur Eingangsspannung liefert, während er von einer gewissen Amplitude an eine konstante Ausgangsspan nung liefert, ungeachtet der Eingangsspannung.
Dabei sei die Ausgangsspannung des Verstärkers ebenso si- nusförmig wie die Eingangsspannung, mit ihr synchron und in der Amplitude konstant (linearer Verzerrer). Unter diesen Umständen wird sich die Saite auf die jenige Amplitude stabilisieren, bei welcher die (um gekehrt mit der Amplitude varierende) Verstärkung den Wert des obigen Beispiels des labilen Oszülators annimmt.
Die Änderungsgeschwindigkeit der Saiten schwingungsamplitude bzw. der Ausgangsspannung des Vierpols hängt von der Art der Unlinearität ab. Im be- schriebenen Beispiel des konstant begrenzenden Ver stärkers ist die erregende mechanische Kraft auf die Saite konstant und die Dämpfungskraft auf die Saite annäherungsweise proportional zur Amplitude. Die Differenz dieser zwei Kräfte ist proportional zur Ab weichung zwischen der momentanen Amplitude und dem Sollwert der Amplitude.
Ist die Amplitude klei ner als der Sollwert, so wird sie asymptotisch den Sollwert erreichen mit einem exponentiellen Verlauf definiert durch eine charakteristische Zeitkonstante i = 2 0/wo mit Q = Güte des mechanischen Schwingkreises und wo Eigenwert der Kreisfrequenz desselben. Ist die Am plitude grösser all erwünscht, so wird sie mit demsel ben Verlauf zum Sollwert abklingen.
Wird der Verstärker regulierend gemacht, d. h. wird die Ausgangsspannung umso kleiner je grösser die Eingangsspannung, so wird diese Zeitkonstante verkürzt.
Stationäre Änderungen .in der Dämpfungskraft führen .im ersten Fall zu gleich grossen, sm zweiten Fall zu kleineren stationären Änderungen der Schwin gungsamplitude. Dasselbe gilt für Änderungen der erregenden Kraft.
Soll die Saite auf der Grundfrequenz schwingen, so genügt ein einziges Polpaar wie in Fig. 2 schematisch angedeutet ist. Sollen höhere Harmonische erregt wer den, so wird die Anzahl der Polschuhpaare entspre chend erhöht, z. B. gemäss Fig. 5 auf 3 Paare oder Fig. 2 bzw. 8 auf 5 bzw. 4 Paare. Die Breite der Pol schuhe soll in den Grenzen von 1/ bis 9/1o, vorzugs weise bei etwa '11o des Knotenabstandes liegen.
Fig. 6 und 7 zeigen als Ausführungsbeispiel 5 c förmige Magnete 11 in einem geschlossenen Rahmen 12, 12 a. Am oberen Joch 13 dieses Rahmens ist in einer Bohrung 14 isoliert der eine Spannkopf 15 der Saite 1 gelagert, während der andere Spannkopf 16 der Saite 1 metallisch .leitend mit der Masse 17 fest verbunden ist, welche mit, gegenüber dem Rahmen 12 isoliert,
zwei Blattfedern 18 (Fig. 7a) parallel geführt ist, so dass die Saite 1 im Luftspalt zwischen den Pol- schuhen N-S zentriert ist. Mit zwei Anschlussdrähten 19 und 20 wird die Saite in die vorstehend beschriebe ne - Brücke eingeschaltet.
Die Anordnung gemäss Fig. 6 kann als Beschleunigungsmesser dienen (für vertikale Beschleunigung) oder als Kraftmesser oder Waage (Zug 21 nach unten) oder als Oszillator zur Erzeugung einer bestimmten Frequenz (Auflegen von Gewichten auf eine nicht gezeichnete bei 21 ange brachte Schale).
Fig. 8, 9 und 10 zeigen als Ausführungsbeispiel, in welcher Weise die Abmessungen miniaturisiert werden können. Zwei wechselweise magnetisierte Stäbe 23 stehen einander gegenüber, mit Polschuhen 24 (welche auch aufgesetzt sein körnen). Jeder Stab 23 trägt eine Ankerplatte 25 (Fig. 10). Zwei solche Teile zusam mengelegt (Fig. 9) ergeben das erforderliche geschlosse ne Magnetsystem.
Die unerwünschten höheren Harmonischen wurden bis jetzt stillschweigend aus dem Spiel gelassen. In Tat und Wahrheit sollen apparative Massnahmen getroffen werden, damit die unerwünschten höheren Harmoni schen nicht miterregt werden.
Ideal wird dies dadurch erreicht, dass die Feldstärke des Magnetfeldes gemäss Fig. 4a einen sinusförmigen Verlauf in Funktion der Längskoordinate der Saite (wie die Schwingungsampli- tude selbst) aufweist. Unter diesen Umständen würden Schwingungen höherer Ordnung überhaupt nicht er regt werden, da die Erregerkraft in gewissen Saitenab- schnitten durch entgegengesetzte Kräfte in anderen Seitenabschnitten kompensiert würde.
Diese extreme Massnahme ist aber nicht notwendig, wenn man die Feldstärke in einem zentralen Abschnitt der Saite annähernd konstant macht und ausserhalb dieses 'Zen- tralabschnittes in natürlicher Weise abfallen lässt (Fig. 4 b), insofern der Verstärkungsgrad des un- selektiv vorausgesetzten Verstärkers für keine Ampli tude übertrieben hoch ist.
So ist es möglich, die gewählte Frequenz noch zu erregen, während für die höheren Harmonischen die Schwingungsbedingung .nicht erfüllt ist. Für extrem hohe Ansprüche kann das Magnetfeld auch genauer sinusförmig gestaltet werden, z. B. durch Wölben der Polschuhe oder dadurch, dass der sinusförrnige Verlauf des Magnetfeldes durch ent sprechend verlaufendes Quermagnetisieren von Stäben (ähnlich Fig. 8 aber ungekerbt) erreicht wird..
Ist es aber von Interesse, eine höhere Harmonische zu erregen, um beispielsweise die Störeffekte der Ein spannstellen zu verkleinern, so kann eine Schar von oben beschriebenen Magneten mit abwechslungsweiser Polarität in gleichen Abständen entsprechend einer halben Wellenlänge verwendet werden. Dabei soll ähnlich wie bei eitlem Elektromotor dafür gesorgt werden, dass die Nebenschlüsse zwischen den ver schiedenen Magnetsystemen bescheiden bleiben, was mit der oben beschriebenen Anordnung nicht in Wi derspruch steht.
Die Fig. 5 zeigt schematisch, Fig. 6 und 7 zeigen Ausführungsbeispiele einer derartigen Magnetschar.
In beiden oben beschriebenen Fällen, in jenem der Grundfrequenz und in jenem einer höheren Harmoni- sehen, wurde die Ordnung des Eigenwertes (l. Ord nung: Grundfrequez; 2. Ordnung: zwei Harmonische; u:s.w.) durch eine geometrisch-selektive Magnetfeld verteilung erreicht. Der Verstärker ist breitbandig und trägt nicht zur Selektivität der offenen Schleife bei.
Somit ist es die Saite allein, welche für die gewählte Ordnung des Eigenwertes die Schwingungseigenschaf ten des Oszillators bestimmt.
Vorstehend ist beschrieben, wie die Saite 1 als Widerstand R, .galvanisch in den Brückenstromkreis eingeschaltet ist. Dies ist jedoch nicht notwendig. Es kann gemäss Fig. 2 unter Wegnahme der Verbindun gen zwischen den Punkten 4-5 und 6-7 die Wicklung 9 des Transformators 10 in die Brücke eingeschaltet werden, während die Saite an die andere Wicklung 8 des gesagten Transformators 10 angeschlossen ist.
Im Grenzfahl kann die Wicklung 9 des gesagten Transfor mators 10 eine einzige Windung aufweisen.