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Nach dem Trägerfrequenzmodulationsverfahren arbeitende Meßanordnung
Die Erfindung betrifft eine nach dem Trägerfrequenzmodulationsverfahren arbeitende
Meßanordnung für wahlweise statisches oder dynamisches Messen von mechanischen Schwingungs-
oder T hermokraftvorgängen od. dgl. über induktive, kapazitive oder Widerstandsstreifengeber.
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Die Erfindung geht davon aus, daß für jedes der obengenannten Meßverfahren
der Meßgeber oder Meßfühler und das dazugehörige Anzeigegerät einander angepaßt
sein müssen. Nun sind aber nicht für alle Messungen die Geräte so einzurichten,
daß sie mit der gleichen Brückenschaltung betrieben werden können. Die bekannten
Meßgeräte der obengenannten Art besitzen alle eine speziell zugeordnete, fest eingebaute
Brückenschaltung und sind somit nicht universell verwendbar.
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Die Erfindung hilft diesem Mangel durch ein mit einem Phasendreher
ausgestattetes Anzeigegerät ab mit einem an diesen anschließbaren Austauschgeber
und einem leicht auswechselbaren Brückenschaltungsteil. Der Phasendreher ermöglicht
es, je nach der eingeschalteten Brücke bei unterschiedlichen Phasenbeziehungen für
jede Brücke die richtige Phase einzustellen. Die Wechselbrücke ist in einem austauschbaren,
vorzugsweise als Steckgehäuse ausgebildeten Teil eines Gerätegehäuses untergebracht,
das einen die Brücke mit \@'ecliselstrom versorgenden Generator, einen Verstärker
für die Brückendiagonalspannung, einen Eichteil für die Brücke, den Phasendreher,
einen Phasenanzeiger und einen Demodulator mit Siebketten in sich vereinigt. Bevorzugt
ist eine Ausbildung des Erfindungsgegenstandes als Doppelgerät derart, daß mit Ausnahme
des Eichteiles die übrigen wesentlichen Teile der Anordnung, wie Generator, Brücke,
Verstärker und 1@eniodulator, jeweils doppelt angeordnet sind und der Eichteil den
beiden Teilen des Doppelgerätes wechselweise zuschaltbar ist. Als Austauschbrücken
werden solche mit einer Induktivität oder Kapazität oller mit zwei induktiven oder
kapazitiven Wechselstromwiderständen als Meßwertgeber oder solche mit einem Thermofühler
oder einer Hitzdrahtsonde zum Messen von Thermokräften oder solche mit einem Streifengeber
für Widerstandsmessungen bevorzugt.
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Dadurch wird ein Universalgerät geschaffen, mit welchem ohne langwierigen
Umbau z. B. Dehnungen, Drehmomente. Drehschwingungen, Rüttelschwingungen, Beschleunigungen
oder Verzögerungen, Durchfiußmengen, Drücke. Temperaturen, Geschwindigkeiten usw.
gemessen werden können.
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Die Erfindung ist an Hand der Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel
erläutert. In den Zeichnungen stellt dar Abb. 1 das Schaltbild des allgemeinen verwendbaren
Geräteteiles mit darin angedeutetem auswechselbarem Brückenteil, Abb.2 bis 6 verschiedene
Wechselbrückenschaltliilder, Abb.7 ein Diagramm, das die Abhängigkeit des elektrischen
Widerstandes für eine Hitzdrahtsonde von der Strömungsgeschwindigkeit des zu untersuchenden
%Iediunis zeigt; Abb. 8 das Schema eines mehrere Brücken zusaminenfassenden Umschalters,
Abb. 9 das Schaltschema eines Eichgerätes, Abb. 10 (las Gehäuseschema eines Gerätes
mit zwei Wechselbrücken, zwei Verstärkern, zwei Demodulatoren und mit einem Eichgerät,
Abb. 11 das Schaltschema eines Netzgerätes.
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Die Grundanordnung nach der Erfindung ist aus der Abb. 1 ersichtlich.
Das Gerät besteht aus dem Generator G, der die Brücke B mit Wechselstrom (Trägerfrequenz)
versorgt. An die Brücke schließt sich ein Verstärker f' an, und dahinter liegt ein
Demodulator D mit den Siebketten. An letzteren ist ein Oszillograph 0 angeschaltet,
der auch durch ein Anzeigegerät oder durch eine einen Schaltvorgang auslösende Einrichtung
ersetzt werden kann.
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Der Aufbau von Generator G, Verstärker V, Demodulator D und Oszillograph
0 ist bekannt, und die gew ählte Schaltung zeigt bis auf einen zusätzlich eingea
bauten Phasendreher nichts Ungewöhnliches. Auf diese Einrichtungen wird daher nur
kurz eingegangen.
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1 bezeichnet eine Schwingröhre, 2 eine Einrichtung für die Phasendrehung
und 3 den Transformator für die Modulation. Im Verstärker V bezeichnet 4 die üblichen
Verstärkerröhren, 5 die Siebketten, welche in der Brücke gebildete Oberwellen unterdrücken,
6 einen Verstärkerregler und 7 ein sogenanntes magisches
Auge zur
Anzeige des hergestellten Brückenabgleichs. Der Ausgangstransformator zum Demodulator
D ist mit 9 bezeichnet. 10 bezeichnet einen Ringdemodulator und 11 wiederum eine
Siebkette, die verhindert, daß die Frequenz in die Anzeige gelangt. An die Kontakte
12 wird die Anodenspannung und an die Kontakte 13 der Heizstrom gelegt.
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Neu ist an der Anordnung zwischen Generator und Verstärker ein Phasenanzeiger
14, bestehend aus einem Gleichrichter 15 und einem Drehspulinstrument 16. Dem Gleichrichter
wird einerseits, gegebenenfalls aus einer besonderen Wicklung, die Sperrspannung
für den Demodulator zugeführt, andererseits auch die verstärkte Brückendiagonalspannung.
Wenn die Sperrspannung und die verstärkte Brückendiagonalspannung in Phase sind,
erhält man den größten Ausschlag am Instrument 16. Werden die beiden Spannungen
phasenverschoben, so wird der Ausschlag kleiner. Der Ausschlag des Instrumentes
16 ist daher bei einer Brückenverstimmung ein Maß für die Phasenbeziehungen der
beiden genannten Spannungen. Bekanntlich wird bei der gegebenen Schaltung vom Ringmodulator
der in der Richtung der Sperrspannungsphase liegende Betrag der Brückendiagonalspannung
angezeigt. Man hat also die besten Verhältnisse dann, wenn die verstärkte Brückendiagonalspannung
in Phase mit der Sperrspannung liegt. Je nach der angeschalteten Brücke sind die
Phasenbeziehungen verschieden. Ein induktiver Geber dreht die Phase in anderer Richtung
als beispielsweise ein kapazitiver Geber. Aus diesem Grunde ist in die Schaltung
der Phasendreher 2 eingebaut, der es erlaubt, an Hand der Anzeige des Instrumentes
16 für jede Brücke die richtige Phase einzustellen.
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Außerdem ist die Brücke B nach Abb. 1 austauschbar. Sie kann jeweils
durch eine solche ersetzt werden, wie sie beispielsweise in Abb. 2 bis 6 dargestellt
ist. Ihre Anschlußklemmen sind mit a, b, c, d bezeichnet.
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Die Abb. 2 stellt eine Brücke für einen induktiven Geber 17 dar mit
einer Spule. Mit 18, und 18b sind die Mittel für den Phasenabgleich bezeichnet,
und 19,1, 19b kennzeichnen die Mittel für die Abstimmung. Außerdem ist ein Schalter
20 vorgesehen, der eine andere Phaseneinstellung ermöglicht. An die Anschlußklemmen
21 und 22 kann ein gemäß Abb. 8 geschalteter Eichteil angeschlossen werden, wodurch
verschiedene vorher festgelegte Brückenverstimmungen möglich sind, und zwar so viele,
als der Eichteil Schaltstellungen (Widerstände 23a, 231... usw. bis 23x) hat. Im
übrigen dient der Eichteil dazu, die bei der Eichung des Gebers vorhandene Vorspannung
des Generators einzustellen bzw. konstant zu halten. Der Schalthebel des Eichteiles
ist mit 24 und ein an diesem angeordneter Kurzschlußschalter mit 25 bezeichnet.
Letzterer hat den Zweck, die eingeschalteten Widerstände23a. . . bis 23L zu- und
abschalten zu können, um den richtigen Eichausschlag einzustellen. Der Anschluß
22 in der Brücke nach Abb. 2 ist als Schaltklinke ausgebildet. Die Brücke wird beim
Anschalten des Eichteiles automatisch aufgetrennt. Vertauscht man bei der Brücke
nach Abb. 2 die Geberseite, also die Spule 17, mit der Kapazität 26, so hat man
eine Brücke für einen kapazitiven Geber. Die weiteren Anschlüsse sind wiederum mit
a, b, c, d bezeichnet.
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Die Brücke nach Abb. 3 ist für Geber mit zwei veränderbaren Wechselstromwiderständen
gedacht. Sie ist also sowohl für induktive als auch für kapazitive Geber bzw. für
Widerstandsstreifengeber verwendbar. Die Geber sind mit 27" und 271, bezeichnet.
Beide sind ' in vorliegendem Falle so bemessen. daß einer der Wechselstromwiderstände
größer wird, wenn der andere kleiner wird. Die anderen Zweige der Brücke nach Abb.
3 werden durch Widerstände und Kondensatoren gebildet. Die Widerstände 28" und 28b
dienen dem Abgleich des Meßwertes. Der Kondensator 29 dient dem Abgleich der Phase.
Der Kondensator 30 ist halb so groß wie der Kondensator 29, wenn der letztere voll
eingeschaltet ist, um einen Phasenabgleich etwa in der Mitte des Regelbereiches
des Kondensators 29 zu finden. Die Kondensatoren 30a, 30b ... usw. bis
30"
können mit Hilfe eines Schalters 31 der einen oder der anderen Brückenseite
zugeschaltet werden, um auch bei größeren Phasenverschiebungen noch einen Abgleich
zu bekommen. Die Klemmen 21 und 22 dienen bei dieser Anordnung wieder zum Anschluß
des Eichteiles zur Einstellung der gewünschten Empfindlichkeit.
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Den Brückenschaltungen nach Abb. 2 und 3 wird wiederum durch die Klemmen
a und c die Wechselspannung des Generators zugeführt. Die Klemmen b und d dienen
zum Anschluß an den Verstärker für die Brückendiagonale.
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Die Brücke nach -,#-bb.4 ist für die Messung von Thermospannungengedacht.
Sie ist somit keine Brücke im engeren Sinne der Brückenschaltungen nach den Abb.
2 und 3, sondern eigentlich ein Modulator. Der Ringmodulator 32 ist mit dem Widerstand
33 und den Kondensatoren 34 dem Betrag und der Phase nach abgeglichen. Er erhält
über die Klemmen 35, 36 und 37 seine Sperrspannung vom Hochfrequenzgenerator G.
Die vom Thermoelement 38 gelieferte Spannung wird in bekannter Weise auf die Mitte
der beiden am Ringmodulator liegenden Transformatoren 9 (Abb. 1) und 40 (Abb. 4)
übertragen. Die Modulationsspannung wird an den Klemmen 41 und 42 abgenommen und
zum Diagonalspannungsverstärker V geführt. Der Umschalter 43 erlaubt die Einschaltung
genau eingestellter Spannungen und damit eine Eichung des Gerätes.
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Zur Einstellung dieser Spannungen wird an den Klemmen 44 und 45 entweder
aus einer Batterie oder aus dem Netzgerät eine Gleichspannung geliefert. Diese wird
durch ein Drehspulinstrument 46 angezeigt und auf eine vorbestimmte Größe eingeregelt.
Der geeichte Spannungsteiler 47 greift von der am Instrument 46 angezeigten Spannung
verschiedene Teilbeträge ab, womit die Eichung des am Ausgang befindlichen Instrumentes
oder der Schleife 0 in Millivolt möglich ist, so daß bei bekannter Thermokraftkurve
die Anzeige in Grad Celsius abgelesen werden kann.
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Die Abb. 5 zeigt eine Brücke zum Messen von Ströinungsgeschwindigkeiten.
Man geht dabei von folgenden Voraussetzungen aus: Läßt man an einem genügend dünnen
Draht, der auf eine vorbestimmte Temperatur aufgeheizt wird, ein Medium, z. B. Luft,
mit verschiedenen Geschwindigkeiten vorbeiströmen, so ändert sich der Widerstand
des Drahtes mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit, bis der Draht wieder die Temperatur
vor der Aufheizung erreicht hat. Von dieser Geschwindigkeit ab erhält man praktisch
keine Widerstandsänderung mehr, wie der Punkt III des Diagramms von Abb. 7 zeigt.
Es kann daher eine Messung der Strömungsgeschwindigkeit, z. B. eines Gases, durch
Messen des Widerstandes der Drahtsonde in einem begrenzten Arbeitsbereich I-II vorgenommen
werden. Beim Messen von mittleren Strömungsgeschwindigkeiten kann zur Erzielung
der gleichen Empfindlichkeit im ganzen Bereich die Drahtsonde
immer
auf die gleiche Temperatur aufgeheizt werden. Die Stellung des Widerstandes für
die Stromzufuhr zur Aufheizung ist dann ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit.
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Hierzu dient die Schaltung nach Abb.5. An den Klemmen 48, 49 liegt
die vom Generator gelieferte Trägerfrequenzspannung. Ein Brückenzweig wird durch
die Hitzdrahtsonde 50 gebildet. Ein Regelwiderstand 51 im anderen Brückenzweig dient
zum Abgleich des Betrages. Ein zweiter veränderbarer Widerstand 52 dient zum Abgleich
der Phase, der den als einen Brückenzweig dienenden Kondensator 58 überbrückt. Die
Sonde wird über die Klemmen 53 und 54 mit Gleichstrom versorgt. Die Drosseln 55
sorgen dafür, daß der in der Sonde 50 fließende Wechselstrom nicht kurzgeschlossen
wird. Ein Drehspulinstrument 56 und die Widerstände 57 gestatten die Heizung der
Hitzdrahtsonde mit Gleichstrom und damit die Einstellung des eingangs beschriebenen
Arbeitsbereiches. Die Widerstände 57 sind gegebenenfalls in Grad Celsius eichbar.
Die beiden anderen Brückenzweige werden durch Kapazitäten 58 und 59 gebildet. Außerdem
ist in der Zuleitung des vom Generator kommenden Wechselstromes noch ein Kondensator
60 vorgesehen, um eine Stromverzweigung des von den Klemmen 53 und 54 kommenden
Gleichstromes zu verhindern. Die Einstellung einer bei der Eichung der Hitzdrahtsonde
vorhandenen Verstärkung ist wieder mit Hilfe des Eichteiles über die Klemmen 21
und 22, wie vorher beschrieben, möglich. Die Brückendiagonalspannung führt wie bei
allen anderen Brücken über die Klemmen 61, 62 zum Verstärker h. In diesem ist noch
ein Übertrager (Transformator 63) zwischen Brücke und Verstärker geschaltet. Außerdem
ist auf der Generatorseite noch ein zweiter Übertrager (Transformator 64) vorhanden,
weil die Brückenanordnung wegen der niederohmigen Hitzdrahtsonde 50 niederohmiger
sein muß als die anderen Brückenschaltungen, so daß eine Anpassung der Widerstände
erforderlich ist, wenn eine einfache Auswechslung möglich sein soll.
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Die Abb. 6 veranschaulicht eine Brücke für Widerstände (Streifengeber).
In der einen Brückendiagonale befindet sich der zur Messung verwendete Streifengeber
65 und in der anderen Brückendiagonale der zum Temperaturausgleich vorhandene Streifengeber
66. Dieser Streifengeber 66 kann auch durch einen Widerstand in solchen Fällen ersetzt
werden, in denen der Streifengeber 65 mit konstanter Temperatur arbeitet. Mit der
Brücke nach Abb. 3 ist auch die Aufnahme von dynamischen Dehnungsgrößen mittels
Streifengeber möglich, wenn für die durch den Eichteil nach Abb. 8 einmal eingestellte
Vorspannung eine Eichung vorliegt. Im vorliegenden Fall (Abb. 6) ist neben den dynamischen
auch die Aufnahme von statischen Dehnungen möglich. In einem solchen Fall wird die
an die Klemmen anzuschließende Meßbrücke vor der Belastung des zu untersuchenden
Bauteiles mit dem Grobabgleich 67 abgeglichen, der, wie auch der Feinausgleich 69,
aus zwei auf einer Achse angeordneten Potentiometern besteht, die jeweils so bemessen
sind, daß die Wirkung des einen zunimmt, wenn diejenige des anderen abnimmt, und
umgekehrt (sogenanntes Tandempotentiometer). Dann wird der Bauteil belastet und
das in diesem Fall am Ausgang des Gerätes befindliche Instrument mit Hilfe des Stufenabgleiches
68 und des Feinabgleiches 69 wieder auf »Null« gebracht. Der Stufen- und Feinabgleich
sind in diesem Fall in »Promillebrückenverstimmung« geeicht. Mit Hilfe des K-Faktors
der Streifengeber (65, 66) kann dabei unmittelbar die Dehnung in I, und auch die
Beanspruchung in kg/cm2 errechnet werden. Unter K-Faktor versteht man den Eichwert
der im Handel befindlichen Dehnungsmesser, mit welchem der Promillewert multipliziert
werden muß, um die Dehnungsgröße zu erhalten.
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Bei dynamischen Dehnungsmessungen kann durch Verschieben des im Oszillographen
sichtbaren Schwingungsbildes mit Hilfe des Stufenabgleiches 68 und Feinabgleiches
69 ebenfalls eine direkte Eichung durchgeführt werden. Anstatt der Streifengeber
65 und 66 kann bei dieser Brückenschaltung auch eine induktive oder kapazitive Gebereinrichtung
mit einer oder mit zwei Induktivitäten oder Kapazitäten verwendet werden. Bei einteiligem
Geber muß in dem dem Meßzweig benachbarten Brückenzweig eine Induktivität oder Kapazität
gleicher Größe angeordnet werden. Außerdem muß sowohl beim einteiligen als auch
beim zweiteiligen Geber ein Phasenabgleich mittels Kondensatoren, wie vorher angegeben,
vorgesehen werden. Man ist mit einer solchen Brücke auch bei induktiven oder kapazitiven
Gebern in der Lage, eine ähnliche Eichung wie bei den Streifengebern vorzunehmen.
Man kann also die Brückenverstimmung in »pro mille (0/") « feststellen und
dem Geber bei der Eichung einen bestimmten K-Faktor zuordnen, wie es für die Streifengeber
bereits angegeben wurde.
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An Stelle der Brücken nach den Abb. 2 bis 6 kann man in das Gerät
nach Abb. 1 auch einen auswechselbaren Umschalter 70 (Abb. 9) einsetzen, der mehrere
Brücken B1, B2 . . . usw. bis Bz, von verschiedener Art dem Bedarfsfall entsprechend
zusammenfaßt. Eine solche Anordnung dient dazu, mit einem Gerät nach Abb. 1 bei
statischen Vorgängen oder bei kontinuierlichen dynamischen Vorgängen eine größere
Anzahl von Messungen kurzzeitig hintereinander durchzuführen. Man benötigt dann
für jede Brücke kein besonderes Trägerfrequenzgerät mehr. Als Anwendungsbeispiel
sei auf die Dehnungsmessungen an einem z. B. über einen Wasserlauf führenden Steg
hingewiesen. Vor der Belastung des Steges wird eine beliebige Anzahl von Dehnungsmessern
(Meßbrücken B1, B2 usw.) angebracht und nacheinander abgeglichen. Nach der Belastung
des Steges können die Dehnungen rasch nacheinander an der Anzeigevorrichtung des
Gerätes nach Abb. 1 abgelesen werden.
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Eine weitere vorteilhafte Anordnung (Abb. 10) ergibt sich, wenn man
in einem gemeinschaftlichen, vorzugsweise tragbaren Kombinationsgerätegehäuse 71
zwei auswechselbare Brücken B' und B" mit je einem Gerät G', G" nach Abb. 1 (Generator
G, Verstärker V, Demodulator D, Phasendreher 2 und Phasenanzeiger 14) und mit einem
diesen Geräten G', G" wechselweise zuschaltbaren Eichteil E doppelt anordnet. Diese
Anordnung ermöglicht es, vor allem zwei miteinander im Zusammenhang stehende Vorgänge
(z. B. Ursache und Wirkung) zu vergleichen. Die beiden Brücken B' und B" können
beide den vorher beschriebenen Brücken nach Abb. 2 bis 6 entsprechen und je nach
dem Bedarfsfall in das Kombinationsgerät 71 nach Abb. 10 eingesetzt werden.
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Das Netzgerät (Abb. 11), insbesondere für das Kombinationsgerät nach
Abb. 10, ist von diesem getrennt und wahlweise gegen ein Batteriegerät austauschbar.
Dadurch ist das Kombinationsgerät universal, sowohl stationär als auch auf Fahrzeugen
verwendbar. Bevorzugt ist ein stabilisiertes Netzgerät, bei welchem sowohl durch
einen magnetischen Spannungskonstanthalter 72 der Heizstrom als auch noch zusätzlich
der Anodenstrom durch einen Gleichrichter 73 erzeugt werden. Die Spannung für den
Eichteil
(Abb. 8) wird durch einen Eisen-Wasserstoff-Widerstand
74 konstant gehalten. 75 bezeichnet den Konstanthalter für die Anodenspannungsstabilisierung,
76 ein Relais für den Überlastungsschutz. Der Anodenstrom wird an den Klemmen 77
abgenommen. An den Klemmen 78 liegt der Heizstrom und an den Klemmen 79 die konstante
Spannung für den Eichteil E (Abb. 8). Vor dem Eisen-Wasserstoff-Widerstand liegt
ein weiterer Gleichrichter 80.