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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Steuergerät zum Betreiben
eines Linearverdichters, insbesondere für den Einsatz zum Verdichten
von Kältemittel
in einem Kältegerät.
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Beim
Betrieb eines Verdichters in einem Kältegerät können Situationen auftreten,
in denen die elektrische Leistungsaufnahme des Verdichters ungewöhnlich hoch
ist und zu einer starken Erhitzung des Verdichters führen kann.
Dies kann zum Beispiel beim ersten Anfahren des Kältegerätes bzw.
nach einer längeren
Abschaltzeit der Fall sein, wenn der gesamte Innenraum des Kältegerätes von
einer hohen Ausgangstemperatur auf eine Soll-Betriebstemperatur heruntergekühlt werden
muss und der Verdichter dafür über eine
lange Zeitspanne ohne Unterbrechung betreiben werden muss, wenn,
zum Beispiel aufgrund einer nicht richtig schließenden Tür, der Wärmezufluss in den Innenraum
des Kältegerätes erhöht ist,
wenn die Wärmeabgabe
am Verflüssiger des
Kältegerätes behindert
ist oder wenn die Bewegung des Verdichters selbst durch einen mechanischen
Defekt gestört
ist. Solche Situationen müssen zuverlässig erkannt
werden, um die Leistungsaufnahme des Verdichters so zu begrenzen,
dass keine Brandgefahr durch Überhitzung
des Verdichters besteht. Bei herkömmlichen Kältegeräten mit rotierend angetriebenem
Verdichter wird diese Aufgabe im Allgemeinen gelöst mit Hilfe eines Temperatursensors, der
am Gehäuse
der Verdichters angebracht ist, und einer Steuerschaltung, die anhand
der von dem Temperatursensor gelieferten Messwerte über eine
eventuelle Drosselung der dem Verdichter zugeführten elektrischen Leistung
entscheidet.
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Aus
KR 2002 021532-A ist ein Verfahren zum Betreiben eines Linearverdichters
bekannt, bei dem anhand der von dem Verdichter aufgenommenen elektrischen
Stromstärke
entschieden wird, ob der Verdichter sich in einem Überlastzustand
befindet oder nicht, und der Hub eines Kolbens des Verdichters verringert
wird, wenn ein Überlastzustand festgestellt
wird.
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Da
für die
Entscheidung, ob ein Überlastzustand
vorliegt oder nicht, nur die Stromaufnahme herangezogen wird, muss
der Grenzwert der Stromaufnahme, oberhalb derer ein Überlastzustand
festgestellt wird, so niedrig sein, dass auch unter den ungünstigst
möglichen
Betriebsumständen
eine Überhitzung
sicher vermieden wird. Der Grenzwert muss also so gewählt werden,
dass auch bei lang anhaltendem Dauerbetrieb des Verdichters wie
etwa beim Anfahren des Kältegerät aus einem
warmen Zustand eine Überhitzung
ausgeschlossen ist. Ein Betrieb bei höherer Stromstärke, der
im Intervallbetrieb, wenn lediglich eine niedrige Temperatur im
Innenraum des Kältegeräts aufrecht
erhalten werden muss, ohne Bedenken zugelassen werden könnte, ist
dadurch ausgeschlossen. Die Leistungsfähigkeit des Linearverdichters
kann daher nicht vollständig
ausgeschöpft
werden.
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Aufgabe
der Erfindung ist, ein Verfahren und ein Steuergerät zum Betreiben
eines Linearverdichters anzugeben, die eine vollständigere
Ausschöpfung
von dessen Leistungsfähigkeit
ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird zum einen dadurch gelöst, dass bei einem Verfahren
zum Betreiben eines Linearverdichters, bei dem die Stromaufnahme
des Linearverdichters erfasst, und anhand der Stromaufnahme beurteilt
wird, ob der Linearverdichter sich in einem Überlastzustand befindet, und
die Bewegungsamplitude des Linearverdichters reduziert wird, wenn der Überlastzustand
des Linearverdichters festgestellt wird, auch die Bewegungsamplitude
des Linearverdichters erfasst und zur Beurteilung, ob sich der Linearverdichter
im Überlastzustand
befindet, mit herangezogen wird.
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Die
Bewegungsamplitude des Linearverdichters kann insofern für die Entscheidung,
ob ein Überlastzustand
vorliegt oder nicht, erheblich sein, weil der Linearverdichter bei
gleicher Stromaufnahme die in ihm freigesetzte joulesche Wärme um so
effizienter nach außen
abgeben kann, je stärker
er sich bewegt.
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Daher
wird erfindungsgemäß zur Entscheidung über den Überlastzustand
vorzugsweise ein erster Grenzwert der Stromaufnahme des Linearverdichters
herangezogen, der als eine zunehmende Funktion der Bewegungsamplitude
festgelegt ist, und bei dessen Überschreitung
der Überlastzustand
festgestellt wird.
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In äquivalenter
Weise kann auch die Bewegungsamplitude als eine zunehmende Funktion
der Stromaufnahme festgelegt sein, und der Überlastzustand wird festgestellt,
wenn die erfasste Bewegungsamplitude den Wert dieser Funktion bei
der erfassten Stromaufnahme unterschreitet.
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Zweckmäßigerweise
ist im einen wie im anderen Falle die Funktion vorab so festgelegt,
dass die Summe von durch den ohmschen Widerstand des Linearverdichters
in diesem freigesetzter joulescher Wärmeleistung und durch die Bewegung
des Linearverdichtung an diesem bewirkter Kühlleistung im Wesentlichen
konstant ist. Das heißt,
der Grenzwert entspricht effektiv einer Temperatur des Linearverdichters,
die im Dauerbetrieb nicht überschritten
werden soll.
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Vorzugsweise
wird, wenn nach einem der oben beschriebenen Kriterien der Überlastzustand festgestellt
wird, die Bewegungsamplitude des Linearverdichters auf einen positiven
Wert reduziert, so dass der Linearverdichter bei reduzierter Leistung weiter
arbeitet.
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Darüber hinaus
kann der Überlastzustand auch
festgestellt werden, wenn die Bewegungsamplitude einen zweiten Grenzwert
unterschreitet, wobei dieser zweite Grenzwert unabhängig von
der Stromaufnahme des Linearverdichters festgelegt sein kann und,
falls ein erster Grenzwert der Bewegungsamplitude wie oben erläutert verwendet
wird, kleiner als letzterer gewählt
ist, um den Fall einer mechanischen Blockierung des Linearverdichters
zu erfassen. Wenn unter diesen Bedingungen der Überlastzustand erfasst wird,
wird die Bewegungsamplitude des Linearverdichters zweckmäßigerweise
auf Null reduziert.
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Um
einen mechanischen Defekt zu erfassen, kann es auch zweckmäßig sein,
die Auslenkung des Linearverdichters in verschiedenen Phasen seiner Oszillation
zu erfassen und mit einem Soll-Bewegungsablauf zu vergleichen, und
den Überlastzustand
festzustellen, wenn die Abweichung der erfassten Auslenkung von
dem Soll-Bewegungsablauf einen dritten Grenzwert überschreitet.
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Die
Aufgabe wird ferner gelöst
durch ein Steuergerät
für einen
Linearverdichter, welches zusätzlich
zu einem Stromsensor zum Erfassen der Stromaufnahme des Linearverdichters und
einer Steuerschaltung zum Steuern der Bewegung des Linearverdichters
anhand der erfassten Stromaufnahme noch einen mit der Steuerschaltung
verbundenen Sensor zum Erfassen der Auslenkung des Linearverdichters
aufweist, wobei vorzugsweise die Steuerschaltung eingerichtet ist,
ein Verfahren wie oben erläutert
auszuführen.
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Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Figuren. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer ersten Ausgestaltung eines Linearverdichters
mit einem Steuergerät
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 eine
perspektivische Ansicht einer zweiten Ausgestaltung eines Linearverdichters
mit Steuergerät;
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3 einen
typischen Verlauf eines Grenzwertes der Stromaufnahme des Linearverdichters der 1 oder 2 als
Funktion von dessen Bewegungsamplitude; und
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4 ein
Diagramm, das einen Soll-Bewegungsablauf des Verdichters sowie verschiedene Beispiele
von Sätzen
erfasster Auslenkungen des Verdichters zeigt.
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Der
in 1 in perspektivischer Ansicht gezeigte Linearverdichter
hat einen steifen, in Draufsicht in etwa U-förmigen Rahmen, der aus drei
Teilen, nämlich
zwei flachen Wandstücken 1 und
einem Bogen 2, zusammengesetzt ist. Zwischen einander zugewandten
Stirnseiten des Bogens 2 und der zwei Wandstücke 1 ist
eine erste Membranfeder 3 eingespannt, eine zweite Membranfeder 4 von
gleicher Gestalt wie die Membranfeder 3 ist an von dem
Bogen 2 abgewandten Stirnseiten der Wandstücke 1 befestigt.
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Die
aus Federblech gestanzten Membranfedern 3, 4 haben
jeweils vier Federarme 5, die sich im Zickzack von den
Wandstücken 1 zu
einem Mittelabschnitt 6 erstrecken, an dem sie zusammentreffen. Der
Mittelabschnitt 6 weist jeweils drei Bohrungen auf, zwei äußere, an
denen mit Hilfe von Schrauben oder Nieten 7 ein permanentmagnetischer
Schwingkörper 8 aufgehängt ist,
und eine mittlere Bohrung, durch die sich bei der Membranfeder 3 eine
an dem Schwingkörper 8 zum
Beispiel durch Verschraubung befestigte Kolbenstange 10 erstreckt.
Die Kolbenstange 10 verbindet den Schwingkörper 8 mit
einem in der Fig. nicht sichtbaren Kolben im Inneren einer Pumpkammer 15,
die von dem Bogen 2 getragen ist. Kältemitteleinlass- und -auslassstutzen
der Pumpkammer 15 sind mit 16 bzw. 17 bezeichnet.
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Zwei
Elektromagnete 9 mit E-förmigem Joch und einer um den
mittleren Schenkel des E gewickelten Spule sind jeweils zwischen
dem Schwingkörper 8 und
den Wandstücken 1 mit
dem Schwingkörper zugewandten
Polschuhen angeordnet und dienen zum Antreiben einer Schwingbewegung
des Schwingkörpers.
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Eine
Steuerschaltung 11 zum Steuern der Erregung der Elektromagnete 9 ist
an einem der Wandstücke 1 montiert.
Die Steuerschaltung 11 kann zum Beispiel einen Wechselrichter
umfassen, der einen sinusförmigen
Erregerstrom mit an die Eigenfrequenz des Schwingkörpers 8 angepasster
Frequenz und variabler Spannungsamplitude an die Elektromagneten 9 liefert,
oder der Spannungsimpulse mit fester Spannungsamplitude, aber variablem
Tastverhältnis
an diese liefert. Im einen wie im anderen Falle regelt die Steuerschaltung 11 über die
Spannungsamplitude oder das Tastverhältnis die mittlere Stromstärke des
von den Elektromagneten 9 aufgenommenen Stroms und damit
deren Leistung.
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Die
Steuerschaltung 11 verfügt über einen eingebauten
und daher in der Fig. nicht sichtbaren Stromsensor zur Erfassung
des Stromflusses durch die Spulen der Elektromagnete 9,
und sie ist mit einem Positionssensor 18 zum zeitaufgelösten Erfassen
der Position des Schwingkörpers 8 verbunden. Der
Positionssensor 18 umfasst hier einen Elektromagneten von
C-förmiger
Gestalt, zwischen dessen zwei einander zugewandten Polschuhen die
Kolbenstange 10 verläuft.
Der Positionssensor 18 ist durch die metallische Membranfeder 3 gegen
Streufelder der Elektromagneten 9 abgeschirmt. In Höhe der Polschuhe
des Positionssensors 18 befindet sich einer von zwei verjüngten Abschnitten 12 der
Kolbenstange 10. Die Kolbenstange 10 ist in den
verjüngten
Abschnitten elastisch biegsam, um eventuelle durch Fertigungstoleranzen
bedingte Ausrichtungsfehler zwischen der Bewegung des Schwingkörpers 8 einerseits
und der des Kolbens in der Pumpkammer 15 andererseits auszugleichen.
Die effektive Breite des Luftspaltes zwischen den Polschuhen des
Positionssensors 18 variiert, je nachdem, wie weit der
eine verjüngte
Abschnitt 12 zwischen die Polschuhe eintaucht. Entsprechend
variiert die Induktivität
der Wicklung des Elektromagneten und damit die Frequenz eines elektrischen
Schwingkreises, in den die Wicklung einbezogen ist. Diese Frequenz,
die wesentlich höher
als die Eigenfrequenz des Schwingkörpers 8 ist, bildet,
somit ein Maß für dessen
Auslenkung, welches von der Steuerschaltung 11 verarbeitet
wird.
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Der
oben beschriebene Positionssensor 18 kann durch einen beliebigen
anderen Typ von Positionssensor ersetzt werden, der in der Lage
ist, zeitaufgelöst
Messwerte der Position des Schwingkörpers 8 zu liefern.
So ist in 2 eine abgewandelte Ausgestaltung
eines erfindungsgemäßen Linearverdichters
gezeigt, bei dem anstelle eines magnetischen ein optischer Positionssensor 18 vorgesehen ist.
Dieser umfasst eine mit dem Schwingkörper 8 fest verbundene
Platte 19 aus einem lichtdurchlässigen Material, auf der in
gleichmäßigem Abstand
sich quer zur Bewegungsrichtung des Schwingkörpers 8 erstreckende
lichtundurchlässige
Streifen angeordnet sind. Die Platte besteht aus Glas oder aus einem gegen
das in der Pumpkammer 15 gepumpte Kältemittel beständigen Kunststoff.
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Am
Joch eines der Elektromagneten 9 sind in einem Gehäuse zwei
Lichtquellen wie etwa Leuchtdioden montiert, die einen gebündelten
Lichtstrahl zu zwei Photodioden senden, die in einem Gehäuse 21 am
Joch des anderen Elektromagneten 9 montiert sind. Je nachdem,
ob die Lichtstrahlen die Platte 19 passieren oder von den
Streifen abgeblockt werden, liefern die Photodioden einen Hell-
oder Dunkel-Signalpegel an die Steuerschaltung 11, die
anhand der Anzahl der Pegelübergänge und
der relativen Phase der von den zwei Photodioden gelieferten Signale Ausmaß und Richtung
der Bewegung des Schwingkörpers 8 verfolgt.
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Die
von dem Positionssensor 18 gelieferte Positionsinformation
wird von der Steuerschaltung 11 in zwei verschiedenen Prozessen
ausgewertet.
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Der
erste Prozess umfasst zunächst
einen Schritt des Ermitteln der Bewegungsamplitude des Schwingkörpers 8 aus
der Folge der vom Positionssensor 18 gelieferten Positionsinformationen.
In einem zweiten Schritt wird aus einem Speicher, in welchem eine
kritische Stromstärke
als Funktion der Bewegungsamplitude gespeichert ist, der der ermittelten
Amplitude entsprechende kritische Stromstärkenwert gelesen. Ein typischer
Verlauf der kritischen Stromstärke
I als Funktion der Auslenkung a ist in 3 durch
eine Kurve c1 dargestellt. Die kritische Stromstärke bei einer gegebenen Bewegungsamplitude
ist definiert als diejenige Stromstärke, die im Dauerbetrieb bei
der betreffenden Amplitude, das heißt im thermischen Gleichgewicht
zwischen den Elektromagneten 9 und deren Umgebung, durch
vom Stromfluss durch die Wicklungen freigesetzte joulesche Wärme einerseits
und in die Umgebung abfließende
Wärme andererseits,
eine maximal zulässige Betriebstemperatur
der Wicklungen ergibt. Diese kritische Stromstärke nimmt mit zunehmender Bewegungsamplitude
zu, denn je stärker
sich der Schwingkörper
bewegt, um so stärker
wird die Luft in der Umgebung der Elektromagnete 9 verwirbelt
und Wärme von
diesen abtransportiert.
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Wenn
die Steuerschaltung 11 erkennt, dass die Stromaufnahme
I der Elektromagnete 9 höher ist, als bei der erfassten
Schwingungsamplitude a zulässig,
so unterbricht einer ersten, einfachen Ausgestaltung zufolge die
Steuerschaltung 11 die Stromversorgung der Elektromagnete 9 und
gibt an einen in der Fig. nicht dargestellten Signalausgang ein
Fehlersignal aus, welches in einem Kältegerät, in welchem der Linearverdichter
eingebaut ist, genutzt werden kann, um einen optischen oder akustischen
Warnsignalgeber zu betätigen
und einen Benutzer so auf eine Störung des Gerätes aufmerksam
zu machen.
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Einer
zweiten Ausgestaltung zufolge reduziert die Steuerschaltung 11,
wenn eine für
die aktuelle Bewegungsamplitude zu hohe Stromaufnahme festgestellt
wird, die Amplitude der Sinusspannung oder das Tastverhältnis der
Spannungsimpulse, die an die Elektromagnete 9 angelegt
werden, um einen vorgegebenen Betrag oder einen vorgegebenen Faktor
und kehrt anschließend
zum Schritt 1 zurück,
so dass der Verdichter mit reduzierter Leistung weiter arbeitet.
So wird im Falle einer Überbeanspruchung des
Verdichters dessen Leistung schrittweise reduziert, bis ein Leistungspegel
erreicht ist, an dem eine Schädigung
des Verdichters durch Überhitzung
sicher ausgeschlossen werden kann.
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Eine
zweite in der Steuerschaltung 11 gespeicherte Kennkurve,
in 3 als strichpunktierte Linie c2 dargestellt, gibt
eine unter normalen Betriebsbedingungen erwartete Bewegungsamplitude des
Schwingkörpers 8 als
Funktion der Stromaufnahme I an. Wenn die Elektromagnete 9 mit
Stromimpulsen von gleichbleibender Spannung und variablem Tastverhältnis gespeist
sind, hat die Kurve c2 einen in etwa linearen Verlauf, wie in 2 gezeigt;
wenn der Speisestrom ein Wechselstrom mit variabler Spannung ist,
hat die Kurve eher einen parabelförmigen Verlauf. In einem vierten
Schritt vergleicht die Steuerschaltung 11, ob die bei dem
gemessenen Amplitudenwert erfasste Stromaufnahme oberhalb oder unterhalb
der Kurve c2 liegt. Liegt sie oberhalb, so weist dies auf eine Behinderung
der Bewegung des Schwingkörpers,
also auf einen mechanischen Schaden des Linearverdichters hin, so
dass die Steuerschaltung 11 in diesem Fall die Stromversorgung
der Elektromagneten 9 unterbricht und ein Fehlersignal ausgibt.
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Aus
der Betrachtung der 3 ist leicht nachvollziehbar,
dass die zwei Kennkurven c1 und c2 auch durch eine einzige Kennkurve
ersetzt werden können,
deren Verlauf bei niedrigen Amplituden unterhalb eines Kreuzungspunktes
von c1 und c2 durch c2 und oberhalb des Kreuzungspunktes durch c1
bestimmt ist, so dass für
jedes Paar aus gemessener Amplitude und gemessener Stromstärke nur
noch ein Vergleich durchgeführt
werden muss, um zu erkennen, ob der Verdichter ordnungsgemäß arbeitet.
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Ein
zweiter von der Steuerschaltung 11 ausgeführter Prozess
wird anhand der 4 erläutert. Diese zeigt, als Funktion
der Zeit t aufgetragen, zwei Sätze
von mit Hilfe des Positionssensors 18 erhaltenen Messpunkten
der Auslenkung des Schwingkörpers,
dargestellt jeweils durch die Symbole + bzw. x. Die Messpunkte werden
z. B. erhalten durch Bilden eines gleitenden Mittelwerts der jeweils
bei einer gleichen Phase, hier t = T·i/8, i = 0, 1, 2,..., 7,
gemessenen Auslenkungen, wobei T die Periode der Bewegung des Schwingkörpers 8 bezeichnet.
Die Steuerschaltung 11 überprüft die ordnungsgemäße Funktion
des Linearverdichters durch Anpassen einer Sinuskurve an die erhaltenen
Messpunkte. So wird zum Beispiel im Fall der mit + bezeichneten
Messpunkte die in dem Diagramm mit s1 bezeichnete Sinuskurve erhalten.
Alle Messpunkte + liegen in einem in der Fig. durch gestrichelte
Sinuskurven begrenzten Intervall von vorgegebener Breite um die
Kurve s1. In diesem Fall wird keine Störung erkannt.
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Im
Fall der mit x bezeichneten Messpunkte stellt die Steuerschaltung 11 zu
den Zeiten t = 3 T/8 bzw. t = 7 T/8 fest, dass die Auslenkung d
außerhalb der
zulässigen
Bandbreite beiderseits der Ausgleichskurve s1 liegt. Der Schwingung
des Schwingkörpers 8 mit
der Periode T ist eine Oberschwingung mit halber Periode überlagert,
die auf eine Funktionsstörung
hinweist. Die Steuerschaltung 11 schaltet daher auch in
diesem Fall die Elektromagneten 9 aus und erzeugt ein Fehlersignal.
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Es
ist wohlgemerkt nicht erforderlich, dass Auslenkungen für alle in 3 gezeigten
Messpunkte jeweils in einer einzigen Schwingungsperiode des Schwingkörpers 8 aufgenommen
werden. Der Zeitabstand zwischen zwei aufeinander folgenden Messungen
der Auslenkung kann beispielsweise (n + m/8) T betragen, wobei n
eine kleine ganze Zahl und m = 1, 3, 5 oder 7 ist.