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Anordnung zur
kleiner Lageänderungen eines Körpers im Raum Die Erfindung betrifft eine Anordnung
zur kapazi-Wtiven Bestimmung kleiner Lageänderungen eines Körpers im Raum, bei der
der Körper mit mehreren je einer Raumkoordinate zugeordneten kapazitgtiven Spannungsteilern
so gekoppelt ist, daß die zwischen je zwei festen Platten bewegliche dritte Platte
eines jeden Spannungsteilers der Bewegungskomponente des Körpers in Richtung der
betreffenden Koordinatenachse entsprechende Bewegungen ausführt.
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Die erfindungsgemäßeAnordnung ist in erster Linie zur Ermittlung
und Sichtbarmachung kleiner räumlicherBewegungen von Körpern, wie z. B. von Schwingungen
oder Stößen sowie von Exzentrizitäten einer umlaufenden Welle bestimmt. Die Erfindung
hat ferner den Vorzug, daß sich die periodischen Lageänderungen des Körpers im Raum
auf dem Schirm eines Kathodenstrahl-Oszillographen anschaulich darstellen lassen.
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Die Erfindung macht von dem Prinzip der bekannten kapazitativen Spannungsteiler
Gebrauch. Es sind kapazitative Sender, z. B. auch in Form kapazitxtiver Spannungsteiler,
bekannt, die zur Bestimmung kleiner und kleinster Verschiebungen geeignet sind.
Dabei ist der Körper, dessen Lageveränderung festgestellt werden soll, mit einer
beweglichen Platte des kapazis tiven Senders so verbunden, daß bei einer Lageveränderung
des Körpers die Kapazität des Senders oder ein Verhältnis zweier Kapazitäten verändert
wird.
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Die vorbekannten Verfahren und Einrichtungen zur Messung kleiner
Lageänderungen eines Körpers auf kapaziAtivem Wege gestatten aber nur die Bestimmung
einer in einer ganz bestimmten Richtung erfolgenden Lageänderung oder Komponente
einer Lageänderung. Mit den bekannten Anordnungen kann man daher die Lageänderungen
nur in einer Dimension ermitteln.
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Um die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich eine Lageänderung
des Körpers beliebiger RichtuNg im Raum, quantitativ festzustellen, muß die Lage
des Körpers in jedem Augenblick nach allen drei Raumkoordinaten bekannt sein. Zu
diesem Zweck wären also drei kapazitative Sender erforderlich, die je einer Raumkoordinate
zugeordnet werden müssen.
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An und für sich könnte man daran denken, die bekannten kapaziXtiven
Sender auch für die Bestimmung der Lageänderung des Körpers im Raum anzuwenden,
indem man drei der bekannten kapaziWtiven Sender, d. h. für jede Raumkoordinate
je einen Sender, benutzt. Die Verwirklichung dieses Gedankens und die praktische
Lösung der Aufgabe in dieser Weise würde aber auf außerordentlich große Schwierigkeiten
stoßen. Es bereitet nämlich großeUmstände, die Verschiebungen in den drei Dimensionen
durch die kapaziAtiven Sender sauber voneinander zu tren-
nen und einwandfreie Meßergebnisse
oder Anzeigen zu erzielen. Der Körper, dessen Lageänderungen im Raum zu bestimmen
sind, müßte mit den beweglichen Platten dreier Kondensatoren, nämlich der drei den
räumlichen Koordinatenachsen zugeordneten kapazinativen Sendern starr gekoppelt
werden. Das würde aber eine außerordentliche komplizierte und unzweckmäßige Einrichtung
ergeben.
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Die Erfindung geht !daher auch einen anderen Weg und macht nicht
von den bisher bekannten kapazl tiven Sendern oder Spannungsteilern zur Bestimmung
der Lageänderungen eines Körpers im Raum Gebrauch. Auch bei der erfindungsgemäßen
Anordnung ist zwar der Körper so mit drei den Raumkoordinaten zugeordneten kapazitsrtiven
Spannungsteilern gekoppelt, daß die zwischen je zwei festen Platten bewegliche dritte
Platte eines jeden der drei Spannungsteiler der Bewegungskomponente des Körpers
in Richtung der betreffenden Koordinatenachse entsprechende Bewegungen ausführt.
Die Erfindung besteht nun aber darin, daß der Körper mit seiner leitenden Oberfläche
unmittelbar die beweglichen Platten aller kapazits,-tiver Spannungsteiler bildet,
indem er zwischen den Paaren feststehender und zu der gegenüberliegenden Oberfläche
des Körpers parallelen Kondensatorplatten der Spannungsteiler angeordnet ist.
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Die Erfindung schlägt also im Gegensatz zu allen bisher bekannten
Anordnungen vor, den Körper so
auszubilden, daß seine Oberfläche
unmittelbar als eine in Richtung der dreiKoordinatenachsenverschiebbare Elektrode
ausgebildet ist. Diese verschiebbare Elektrode ist zwischen drei Paaren feststehender
Kondensatorplatten angeordnet, wobei zwischen jedem feststehenden Plattenpaar in
bekannter Weise eine konstante Wechselspannung liegt. Die Frequenz der Wechselspannungen
an den drei festen Plattenpaaren wird zweckmäßigerweise unterschiedlich gewählt.
Die Meßspannungen, die die räumliche Verschiebung in Richtung der drei Koordinatenachsen
angeben, werden an der Oberfläche des Körpers, also an der gemeinsamen beweglichen
Elektiode einerseits und andererseits an je einer Platte der drei festen Plattenpaare,
abgenommen. Die Spannung zwischen der von dem Körper gebildeten beweglichen Elektrode
und einer Platte eines festen Plattenpaares hängt von dem Abstand der beweglichen
Elektrode, also von der Körper oberfläche von der festen Kondensatorplatte, ab.
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Dagegen ist der absolute kapazitive Wert zwischen der beweglichen
Elektrode einerseits und den festen Kondensatorplatten andererseits für das Spannungsteilungsverhältnis
nicht maßgebend, so daß eine Verschiebung des Körpers parallel zu einem festen Plattenpaar
keine Änderung der Meßspannung gegenüber diesem festen Plattenpaar hervorruft.
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Ein wesentlicher Vorzug der Erfindung ist darin zu erblicken, daß
der Körper, dessen Verschiebung in den drei Koordinatenachsen bestimmt werden soll,
nicht mit beweglichen Kondensatorplatten mechanisch gekoppelt werden muß, sondern
für alle drei kapazitiven Spannungsteiler die beweglichen Kondensatorplatten unmittelbar
darstellt. Dabei ergibt sich die Möglichkeit, den Körper bzw. dessen leitende Oberfläche
zu erden.
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Die erfindungsgemäße Anordnung läßt sich grundsätzlich auf Körper
aller Formen anwenden. Besonders einfache Verhältnisse ergeben sich bei einem quader-
oder würfelförmigen Körper mit leitender Oberfläche, da hier jeder der sechs Seiten
des Körpers eine ebene und feststehende Kondensatorplatte parallel gegenüberliegt
und die sechs feststehenden Kondensatorplatten zusammen mit dem Körper drei kapazitative
Spannungsteiler bilden.
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Aber auch wenn der Körper ein geschlossener Zylinder mit leitender
Oberfläche, z. B. auch eine umlaufende Welle, ist, kann die Erfindung mit Vorteil
benutzt werden. Für diesen Fall ist es zweckmäßig, daß der Mantel des Körpers von
zwei Paaren feststehender kreissektorförmiger Kondensatorplatten konzentrisch so
umgeben ist, daß sich die Platten eines jeden Paares diametral gegenüberliegen und
die Achsen beider Paare senkrecht aufeinander stehen, während ein drittes Paar feststehender
Kondensatorplatten aus je einer jeder Endfläche des Körpers parallel gegenüberliegenden
ebenen Scheibe gebildet wird.
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Mit der erfindungsgemäßen Anordnung lassen sich Ungenauigkeiten,
ungenaue Lagerungen und Exzentrizitäten einer umlaufenden Welle bequem feststellen
und anschaulich wiedergeben. Für die optische Anzeige der mit der erfindungsgemäßen
Anordnung festgestellten Lageänderungen des Körpers ist ein Kathodenstrahl-Oszillograph,
der zwei Ablenkplattenpaare hat, besonders gut geeignet, da er ein anschauliches
Bild von den periodischen Lageänderungen gibt.
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Um die Lageänderungen des Körpers nach allen drei Koordinatenachsen,
d. h. die Meßspannungen aller drei kapazitativen Spannungsteiler bei der optischen
Anzeige durch den Kathodenstrahl-Oszillographen zu beriicksichtigen, geht man am
besten so vor, daß die
drei Paare feststehender Kondensatorplatten an dem Eingang
je eines Verstärkers liegen und der Ausgang des einen Verstärkers unmittelbar mit
dem einen Paar Ablenkplatten und die Ausgänge des zweiten und dritten Verstärkers
mit dem zweiten Paar Ablenkplatten über eine Schaltung verbunden sind, die die Ausgangsspannung
des zweiten Verstärkers mit dem Sinus eines beliebigen Winkels und die Ausgangsspannung
des dritten Verstärkers mit dem Kosinus des gleichen Winkels multipliziert.
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Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin,
daß der Körper, dessen Lageänderungen festgestellt werden sollen, überhaupt nicht
in mechanischer Hinsicht beeinflußt wird, daß keine seine Trägheit erhöhenden oder
eine Reibung bewirkenden Kopplungsmittel mechanischer Art vorgesehen werden müssen.
Der Körper wird in seiner Bewegungsfreiheit nicht im geringsten beeinträchtigt und
steht mit keinem Teil der eigentlichen Meßanordnung in Verbindung.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung
gehen aus den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung hervor,
die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt Fig. 1 das vereinfachte Schema der
Messung von Lageänderungen in bezug auf drei Achsen OX, OY, OZ mittels dreier kapazitativer
Spannungsteiler, Fig. 2 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung, in
der der Körper ein Würfel ist, Fig. 2 A eine Ausführung mit offenem, »schwimindem«
Lager, Fig. 3 eine Ausführungsform der Anordnung für die Messung von Verschiebungen
eines zylindrischen Körpers, z. B. einer rotierenden Welle, Fig. 4 die elektrische
Schaltung der Kondensatorplatten eines Spannungsteilers der in Fig. 3 gezeigten
Anordnung, Fig. 5 eine schematische Anordnung der Kombination der in Fig. 3 gezeigten
Vorrichtung für die Messung von Verschiebungen in bezug auf die beiden rechtwinklig
zur Welle stehenden Achsen OY, OZ mit einem als Anzeiger verwendeten Kathodenstrahl-Oszillographen,
Fig. 6 eine schematische Anordnung des Schaltschemas für die Vorrichtung von Fig.
3 unter Verwendung eines Kathodenstrahl-Oszillographen für die sichtbare Darstellung
der Verschiebung der rotierenden Welle in drei Dimensionen, Fig. 7 das Aussehen
der einer gewissen Verschiebung im Raum der rotierenden Welle entsprechenden Kurven,
Fig. 8 eine schematische Ansicht einer Schaltung, die die Orientierung der zu beobachtenden,
auf dem Oszillographenschirm gezogenen Kurve in bezug auf einen physikalischen Punkt
der rotierenden Welle ermöglicht, Fig. 9 ein allgemeines Schaltschema, das die Anwendung
der Vorrichtung von Fig. 2 für die sichtbare Anzeige und Bestimmung der Verschiebungen
eines Körpers in einem Koordinatensystem mit drei Achsen entsprechend den drei Dimensionen
im Raume zeigt, und Fig. 10 eine schematische Anordnung eines fernerhin möglichen
Verfahrens zum Messen von Verschiebungen durch Kompensation nach dem Nullverfahren.
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Fig. 1 zeigt schematisch ein Verfahren für die Messung von Verschiebungen
eines Punktes O im Raume mittels eines elektronischen Meßgerätes mit drei Doppelkapazitoren.
Drei die Achsen OX, OY und OZ bildende Stangen sind starr mit dem Punkt O gekoppelt,
dessen
Verschiebung gemessen werden soll, wodurch sie ein starres System in Form eines
dreifach rechteckigen Dreiflächers bilden. Auf jeder dieser Achsen und rechtwinklig
dazu ist je eine bewegliche Elektrode 1, 1', 1" befestigt, welche sich zwischen
den festen Elektroden 2, 3; 2', 3'; 2", 3" bewegen können und so drei Koppelkondensatoren
bilden. Es ist zu bemerken, daß die Ablesungen, die von den Meßgeräten wiedergegeben
werden, von dem Verhältnis der Kapazitäten, wie 1-2 und 1-3, abhängig sind und daß
dieses Verhältnis nicht durch das Gleiten der beweglichen Elektrode 1 in Richtung
der beiden anderen Achsen OY und OZ beeinträchtigt wird, so daß die Messungen der
Verschiebungen in bezug auf die drei Achsen völlig unabhängig voneinander sind,
vorausgesetzt, daß keine Drehung stattfinden kann.
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Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform eines Dreifachmeßgerätes, welches
sich für die Messung von Schwingungen mechanischer Teile, z. B. von Maschinengestellen,
eignet, wo Drehungen außer acht gelassen werden können. Ein Würfel oder ein rechtwinkliges
Parallelopipedon 4 ist elastisch in einem aus drei Paaren fester Platten 2, 3; 2',
3'; 2", 3" gebildeten Gehäuse angebracht, wobei diese festen Platten mechanisch
miteinander gekoppelt und an dem zu messenden Maschinengestell befestigt, jedoch
elektrisch voneinander abisoliert sind. Der feste, zentral gelegene Körper, welcher
die gemeinsame Elektrode bildet, ist durch einen biegsamen Draht mit »Erde« verbunden,
wobei ein notwendiger und ausreichender dielektrischer Raum zwischen der gemeinsamen
Elektrode und den Außenplatten vorgesehen ist.
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Es ist klar, daß die festen Platten nicht eine der gesamten Oberfläche
des Parallelopipedons entsprechende Fläche haben müssen und, falls notwendig, mit
Zwischenraum für den Zutritt zur zentralen Elektrode, wenn diese beispielsweise
als Lager verwendet wird, versehen sein können. Die gegenseitigen Anordnungen der
verschiedenen Teile können in je nach den Erfordernissen für die Anbringung und
des beanspruchten Raumes geändert werden. Beispielsweise wird in Fig. 2A ein aufklappbares
Lager 30, welches auf einer Grundplatte 31 mittels vier federnder Supporte 32 ruht,
für Messungen in einer Ebene verwendet. Die Elektroden 3', 2' fiir die Achse OX
sind in genau der gleichen Weise wie die in Fig. 1 gezeigten angeordnet, wobei die
Platte 1' starr mit dem Lager 30 gekoppelt ist, während die Elektroden 3", 2" für
die Achse OZ gemäß Fig. 2 angeordnet sind.
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Fig. 3 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform eines Dreifachmeßgerätes
für die Messung von Verschiebungen einer rotierenden Welle 6. Diese Welle kann sich
entlang den Achsen OY, OZ unter der Wirkung von Biegekräften oder dynamischen Kräften
bewegen, welche aus einem Ungleichgewicht entstehen; außerdem kann sie entlang der
Achse OX schwingen.
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In dieser Ausführungsform wird die gemeinsame bewegliche Elektrode
des Dreifachmeßgerätes durch einen auf der Welle 6 verkeilten Zylinders 7 gebildet.
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Der Außenumfang des Zylinders 7 wird von zwei Plattenpaaren 2', 3';
2", 3" umgeben, von denen jede Platte eine gebogene Form hat, so daß sie parallel
zu dem Außenumfang des Zylinders liegt, wobei die Platten jeweils rechtwinklig zu
der Achse OY, OZ liegen. Jedes dieser Plattenpaare bildet mit dem Zylinder 7 einen
Doppelkondensator. Wenn die Platten ausreichend schmal sind und der dielektrische
Zwischenraum angemessen ist, so kann die Wirkung der Plattenkrümmung und der zylindrischen
Oberfläche außer acht gelassen werden, und die Erfahrung hat gezeigt,
daß, wenn der
Zylinder 7 senkrecht zu seiner Achse OX bewegt wird, sich die beiden durch den Zylinder
7 und die Platten 2', 3' bzw. durch den Zylinder 7 und die Platten2", 3" gebildeten
Meßgeräte genau wie Meßgeräte mit ebenen Platten verhalten. Für die Messung von
Verschiebungen in bezug auf die Achse OX werden die Scheiben 2, 3 als feststehende
Elektroden verwendet, die die Welle umgeben und die mit den beiden den Zylinder
7 an seinen beiden Enden schließenden geraden Flächen zusammenwirken. Das so erzielte
Meß- un!d/oder Anzeigesystem ist völlig ohne Reibung und ermöglicht die fehlerlose
Messung von Verschiebungen der Welle, die von dynamischen Kräften herrühren können.
Die zentral gelegene Elektrode kann durch die Welle selbst gebildet werden, deren
Exzentrizität bei niedrigen Geschwindigkeiten gemessen werden kann, was ein wichtiger
Fehler ist, der zu oft übersehen wird.
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Fig. 4 ist eine schematische Veranschaulichung der Schaltung der
Platten eines der drei im vorgehenden System erwähnten Kondensatoren, d. h. des
die Messung der vertikalen Verschiebung entlang der Achse OZ ermöglichenden Meßgerätes.
Die festen Platten 2", 3" sind in A bzw. B mit den Klemmen einer Induktionsspule
11 verbunden, die bei 11' mit einem einen Hochfrequenzstrom liefernden Oszillator
gekoppelt ist. Mit diesen beiden Klemmen sind zwei reihengeschaltete Kondensatoren
12 und 13 verbunden. Der Zylinder 7 ist in D geerdet; er bildet mit den festen Platten
2", 3" zwei Kondensatoren, welche mit ffen beiden Kondensatoren 12 und 13 einen
doppelten Spannungsteiler nach Art einer Wheatstoneschen Brücke bilden, die so eingestellt
ist, daß sie sich innerhalb des Meßbereiches immer im Ungleichgewicht befindet.
Jede Verschiebung der Welle 6 entlang der Achse OZ verursacht eine Schwankung der
dem Eingang des Verstärkermeßgeräts V zugeführten Spannung und ergibt ein Maß für
die Verschiebung, das unabhängig von dem Rotieren der Welle ist.
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Fig. 5 zeigt schematisch, wie eine sichtbare Wiedergabe der Schwingungen
einer rotierenden Welle 6 in bezug auf die rechtwinklig zu ihrer Achse OX stehenden
Achsen OY und OZ, mittels der oben beschriebenen Vorrichtung und eines Kathodenstrahl-Oszillographen
erzielt werden kann. Der Zylinder 7 ist ständig geerdet; die festen Platten 2",
3", welche zur Messung der horizontalen Verschiebung entlang der senkrecht zur Achse
OX stehenden Achse OY dienen, sind mit der Meßvorrichtung 14' verbunden, die aus
dem Oszillator und der Meßbrücke sowie einem Verstärker besteht und an ihren Ausgangsklemmen
eine Spannung entsprechend der Verschiebung der Welle 6 entlang der Achse OY liefert.
Diese Spannung wird den horizontalen Ablenkplatten 15', 16' eines Kathodenstrahl-Oszillographen
zugeführt. In ähnlicher Weise sind die Platten 2", 3", welche die Verschiebung entlang
der Achse OZ messen, mit Ider Gruppe 14" ähnlich der 14' verbunden, die an ihrem
Ausgang eine Gleichspannung entsprechend der Verschiebung der Welle 6 entlang der
Achse OZ liefert, die den vertikalen Ablenkungsplatten 15", 16" eines Kathodenstrahl-Oszillographen
zugeführt wird. Die Tatsache, daß der Leuchtpunkt der Verschiebung der Welle folgt,
kann, wenn die Welle 6 sich in Ruhe befindet und eine gewisse Biegsamkeit besitzt,
durch Druck mit den Fingern auf die Welle geprüft werden. Diese Bewegung entspricht
der momentanen Verschiebung und kann geeicht werden, wenn die Welle in Ruhe ist.
Wenn die Welle beim Drehen vibriert, so wird der Leuchtpunkt den Bewegungen der
Welle folgen und eine Kurve schreiben,
die bequem auf einem Schirm
mäßiger Nachtleuchtdauer beobachtet werden kann, auch -bei niedrigen Drehgeschwindigkeiten.
Bei gleich;bleibenden Geschwindigkeiten sind die Schwingungen der Welle gewöhnlich
periodisch, und der Leuchtpunkt zeichnet eine geschlossene, feststehende Kurve,
die eine dynamische Prüfung der Maschine ermöglicht, wobei z. B. ein Ungleichgewicht
oder ein Wuchtfehler aufgedeckt werden kann. Um die Orientierung der Kurve in bezug
auf die Welle, z. B. zum Bestimmen der Richtung eines Ungleichgewichtes, zu ermöglichen,
kann die Anlage nach Fig. 8 vervoldlständigt werden. Ein Nocken 18 kann auf der
Welle 6 angebracht sein, wobei der Nocken eine Nase 19 hat, die bei jeder Umdrehung
einen Kontakt 20 schließt. Dieser Kontakt kann auf den Wehneltzylinder des Oszillographen
einwirken und die Helligkeit des Leuchtpunktes steigern, so daß bei jeder Umdrehung
in der Kurve je nach der Stellung der Nase des Nockens 18 auf der Welle 6 ein hellerer
Punkt 21 (Fig. 5) sichtbar wird.
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Infolge der Wirkung der schädlichen Kapazitäten zwischen den festen
Elektroden 2', 3' und 2", 3" besteht die Möglichkeit der Entstehung von Überlagerungsfrequenzen
zwischen den beiden Kanälen. Um dies zu vermeiden, müssen die Frequenzen der Oszilla
toren unterschiedlich gewählt werden, oder es muß umgekehrt ein gemeinsamer Oszillator
für beide Kanäle 14' und 14" verwendet werden.
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Wenn zusätzlich zu den Vibrationen der Welle 6 die Messung ihrer
Gleitbewegung in bezug auf die Achse OX erwünscht ist, so wird ein zusätzliches
Meßgerät (Fig. 6) benutzt, welches aus den festen Elektroden 2, 3, die mit den Seitenflächen
9, 10 des Zylinders 7 oder mit einem auf der Welle 6 gebildeten angesetzten Stück
zusammenwirken, besteht. Dieses System ist mit einer Gruppe 14 ähnlich den Gruppen
14' und 14" von Fig. 5 verbunden, die an ihren Ausgangsklemmen eine der Verschiebung
entlang der Achse OX proportionale Spannung liefert, die getrennt abgelesen werden
könnte. Zum Zwecke einer Analyse ist es jedoch von Interesse zu wissen, welche Beziehung
zwischen den Amplituden und der Phase der Schleife in Richtung der Achse OX und
den Verschiebungen entlang den Achsen OX und OZ besteht In einer vorzugsweisen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann aber ein einziger Oszillograph verwendet werden,
um eine sichtbare Darstellung der Verschiebungen der Welle im Raum in bezug auf
die Achsen OX, OY, OZ wiederzugeben, wobei die Darstellung in einer Ebene ablesbar
sein kann.
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Dies läßt sich durch Verwendung der in Fig. 6 gezeigten Anordnung
erreichen. In dieser Anordnung ist ersichtlich, daß die Platten 2', 3' über die
Gruppe 14', wie oben angegeben, auf die vertikalen Ablenkplatten 15', 16' des Kathodenstrahl-Oszillographen
wirken.
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Den horizontalen Ablenkplatten 15", 16" wird eine Spannung zugeführt,
die gleich der Summe der Ausgangsspannung von 14" multipliziert mit dem Kosinus
eines willkürlichen Winkels a und der Ausgangsspannung der Gruppe 14 multipliziert
mit dem Sinus dessellien Winkels ist. Die Multiplikation erfolgt einfach durch Einwirkung
auf die Verstärkung der Gruppen 14 und 14"; die Addition der beiden Potentiale kann
mittels eines Doppel-Sinus-Kosinus-Potentiometers 22 erfolgen, das auch durch zwei
lineare, mechanisch nach einer Sinus- und Kosinus-Verstellung betätigte Potentiometer
verwirklicht werden kann.
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Fig. 7 zeigt das Aussehen der mit diesem System erzielten Kurven.
Es ist angenommen, daß der Mittel-
punkt 30 der Welle an der Stelle, an der die Messung
vorgenommen wird, eine kreisende Bewegung um die wirkliche Umwälzachse in der Ebene
OY, OZ beschreibt und zusätzlich entlang der Achse OX gleitet.
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Wenn zunächst die Messung der Verschiebung entlang OX außer acht gelassen
wird (indem die Verstärkung in der Gruppel4 auf Null herabgesetzt wird), so ergeben
sich die Kurven A, B, C, D durch Veränderung der Verstärkung der Gruppe 14". Wenn
die durch 14" gelieferte Verstärkung gleich der von 14' gelieferten ist, so wird
in A ein Kreis erzielt werden, genau wie es bei der Schaltung von Fug. 5 der Fall
war.
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Wenn die Verstärkung herabgesetzt wird, wird die beobachtete Kurve
eine Ellipse, die sich allmählich mehr und mehr abflacht, genau so, als wenn man
die Welle längs einer Linie, die mit !der wirklichen Umwälzachse einen Winkel a
bildet, erblicken würde, sofern die Verschiebung in der Ebene OY, OZ genügend groß
ist, um für das bloße Auge sichtbar zu sein. Wenn die Verstärkung von 14" gleich
Null ist, was einer Beobachtung längs der Achse OY entspricht, so wird die Kurve
auf eine gerade Linie D reduziert.
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Wenn nun zu der Ausgangsspannung von 14" die Ausgangsspannung der
Gruppe 14 entsprechend der Verschiebung entlang OX multiptliziert mit dem Sinus
des Winkels hinzugefügt wird, so werden aus den Kurven A, B, C, D die Kurven H,
G, F, E, welche der Bahn des im Raum aus einem Winkel a gesehenen Punktes 30 entsprechen.
Dieses Verfahren liefert eine gute visuelle Darstellung der Erscheinung. Für eine
zahlenmäßige Auswertung sind vorzugsweise die Kurven H und E zu benutzen, von denen
die erste die beiden Verschiebungen in bezug auf OY und OZ und die zweite die Verschiebungen
in bezug auf OX und OZ wiedergeben.
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Die in Fig. 9 gezeigte Ausführungsform ist eine erweiterte Form des
in Fig. 6 gezeigten schematischen Systems, das jedoch in diesem Falle die Bauart
der in Fig. 2 gezeigten Doppelkondensatorvorrichtung enthält.
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Jeder der drei Doppelkondensatoren 2 4 3; 2', 4 3'; 2", 4, 3" wird
mit Wechselstrom, vorzugsweise mit Hochfrequenz, über Induktionsspulen 23, 23',
23" gespeist, die mit den mit einem Hochfrequenzgenerator H, F verbundenen Induktionsspulen
24, 24', 24" gekoppelt sind. Es können jedoch in den drei Kanälen verschiedene Frequenzen
verwendet werden. Die gemeinsamen Punkte der Reihenkondensatorpaare 12, 13', 12'
13'; 12", 13" sind mit den Einheiten V, V', V" verbunden, die je einen ein- und
mehrstufigen Hochfrequenzverstärker, einen Gleichrichter, einen Gleichstromverstärker
und ein Meßinstrument enthalten können.
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Das mit den festen Elektroden 2', 3' in Verbindung stehende Gerät
V' ist mit den vertikalen Ablenkplatten 15', 16' eines schematisch gezeigten Kathodenstrahl-Oszillographen
CR verbunden. Die Ausgänge der Kanäle V, V" werden vereinigt und an die horizontalen
Ablenkplatten 15", 16" gelegt, wobei die Vereinigung dieser Ausgänge durch PotentiometerP,
P" erfolgt, deren Kontaktarme mit den Platten 15", 16" verbunden sind.
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Dadurch ist die zwischen den Platten 15", 16" vorhandene Spannung
die Summe von zwei Spannungen, von denen eine die dem Kanal V entnommene Spannung
multipliziert mit dem Kosinus eines willkürlichen Winkels a von beispielsweise 300
ist, während die andere die dem Kanal V" entnommene Spannung multipliziert mit sin
a ist. Auf diese Weise definiert die Lage des Leuchtpunktes S auf dem Schirm der
Röhre CR die momentane Lage eines Punktes auf dem Körper 4 in bezug auf drei rechtwinklig
zueinander
stehende Koordinatenachsen, die den drei Dimensionen
im Raume entsprechen.
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Fig. 10 veranschaulicht schematisch eine weitere Anwendungsmöglichkeit
des Gerätes. Diese besteht darin, daß eine zylindrische Elektrode 7' synchron mit
einem auszuwuchtenden Glied 7 rotiert, wobei die Elektrode 7 mechanisch ausgewuchtet
wird, jedoch eine elektrostatische Asymmetrie aufweist, was leicht mittels eines
exzentrisch auf der Welle 6' angebrachten Zylinders erreicht werden kann, wobei
das das Ungleichgewicht hervorrufende Material durch Spanabhebung in üblicher Weise
beseitigt wird.
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Um die zylindrische Elektrode 7 herum sind vier mechanisch miteinander
gekoppelte, jedoch elektrisch gegeneinander isolierte Elektroden 32', 33'; 32",
33" angebracht. Die Gruppe bildet eine Einrichtung ähnlich der vorher beschriebenen
Meßvorrichtung.
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Außerdem sind Mittel vorgesehen, um die vier zusätzlichen Elektroden
entsprechend dem Pfeil F zu drehen und sie auch in axialer, durch den Pfeil F' angedeuteten
Richtung zu verschieben, damit die aktive Fläche der Elektroden je nach dem gegenüber
der zentral gelegenen Elektrode angebrachten Teil verändert werden kann. Es sind
also somit wirksame Mittel vorhanden, um ein fiktives Ungleichgewicht zu schaffen,
dessen Winkel stellung und absolute Größe beliebig nach einem bekannten Maßstab
geändert werden können.
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Wenn nun die beiden Meßvorrichtungen, von denen die eine das wirkliche
Ungleichgewicht und die andere das fiktive Ungleichgewicht anzeigt, parallel geschaltet
werden, so kann die algebraische Summe der Verschiebungen abgelesen werden, und
diese Summe läßt sich dann durch Längs- und Seitenverstellung der zusätzlichen Elektroden
auf Null bringen.
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Es gibt auch ein genaues Verfahren, um die Winkelwerte und die Lage
der Verschiebungen des auszuwuchtenden Teiles mittels des Nullverfahrens abzulesen.
Die Nullablesung kann nicht nur mittels eines Oszillographen, wie oben angegeben,
sondern auch durch Verwendung von üblichen Integrationsverfahren oder durch Gegenschaltung
vorgenommen werden.
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Beispielsweise erhält man durch getrenntes Integrieren der einerseits
aus dem wirklichen Ungleichgewicht und andererseits aus dem fiktiven Ungleichgewicht
resultierenden Wechselströme und dann durch Gleichmachen der Werte der beiden entsprechenden
mittleren Ströme durch Längsverschiebung der Elektrode den Wert des Ungleichgewichtes
größenmäßig. jedoch nicht richtungsmäßig. Die beiden jetzt gleichen Wechselstromwerte
werden jetzt ohne Integration in Gegenphase durch Drehen der Elektroden gebracht,
was die Winkelstellung des Ungleichgewichtes ergibt.
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Die Längs- und Kreisverschiebungen können automatisch ausgeführt
und durch Überschreitung des Gleichgewichtspunktes gesteuert werden, wobei die zwei
erwähnten Messungen nach dem Nullverfahren ausgeführt werden.
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Für die Achsen OX, OY, OZ können ein, zwei oder drei Kanäle verwendet
werden, die entweder zusammengefaßt oder, wenn die Messungen in einer Ebene als
ausreichend angesehen werden, getrennt sind.
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Unter Verwendung des gleichen Meßgerätes, jedoch mit Verbindung der
gegenüberliegenden äußeren Elektroden kann auch die Summe von zwei Kapazitäten an
Stelle des Kapazitätverhältnisses gemessen werden; auf diese Weise können auch die
Schwankungen im Durchmesser eines rotierenden Gliedes, welches beispielsweise einer
durch Zentrifugalkräfte verursachten Verformung unterliegt, oder eines gleitenden
Gliedes,
welches einem inneren, uIbeispiellswteise,durch die Verbrennung eines Pulvers,
verursachten Druck unterliegt, ohne Berührung dieses Gliedes und mit verhältnismäßiger
Unabhängigkeit von seiner Lage bestimmt werden.
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Im Falle von Messungen an rotierenden Gliedern ermöglicht eine niedrige
Drehgeschwindigkeit Exzentrizitätsmessungen bei Abwesenheit von dynamischen Kräften;
diese Messung kann jedoch auch mit einem geringeren Genauigkeitsgrad durch Verwendung
von nur einer der zwei Kapazitäten jeder Gruppe vorgenommen werden.
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Das Fehlen mechanischer Trägheit und das schnelle Ansprechen der
elektronischen Kreise ermöglicht genaue Ablesungen, auch wenn die Messung nur über
einen Bruchteil einer Umdrehung vorgenommen wird.
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Besonders wenn die bewegliche Elektrode ein rotierender Zylinder
ist, kann deren äußere Oberfläche durchbrochen sein. Zum Beispiel können beim Rotor
einer Turbine, wenn für die Unterbringung von vier Elektroden im Stator gesorgt
ist, die vier Platten gegenüberstehen, so können das Spiel an den Spitzen der Platten,
die Gleichmäßigkeit ihrer Abstände und ihre Exzentrizitäten sämtlich mit einer,
zwei oder vier Elektroden, wie vorstehend angegeben, gemessen werden. Auch wenn
der Rotor mit hoher Geschwindigkeit läuft, können die daraus sich ergebenden dynamischen
Verformungen gemessen und/oder angezeigt werden.
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PATETANSPROCHE: 1. Anordnung zur kapazibtativen Bestimmung kleiner
Lageänderungen eines Körpers im Raum, bei der der Körper mit mehreren je einer Raumkoordinate
zugeordneten kapazitativenSpannungsteilern so gekoppelt ist, daß die zwischen je
zwei festen Platten bewegliche dritte Platte eines jeden Spannungsteilers der Bewegungskomponente
des Körpers in Richtung der betreffenden Koordinatenachse entsprechende Bewegungen
ausführt, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper mit seiner leitenden Oberfläche
unmittelbar die beweglichen Platten aller kapazilativer Spannungsteiler bildet,
indem er zwischen den Paaren feststehender und zu der gegenüberliegenden Oberfläche
des Körpers parallelen Kondensatorplatten der Spannungsteiler angeordnet ist.