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Anordnung zur Erzeugung einer von der Amplitude einer Schwingung abhängigen
mechanischen Verstellung Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung einer
von der Amplitude einer Schwingung abhängigen mechanischen Verstellung
-gemäß der Hauptpatentanmeldung S 50918 IX b / 42c vom 18.10.1956, die insbesondere
zur Verwendung als Resonanzempfänger mit mechanischen Schwingungselementen vorgesehen
ist.
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In der Hauptpatentanmeldung ist eine solche Anordnung beschrieben,
bei der die Schwingung eines mechanisch schwingungsfähigen Elementes über einen
Kopplungsluftspalt auf ein in der abzutastenden Schwingungsrichtung verstellbares
Abtastorgan einwirkt. Das Abtastorgan ist dem Einfluß einer zusätzlichen Kraft in
der gewünschten Verstellrichtung ausgesetzt, welche der von dem mechanischen Schwingungselement
über den Kopplungsluftspalt auf das Abtastorgan ausgeübten Kraft entgegenwirkt,
wobei die beiden Kräfte so gerichtet und bemessen sind, daß das Abtastorgan nach
erfolgter Auslenkung in die Ruhelage zurückgeführt wird, und die Trägheit des Abtastorgans
so bemessen ist, daß dieses selbst raschen Amplitudenänderungen der abzutastenden
Schwingungsfolge, nicht aber den Einzelschwingungen des mechanisch schwingungsfähigen
Elements folgen kann. Die Kopplung zwischen dem Schwingungselement und dem Abtastorgan
erfolgt auf magnetischem Wege, und die zusätzlich auf das Abtastorgan ausgeübte
Kraft ist ebenfalls magnetisch. Die sich an dem Kopplungsluftspalt gegenüberstehenden
Abschnitte des mechanisch schwingungsfähigen Elements und des Abtastorgans weisen
zweckmäßigerweise ausgeprägte Pole auf, deren räumliche Abmessung in Richtung der
abzutastenden Schwingung klein gegenüber der abzutastenden Schwingungsamplitude
ist. Dabei können zwecks Erzeugung der Kraftwirkung zwischen dem mechanisch schwingungsfähigen
Element und dem Abtastorgan die einander gegenüberliegenden Stellen des Kopplungsluftspaltes
mit magnetischen Polen gleicher oder entgegengesetzter Polarität versehen sein.
Zur Erzielung eines bestimmten gesetzmäßigen Zusammenhangs zwischen dem Ausschlag
des Abtastorgans und der Schwingungsamplitude des schwingenden Elements wird die
zusätzlich auf das Abtastorgan wirkende Kraft über den Verstellweg desselben konstant
oder in bestimmter Weise von diesem Weg abhängig gemacht.
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Im Falle der Abtastung einer mechanischen Schwingung wird diese Schwingung
auf das mechanisch schwingungsfähige Element durch ein mechanisches Kopplungsglied
übertragen. Soll dagegen eine elektrische Schwingung abgetastet werden, so wird
diese auf das mechanisch schwingungsfähige Element entweder elektromagnetisch mittels
einer Spule oder elektrostatisch mittels eines Kondensators übertragen. In allen
Fällen besitzt das mechanisch schwingungsfähige Element eine oder mehrere Eigenfrequenzen,
welche im Frequenzbereich der abzutastenden Schwingung liegen.
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Das Abtastorgan nimmt dabei stets eine Lage ein, welche in bestimmtem
Zusammenhang mit der Schwingungsamplitude des schwingungsfähigen Elements steht.
Im einfachsten Fall ist beispielsweise der Ausschlag des Abtastorgans der Schwingungsamplitude
proportional. Praktisch entspricht die Wirkungsweise dieses Abtastorgans einer magnetomechanischen
Spitzengleichrichtung der Schwingung des schwingungsfähigen Elements. Wenn man diese
Gleichrichtung mit der Wirkung eines elektrischen Spitzengleichrichters vergleicht,
so entspricht die Amplitude der Schwingung des schwingungsfähigen Elements der Amplitude
der elektrischen Wechselspannung, während die Auslenkung des Abtastorgans dem Wert
der gleichgerichteten elektrischen Spannung entspricht.
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Der Ausschlag des Abtastorgans kann nicht nur zum Schließen von Kontakten
ausgenutzt werden, wobei bei einer ganz bestimmten Schwingungsamplitude des schwingungsfähigen
Elements ein eindeutiger Kontaktschluß entsteht, der bei Aufrechterhaltung
oder
Vergrößerung der Schwingungsamplitude unterbrechungslos erhalten bleibt, sondern
er kann auch vorteilhafterweise zur Steuerung von Nachlauforganen oder direkt zur
Aufzeichnung des Spitzenwertes der Schwingung verwendet werden. Darüber hinaus kann
diese Anordnung überall dort mit Erfolg angewendet werden, wo es sich um die Erzeugung
einer von der Amplitude einer Schwingung abhängigen mechanischen Verstellung handelt,
welche in definiertem Verhältnis zur Schwingungsamplitude steht.
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Es hat sich gezeigt, daß die nutzbare Leistung des Abtastorgans erheblich
vergrößert werden kann, wenn die von dem mechanischen Schwingungselement über den
Kopplungsluftspalt auf das Abtastorgan ausgeübte Kraft und die zusätzlich in der
gewünschten Verstellungsrichtung auf das Abtastorgan ausgeübte Kraft gleichzeitig
verstärkt werden. Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß an der dem
schwingungsfähigen Element abgewandten Seite des Abtastorgans ein Hilfsmagnet mit
flächenförmigen Polen angebracht ist, wobei der dem Abtastorgan zugewandte Pol des
Hilfsmagnets die entgegengesetzte Polarität wie das Schwingungselement besitzt und
die Polmitte so angeordnet ist, daß die Polfläche eine in der gewünschten Verstellrichtung
auf das Abtastorgan wirkende Kraftkomponente erzeugt.
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Dieser Hilfsmagnet verstärkt einerseits die über den Kopplungsluftspalt
von dem schwingenden Element auf das Abtastorgan ausgeübte Kraft und erzeugt andererseits
infolge seiner Anordnung eine zusätzliche Kraftwirkung in Richtung zur Polmitte
dieses Magnets hin, d. h. in der gewünschten Verstellungsrichtung des Abtastorgans.
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Ferner hat es sich herausgestellt, daß die Wirkung des Hilfsmagnets
noch dadurch erhöht werden kann, daß die dem Hilfsmagnet zugewandte Fläche des Abtastorgans
vergrößert wird. Dies kann gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung
dadurch geschehen, daß das Abtastorgan L-förmig ausgeführt und so angeordnet ist,
daß die Außenkante des einen Schenkels mit der Seitenkante des zugehörigen schwingenden
Elements einen Kopplungsluftspait bildet, während die Seitenfläche des anderen Schenkels
dieses Abtastorgans dem flächenförmigen Gegenpol des Hilfsmagnets gegenüberliegt.
Die in der gewünschten Verstellrichtung auf das Abtastorgan ausgeübte Kraft läßt
sich gegebenenfalls durch Anbringen einer oder mehrerer Federn verstärken. Offensichtlich
kann auch, falls dies als ausreichend erachtet wird, die gesamte in der Verstellrichtung
auf das Abtastorgan wirkende Kraft mechanisch, z. B. mittels Federn erzeugt werden.
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In Anbetracht der Analogie zwischen magnetischen und elektrostatischen
Anziehungskräften liegt es auf der Hand, bei der oben beschriebenen Anordnung die
auf das Abtastorgan einwirkenden Kräfte auf elektrostatischem anstatt auf magnetischem
Weg zu erzeugen. Zur Verstärkung dieser Kräfte wäre dann an Stelle des Hilfsmagnets
ein entsprechend polarisierter elektrischer Ladungsträger anzubringen.
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Eine beispielsweise Ausführung der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt. Darin ist Fig. 1 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Anordnung,
Fig. 2 eine Oberansicht der Anordnung von Fig. 1 und Fig. 3 eine Vorderansicht der
Abtastorgane und der Hilfsmagnete.
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Die Zeichnung zeigt eine Anordnung mit zwei schwingungsfähigen Elementen,
wobei jedem schwingungsfähigen Element je ein Abtastorgan und ein Hilfsmagnet zugeordnet
sind. Es ist jedoch offensichtlich, daß die Erfindung ebensogut auf Anordnungen
mit nur einem schwingungsfähigen Element und einem Abtastorgan angewendet werden
kann, wobei in diesem Fall nur ein Hilfsmagnet vorgesehen zu werden braucht.
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Die in der Zeichnung dargestellte Anordnung besteht in bekannter Weise
aus einem Weicheisenkern 10, beispielsweise aus lamellierten Dynamoblech, welcher
die Spule 11 trägt, der die Signalwechselspannung zugeführt wird. Zweckmäßigerweise
wird der Spule 11 ein Kondensator 12 vorgeschaltet, welcher in bekannter
Weise mit dieser Spule einen Serienresonanzkreis bildet, der auf die Frequenz der
Signalspannung abgestimmt ist. Durch einen Erregerluftspalt wird der Weicheisenkern
10 in zwei Schenkel aufgeteilt. Ein Permanentmagnet 13 ist mit seinem einen Pol,
beispielsweise mit dem Pol S, magnetisch mit dem einen Schenkel des Weicheisenkerns
10 verbunden, während der andere Pol vom Weicheisenkern abgewandt und mit einem
Polschuh 14 versehen ist. Der Polschuh trägt an seinem anderen Ende die schwingungsfähigen
Elemente 15, 15' aus magnetischem Material, welche als Blattfedern ausgeführt
und so angeordnet sind, daß sie in der Ruhelage annähernd in der durch die Mitte
des Erregerluftspalts gehenden Ebene liegen und ihre freien Enden dem Luftspalt
zugewandt sind. Die Blattfedern 15,15' sind mittels der Andruckplatte 16 und der
Schrauben 17 am Polschuh 14 eingespannt und auf die Signalfrequenz abgestimmt. Der
Magnet 13 erzeugt in bekannter Weise im Erregerluftspalt eine magnetische Vorspannung
über den Polschuh 14, die Blattfedern 15, 15' und den zugeordneten Schenkel des
Weicheisenkerns 10. Durch diese Vorspannung wird bekanntlich bewirkt, daß die Blattfedern
15, 15' der Signalspannung frequenzgetreu folgen.
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Jedem der schwingungsfähigen Elemente 15, 15' ist ein Abtastorgan
18 bzw. 18' zugeordnet, welches aus einem L-förmig gebogenen Streifen eines magnetischen
Materials besteht. Der L-förmige Streifen ist so angeordnet, daß die Außenkante
des einen Schenkels mit der Seitenkante des schwingungsfähigen Elements einen Kopplungsluftspalt
bildet. Jedes Abtastorgan 18,18' wird von einem Träger 26, 26' getragen. Jeder Träger
26, 26' ist als Scheibe ausgebildet, welche mittels einer zur Einspannkante der
Blattfedern 15,15' parallel liegenden Achse 19 gelagert ist. Dabei liegen die Achsen
19 außerhalb der Einspannebene der beiden Blattfedern 15,15', und zwar auf der der
gewünschten Verstellrichtung des Abtastorgans entgegengesetzten Seite dieser Ebene,
so daß bei maximaler Durchbiegung einer Blattfeder 15, 15' die Tangentialebene an
die Durchbiegungskurve im Bereich des Kopplungsluftspaltes annähernd durch die Achse
19 geht.
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Jedem Abtastorgan 18, 18' ist ein Hilfsmagnet 25, 25' mit flächenförmigen
Polen zugeordnet. Die eine Polfläche liegt der Seitenfläche des dem schwingenden
Element abgewandten Schenkels des L-förmigen Abtastorgans 18, 18' gegenüber. Dabei
sind die Hilfsmagnete 25, 25' so angeordnet, daß der dem Abtastorgan zugewandte
Pol die entgegengesetzte Polarität
wie das schwingungsfähige Element
15, 15' besitzt. Ferner ist die Polmitte so angeordnet, daß die Polfläche eine in
der gewünschten Verstellungsrichtung auf das Abtastorgan wirkende Kraftkomponente
erzeugt. Durch diese Anordnung des Hilfsmagnets wird erreicht, daß einerseits die
über den Hilfsluftspalt von dem schwingungsfähigen Element 15 auf das Abtastorgan
18 ausgeübte magnetische Kraft verstärkt wird und daß andererseits eine zusätzliche
Kraft auf das Abtastorgan in Richtung auf die Polmitte hin, d. h. in der gewünschten
Verstellungsrichtung ausgeübt wird.
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Jeder Träger 26, 26' ist ferner mit einem Kontaktträger 21, 21' versehen.
Die auf den Kontaktträgern 21, 21' angeordneten Kontakte 22, 22' haben
in ihrer Ruhelage einen bestimmten Abstand voneinander, so daß sie erst bei einer
bestimmten Differenz der Auslenkung der beiden Abtastorgane 18, 18' zum Schluß kommen.
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Das schwingungsfähige Element 15 ist auf die zu empfangende Signalfrequenz
abgestimmt, während das schwingende Element 15' auf einer benachbarten Frequenz
liegt. Zweckmäßigerweise liegen die beiden benachbarten Eigenfrequenzen der Blattfedern
15,15' innerhalb des Resonanzbereiches des von der Spule 11 und dem Kondensator
12 gebildeten Resonanzkreises. Diese Anordnung ermöglicht die Ausscheidung von unerwünschten
Störsignalen, welche gleichzeitig mit einem Nutzsignal auftreten. Beim Auftreten
eines reinen Nutzsignals wird nur das schwingende Element 15 erregt, und es bewirkt
eine Auslenkung des Abtastorgans 18, während das Abtastorgan 18' in
seiner Ruhelage bleibt. Das Abtastorgan 18 bewegt sich nach unten und verdreht dabei
den Träger 26, so daß sich dessen Kontakt 22 auf den Kontakt 22' legt. Beim Auftreten
eines Störsignals, beispielsweise infolge eines Schaltstoßes, welcher in bekannter
Weise aus einem mehr oder weniger breiten Frequenzband besteht, werden die beiden
auf benachbarte Frequenzen abgestimmte Elemente 15 und 15' gleichmäßig erregt. Dies
bewirkt eine gleiche Auslenkung der beiden Abtastorgane 18 und 18', wobei die Kontakte
22 und 22' jeweils. um den gleichen Weg verstellt werden, so daß kein Kontaktschluß
zustande kommt. Ist jedoch diesem Störsignal ein Nutzsignal überlagert, so wird
die Amplitude des schwingenden Elements 15 vergrößert, so daß die Auslenkung des
Abtastorgans 18 größer als die Ablenkung des Abtastorgans 18' wird. Damit
werden die Kontakte 22 und 22' ebenfalls geschlossen. Trotz Vorhandensein eines
Störsignals kommt somit unter der Wirkung des Nutzsignals ein einwandfreier Kontaktschluß
zustande, solange das Störsignal nicht so groß ist, daß eine Begrenzung der Schwingungsamplitude
durch die Größe des Erregerluftspaltes eintritt. In diesem Fall bleiben die Kontakte
geöffnet.
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Bei der beschriebenen Anordnung läßt sich eine Unterdrückung des Nullpunkts
der Anzeige leicht dadurch erreichen, daß der Verstellweg des Abtastorgans durch
einen mechanischen Anschlag begrenzt wird, so daß eine Verstellung des Abtastorgans
erst bei einem Ansteigen der Schwingungsamplitude über diese Begrenzung hinaus erfolgt.