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Akustisches Spektrometer Die Erfindung betrifft eine Einrichtung
zur Untersuchung feeter Werkstoffe, mit der diese veränderlicher und steuerbarer
Schallenergie und anderen Paramtern, wie beispielsausgesetzt werden können und weise
der Temperatur / , mit deren Hilfe ein von dem untersuchten Werksto abgegebenes
Schwingungssignal angezeigt wird, wodurch verschiedens, für die innere Sturktur
des Werkstoffes einschliesslich des Q -Faktors (des Güte-Faktors),
der
inneren Dämpfung, der Resonanzfrequenz, des Elastizitätsmra 9 ac x 1 i : id.ter
E ° a3ae. . .i Grössen bestimmt werden können.
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Das abegebene Schwingungssignal eines festen Werkstoffes gegebener
Abmesseungen und akustischer Energie im hörbaren Bereich ist auter anderem von dar
inneren Dämpfung des Werkstoffes abhängig. Die innere Dämpfung wird häufig als Funktion
des kehrwertes des Gätefaktors, d.h. also Funktion von 1/Q, angegeben. Der Gütefaktor
bzw. sein reiproker Wert ist frequenz- und temperaturabhängig, für varschiedene
Materialian verschieden und es wurde ihm insbesondere in den letzten jahrzehnten
von der Forschung in zunehmendem Meße Aufmerksamkeit geschenkt. so wurde beispielsweise
festgestellt, dass der Q -Faktor stark vom Werkstoff abhänig is,t wie dies die folgende
Tabelle I zeigt: Tabelle I 'Werkstoffj Geschmolzene Kieselerde5000 Shl2700 Glao
500 Ziegelstein 320 Beton 150 Kork Kork 5 Gummi3 KuBstatoff
Ferner
kurde festgestellte dass der Q=Faktor er@er @@ stimmten Probe. von deren Temperaturabhänge.Xn-eY:LXI
sind die ungefähren Q-Werte bei verschiedenw Temp@@@t@@en für eine Probe aus Glas
wiedergegeben.
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Tabelle II Temperatur (°C) # 40 12 Temperatur(C)Q 40 1250 60 100
720 100 720 200 700 Von besonderem Interesse ist der Q-Faktor werschiedener fester
Werkstoffe im akustischen Beyeichp wo diesse Werkstoffe Resonanz-Phänomene aufweisen,
die in gewisser Hinsicht den Resonanz- oder Sperrkreis-Eigenscharten elektrisoher
R,L,C-Kreise gleichen. Unter diesen Bedingungen kaum der Q-Faktor folgendermassen
definiert werdenr,
Dabel ist mit fr die Resonanz-Frequenz bezeichnet und für diejenigen Frequenzen,
bei denen die Amplitude den hab.len Wert der maximalen mplitude aufweist, wurden
die Bezeidhnungen f1 und f2 gewählt. Werkstoffe mit hohen Q-Fakteren weisen eine
scharfe Resonanz mit grosser A@@@@i tode @@@ kleiner Bandbreite auf. Werkstoffe
mit kleineren Q-Fal@@@@n, die eine grössere innere Dämpfung haben, wersen @@@@ @@@@@@ere
Resonanz-Amplitude
und eine grössere Bandbreite auf.
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Ausser der Darstellung durch Bandbreite und Resonanz-Amplitude kann
der Q-Faktor oder sein Kehrwet auch als Funktion anderer Grössen angegeben werden.
Es ist beispielsweise folgende Definition möglich:
Dabel ist W die Schwingungsenergie und # W der Energieverlust pro Periode. #W/W
ist also die spezifische Werkstoffdämpfungo Die prozentuale Abnahme der Schwingungsenergie
pro P@@i@e, das ist das technische Dämpfungsvermogen dp steht mit Q in folgendem
Zusammenang: d 200 Q sich Q kann auch auf die sich ergebende Amplituden-Abschwinggeschwin
beiziehen, die sich im gedämpten Wellenzug zeigt. Als Funk-digkeit tion von #, dem
natürliche Logariümus des Verhältnisses auf-einanderfolgender amplituden, auch logarithmischee
Dekrement genannt, lässt sich Q folgendermaßen darstelle: Q = #/# (4) Q = 4) Ferner
kann Q ausgedrüekt werden in 1. dem Verustweinkel #, das ist der Phasenwinkel zwischen
der erregenden Kraft und der sich ergebenden Verschiebung, 2. in dem Verhältnis
zwischenGesamtwiderstandundWiderstandderProbe,und
3. in dem Verhältnis zwischen Resonanzamplitude A und statischer Ablenkung a'a Es
ist also Q = Ar/ar (5).
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Da a' =P/E (6). ist, wobei mit P die statische Beanspruchtung und
mit E der Young' sche Elastizitäts-Modul bezeichnet sit, f
Zusätzlich zu der Temperaturabhängigkeit von Ar ist auch der Blastizitäts-Modul
E mit der Temperatur veränderliche Der E bestimmt die Resonanz-Frequens f, die in
geringerem make auoh von den temperaturbedingten Abmessungsänderungen der Probe
abhängig sit; die Zusammenh@nge zwischen dem Torsions-Modul und dem Modul für die
Biegobeanspruohung sowie den Probe-Abmessungen können den einschlägigen Hadbüchern
entnommen werden. Den Einfluss der Tomperatur auf die Resonanz-Frequenz für eine
Glasprobe zeigt die Tabelle III : Tabelle III Temperatur (°C) 150 200 @ 250 200
@@@ 250 Resonanz-Frequenz (Hz) 3668 3671 3674 3676 3679
Im Hinblick
auf die Sohwingungsamplitude der Probe wurde auch festgestellt, dass die Resonans-Amplitude
Ap für eine gegebene Erreger-Amplitude in bestimmten Fällen proportional Q ist.
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Die e vorstehend geschilderten Zusammenkänge und merkmale akustischer
Absorptions-Spektren haben als Parameter und Kennzeichnen für die Abschätzung und
Überwachung vers chiedener Faktoren und Phänomene von festen Werkstoffen zunehmend
an Bedeutung gewonnen; sclche Faktoren und jPhänomane sind: l Werkstoffzusammensetzuns
; 20 Reaktionsgeschwindigkeiten; 3. Diffusion ; 4o Korngrosse ; 5. Vorangegangene
Wärmebeehandlung; 6. Elasti Elastizitätsmodul ; @ 7. Plastisches Fliessen ; 8. Ermudungeerscheingungen
; 9o Kaltverformung (Versetzungen) ; 10.Wassergehalt und llo Ferromagnetische Effekte.
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Die Einführung einer Relaxatuionszeit # orleichtert das Verstznduss
der akustischen Absorptionsspektren.DieAmplitude f von ihrem ursprünglichen Wert
in der Zeit # T um den Bruchteil 1/# ab. Infolgedessen ist # = #,#, wenn T die Schwingungsdauer
und # das logarithmische
Dekrement ist. Für eine sehr grosse Anzhal
von eine innere Dämpfung verursachenden Mikroprozessen in Festkörpern, wiw beispielsweise
Atom-Diffusion, Ausscheidungen, intewkris@@@ ne Viskosität und Zustandsänderungen
bzw. Phasenübsrgänge, wurde Sowohl theoretisch als auch experimentell nachgewiesen,
dass die Funktion Q-1 = F (f#) die Arrhenius'sche Gleichung
befolgt. Deshalb kann H durch Messungen bei zwei Frequenzen bestimmt werden. Dann
kann die Korrektur der Fre. quens bezüglich der Temperatur (lnf für @/T) leicht
durchgeführt und ein Relaxations- oder akustisches Absorptions-Spektrum als Funktion
der Frequenz konstruiert werden. Jeder Mikro-Prozess bzw. jedes Phänomen hat weeine
eigene Aktivie runga-Temperatur und fUr jeden Festkörper können zahlreiche solche
Mikro-Prozesse überr einige hundert Grad celsius angegeben werden. Die lang begründe@
Gültigkeit der Arrhenius'schen Gleichung für viele der Phänomene, die auf diesem
Forschungsgebiet auStreten rechtfertigt die HeranziehuAg des akustischen Spektrums,
selbst wenn die Abszisse im Kurvenverlauf d@r Messwerte die Temperatur ist.
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Die akustische Spektrometrie eröffnet also eine vielversprechende
Measteohnik. Jedoch waren die erforderlichen Instrumente und Metnoden, die seithor
Torgeschlagen oder ausgeübt wurden, so umständlich und zeitraubend, dass sie die
wirksame Ausnutung dieser messmethoden vorhinderten.
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Beispielsweise waren für eine Person viele Jahre ermüdender Einstellungen,
Justierungen und Punkt-Fär-zpunkt-Messungen notwendig, um das akustische Spektrum
eines einzigen Werkstoffes zu ermitteln, Die notwendige teuere und umfangreiche
Ausrüstung hat alle jene abgeschreckt, deren Mittel beschränktwaren ; die Vielzahl
der Instrumente und erforderlichen Verfahren war für diejenigen, die in der Elektronik
keine Erfahrung besassen, ein ernstliches Hindernis.
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Es ist daher eine hauptaufgabe der Erfindung, die Einrichtungen zur
Aufnahme alcustischer Spektren zu verbesserno Hausserdem soll durch die Erfindung
ein im Aufbau einfaches leicht zu handhabendes und sohneil messendes akustisches
Spektrozester geschaffen werden, das eine Vielzahl von Messwerten automatisch liefert.
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Weitere, vorteilhafte Weiterbildungen der Erfgindung darstellende
Merkmale sowie Einzelheiten der Erfindung sind dem Ausführungsbeispiel. der Zeichnung
zu entnehmen ; es zeigen : Fig.1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsorm
der erfindungsgemässen Einrichtung ; Fi 2A'3 und 5 sich auf die Einrichtu gemäss
Fig. beziehende schematische Darstellungen von Messkurven, und
Figes
eine Seitenansicht eines Teiles der Einrichtung gemäss Fig.1 in teilweise geschnittener
Darstellung und in grosserem Masstab als in Figolo Die erfindungsgemässeEinrichtungnachFigolistu.i
aessungonProbekorpemausfestenWerkstoffeneint.
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Eine solche Probe 1 ist in ihren Knotenpunkten auf Trägern 10,11 in
einem mit einer Temperatur-Überwachungseinrichtung versshenen Gehäuse 12 montiert.
Dieses wird von einer Strahlungsquelle beheizt; als solche wird in dem Ausführungsbelspiel
eine Glühlampe 20 verwendet. Diese Glühlampe kann von einem Heizregelkreis 21 gesteuert
werden, der mit einem mit einem Ende in das Gehäuse 12 hineinragenden thermcstatischen
Regler 22 zusammenwirkt, der an seinem äusseren Ende einen Einstellknopf 23 trägt,
der mit Hilfe e eines Motors oder son land eingestellt werden kann. Der thermostatische
Regler 22 kann einen thermoatatischen Schalter aufweisen, der über den Reisregelkreis
21 zwischen einer Stromquelle und der Glühlampe 20 liegtt; mit Hilfe des Einstellknopfes
23 wird der Thermostat zweckmässig einestellt. Die einrichtung kann aber auch so
betrieben werdeng dass die Temperatur beispielsweise druch eine Temperatur-Steuervorrcithung
24 in vorbastimmter Weise zunehmend oder abnehmend gesteuert wird, wobei die Temperatursteuervorrichtung
einen 0passenden, regelbaren Widerstand oder einen von einem Motor M betätig ten
Nookenschalter aufweisen kann.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Einrichtung
wird die Probe 1 zu Transversal-Schwingungen angeregt, und zwar durch eine Erregerspule
13 und einen mit dieser zusammenwirkenden Ferrit-Magneten 13a, der an dam erregten
Ende der Probe 1 angebracht isto Die Erregerspule 13 wird von einem Kippfrequenz-System
eingespeist, das den Motor M umfasst ; dieser wird von einer Stromklemme P ber einen
Schalter S1 gespeist und ist mit einem Drehzahlregler SG verbunden. Das Kippfrequenz-System
weist ausserdem eine Frequenzregelkreis N1 auf, der von Hand einstellbare Kapazitäten
C1, C2, C3 und C4 hat. Diese Kapazitäten C1 bis C4 werden @uch von dem Motor M über
eine Kupplung E1 eingestellt. Die der Einstellung der Kapazitäten C1 bis C4 entsprechende
Frequenz wird durch ein mit diesen Kapazitäten verbundenes Frequenz-Messgerät I1
angezeigt. Das Frequenz-Mesagerät kann abgelesen werden, um die e Einstellung eines
Drehoptentiometers R$1 wie der Kapazitäten C1 bis C4 vorzunehmen, um so manuell
oder automatisch zu messen. Mit dem Frequenzregelkr4is N1 ist ein Schwingungsverstärker
V1 gekoppelt, der bei einer von dem Motor N und dem Prequenzregelkreis Nt bestimmten
Frequenz arbeitet. Der Ausgang des Schwingungsverstärkers V1 ist mit einem Ausgangsverstärker
V2 verbunden, der in Reihe mit der Erregerapale 13 geschaltet isto Deren Zuführungen
können
noch mit e##m Temperaturkompensationskreis 13b verbunden
sein.
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Infolge der Erregung der Erregerspule 13 wird die Probe l su Schwindungen
angeregt. Diese Schwingungen verursachen Bewegungen eines am anderen Ende der Probe
befestigten Ferrit-magneten 14a; deshalb wird in einer zugeordneten Abnehmer-Spule
14 eine entsprechende Spannung indusiert.
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Der er Ausgang der Abnehmer-Spule 14 ist mit einem Verstärker-Gleichrichter
-Kreis gekoppelt, der einen Vorverstärker V3 und in Reihe damit einen Gleichrichter
D1 aufveist. Der Ausgang dieses Gleichrichters ist über einen Stellwiderstand aI
mit mit dem Ein@ang eines schreibenden messgerätes, und zwar wie dargestellt, mit
dem Y-Achsen-Kanal eines XY-Koordinatenschreibers RK verbunden. Der Y-Achsen-Servomotor
des schreibenden messgerätes überträgt das Ausgangssignal des Gleichrichters in
eine entsprechende Stellung eines Ordinaten-Schreibers, der auf ein Koordinaten-Papier
G schreibt.
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Zusätzlich zu den Funktionen des schreibenden Messgerätes wird das
induzierte Signal durch einen Oszillographen OS überwacht und vermessen, dessen
Horizontal-Kanal, wie bei Phasenmessungen üblich, mit der Erregerspannung der Erregerspule
13, d.h. also beispielsweise mit der Ausgange-Spa@nung des Ausgangsverstärkers V2
eingespeist wird, und
dessen vertikaler Kanal mit dem Ausgangssignal
der Probe eingespeist wird, also mit dem Ausgang des Vorverstärkers V3.
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Durch eine genaue Einstellung der Amplituden der Signale sowie der
äuseren Phasenverschiebungen wird die Phasenbeziehung zwischen der die Probe erregenden
Kroft und der Probenamplitude durch den Oszillographen OS angezeigt, woraus der
Verlustwinkel # und der Gütefaktor Q der Probe bestimmt werden können (Q = tan ;
jedoch rechtfertigt der Wert des Winkels # in vielen Fällen die Annahme, dass #
= Tan # ist). Mit Hilfe des oszillographen OS kann auch die Amplituden-Zeit-Beziehung
der Probe 3 dargestellt werden, und zwar durch Anschluss des Horizontal-Kanals an
die Kippfrequenz mit Hilfe eines Schalters Sp.
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Die Amplituden-Zeit-Beziehung der erregenden Spannung kann auch in
Abhängigkeit der Kippfrequenz durch Betätigung eines Verstellsohalters S3 dargestellt
werden. Ein Synchronisier-Signal liefert zweckmässigerweise der Ausgang des Schwingungsverstärkers
V1.
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Zur zusätzlichen rwachung ist in das Signalsystem ein Voltmeter VM
eingebaut, werlches wahlweise mit den Ausgxängen des Ausgangsverstärkers V2, des
Vorverstärkers V3 oder des Gleichrichters D1 durch eine entsprechende Schaltung
eines Schalters S4 verbunden werden kann
Wie bereitserwähnt,wirdeinEingangdesXXanalsdas
Koordinaten-Schreibers RK mit dem von der Probe abgelesenen Sißnal nach dessen Verstärkung
und Gleichrichtung eingespeist. In die Eingänge ds X-Achsenkanals kann ein temperaturbezogenes
oder ein zeitbezogenes Signal eingegeben werden und es aind Mittel zur Eingabe eines
der beiden Signalevorgesehenodereskönnenauchabwechselndbeide Signale eingegeben
werdena Dae Genäuse 12 umschliesst einen temperaturempfindlichen Wandlerc nämlich
ein Tehrermoelement 30, dessen Ausgang mit einem TemperaturAnzeigegerot 31 und einer
Schaltung gekoppelt ist, die den X-Achsenkanal des Koordinatenschreibers RK sowie
verschiedene Schaltelemente umfasst.
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3ine Se des Thermoelementes 30 ist miteinsrBuchseX'l ies Koordinatenschreibers
verbunden, während die angere Seite mit einemKontakt34aeinesSchalters34gekoppeltisto
Ein beweglicher Kontakt 34c des Schalters wird über einen Schalterantrieb 35, beispielsweise
ein entsprechendes mit einem @ Nockenantrieb versehenes Zahnrabdgetriebe durch denMotorMperiodischbetätigteInfolgedessenistder
be@egliche Kontakt 34c abwechselnd mit den Kontakten 34a und 34b verbunden. Der
bewegliche Kontakte 34c ist ferener tuber Kontakte 35 a und 35d eines Wählschlaters
35@ mit elner
Buchse X-2 des Koordinaten-Schreibers RK verbunden.
Befindet sich alsoderWhlschalter35"inderdargestelltenStellung, so ist der Auagang
des Thermoelements 30 perodisch mit dem X-Achsen-Kanal des Koordinaten-Schreibers
RK verbunden. und zwar während der Zeiträume, in denen durch den Motor M 34c mit
dem Kontakt der bewegliche Kontakt / 34a verbunden ist.
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Mit der Buchse X-1 des X-Achsen-Kanals ist ferner eine Seite einer
Arbeitsstromquelle verbrunden, die durch eine Serienschaltung einer Gleichstromquelle
eines Stellwiderscandes R40 und des Drephotentiometers R41 dargestellt wird.
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DerArmdesletzteren wird über eine Kupplung Ep von dem Motor M eingestellta
Die andere Seite der Arbeitastromquelle ist mit dem Kontakt 34b des Sohalters 34
ver dent Befindet sich also der Wählschalter 35'in der gezeigten Stellung, so wird
der X-Eingang des Koordinatenschreibers RK in Mehrfachschaltung von einem temperaturabhängigen
Signal (abgegeben vom Thermoelement) / und von einem zeitabhängigen Signal (abgenommen
von der Arbeitsstromquelle) eingespeist.
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Anstelle der vorgenannten Schaltung kann auch das temperaturabhängige
oder das zeitabhängige Signal allein an den Koorinatenschreiber gelget werden, und
zwar druch eine entsvrechende Einstellung des Kontaktes 35d auf KOntakte 35b oder
3
In dem geze@@ben Ausführungsbeispiel wird die Frequenz des die
Frobe 1 über den Kippfrequenz-Generatoer anregenden Signals verändert, und zwar
vorzugsweise linear durch eine entsprechende Steuerung der Kappazitüten C1, C2 und
C3, Druch eine passende Wahl des Frequenzbereiches, die durch einen SChalter S6
und eine entsprechende Benessung des Kapazität C4 erleichtert wird, verändet der
Motor M die Frequenz des durch den Frequenz-Regelkreis N1, den Schwingungs verstärker
Y1 und den Ausgangsverstärker Vg dargestellten Schwingkreises druch den ganzen Grujdschwingungsbereich
der Probe l hinduroh. In Fig. ist ein Beispiel einer gewonnenen Messkruve H1 dargestellt.
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Wenn sich die Frequenz des Oszillators von einem eingestellten niederen
Wert ausgehend erhöhte stellt man eine Zunahme der Schwingungsamplitude der Probe
fest. Bei der Frequenz P1 erreicht die Schwingungeamplitude der halben Wert der
maximalen Amplitude, nämlich der Resonanzamplitude Ar; dieser maximale Wert wird
bei der Prequenz fr erreicht. Wird die Prequenz dann weiter erhöht, so nimmt die
Sohwingungsamplitude nach und nach ab. Bei der Frequenz fp weist die Schwingungsamplitude
wirder die Hälfte des maximalen Wertes auf; eine weitere Vergrisserung der Frequenz
ergibt das charakteristische Auslaufen der Resonanz-Kurve. Zru Erläuterung
ist
fernjer die Resonanzkurve einer Probe mit einem höheren Q-Faktor, jedoch mit derselben
Resonanzfrequenz in gestrichelter Linie bei h2 dargestellt, wohingegen eine dritte
Resonanz-Kruve H3 eine abweichende Resonanzamplitude, Bandbreite, Resonanzfrequenz
und einen unterschiedlichen Q-Faktor aufweisto Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
wird die Kippfrequenz periodisch zwischen den eingestellten Werten fmin und fmax
verändert, wie dies die Kurve m1 in Fig.2a zeigt. Innerhalb jeder Periode wird der
Frequenzbereich zweimal durchalaufen, so dass sich zwei Ausgangssignale M2 pro Periode
ergeben.
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Bei konstanter Temperatur ist die Resonanz-Amplitude A , ebenso konstant
? wie dies die Resonans-Frequenz und die Bandbreite sein sollten. In diesem Falle
ist dann der Q-Faktor ebenfalls konstant. Eine Folge gleich grosser Amplituden htzurFeigesdassaufdemKoordinaten-Papier6desKoordinaten-Schreibers
RK in gleichen Abständen voneinander Paare von Ausgangssignalen auftretenQ sofern
der X-Achsen-Kanal mit einer der Zeit proportional sich ändernden Spannung eingespeist
wirdp wie dies bei der Spannung der Arbeitsstromquelle (Funktionsgeber) der Fall
ist. Frequenz und Bandbreite und damit der Q-Faktor können dann einfach dadrucnh
ermittelt perdent dass man die Abszissenachse des Korrdinaten-Papieres G in Einheiten
der Frquenz eicht.
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Wenn dann die Probe l einer Temperaturänderung unterworfen wirdsoändernsichdieverschiedenenMerkmaledes
Ausgangssignals. Zunächst ändert sich die Resonanz-Amplitude Ar mit der Temperatur,
wie dies das Ausgangssignal m2 in Fig.2 a zeigt. Die dartgestellte Einhüllende vorauschaulicht
einen beispielsweisen Amplitudenverlauf für den FalleinerlinearzunehmcndenTemperaturvieöisshu:?r
Temperatur-Kurve T1 in Fig.2a der Fall ist.
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Zusätzlich zu der Resonanz-Amplitude ändert sich aber auch die Resonanz-Frequenz,
wie dies in der Kurve M1 durch die 'unterschiedlichenFrequenz-Punktefafgpfooo..fdargestellt
ist. Dies offenbart sich im Ausgangssignal M2 in einem abnehmenden Abstand zwischendenFaarenymu'
@angssignalen M2a-M2a,, M2b-M2b, usf. Wenn der Eingang 'des X-Achsenkanales des
Koordinatenschreibers mit der vorstehend erwähnten, proportional zur Zeit sich ändernden
Sjannung eingespeist wird, so gleicht das auf dem Koordinaten-Papier G aufgezeichnete
Ausgangssignal im allgemeinen dem Ausgangssignal M (siehe auch Ar in Fig.3). Diesem
Ausgangssignal können verschiedene, die Probe kennzeichneende Grössen entommen Werden,
jedoch enthält unter diesen Bedingungen dis vom Koordinaten-Schreiber aufgezeichnete
Kurve keine An$zbi ben über die Temperatur. Dieses Problem kann in iener erstenWeise
dadruch gelöst werden, dass die sich Zeitproportional ändernde Spannung der Arbeitsstromquells
@urch eine Temperartur-abhängige Spannung ersetzt wird. @iss
erzielt
man dadurch, dass man den Wählsohalter 35'auf den Kontakt 35b stellite Wenn der
Temperaturanstieg ungefähr linear erfolgt so ergibt sich eine Messkurve auf dem
Koordinaten-Papier G, wie sie. das Ausgangssignal M2 seigt. Die Abszissen achse
kann licht in Einheiten der Temperatur geeicht werden.
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Die zu jedem Ausgangssignal gehörenden Temperaturwerte werden dann
aufgezeichnet und stehen beim Ermitteln der Probenwerte zur Verfügung.
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Es kann aber aueh so vorgegangen werdeng dass der X-Achsen-Kanal des
Koordinaten-Schreibers sowchl mit einer temperatur- als auch mit einer frequenzabhängigen
Spannung gesseist wird, und zwar dadurch, dass man den Eingang des X-Achsen-Kanals
mit Hilfe des Schalterantriebs 35 und dem Schalter 34 in Mehrfachsohaltung betreibt.
In einem Zeit-Intervall stellt dann die Abszisse die Temperatur dar, während in
einem darauf folgenden Zeitintervall die Abazisse ein HaS fUr die Frequenz ist.
Diese Zustände treten abwechselnd auf, wenn der Motor Mperiodisch über den Schalterantrieb
35 den Schalter 34 betotigt. Die diesbezüglichen Zeitintervalle für die Einspoisung
der temperaturabhängigen Spennung und derjenigen der Arbeitsstromquelle können mit
ülichem Aufand durch den Schalterantrieb 35 eingestellt t werden. Beispeilsweise
kannd er Koordinaten-Scheiber für den grösten Teil der Zeit an die temperaturabhängige
Spannung
angesnlossen werden, während die Spannung der Arbeitsstromquelle
lediglich kurzzeitig eingespeist wird.
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Auf diese Weise werden wie in Fig.5 dargestellt einer Resonanzkurve
mit der Resonanzamplitdue Ar als Funktion der Temperatur Resonanzkurven mit den
Resonanzamplituden Ar1, Apo « Ar3 ale Funktionen der Frequenz überlagert.
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Die e temperaturabhängigen Kurven werden dann aufgezeichnet, wenn
der bewegliche Kontakt 34c den Kontakt 34a berührt, wodurch die Spannung des Thermoelements
in den X-Achsen-Kraal des Koordinaten-Schreiberseingespeistwird.Periodisch tells
nun der Schalterantrieb 35 den beweglichen KOntakt 34d auf den Kontakt 34b, wodurch
die von dem vom Motor M angetriebenen Drehpotentiometer R41 abgenommene zeitabhangige
Spannung in den X-Achsen-Kanal eingespeist wird, und so ein Ausgangssigna 1 mit
einer Resonanxamplitude Ar1 ergibt.
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Die Einstellung und Synchronisation des Drehpotentiometers R4 ergibt
eine üb@che Darstellung, bei der wie in dem erläuterten Fall ungfähr eine volle
Ablenkung über das Koordinatenpapier pro Periode des Kippfrequenz-Systems erzielt
wird. Infolgedessen werden zwei Resonanzbedingungen aufgezeichnet. Der Schalterantrieb
35 stellt dann den beweglichen Kontakt 5*4 auf den Kontakt 34a zurck, so dass dann
wieder ein temperaturabhängiges Ausgangssignal aufgezeichnet wird.
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Jedes der frequenzabhängigen Ausgangssiganle mit den Resonanz-Amplituden
AR1, Ar2 und Ar3 kann dann daurch mit der jeweils aerrsohenden Temperatur in Beziehung
gebracht werden : dass man dasjenige@ ; temperaturabhängige Ausgangsaignal aussucht,
velches dieselbe Resonansamplitude aufweist. Die Resonanzkurve mit der Resonanzamplitude
aT1 korrespondiert mit derjenigen mit der REsonenzamlutude Ar1 und diejenige mit
der Resonanzamplitude At2 mit derjenigen Resonanzkurve mit der Resonanzamplitude
Ar2.
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Mit Hilfe der vorstehend geschilderten Ergebnisse lassen sich genaue
Werte finir den Q-Faktor und für Ändekrungen des Elastizitäts-Moduls E oder anderer
Moduln ermitteln. Da die horizontale Ablenkung auf de Koordinaten-Papier G proportional
ist zu der durch die Spannung des Thermoolemenverursachten tei muse der Temperaturablauf
nioht linear sein.
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Als Beispiel für den Verlauf einer Messung können die in Fig. 5 dargestellten
Messkurven herangezogen werden, die beispielsweise eine Temperaturänderung von 20°
C bis 250° C während eines Zeitintervalles von zwei Stunden mit Unterbrechungen
nach jeweils 20 Minuten zur Aufzeichnung einer frequenzabhängigen Resonanz-Kurve
repräsentieren. Die Periode der Kipp-PrequenzkannzweiMinutenbetragen,so dass ungefähr
120 temperaturabhängige Ausgangssignale aufgezeichnet werden. Bine geingere Anzahl
ist in Fig.5
dargestellt; ausserdem wurden die Übergangsbewegungen
der Aufzeichnungsvorrichtung während der Schaltvorgänge weggelaasen.
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Der Sehaltvorgang kann aber auch mittels des Wählschalters 35' von
Hand vorgenommen werden und jade gewünschte besondere Darstellung kann duroh eine
entsprechende Eichung herbeigeführt werden.
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Eine andere Serie von Proben-Ausgangs-Signalen in Abhängigkeit ton
der Temperatur ist bei Ay auf Koardinaten-Papier B aufgezeichnet und in Fig.3 abgebildet.
Zur Erläuterung ist eine Kurve Q-1 überlagert. Es wurde festgestellt, dass in vielen
Fällen die Amplitude Ar als Maß für Q oder fUr 1/Q dienen kann, es ist also A =
K . Q oder K/A = 1/Q, wobei k eine Konstante ist. Es wurde ferner festgestellt,
dass die in manchen Fällen auftretenden Abweischungen von der Proportionalität zwischen
A und Q au von der Temperatur verurotoBte Veränderungen im Erreger- und Abnahmesystem
der Ptobe zurückzuführen sind. Ein Ferrit weist beispielsweise beträchtliche Fluss-Verluste
bei zunehmender Temperatur auf, wohingegen bestimmte alnico-Typen weit weniger temepraturäbhängig
sind, und zwar bis zu Temperaturen von etwa 600° C. Diese Abweichungen von der Proportionalität
kennen daher automatisch dadurch kompensiert werden, dass man in
einen
geeigneten Tell der Einrichtung einen Temperatur-Kompensationskreis einschaltet,
wie er bei 13b in Fig. l dargestellt ist.
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Zusätzliche Merkaale der erfindungsgemässen Einrichtung sind in den
Fig. l und 4 dargestellt ; sämtliche Bauelemente ausser dem Koordinaten-Schreiber
werden vorzugsweise in einem gemeinsamen Chassis-Gehäuse-Bauteil zusammengefasst.
Zweick-@ässigerweise ist eine gemeinsame Spannungsquelle, wie in Pig. 1 bei PWR
dargestellt, vorgesehen, um Arbeitspotentiale fUr de verschiedenen Bauelemente,
die den Sohwingungsverstärker Vig den Ausgangsverstärker V2 und den VorverstArker
V3 zur VerfUgung zu haben. PUr den Oszillorgaphyen QS ist 1 Einblick auf dessen
besondere Erfordernisse eine eigene Spannungsquelle vorgeschen.
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Wie in Fig. l dargestellt ist, weist das Gehäuse 12 zwei Wände 12a
und 12o auf, die durch geeignetes Isolätionsmaterial 12b, wie beispielsweise $esteinswolle,
voneinander getrennt t sind. Das Gehäuse ist abnehmbar auf einem Chassis 12e montiert,
welches ebenfalls eine Schicht 12f aus Isoliermaterial hat. Das Innere des Gehäuses
ist mit reflektierendem Werkstoff 12d belegt, beispielsweise mit einer Aluminiumfolie.
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WeiterekonstruktiveMerkmaleder6eh:luseba.u.til'e'ßisin Fig.4 dadrgetellt.
Die Erregerspule 13 wird von einer auf einem Chass@-Teilstück 12e berfestigten Strebe
13j egetrgen, die mit dem Chassi-Teilstück verschraubt ist. Ein GehäusefürdieErregerspulc13weisteineHülsegaufdie
Uber Ansätze einer unteren Scheibe 13f teleskopartig @@@nweggreift. Perner ist eine
Kappa 13h vorgesehen, die in die Hülse 13g eingeschoben ist. Die Kappe 13h weist
eine Öffnung 13k auf, durch die Probe l hindurchgeschoben und ihr Ende tuber der
Erregerspule angeordnet werden kann. Das Gehäuse 13f, ltg und 13h ist vorzugsweise
aus Eisen, wohingengen ein Spulenkörper 13m aus keramischem Material ist. Ein Spulekern
13n kil ale Eisenschraube ausgeführt sein. Die Windungen der Spule werden über Zuführungsleitungen
13b und 13e mit Strem versorgt.
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Der Träger 10 für die Probe weist ein Lagerrohr 10a auf, das am oberen
Ende des Trägers eine Schen 10b hat. Die Probel iat durch diese Elemente auf dem
Träger 10 befestigte wohin Son der Träger elbot mit dom Chassi@Teilstück 12c des
Geh @uses verschraubt ist.
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Die Proben können ausser Stangen auch Glasflaschen oder Metallgusstücke
oder andere strukturelle Bauteile sein.
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Perner können verschiedene Schwingungsformen wie beispielsweise Biegeschwingungen,
Longitudinalschwingungen und TorsionssohwingungeninderProbeangeregtwerden.Ferner
können zur Übertragung der Schwingungen anstelle magnetischer Kupplungselemente
akustische Luftsäulen herangezogen werden. Die Magnetspulen können ausserhalbe des
Gehäuses oder Ofens sein und an die Probe über Stäbe oder Drähte an den Knotenpunkten
angekoppelt werden. Die Probe kann aber auch in den Punkten grösster Amplitude ausgehängt
sein. Anstelle der Temperatur können die KenagrUssen der Umgebung auch die Feuchtigkeit
oder magnetische oder nukleare Plussdichten sein. Ausser der erwähnten Arbeitsstromquelle
(Funktionsgeber) können auch andere Bauelemente herangezogen werden, um eine Nessfrequenz
zu erzeugen.