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Graphische Abgleichvorrichtung für Einrichtungen zur zerstörungsfreien
Werkstoff-Prüfung nach der Wirbelstrommethode Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen
für zerstörungsfreie Werkstoff-Prüfungen und betrifft eine graphische Abgleichvorrichtung
dafür. geräte für zerstörungsfreie prüfungen nach der Wirbelstrommethode werden
in der Metallindustrie in großem Umfange eingesetzt. Bei diesen Geräten wird der
Prüfling in eine oder in die Nähe einer elektromagnetischen Induktionsspule gebracht)
und die Impedanzänderungen der Induktionsspule infolge von Wirbelströmen, die im
Prüfling fließen, werden angezeigt, um daraus die Eigenschaften des Prüflings zu
bestimmen. Kreist ist es üblich, das Ausgangssignal der Prüfspule ganz oder teilweise
im Instrument zu kompensieren. Dies geschieht zu dem Zweck, den sussteuerbereich
der Signalverstärker in den Geräten klein halten zu können oder die Anwendung der
Phasen-
diskriminator-Technik zu erleichtern.
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Da die Prüfspule einen Wechselstrom oder eine Wechselspannung liefert,
haben herkömmliche Kompensationsschaltungen wenigstens zwei variable Elemente, um
den erwünschten Abgleich zu erzielen. Die Notwendigkeit, zwei unabhängige Einstellungen
durchführen zu müssen, kompliziert den Abgleichvorgang und gestaltet es schwierig,
den zugehörigen elektrischen Zustand der Prüfspule zu erkennen und ihn mit dem bekannten
Verhalten einer Spule in der Spannungs-oder Impedanzebene zu vergleichen.
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Es ist daher ein Ziel der Erfindung, ein Gerät für den Null-Abgleich
eines Wirbelstromgerätes für zerstörungsfreie Prüfungen mit gleichzeitiger Anzeige
in der komplexen ebene des Prüfspulen-Ausgangssignales zu schaffen.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist, ein verbessertes Gerät für die
graphische Aufzeichnung des Ausgangssignales eines Wibelstromgerätes für zerstörungsfreie
Prüfungen in einer komplexen E-bene zu schaffen.
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Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Gerät mit nur einer einzigen
Einstellung für den völligen oder teilweisen Null-Abgleich des Prüfspulen-Ausganges
eines Wirbelstromgerätes für zerstörungsfreie Prüfungen.
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Außerdem soll mit nur einer einzigen Einstellung ein Null@ Abgleich
und die graphische Auftragung des Prüfspulensignals möglich sein.
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Die Erfindung stellt eine Zusatzvorrichtung zu einer Sinrichtung für
zerstörungsfreie Prüfungen nach der Irirbeistrom-
strommethode mit
einer von einer Wechselstromquelle gespeisten Prüfspule und Mitteln zur Messung
ihres Ausgangssignales dar. Diese Vorrichtung besteht aus einem graphischen Aufzeichnungsgerät
in Kombination mit elektrischen behaltmitteln, die von der Stellung der Bestimmungsstücke
des Äufzeichnungsgerätes gegenüber einem Koordinatensystem beeinflußt werden und
eine Spannung erzeugen, die nach Amplitude und Phase mit dem Ausgangssignal der
Prüfspule kombiniert an den Eingang eines Nulldetektors gelegt wird, an dem mittels
der Bestimmungsstücke des Aufzeichnungsgerätes das Prüfspulensignal auf Null abgeglichen
wird.
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-Zum besseren Verständnis der erfindung werden im folgenden einige
Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen: Fig. 1
das Blockschaltbild der prüfeinrichtung mit einem Zusatzgerät nach der Erfindung;
Fig. 2 die Draufsicht auf die graphische ADgleichvcrrichtung der Fig. 1; Fig. 3
einen Schnitt längs der Linie 3-3 in rig. 2 und Fig. 4 einen Schaltplan zu eilen
des Blockschaitbildes in Fig. 1; Fig. 5 die Draufsicht auf eine andere graphische
Abgleichvorrichtung zum Blockschaltbild nach Fig. 1; Fig. -6 die Seitenansicht des
Gerätes nach Fig. 5; Fig. 7 die perspektivische Ansicht einer andere zwischen Abgleichvorrichtung
zum Blockschaltbild nach Fig. 1;
Fig. 8 die Draufsicht auf eine
bevorzugte graphische Abgleichvorrichtung zu Fig. 1; Fig. 9 einen Schnitt längs
der Linie 9-9 in Fig. 8 und Fig. 10 Teile der Schaltung des Gerätes nach Fig. 8.
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Fig. 1 zeigt die Anwendung der Erfindung auf eine herkömmliche Einrichtung
zur zerstörungsfreien Werkstoff-Prüfung nach der Wirbelstrommethode. Die Priifspule
10 und die Hilfsspule 12 für den abgleich werden in herkömmlicher Weise vom Oszillator
14 über den Verstärker 16 gespeist. Die Ausgangsspannung der Spulen 1C und 12 wird
vom Verstarker 18 verstärkt, vom Detektor 20 demoduliert und vom Schreiber 22 aufgezeichnet.
Dieser herkömmlichen ausrüstung wird die erfindungsgemäße graphische Abgleichvorrichtung
hinzugefügt. In Fig. 1 ist sie zunächst in Form eines nlockschaltbildes dargestellt,
um die Erklärung zu erleichtern. Nähere tinzelheiten werden später geschildert.
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Aufgabe der Abgleichvorrichtung ist, ein Wechselspannungssignal ZAB
zu erzeugen, das in Amplitude und Phase durch die Stellung des Zeichenarmes 2-4-bestimmt
wird, der in einer Ebene über die oberflache des Papieres 26 bewegt werden kann.
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Das Signal EAB wird in der Ausführung nach Fig. 1 durch Addition der
beiden Ausgangsspannungen ea und eb der Schaltungen 28 und 30 erhalten und zur Kompensation
der Ausgangsspannung SC der Spulen 10 und 12 benutzt.
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Die Phasenschieber 32 und 34 führen diesen Schaltungen Signale zu,
die gegeneinander um 900 phasenverschoben sind. Schaltungselemente der Schaltungen
28 und 30 sind mechanisch mit dem Zeichenarm 24 so verbunden, daß die Amplituden
ihrer Ausgangssignale der Längs- und Querstellung (X und Y) des Zeichenzrmes direkt
proportional sind, wenn dieser in einer Ebene über der Oberfläche des Papieres 26
bewegt wird. Somit er-
zeugen die Schaltungen 28 und 30 entsprechend
der Stellung des Zeichenarmes 24 aus den von den Phasenschiebern gelieferten Signalen
Ausgangssignale ea und eb, die sich linear mit der Stellung des Zeichenarmes in
X- und Y-Richtung ändern. Die Werte von ea und eb sind so einjustiert, daß sie bei
gleich großen X- und Y-Koordinaten des Zeichenarmes gleich sind. Das Verhältnis
von Amplitude und Phase der Signale ea und eb wird mittels der Phasenschieber 32
und 34 eingestellt. Zur Anzeige des erzielten Null-Abgleiches wird ein Nulldetektor
36 benutzt.
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Somit kann durch die Bewehrung des Zeichenarmes 24 ein Null-Abgleich
erzielt werden und gleichzeitig durch dessen Stellung der Vektor der Ausgangsspannung
der Prüfspulen-Schaltung in der komplexen Ebene graphisch und anschaulich dargestellt
werden0 Um wie beschrieben zu arbeiten, muB die graphische Abgleichvorrichtung drei
wesentliche Bedingungen erfüllen: 1. Die Stellung des Zeichenarmes 24 muß der erzeugten
Kornpensationsspannung SAB entsprechen, 2. muß es möglich sein, mit ihm den Vektor
der Prüfspulen-Ausgangsspannung in der komplexen Ebene aufzuzeichnen, und 3. sollte
es möglich sein, nach Aufzeichnen des Vektors mit einem Blick die relative Phase
und Amplitude des Demodulator- (oder Verstärker-)Eingangssignales zu erkennen.
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Es kann gezeigt werden, daß die Stellung des Zeichenarmes 24 unter
den oben beschriebenen Voraussetzungen die Kompensationsspannung BAB darstellt.
Nimmt man die Spannung + ea des.
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Kreis es 28 als Vergleichsspannung, so können die Ausgangs-
signale
ea und eb der Schaltungen 28 und 30 wie folgt ausgedrückt werden: ea = K . x . sin
wt eb = K . y . sin (wt + Es sind: w = Frequenz . 2# t = Zeit x = Querstellung des
Zeichenarmes y = Längs stellung des Zeichenarmes K = ein Proportionalitätsfaktor,
der das Verhältnis zwischen der Zeichenarmstellung und der Spitzenspannung des sinusförmigen
Ausgangssignales angibt.
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Da AB = ea + eb, wird: EAB = = E xsin wt + y.sin (wt + oder in polarer
Darstellung: EAB = K x 0° = y 90° oder in komplexer Schreibweise: EAB = K x x +
Jy
Somit ist die Komponente von EAB' die phasengleich mit der urspriinglichen
Vergleichsspannung +ea ist, proportional der Querstellung des Zeichenarmes und die
Komponente von EAB, die gegenüber dem Vergleichssignal +ea um 900 phasenverschoben
ist, proportional der Längsstellung y des Zeichenarmes. Da die Vorzeichen der Spannungen
ea und eb negativ sind für negative Zeichenarmstellungen, kann EAB je nach Stellung
des Zeichenarmes 24 in einem der vier Quadranten liegen.
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Somit stellt die Stellung des Zeichenarmes 24 das Abgleichsignal EAB
dar, das von der graphischen Abgleichvorrichtung erzeugt wird.
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Beim Betrieb ist der Ausgang EAB der Abgleichvorrichtung mit dem Ausgangssignal
der Prüfspulen-Schaltung in Reihe geschaltet. enn der Zeichenarm 24 so steht, daß
die aus EC und EAp resultierende Spannung gleich Null ist, ist der Ausgang EAB der
Abgleichvorrichtung gleich dem Ausgangssignal EC @der Prüfspulen. Mithin geben die
Zeichenarmstellungen an aufeinander folgenden Null-Abgleich-Punkten die Vektoren
der Prfifspulen-AusganæssFannllng für eine Reihe von Ausgangsspannungswerten an.
Durch Markieren des Papieres unter dem Zeichenarm an den aufeinander folgenden Stellungen
erhält man eine Folge von Punkten, die die Ortskurve der Prüfspulen-Ausgangsspannung
darstellen.
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Die Vektor-Differenz zwischen dem Prüfspulen-Ausgangssignal EC und
dem Ausgangssignal EAB der graphischen Abgleichvorrichtung ist das Verstärker-Eingangssignal
EIN ; somit kann auf einen Blick aus der Stellung des Zeichenarmes gegenüber einer
zuvor aufgezeichneten Prüfspulen-Ortskurve die relative Phase und Amplitude des
Verstarker- (oder Demodulstor-)Eingangssignales EIN abgelesen werden. Weiterhin
kann durch Verschieben des Zeichenarmes dieses Signal nach Wunsch verändert
werden,
wobei zu gleicher Zeit eih klares Bild des Binflusses der Änderung bekannter Charakteristika
des Prüfspulen-Ausganssignales auf Amplitude und Phase des dem Verstärker 18 (oder
Demodulator 20) zugeführten Signales erhalten wird0 Fig. 2, 3 und 4 zeigen eine
Ausführung der Schaltungen 28 und 30 und des Zeichenarmes 24 für ein Gerät nach
Fig. 1a Das Gerät besteht aus einer Grundplatte 38, auf der zwei Arme 40 und 42
befestigt sind. Der Arm 40 ist drehbar auf der Grundplatte gelagert, während der
Arm 42 am Arm 40 drehbar gelagert ist. Die beiden Arme 40 und 42 tragen und betätigen
die Schaltungselemente 28 und 30@ in dieser Ausführung sind es induktive Drehwinkelgeber
28A und 3ÖA.
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Der Rotor aes DRehwinkelgebers 28A ist an der Grundplatte 38 befestigt
und dessen Stator an dem Arm 40, wobei sich der Stator frei. um den Rotor drehen
kann. Der Rotor des Drehwinkelgebers 30A ist an dem Arm 42 und der Stator an dem
Arm 40 befestigt. Wenn die Zeichenarme 40 und 42 bewegt werden, wird ein oder werden
beide Drehwinkelgeber 28A und 30A verstellt.
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Die elektrische schaltung der Drehwinkelgeber 28A und 30A ist in Fig.
4 gezeIgt. Ihre statoren werden um 900 gegeneinander phasenverschoben von Signalen
aus den Phasenschieber-Schaltungen 32 bzw. 34 erregt. Die Auaggnge ihrer Rotoren
sind in Reihe geschaltet mit den Prüfspulen 10 und 12, wodurch ein auf Null abgeglichenes
Ausgangssignal zum Verstärker 18 erzielt werden kern.
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Eine andere Ausführung der Schaltungselemente 28 und 30 und des Zeichenarmes
24 für das Gerät nach Fig. 1 ist in Fig. 5 und 6 dargestellt. Wie in Fig. 2 sind
es wieder DRehwinkelgeber 28A und 30A. Ihre Statoren sind fest unter
der
Grundplatte 38 montiert. Ihre Rotoren sind an Stangenführungen 44 bzw. 46 befestigt,
die wiederum drehbar auf der Grundplatte 38 montiert sind.
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In den Stangenführungen 44 und 46 sind die Stangen 48 und 50 gleitend
angeordnet. Die Stangen 48 und 50 sind an ihren Enden 52 und 54 beweglich miteinander
verbunden. t. Wenn diese Verbindung über die Oberfläche des Papieres 26, das auf
die Grundplatte 38 geheftet ist, bewegt wird, bewirkt dies eine Verstellung der
Drehwinkelgeber 28A und 30A (Fig. 5). Die elektrische Schaltung der Drehwinkelgeber
28A und 30A ist die gleiche wie in Fig. 4.
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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die Verwendung von
induktiven Drehwinkelgebern .beschränkt. Statt dessen können auch Potentiometer
eingesetzt werden. Es ist weiterhin selbstverständlich, daß das freie Sunde 56 des
Armes 42 Pig, 2) und die Verbindung 52, 54 der Stangen 48 und 50 mit einer zweckdienlichen
Markiervorrichtung versehen sind, mit der der Verlauf der Bewegung auf dem Papier
26, das auf der Grundplatte 38 befestigt ist, aufgezeichnet werden kann.
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Die Ausführungen nach Fig. 2 und 5 erzeugen Kurven anstatt der erwünschten
Geraden. Die Drehwinkelgeber tragen ebenfalls zur Nichtlinearität bei, da sich ihre
Ausgangsspannungen mit dem Sinus des Drehwinkels ihrer Wellen ändern. Somit ist
der Anwendungsbereich der Ausführungen nach Fig. 2 und 5 prinzipiell auf kleine
Änderungen begrenzt, bei denen die Linearität noch hinreichend ist.
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Fig. 7 stellt eine Ausführung des Gerätes nach Fig. 1 dar, mit der
eine geradlinige Geometrie erhalten wird. Diese Ausführung zeigt einen Wagen 60
mit Rädern 62, die ihm eine Bewegung längs einer Kante der Grundplatte 38 gestatten.
Wie vorher ist das Papier 26 wieder auf der Grundplatte befestigt.
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Ein Potentiometer 64 ist an dem Wagen so befestigt, daß seine Schleiferwelle
66 drehbar ist. Eine Schnurscheibe 67 ist an der Schleiferwelle 66 befestigt und
läuft mit dieser um. Eine zweite Schnurscheibe 68 ist auf dem Wagen 60 gelagert.
Ein Schlitten 70 mit Markierungsvorrichtung 58 ist an dem Wagen 60 quer verschieblich
angeordnet und kann so kreuz und quer über die Fläche des Papieres bewegt werden.
Ein endloses Seil 72 ist um die Schnurscheiben 67 und 68 gelegt und an dem Schlitten
festgelegt. Somit wird die Schleiferwelle 66 des Potentiometers 64 verdreht, wenn
der Schlitten 70 quer zum kragen 60 und zur Grundplatte 38 bewegt wird.
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Ein zweites Potentiometer 74 ist an einem lande der Grundplatte 38
befestigt; wieder ist eine Schnurscheibe 78 auf seiner Schleiferwelle 76 befestigt
und läuft mit dieser um. Eine zweite Schnurscheibs 80 ist auf der gleichen Seite
wie das Potentiometer 74, aber am anderen Ende der Grundplatte 38 gelagert. Ein
Jeil 82 ist an den Rädern 62 des wagens 60 befestigt und um die Schnurscheiben 78
und 8 herumgeführt. Wenn sich cer Wagen 60 über die Grundplatte 38 bewegt, wird
die Schleiferwelle 76 des Potentiometers 74 über das Seil 82 verdreht.
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Die elektrische Schaltung der Potentiometer 64 und 74 ist ähnlic wie
die der Drehwinkelgeber nach Fig. 4. Die Eingänge der Potentiometer 64 und 67 werden
um 90° phasenverschoben von den Phasensehiebern 32 und 34 in Fig. 1 gespeist. Die
Schleifer der Potentiometer sind in Serie mit den Ausgängen der Prüfapulen 10 und
12 geschaltet, wodurch ein Null-Abgleich am Eingang des Verstärkers 18 erzielt werden
kann. Wenn die Iiarkiervorrichtung 58 längs und/oder quer über das Papier auf der
Grundplatte bewegt wird, ändert sich die Amplitude am Ausgang des einen
und/oder
des anderen notentiometers, wodurch eine resultierende Eingangsspannung vom Betrag
Null am Eingang des Verstärkers 18 eingestellt und graphisch aufgezeichnet werden
kann.
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Die für den praktischen Gebrauch der Erfindung bevorzugte Ausführung
ist in Fit. 8, 9 und 1U dargestellt. Auf einer Grundplatte 56 ist wieder das Papierblatt
26 befestigt.
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Ein Potentiometer 84 ist fest an der Unterseite der Grundplatte antebrc.
cht, und seine Schleiferwelle 86 rat lurch die Grundplatte 38 uf zu deren Oberseite
hin ch. Bin Gehause 88 ist mit der Schleiferwelle des Potentiometers 84 verbunden
und kann mit dieser umlaufen. Ein zweites Potentiometer 90 sitzt fest auf dem Gehälse,
und seine Schleiferwelle 92 ragt in aria Innere des Gehäuses hinein. Sie trägt eine
Schurscheibe 94. Eine Führungsstange 96 ist als Ausleger fest am GEhäuse 88 montiert.
Ein Schieber 98 mit Markierungsvorrichtung 58 ist längs der Führungsstange verschiebbar.
Ein Seil 164, dessen eines Ende an der einen Seite des Schiebers befentigt ist,
wird durch das Gehäuse 88, um die Schnurscheibe 94 herum, dann längs der Stange
t, um die Schnurscheibe 100 an deren Spitze herum und zurück zur anderen Seite des
Schiebers geführt, wo sein anderes Ende befestigt wird.
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Die Schleiferwelle 86 des Potentiometers 84 ragt durch die Grundplatte
des Gehäuses e8 an einem Punkt hindurch, der in der Verlängerung der Linie liegt,
die durch eine Bewegung des Schiebers 98 auf der Führungsstange 96 erzeugt wird.
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Dies ist notwendig zur ERzeugung eines Diagramms in Polarkoordinaten
durch die Markiervorrichtung 58 mit der ockleferwelle 8b des Potentiometers 84 als
Koordinatenmittelpunkt. In der beschriebenen mechanischen Anordnung bewirkt eine
Bewegung des Schiebers 98 auf der Führungsstange 96
eine Verstellung
der Schleiferwelle 92 des Potentiometers 90 und eine Winkelbewegung der Führungsstange
eine Verstellung der Schleiferwelle 86 des Potentiometers 94.
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Die elektrische Schaltung der Potentiometer 84 und 90 in dem Gerät
nach Fig. 1 ist in Fig. 10 dargestellt.
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Potentionieter 84, Kondensator 106 und Transformator 108 bilden eine
180°-Phasenschieber-Schaltung. Der Ausgang dieser Schaltung liegt an einem Kathodenfolger
110, dessen Ausgangsamplitude von dem Potentiometer 90 eingestellt wird. Somit wird
durch eine Drehung der Führungsstange 96 und des Gehäuses 88, die eine Verstellung
der Schleiferwelle 86 des Potentiometers 84 bewirkt, die Ausgangsspannung des Kathodenfolgers
110 in ihrer Phase verändert.
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Durch Verschieben aes Schiebers 98 auf der Führungsstange 96, die
eine Verstellung der ichleiferwelle 92 des Potentiomeyers 90 bewirkt, wird die Ausgangsspannung
in ihrer Amplitude verändert. Somit verändert eine Bewegung der Markiervorrichtung
58 auf der Führungsstange und/oder deren Drehung die Ausgangsspannung des Kathodenfolgers
110 in Phase undsoder An litude.
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Die Stellung der Markiervorrichtung repräsentiert somit die Spitze
eines Vektors, der der Ausgangsspannung des Kathodenfolgers 110 in Amplitude und
Phase entspricht.
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Sein Ausgang ist mit den Spulen 10 und 12 in Reihe geschaltet, wodurch
ein Null-Abgleich am Eingang des Verstärkers 18 erzielt werden kann. Widerstand
112 und Kondensator 114 der Phasenschieber-Schaltung sind so eingestellt, da@ die
Ausgangsamplitude bei verstellung des Phasen@chieber@ @tentiometern 84 nahezu kon@tent
bleibt.
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Die Kapazität 1@6 ist so gesähtl, daß sich bei 90° Winkelverdrehung
des Gehäuses 88 eine Phasenverschiebung von 90° ergibt. @er @@@er@tand 116 bewirkt
eine Proportionalität
zwischen der Ausgangsamplitude des Kathodenfolgers
und dem Abstand der Markiervorrichtung von der Drehachse der Schleiferwelle des
Phasenschieber-Potentiometers 84.
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In der Schaltung nach Fig. 10 ändert sich der Phasenwinkel nicht linear
mit der Widerstandsänderung des Potentiometers 84, Die Relation zwischen dem Phasenwinkel
8 und dem Widerstand wird durch folgende Gleichung beschrieben: R = R90 # tg20,
wobei R90 der für eine Phasenverschiebung von 90° erforderliche Widerstandswett
ist. Dieser Wert ist abhängig von der Größe des Kondenaators 106 und der Frequenz
des Oszillators 14.
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Rir Phasenverschiebungen zwischen 0 und 900 erzeugt ein lineares Potentiometer
in der Ausführung nach Fig. 8 einen maximalen Fehler von 100. Wenn höhere Genauigktit
ervrinscht ist, sollte das lineare Potentiometer auch ein logarithmisches ersetzt
werden, das sich der obengenannten nichtlinearen Funktion annähert.