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Verfahren zur Messung von physikalischen bzw.
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chemischen Zustandswerten an bewegten Gegenstunden.
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Zur Messung von Zustandswerten an bewegten Gegenständen, beispielsweise
die Temperatur einer sich drohenden Welle in einer Maschine oder die Erwärmung des
Kolbenbodens in einem Explosionsmotor. hat man bereits komplette elektrische Sender
an die betreffenden Stellen gesetzt, die mit einer eigenen Stromversorgung versehen
sind, so daß der Sender Uber längere Zeit hinaus seine Schwingungsenergie ausstrahlen
kann. Eine Reaktanz des Senders ist dabei in Abhlngigkeit von dem zu Uberwachenden
Zustandswert, also beispielsweise der Temperatur, veränderbar0 so daß die ausgestrahlte
Frequenz
direkt ein Maß für den betreffenden Zustandawert darstellt.
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Auf diese Weise ist es möglich, während des Betriebes einer Maschine
an deren Teilen, insbesondere hochbelasteten Teilen, bestimmte Messungen vorzunehmen,
um optimale Daten für den Betrieb einer solchen Maschine zu gewinnen.
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Bei diesem bekannten Messverfahren macht sich nachteilig bemerkbar,
daß dem Sender eine eigene Stromversorgung direkt zugeordnet werden nuß die mit
dem Sender an dem bewegten Gegenstand untersubringen ist, da eine Stromversorgung
von außen Zuleitungen bedingen würde, die nur Uber Schleifkontakte oder dergleichen
angeschlossen werden könnten. Hierdurch wird der Sender mit allen seinen erforderlichen
Bauelementen relativ groß, was sowohl seine Anbringung an den bewegten Gegenstand
häufig sehr. erschwert und in vielen Fallen sogar unmöglich macht, da vor allem
auftretende Fliehkräfte zu berücksichtigen sind, die durch das Gewicht einer Stromversorgung
erheblich erhöht werden können. Handelt es sich um eine hin- und hergehende Bewegung
des betreffenden Gegenstandes, so machen sich in diesem Falle die Messentr1gbeitskrfte
des Senders störend bemerkbar.
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Der Brfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Messverfahren
zu schaffen, bei dem man mit eine extrem kleinen Raumbedarf auskommt, soweit es
sich um die an dem bewegten Gegenstand ansuhringenden Bauelemente handelt. Dee weiteren
soll die durch die Erschöpfung einer individuellen Stromversorgung gegebene zeitliche
Begrenzung der Messung beseitigt und ein Höchstmaß an Betriebssicherheit erreicht
werden, Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß an dem betreffenden Gegenstand
ein elektrischer Hochfrequenz-Schwingkreis angebracht wird, von dem mindestens eine
Reaktanz in ihrer Größe von dem zu messenden Zustandswert bestimmbar ist, und daß
an den Schwingkreis ein verstimmbarer Bochfrequenz-Sender rückwirkungsfrei angekoppelt
wird0 dessen Belastung während der Veränderung der Hochfrequenz zwecks Feststellung
der Resonanz des Schwingkreises gemessen wirdr die ein Naß fAr den zu ermittelnden
Zustandswert bildet.
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Durch die Verwendung lediglich eines Schwingkreises als an dem bewegten
Gegenstand @nzubringende Baugruppe wird erreicht, daß eine Stromversorgung der Baugruppe
an dem Gegenstand selbst unnötig wirda wodurch die Messung selbst keinerlei zeitlichen
Beschränkungen mehr unterliegt und mit hoher Betriebssicherheit durchgeführt wird.
da der an dem Gegenstand angebrachte Schwingkreis praktisch keinen Störungen unterliegen
kanne weil das Bauteil nur einen Kondensator und eine Induktivität in sich voreinigt.
Ein derartiges Bauteil ist ohne weiteres dicht abkapselbar, so daß es von außen
durch irgendwelche chemischen Einflüsse nicht zerstört werden kann. Als Kapselmaterial
eignet sich dabei insbesondere Kunststoff.
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Zweckmäßig gestaltet man die Induktivität des Schwingkreises veränderbar,
beispielsweise indem man an einem membranartigen Teil der Kapsel einen kleinen Eisen-
oder Ferritkörper anbringt, der mehr oder minder in Abhängigkeit von dem auf die
Membran wirkenden Außendruck in eine Spule eintaucht, die mit ein in der Kapsel
untergebrachten Kondensator verbunden ist. Um beispielsweise eine Temperatur zu
den, kann man eine Spule verwenden" die auf einem einen hohen Temperaturkoeffizienten
besitzenden Körper gewickelt ist, so daß sich in Abhängigkeit von der Temperatur
dieses Körpers der induktivitätswert der Spule verändert. Auf diese Weise ist es
also möglich, die Resonanzfrequenz eines Schwingkreises in AbhSngigkeit von äußeren
Zustandsgrößen zu verändern. Bei der Vexstinmung des Bochfrequenssenders geht man
vorteilhaft so vor, daß diese periodisch derart durch eine Sägezahnspannung gesteuert
und der Zeitraum zwischen Auftreten der Resonanz und einer Grenze der Sägezahnkurve
gemessen wird, der ein Maß für den zu ermittelnden Zustandswert bildet. Hierdurch
wird die Messung insofern erleichtert, als nicht eine Frequenz selbst, sondern lediglich
ein niederfrequent periodisch wiederkehrender Zeitraum zu ermitteln igt was meßtechnisch
besonders einfach ist und auch sehr genau durchgeführt werden kann.
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Handelt es sich bei dem bewegten Gegenstand beispielsweise um eine
rotierende Welle an deren Außenfläche der Schwingkreis angebracht
ist.
so ergibt sich bei der Drehung der Welle periodisch eine Annäherung an den Hochfrequenzsender
mit anschließender Entfernung. Um hierbei eine sichere Messung zu gewihrleisten.
kann man folgendermaßen vorgehen: Man kann die Frequenz der Sägezahnspannung nit
der Rotation der Welle derart synchronisieren, daß wihrend des schrigen Verlaufes
des Sägezahns sich der Schwingkreis in der Nähe des Senders befindet. In diesem
Faile dauert der Rücklauf des Sägezahns relativ lange, nämlich so lange wie die
Welle braucht, um den Schwingkreis nach erfolgtem Vorbeilauf an dem Hochfrequenzsender
wieder in dessen Nähe zu bringen. Die Synchronisation kann dabei auch so erfolgen,
daß ein oder mehrere Sägezähne diesen Teil der Drehung der Welle überdauern, so
daß eine echte Messung nur bei jedem nten Sägezahn erfolgt. Darüber hinaus ist es
auch möglich, die Sägesahnfrequenz so niedrig zu wählen, daß diese klein gegenüber
der Drehzahl einer welle ist. Umgekehrt kann man auch eine gegenüber der Drehzahl
der Welle sehr gro@@ Sägezahnfrequenz wählen. Hieraus ist ersichtlich, daß man bei
der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens also weitgehend frei von irgendwelchen
durch den Bewegungsrhyth@us gegebenen Beschränkungen ist.
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Die gleichen Überlegungen gelten, wenn es sich un eine periodisch
hin- und hergehende Bewegung handelt.
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In der Figur ist al Ausführungsbeispiel eine Schaltung dargestellt,
mit der sich das erfindungsgemäße Verfahren durchführen last.
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Der Schwingkreis 12 ist an irgendeinen bewegten Gegenstand angebracht
und an diesel befestigt. Seine induktivitit 13 wird in Abhängigkeit von dem umgebenden
Druck jeweils eingestellt. Der Kondensator 14 hat einen festen Wert. Durch die gestrichelte
Linie wird angedeutet, daß hier die Trennung des Schwingkreises 12 von der Außenwelt
existiert. In den Schwingkreis 12 wird induktiv eine Hochfrequenzspannung, beispielsweise
150 MHz eingekoppelt, die von dem Hochfrequenzgenerator 1 stammt und über die Trennstufe
2 zu der Spule 3 gelangt. Von dieser Spule 3 aus erfolgt
dann die
induktive Einkopplung in den Schwingkreis 12. Die Trennstufe 2 sorgt dabei dafür,
daß die sich in Abhängigkeit von dem jeweiligen Scheinwiderstand des Schwingkreises
ergebende Belastung sich nicht auf den Hochfrequenzgenerator 1 auswirkt. Außerdem
wird durch die Trennstufe 2 erreicht, daß eine Annäherung der Spule 3 an den Schwingkreis
zu keiner Verstimmung des Hochfrequenzsenders 1 führt.
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Je nach Einstellung der Induktivität 13 ergibt sich nun eine ganz
bestimmte Resonanzfrequenz des Schwingkreises 12 und damit dessen ScheinwiderstandO
so daß sich in Abhängigkeit von der Frequenz des Hochfrequenzsenders 1 eine bestimmte
Spannung an der Spule 3 einstellt. Diese Spannung wird der Gleichrichterstufe 15
zugeführt, die die an der Spule 3 abgegriffene Hochfrequenzspannung in eine Gleichspannung
umwandelt und der Verstärkerstufe 4 zuführt, an die das Schwellwertglied 5 angeschlossen
ist.
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Bei Uberschreiten einer bestimmten Gleichspannung gibt das Schwellwertglied
5 eine Spannung ab. die zur Steuerung des Gatters 6 dient An das Gatter 6 ist weiterhin
der Ausgang des Miederfrequenz impulsgenerators 8 angeschlossen, dessen Impulsspannung
weiterhin einer Impulsformerstufe 7 zur Erzeugung einer Sägezahnspannung zugeführt
wird, die den Hochfreuqenz#ender 1 entsprechend steuert.
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Periodisch mit den von dem lmpulsgenerator 8 abgegebenen Impulsen
verändert also der Hochfrequenzgenerator 1 nach Art einer Sägezahnkurve seine Frequenz,
wobei der hierbei überstrichene Frequenz bereich des Hochfrequenzgenerators 1 so
gelegt ist, daß hierbei die mögliche Resonanzfrequenz du Schwingkreises 12 mit sicherheit
erreicht wird.
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Wenn nun im Laufe der Verstimmung des Hochfrequenzgenerators 1 dieser
periodisch die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 12 überstreicht, entsteht an
der Spule 3 jeweils ein scharfer Spannungsanstieg infolge der bei Resonanz starken
Erhöhung des Scheinwiderstandes des Schwingkreises 12» so daß zu einem bestimmten
Zeitpunkt im Laufe der von der Impulsformerstufe 7 abgegebenen Sägezahnipannung
und damit innerhalb jedes der vom Impulsgsnerator 8 abgegebenen Impulse dem Gleichrichter
15 eine Spannung
spitze zugeführt wird, die an seinem Ausgang in
Form eines Gleich-@pannungssprunges erscheint und von den Verstärker 4 vorfllrkt
wird.
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Bei Überschreiten des Schwellwertes des schwellwertgliedes 5 wird
das Gatter 6 gesperrt, so daß es von diesem Zeitpunkt ab keine Impulsspannung mehr
durchläßt. Mit dem später folgenden Ende des betreffenden vom Impulspenerator 8
gelieferten Impulses wird dann das Gatter 6 wieder auf Durchlaß geschaltet. Ein
solches Gatter ist ohne weiteres in Form einer bistabilen Kippstufe zu realisieren.
Damit gibt das Gatter 6 an seinem Ausgang eine Impulsapannung ab, wobei die Dauer
der Impulse der Zeitspanne entspricht, die vom Beginn eines Sägezahnes bis zum Erreichen
der Resonanz des Schwingkreises 12 verstreicht. Das Gatter 6 gibt damit in Abhängigkeit
von der Einstellung der induktivität 13 längenmodulierte Impulse ab, die über den
Tiefpas 9 geleitet werden, der aus der ih@ zugeführten längemodulierten Impulsspannung
einen Gleichstrom-Mittelwert aussicht, der zu dem entsprechenden Ausschlag des Gleichstrom-Meßinstrumentes
10 führt.
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Außerdem gelangt dieser Gleichstrommittelwert zu dem Registriergerät
11, das den Gleichstrommittelwert fortlaufend aufschreibt.
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Der von dem Meßinstrument 10 angezeigte Gleichstrom-Mittelwert ist
damit direkt ein Maß der Einstellung der Induktivität 13 und damit des auf diese
einwirkenden Druckes an dem betreffenden Gegenstand, Wenn sich nun der Druck ändert,
so wirkt sich dies sofort auf eine entsprechende Verstellung der Induktivität 13
und damit einer Veränderung des von dem Tiefpaß 9 ausgesi@@ten Gleichstrom-Mittelwertes
aus, so daß kontinuierlich jede Drucksch@@nkung angezeigt und aufgezeichnet wird.
Gegebenenfalls kann man das Überschreiten eines bestimmten Gleichstrom-Mittelwertes
durch eine Alarmanlage signalisieren.
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Die Baugruppe anch Art des Schwingkreises 12 läßt sich in Form einer
kapsel ohne weiteres an dem zunächst unbewegten Gegenstand oder frei von diesem
eichen, beispielsweise indem man die Baugruppe einem exakt gemessenen Druck aussetzt
und dabei dem Schwingkreis die von dem Hochfrequenzgenerator 1 st@@@@nde Hochfrequenz
zuführt. Der sich dabei ergebende Gleichstrom-Mittelwert, der von dem Meßinstrument
10 angezeigt wird, gibt dann den betreffenden
Druck an. Wenn man
nun in Abhangigkeit von dem Variationsbereich der Resonanz des Schwingkreises 12
jeweils die zugehörigen Drücke in absoluter Größe benötigt, so ist diese Eichung
Schritt für Schritt durchtufffhren, wobei sich für den Ausschlag des Meßinstrumentes
10 eine Kurve ergibt, die in Abhingigkeit von diesem Ausschlag den jeweils zugrundeliegenden
Druck angibt.
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Wenn es sich nur darum handelt, relative Druckabweichungen zu signalisieren,
dann kann aan nattirlich auf diese Bichung vera ichten und lediglich überwachen,
ob ein Druck sich in der einen oder anderen Richtung wesentlich verändert hat.