DE2500389C3

DE2500389C3 -

Info

Publication number: DE2500389C3
Application number: DE19592500389
Authority: DE
Inventors: Alfred 3260 Rinteln Siegmueller
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1959-01-24
Filing date: 1959-01-24
Publication date: 1979-01-04
Also published as: DE2500389A1; DE2500389B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Demonstrationsmeßgerät entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1. Dieses veranschaulicht experimentalphysikalische Aufgaben, wie sie im Schulbetrieb auftreten.The invention relates to a demonstration measuring device according to the preamble of claim 1. This illustrates experimental physical tasks as they occur in school.

Das Demonstrationsmeßgerät ist vor allem ein Phasenmeßgerät, mit dem zugleich mit jeder Phase die zugehörige Augenblicksspannung in Abhängigkeit von der Phasenlage mittels eines Gleichspannungsmeßinstrumentes gemessen werden kann.The demonstration measuring device is primarily a phase measuring device with which the Associated instantaneous voltage as a function of the phase position by means of a DC voltage measuring instrument can be measured.

Insbesondere erleichtert das Gerät eine methodischdidaktisch durchsichtige Einführung von Drehzeigerund Wellenmodellen.In particular, the device facilitates a methodically and didactically transparent introduction of rotary pointer and Wave models.

Bisher wurde diese Aufgabe für die Drehzeiger bei schnellen Schwingungsabläufen vor allem von KathodenstrahlQSzillQgraphen, etwa von denen mit Speichereinrichtung, übernommen.Up to now, this task was mainly carried out for the rotary pointer with fast oscillation processes by cathode ray QSzillQgraphs, for example from those with storage facilities.

Es gibt jedoch kaum Lerrtmätenal, das die Wellenvor-Jteiiung auf eine reale akustische oder auf eine reale elektrische Welle aufbaut. Ein teurer Speicheroszillograph würde zwar eine Schallwellenvorstellung fördern; diese ist aber arfahrungsgemäß falsch, wenfi gefragt wird, welcher »Wellenberg« im Oszillögfäphenbild vorausläuft, und welcher »Wellenberg« nachkommtThere is, however, hardly any teaching that demonstrates the wave proposition is based on a real acoustic or a real electrical wave. An expensive storage oscilloscope would promote a sound wave idea; However, experience has shown that this is wrong if asked becomes which "wave mountain" leads in the Oszillögfäphen picture, and which "wave mountain" follows

Bekannte Phasenmeßgeräte messen andererseits immer nur die Phase eines Meßsignals gegen die Bezugsspannung aber keine Augenblicksspannungen. Bei der Frankeschen Maschine wird außer der Phase zwar noch die Effektivspannung, aber keine Augenblicksspannung gemessen. Bei stroboskopisch arbeitenden Phasenmeßgeräten wird der stroboskopische Effekt zwar auch durch einen Synchronmotor gesteuert, aber nur optisch ausgenutzt. Er dient in keinem Fall zum elektrischen Abtasten des Meßsignals.Known phase measuring devices, on the other hand, always only measure the phase of a measurement signal against the Reference voltage but no instantaneous voltages. With the Frankesche machine, the phase The effective voltage was still measured, but no instantaneous voltage was measured. For those who work stroboscopically Phase measuring devices, the stroboscopic effect is controlled by a synchronous motor, but only optically used. In no case is it used for electrical sampling of the measurement signal.

Letztlich liefern die bekannten Wellenmaschinen kein Schwingungskontinuum, sie simulieren eine Welle vielmehr durch Kopplung von Schwingern, deren Schwingungen bald asynchron verlaufen. Bei Wellenwannen lassen sich die Augenblicksauslenkungen nicht messen.Ultimately, the well-known wave machines do not deliver Vibration continuum, they simulate a wave rather by coupling vibrators, their Oscillations will soon be asynchronous. In the case of wave troughs, the momentary deflections cannot be made measure up.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßsignal, wie z. B. den Spannungsverlauf am ohmsehen Widerstand eines Reihenschwingkreises (also den Stromverlauf in Abhängigkeit von der Zeit), das herkömmlich mit dem Oszillographen aufgezeichnet wird, willkürlich und kontinuierlich einstellbar in jeder Phase elektrisch so abzutasten, daß die Augenblicksspannung in der jeweiligen Phase mit einem Gleichspannungsmeßinstrument gemessen werden kann. Das Signal soll also zeitlich erheblich gedehnt aufgezeichnet werden, um es sozusagen in Zeitlupe beobachten zu können.The invention has for its object to provide a measurement signal such. B. see the voltage curve at the ohmic Resistance of a series resonant circuit (i.e. the current curve as a function of time), the conventionally recorded with the oscilloscope, arbitrarily and continuously adjustable in each Phase to be scanned electrically so that the instantaneous voltage in the respective phase with a DC voltage measuring instrument can be measured. The signal should therefore be recorded significantly stretched over time in order to be able to observe it in slow motion, so to speak.

JO Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 beanspruchten Merkmale gelöst.JO According to the invention, this object is achieved by the im Characteristics of claim 1 claimed features solved.

Beim Demonstrationsmeßgerät erfolgt somit in vorteilhafter Weise die Meßanzeige über Zeigerinstrumente. Es ermöglicht damit, sich schnell ändernde Meßsignale (z. B. eine Wechselspannung von 50 Hz) mit einer Bezugswechselspannung Ul gleicher Frequenz und definierter Phasenlage elektrisch abzutasten. Der zeitliche Ablauf zweier aufeinanderfolgender Schwingungen ist dadurch eindeutig. Schnol'ere Schwingungsvorgänge können sozusagen »stroboskopisch« beobachtet und so beliebig langsam, wie gewählt, angezeigt werden. Das Gerät eignet sich also besonders gut zur langsamen, verzögerten Anzeige besonders schneller, periodischer Prozesse. Außerdem ist das Demonstrationsmeßgerät vorteilhaft dort einzusetzen, wo bisher Wellenmaschinen verwendet wurden. Man kann nämlich in jeder realen Welle, z. B. jeder Schallwelle, deren Frequenz genau gleich der Frequenz der Bezugswechselspannung ist, ein Kontinuum von Drehzeigern ausmessen und dann nachmessen, daß an jedem Ort und zu jeder Zeit die Mikrofonspannung mit dem Sinuswert des zugehörigen Drehzeigers übereinstimmt. Tastet man insbesondere die Welle immer in derselben Phase der Bezugsspannung ab, so erhält man eine stationäre Momentaufnahme der fortschreitenden Welle als Funktion des Ortes.In the case of the demonstration measuring device, the measurement display is thus advantageously carried out using pointer instruments. It thus enables rapidly changing measurement signals (for example an alternating voltage of 50 Hz) to be scanned electrically with a reference alternating voltage Ul of the same frequency and a defined phase position. The timing of two successive oscillations is therefore clear. More rapid oscillation processes can be observed “stroboscopically”, so to speak, and displayed as slowly as desired, as selected. The device is particularly suitable for slow, delayed display of particularly fast, periodic processes. In addition, the demonstration measuring device can be used advantageously where wave machines have been used up to now. You can namely in every real wave, z. B. each sound wave whose frequency is exactly the same as the frequency of the reference AC voltage, measure a continuum of rotary pointer and then measure that the microphone voltage corresponds to the sine value of the associated rotary pointer at any place and at any time. If, in particular, the wave is always sampled in the same phase of the reference voltage, a stationary snapshot of the advancing wave is obtained as a function of the location.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung anhand der Abbildungen erläutert. Es zeigtEmbodiments of the invention are in the following description with reference to the figures explained. It shows

A b b. 1 den Aufriß des Gerätes und die Anwendung bei einer Schallwelle.A b b. 1 shows an elevation of the device and its application to a sound wave.

Abb,2 den Grundriß des Gerätes und die Anwendung bei einem Reihenschwingkreis.Fig, 2 the plan of the device and the application with a series resonant circuit.

h5 Beim Ausführungsbeispiel nach A b b< 1 wird ein aus einem Stator 5 und einem Rotor 6 bestehender Synchronmotor Von der gleichzeitig als Bezugsspannung dienenden Spannung U1 gespeist. Der Stator 5 isth5 In the embodiment according to A b b <1, a synchronous motor consisting of a stator 5 and a rotor 6 is fed by the voltage U 1, which is also used as the reference voltage. The stator 5 is

nicht feststehend, sondern ebenfalls um die Drehachse 2 des Rotors 6 drehbar. Die Zufuhr der Spannung Ui erfolgt aus diesem Grund Ober Schleifringe.not stationary, but also rotatable about the axis of rotation 2 of the rotor 6. For this reason, the voltage Ui is supplied via slip rings.

Mit dem Rotor 6 ist ein Spiegel 9 fest verbunden. Dieser rotiert bei Netzfrequenz, bei der z. B. die Vorgänge beim Reihenschwingkreis (A b b. 2) untersucht werden sollen, 50mal pro Sekunde. Das von einer Lampe auf den Spiegel geworfene Licht wird reflektiert und huscht daher 50 mal pro Sekunde über die Fotodiode 12 jnd gibt einen Impuls f./2 an den elektronischen Schalter 13; dieser ist symbolisch als Relais gezeichnet Während der Impulse lädt sich der Kondensator 13 immer in derselben Phase bis zur Augenblicksspannung (z. B. am ohmschen Widerstand des Reihenschwingkreises 14) auf. Die Phase, in der abgetastet wird, läßt sich kontinuierlich verschieben, wenn man die Achse 3, die mit dem Stator 5 und der Zeichenscheibe 10 auf dem Tageslichtprojektor 4 synchron verbunden ist, langsam rotieren läßt. Dreht sich die Achse 3 z. B. einmal pro Sekunde, so wird das Meßsignal UZ mit jeder Umdrehung in einer etwas späteren Phase abgetastet, bis das Abtasten bei der 50. Umdrehung des Rotors wieder in der Ausgangsphase erfolgt Die an UZ abgetastete Augenblicksjpannung t/4, die vom Voltmeter angezeigt wird, hat also immer die Frequenz, mit der die Achse 3 umläuft.A mirror 9 is firmly connected to the rotor 6. This rotates at mains frequency, at which z. B. the processes in the series resonant circuit (A b b. 2) are to be examined, 50 times per second. The light thrown from a lamp onto the mirror is reflected and therefore flits 50 times per second over the photodiode 12 and sends a pulse f./2 to the electronic switch 13; this is symbolically drawn as a relay. During the pulses, the capacitor 13 is always charged in the same phase up to the instantaneous voltage (e.g. at the ohmic resistance of the series resonant circuit 14). The phase in which the scanning is carried out can be shifted continuously if the axis 3, which is synchronously connected to the stator 5 and the drawing disk 10 on the overhead projector 4, is allowed to rotate slowly. If the axis 3 rotates z. , Once per second, so the measuring signal UZ with each revolution at a somewhat later phase is sampled to the sampling at the 50th rotation of the rotor is back in the starting phase The sampled at UZ Augenblicksjpannung t / 4, which is indicated by the voltmeter , so always has the frequency with which axis 3 rotates.

Zur Demonstration der jeweiligen Phasenlage in Drehzeigerdarstellung dient eine beschriftbare Scheibe 10, die sich synchron mit dem Stator 5 dreht und die in vorteilhafter Ausbildung aus transparentem Material besteht und damit auf einem Tageslichtprojektor aufgesetzt werden kann.A disc that can be labeled is used to demonstrate the respective phase position in a rotary pointer display 10, which rotates synchronously with the stator 5 and which is advantageously made of transparent material exists and can therefore be placed on an overhead projector.

Soll z. B. der Drehzeiger für die Spannung am ohmschen Widerstand des Reihenschwingkreises 14 auf die Scheibe eingemessen werden, geschieht dies folgendermaßen:Should z. B. the rotary pointer for the voltage at the ohmic resistance of the series resonant circuit 14 the disc are measured, this is done as follows:

Um den Drehzeiger einzuzeichnen, dreht man zunächst den Stator 5 und damit die Scheibe 10, bis das Voltmeter, von negativen Spannungswerten kommend zu positiven Spannungswerten gehend, den Wert 0 anzeigt. Hierauf zeichnet man längs einer nach rechts weisenden, über der Scheibe 10 feststehend angeordneten Kante einen horizontalen Radius auf der Scheibe 10 ein. Dieser Radiusstrahl wird nach Abtragen der Länge zum Drehzeiger. Dreht man nun den Stator 5 und damit die Scheibe 10 weiter, so ändert sich nicht nur der Ausschlag auf dem Voltmeter sondern auch die Lage des Radiusstrahies. Der Skalenwert auf dem Voltmeter ist damit proportional dem Abstand der Zeigerspitze von der feststehenden Kante, oder gleich dem mit dem Maximalwert der Spannung multiplizierten Sinus des Phasenwinkels, der zwischen der horizontalen Kante und dem Drehzeiger gemessen wird.To draw in the rotary pointer, first rotate the stator 5 and thus the disk 10 until the Voltmeter, coming from negative voltage values to positive voltage values, the value 0 indicates. This is followed by a drawing along a right-facing, fixed above the disk 10 Edge a horizontal radius on the disk 10. This radius beam becomes after removing the length to the rotary pointer. If the stator 5 and thus the disk 10 are now rotated further, not only does that change The rash on the voltmeter but also the position of the radius beam. The scale reading on the voltmeter is therefore proportional to the distance between the pointer tip and the fixed edge, or equal to that with the Maximum value of the voltage multiplied by the sine of the phase angle between the horizontal edge and the rotation pointer is measured.

Die Zuordnung des jeweiligen Spannungswertes zur jeweiligen Projektion des Drehzeigers läßt sich mit Hilfe von beschrifteten Parallelen auf einer Folie 11 leicht vollziehen. Dreht man die Scheibe 10 bis zum Vollausschlag des Voltmeters, so befindet sich nun der eingezeichnete Radiusstrahl unter einer dort angeordneten feststehenden senkrechten Kante. Diese ist mit einem Maßstab versehen. Da jetzt das Maximum der Spannung angezeigt wird, weil es nach einer Viertelperiode auf die Anfangsnullstelle folgt, wird jetzt die Länge des Drehzeigers auf Scheibe 10 abgetragen.The assignment of the respective voltage value to the respective projection of the rotary pointer can be done with Easily complete with the help of labeled parallels on a slide 11. If you turn the disc 10 to If the voltmeter is full deflection, the drawn radius beam is now under one located there fixed vertical edge. This is provided with a scale. Since now the maximum of the Voltage is displayed because it follows the initial zero after a quarter period, it is now the The length of the rotary pointer on disk 10 has been removed.

Verfährt man für weitere Drehzeiger der Spannung z. B. am Kondensator bzw. der Induktivität von 14 ebenso, klappt anschließend die am Tageslichtprojektor befestigte Folie 11 auf die Scheibe 10 und läßt den Motor von Achse 3 langsam laufen, so zeigt sich nacheinander für alle eingezeichneten Drehzeiger die Obereinstimmung von Sinuswerten und Spannungswerten. If you move for more rotary pointer of the voltage z. B. on the capacitor or the inductance of 14 likewise, then folds the film 11 attached to the overhead projector onto the disc 10 and leaves the If the motor of axis 3 is running slowly, the will appear one after the other for all the indicated rotation pointers Correspondence of sine values and voltage values.

Greift m?n nun die Spannung am Kondensator von 14 ab und nimmt den zugehörigen D .hzeiger für das Maximum der Spannung entsprechend sv.f, so erkennt man die Phasenverschiebung der Spannung am ohmschen Widerstand gegen die Spannung am Kondensator. Now take the voltage at the capacitor from 14 and take the corresponding clock pointer for the Maximum of the voltage according to sv.f, so recognizes the phase shift of the voltage across the ohmic resistor versus the voltage across the capacitor.

Konstruiert man jetzt einerseits aus den beiden Drehzeigern für die Maxima der Spannungen am ohmschen Widerstand und am Kondensator die Resultierende und mißt andererseits den Drehzeiger fürOne now constructs from the two rotary pointers for the maxima of the voltages on the one hand ohmic resistance and the resultant at the capacitor and, on the other hand, measures the rotation pointer for

κι die Gesamtspannung an ohmschem Widerstand und Kondensator zusammen, so stellt man die Übereinstimmung zwischen dem Drehzeiger für die Gesamtspannung und der konstruierten Resultierenden fest.κι the total voltage at the ohmic resistance and Capacitor together, one establishes the correspondence between the rotary pointer for the total voltage and the constructed resultant.

Beispiel für die Anwendung des Demonstrationsmeß-Example for the application of the demonstration measuring

r> gerätes bei einer akustischen Welle.r> device with an acoustic wave.

Die Anwendung des Demonstrationsmeßgerätes für eine akustische Welle ergibt sich aus Abb. 1. Die Bezugsspannung liefert ein Sinusgenerator, Meßsignal ist die Mikrofonspannung. Insbesondere ergibt shh bei stehender Achse 3 und bewegtem Mikrofon die Abhängigkeit des Ausschlages vom Ort (UZ = A · sin x). Bei feststehendem Mikrofon und rotierender Achse 3 ergibt sich die Sinusschwingung am jeweiligen Ort als Funktion der Zeit. Werden die jewe'ligen DrehzeigerThe application of the demonstration measuring device for an acoustic wave is shown in Fig. 1. The reference voltage is supplied by a sine wave generator, the measuring signal is the microphone voltage. In particular, with axis 3 stationary and the microphone moved, shh gives the dependence of the deflection on the location (UZ = A · sin x). With a stationary microphone and rotating axis 3, the sinusoidal oscillation at the respective location results as a function of time. Become the respective rotary pointer

■π für die Welle jetzt nicht auf die Scheibe 10 eingemessen (wie beim Reihenschwingkreis beschrieben), sondern dem gemessenen Augenblickswert t/4 der Meßspannung t/3 entsprechende Klammern 7 auf die Achse 3 aufgesetzt, so liefert die Projektion der rotierenden■ π for the shaft not now calibrated on the disk 10 (as described for the series resonant circuit), but the measured instantaneous value t / 4 of the measuring voltage t / 3 placed corresponding brackets 7 on the axis 3, then delivers the projection of the rotating

w Achse 3 das Bild einer fortschreitenden Welle.w axis 3 the image of a progressing wave.

Interferenzen zweier Wellen lassen sich durch das Einmessen von zwei Klammer-Schraubenlinien demonstrieren. Interference between two waves can be demonstrated by measuring two screw lines in brackets.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Demonstration measuring device for the scanning of the phase position of a sinusoidal, but generally periodic measurement signal with respect to an AC reference voltage of the same frequency, characterized in that the AC reference voltage (U \) drives a synchronous motor which is freely rotatable with its stator (5) about the rotor axis (2), whose rotor (6) emits a pulse with every revolution and at a fixed reference angle to the stator (5), and that this pulse actuates an electronic switch (13) which, depending on the angular position of the stator (5), within one oscillation period of the measuring voltage ( U3 ) scans the instantaneous voltage (U 4) that is present at the time of actuation.

2. Demonstration measuring device according to claim 1, characterized in that the rotation of the Stator (5) takes place via a synchronously connected shaft (3)

3. Demonstration measuring device according to claim 2, characterized in that brackets (7) corresponding to the measured instantaneous value (U4) of the measuring voltage (U3) can be placed on the shaft (3).

4. demonstration meters; according to the claims 1 to 3, characterized in that a rotatable disc (10) that can be written on together with the stator (5) is synchronously connected

5. Demonstration measuring device according to claim 4, characterized in that the disc (10) made of transparent material best ¹ - ·.

6. demonstration measuring device according to claims 4 or 5, characterized in that the Disc (10) is placed on an overhead projector (4).

7. demonstration measuring device according to claim 1, characterized in that for pulse generation with the rotor (6) of the synchronous motor a mirror (9) is firmly connected, which with each revolution the Throws light from a light source onto a photodiode (12).