DE2923361A1 - Vibrationsmesser - Google Patents

Description

WS168P-1961

Vibrationsmesser

Die Erfindung betrifft einen Vibrationsmesser mit einer Zunge und einem daran befestigten Flügel, welcher sich bei schwingender Zunge in einem Schlitz des Gehäuses des Vibrationsmessers hin- und herbewegt.
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Es gibt viele Situationen, in denen es wünschenswert ist, das Auftreten von Schwingungen festzustellen und deren Amplitude aus zu-, messen, wobei die Meßergebnisse an einen entfernt gelegenen Ort übertragen werden sollen. Bei elektrischen Einrichtungen und insbesondere bei Großgeneratoren ist es wünschenswert diese zu überwachen, um das Auftreten abweichender Schwingungen in den Statorwicklungen, dem Statorkern oder anderen Teilen der Maschine festzustellen. Lichtleiter in Form einer Glasfaseroptik erweisen sich als besonders günstig und wünschenswert für die Übertragung der Information, da die aus Glas bestehenden Lichtleiter weder von hohen Spannungen, magnetischen Feldern, hohen Temperaturen

oder

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oder anderen Umgebungseinfluss en, die auftreten können,, beeinträchtigt werden. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, eine Schwingungsmessung unter Verwendung von Lichtleitern vorzunehmen. Derartige Lichtleiter wurden bereits benutzt , wobei der eine Lichtleiter als Lichtquelle und der andere Lichtleiter als Lichtempfänger Verwendung fanden. Die beiden Lichtleiter werden derart angeordnet, daß ein schwingendes Element den Lichtweg unterbricht, wobei der Anteil des empfangenen Lichtes zu einer entfernt gelegenen Station übertragen wird und ein Maß für die Amplitude einer auftretenden Schwingung ist.

Es sind grundsätzlich Einrichtungen bekannt, bei denen Lichtleiter zur Übertragung von Licht verwendet werden, wobei im Lichtweg Einrichtungen vorgesehen sind, um diesen zeitweise zu unterbrechen, um aus der Menge bzw. Intensität des übertragenen Lichtes ein elektrisches Signal abzuleiten, das als Maß für die Amplitude der zu ermittelnden Schwingung gilt. Diese bekannten Systeme sind jedoch nur sehr begrenzt einsetzbar, da nämlich nur Amplituden ausgemessen werden können, die in der Größenordnung der Durchmesser der Lichtleiter liegen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß eine Änderung der Intensität des von der Lichtquelle abgegebenen Lichtes zu fehlerhaften Anzeigen führt. Das gleiche trifft auch zu, wenn die Empfindlichkeit des Lichtempfängers Schwankungen unterworfen ist, oder die Übertragungscharakteristik der Lichtleiter eine Änderung der übertragenen Lichtmenge bedingt. Alle diese Erscheinungen führen zu fehlerbehafteten Messungen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Vibrationsmesser zu schaffen., der diese fehlerhafte Messungen aus

lösende

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lösende Schwierigkeiten überwindet und in einfacher Weise eine Vibrationsmessung zuläßt.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Vibrationsmesser mit einer Zunge und mit einem daran befestigten Flügel, der sich bei schwingender Zunge in einem Schlitz eines Gehäuses des Vibrationsmesser hin- und herbewegt, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Flügel zwischen einer Lichtquelle sowie einem Lichtempfänger angeordnet ist und eine Vielzahl von lichtübertragenden und lichtunterbrechenden Elementen in gleichförmig alternierender Anordnung umfaßt, daß sich der Flügel im erregten Zustand der Zunge quer zum Lichtweg verschiebt, daß vor dem Lichtempfänger eine stationäre Masse angeordnet ist, welche zumindest ein lichtübertragendes Element derselben Größe und Ausrichtung wie das lichtübertragende Element im Flügel hat, und daß ein Zähler vorhanden ist, welcher die Anzahl der Lichtminima während der Übertragung des Lichtes über den schwingenden Flügel auszählt, um daraus die Erregerfrequenz und die Amplitude der Erregerschwingung zu ermitteln.

Die Erfindung ist vorteilhaft bei einem Vibrationsmesser verwirklicht, der aus zwei gleichartigen Rahmenelementen aufgebaut ist, die ein Gehäuse bilden, in das eine Zunge mit einem am freien Ende angeordneten Flügel eingespannt ist, welcher sich in einem Schlitz des Gehäuses hin- und herbewegen kann. Zwei Lichtleiter werden von entgegengesetzten Seiten in das Gehäuse eingeführt und enden jeweils am Schlitz beiderseits des Flügels, so daß dieser sich im Lichtweg bewegen kann. Der Flügel ist mit einer Vielzahl von Schlitzen und Stegen versehen, die in paralleler An-Ordnung und gleichmäßiger Verteilung alternierend nebeneinander

verlaufen.

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verlaufen. Ferner ist auf der Empfängerseite eine weitere stationäre Maske mit zumindest einem Schlitz befestigt, der bezüglich seiner Größe und Orientierung auf die Schlitze im Flügel ausgerichtet ist. Wenn die Zunge zu schwingen beginnt., verschiebt sich die durch den geschlitzten Flügel gebildete Maske im Lichtweg, so daß die Schlitze im Flügel und in der stationnären Maske eine relative Verschiebung zueinander erfahren. Dadurch wird auf der Empfängerseite eine Serie von Lichtimpulsen erzeugt, wenn die Lichtintensität ein Maximum und Minimum durchläuft, wobei das Minimum im wesentlichen der Lichtintensität Null entspricht. Der empfängerseitige Lichtleiter wird zu einer entfernt gelegenen Station,z.B. einem elektrischen Überwachungssystem geführt, in dem die auftretenden Lichtinipulse bzw. die in einer gegebenen Zeitdauer auftretenden Lichtminima ausgezählt werden. Aufgrund der bekannten Dimensionen und der Abstände der Schlitze in den Masken kann die Amplitude der Schwingungen aus diesen ausgezählten Impulsen leicht ermittelt ermittelt werden. Da das System lediglich von einer Auszählung der übertragenen Lichtminima abhängt, d.h. ein digitales Ausgangssignal liefert, wird es unabhängig von Änderungen sowohl bezüglich der empfangenen Lichtmenge als auch der empfangenen Lichtintensität.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Vibrationsmesser;

Fig. 2 eine stirnseitige Ansicht des Virbations-

messers

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messers gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Blende vor einem

Lichtleiter;
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Fig. 4 eine perspektivische Teilansicht längs der

Linie IV-IV der Fig. 2;

Fig. 5 das Blockdiagramm einer Vibrationsmeßein-

richtung;

Fig. 6 eine Eichkurve für das System gemäß Fig. 5

Der in der Zeichnung dargestellte Vibrations mess er IO besteht aus einem schwingenden Element in Form einer Zunge 12, welche in einem Gehäuse bestehend aus zwei Rahmenelementen 14 und angeordnet ist, die die Zunge in Form eines Rechteckgehäuses umschließen. Die Rahmenelemente 14 und 15 sind aus Aluminium hergestellt und werden mit Hilfe von Schrauben zusammengehalten.

Die Zunge 12 besteht aus Phosphorbronze, obwohl auch andere geeignete Materialien hierfür verwendet werden können und ist an ~ einem Ende mit Hilfe von Schrauben 16 und einer Spannbrücke 17 am Gehäuse eingespannt. Wenn der Vibrationsmesser somit an einem zu überprüfenden Gerät angeordnet wird und Schwingungen auftreten, erfährt die Zunge 12 eine Erregung und beginnt innerhalb des Gehäuses zu schwingen. Das freie Ende der Zunge schwingt mit einer Amplitude und Frequenz, welche durch die Resonanzcharakteristik und die mechanische Charakteristik der Zunge bestimmt ist und von der Frequenz der einwirkenden Schwingung abhängt. Um die Schwingung zu messen und die

erhaltene

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erhaltene Information an einem entfernt gelegenen Ort auszuwerten wird der Vibrationsmesser über einen Lichtleiter 20 einerseits an eine Lichtquelle und über einen Lichtleiter 21 andererseits an einen Empfänger angeschlossen. Die Lichtleiter 20 und 21 bestehen aus Lichtleitern bekannter Art und umfassen jeweils eine oder mehrere Glasfasern geeigneter Größe, um das Licht mit vernachlässigbaren Verlusten zu übertragen. Die Lichtleiter 20 und 21 sind in Bohrungen 22 der Rahmenelemente 14 und 15 eingesetzt und werden in diesen Bohrungen mit Hilfe von Schrauben 23 festgehalten. Der Spannbrücke 17 gegenüberliegend ist an den Rahmenelemten 14 und 15 ein schmaler Schlitz 24 ausgebildet, so daß ein Freiraum entsteht, in den die Lichtleiter 20 und 21 münden. Dabei liegen die stirnseitigen Enden der beiden Lichtleiter einander gegenüber und haben einen Abstand von zumindest der Breite des Schlitzes 24.

Am vorderen Ende der Zunge 12 ist mit Hilfe zweier Schrauben 27 ein Flügel 26 befestigt, der in den Schlitz 24 und zwischen die Lichtleiter ragt.. Der Flügel 26 ist mit einer Maske 28 versehen, die vorzugsweise einstückig mit dem Flügel ausgebildet ist. Diese Maske 28 ist in Fig. 3 erkennbar und hat eine Vielzahl von lichtdurchlässigen und lichtundurchlaessigenBereichen, die nebeneinander liegen. Bei der bevorzugt en Aus führungs form ist die Maske 28m.it einer Vielzahl parallel nebeneinander liegender Schlitze 30 versehen, die quer zur Bewegungsrichtung des Flügels 2 6 und der Zunge 12 verlaufen, wenn diese angeregt ist und schwingt. Damit durchschneidet die Maske auch den Lichtstrahl zwischen den beiden Stirnenden der Lichtleiter 20 und 21. Die lichtundurchläessigen Teile 32 bestehen aus den Stegen der Maske und haben im wesentlichen die gleiche Breite wie die Schlitze 30, so daß sich eine gleichmäßige Verteilung über die Maske ergibt.

Eine

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Eineweitere stationäre Maske 34 ist vordem stirnseitigen Ende des zum Empfänger führenden Lichtleiters 21 angeordnet. Diese Maske 34 ist in einer Vertiefung 35 auf der Seite des Schlitzes 24 mit Hilfe zweier Schrauben 36 befestigt. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, hat die stationäre Maske 34 drei Schlitze 38, mit dazwischen liegenden lichtundurchlässigen Bereichen. Die Schlitze 38 haben die gleichen Abmessungen und den gleichen Abstand wie die Schlitze und sind auch in derselben Richtung wie diese orientiert. Die stationäre Maske hat zweckmäßigerweise drei Schlitze 38, obwohl jede andere Anzahl von Schlitzen ebenfalls geeignet ist und in Abhängigkeit von der Größe der Schlitze bzw. des Durchmessers des Lichtleiters 21 ausgewählt wird. Diese stationäre Maske 34 ist, wie bereite erwähnt, über dem Ende des Lichtleiters 21 gemäß Fig. 2 angeordnet und zwar in einer solchen Lage, daß sich die Schlitze quer über die Stirnfläche des Lichtleiters erstrecken und cas von diesem aufgenommene Licht durch die Schlitze dringen muß. Wie bereits erwähnt verlaufen die Schlitze 38 dabei in Ausrichtung auf die Schlitze 30 der Maske 28 und liegen parallel zu den Schlitzen 30dieser Maske. Wenn sich die Zunge 12 im stationären Zustand befindet, sind die beiden Masken 28 und 34 aufeinander ausgerichtet und übertragen das Licht vom Lichtleiter 20 zum Lichtleiter 21. Wenn die Zunge 12 eine Erregung erfährt, verschiebt sich die Maske 28 vertikal zur Maske 34,so daß sich die Ausrichtung der Schlitze 30 und 38 der beiden Masken relativ zueinander ändert.

Der Anteil des Lichtes, der dabei auf den Lichtleiter 21 auftrifft, durchläuft ein Maximum und ein Minimum, wobei letzeres im wesentlichen Null ist, wenn die Schlitze nicht mehr aufeinander ausgerichtet sind. Die Anzahl der während einer Auslenkung der Zunge auftretenden Minima ist ein Maß für die Amplitude der Auslenkung. Das komplette Meßsystem ist schematisch in Fig. 5

dargestellt

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dargestellt, und besteht aus einer Lichtquelle 40 geeigneter Art, die über den Lichtleiter 20 mit dem Vibrationsmesser 10 verbunden ist. Die beiden Lichtleiter 20 und 21 sind einander gegenüberliegend angeordnet und aufeinander ausgerichtet. Die stationäre und die bewegliche Maske 34 bzw. 28 liegen in dem Zwischenraum zwischen den beiden Lichtleitern, so daß das von dem Lichtleiter durch den Schlitz zum Lichtleiter 21 zu übertragende Licht die Schlitze der Masken passieren muß. Mit Hilfe des Lichtleiters 21 wird das empfangene Licht zu einer Meßeinrichtung weiter übertragen.

Die Breite der Schlitze in den Masken ist verhältnismäßig klein bezogen auf die zu erwartende Amplitude der Auslenkung der Zunge 12, so daß bei einer schwingenden Zunge die Schlitze 30 und 38 mehrfach in Deckung miteinander kommen und das Licht vom Lichtleiter zum Lichtleiter 21 in einer Reihe von Impulsen übertragen wird, welche zwischen maximaler und minimaler Lichtintensität variieren. Während einer Auslenkung der Zunge entsteht eine Anzahl derartiger Impulse. Die Anzahl der Lichtminima ist direkt abhängig von der Amplitude der Auslenkung, so daß die Amplitude der Schwingung durch Auszählen der auftretenden Lichtminima ermittelt werden kann, welche sich aufgrund der Masken zwischen den Lichtleiter und 21 während einer Zeitperiode ergeben, die der Periode der Schwingung entspricht.

Diese Auszählung kann in beliebiger Weise erfolgen und wird gemäß Fig. 5 mit einem einfachen elektrischen System ausgeführt. Die Lichtimpulse werden über den Lichtleiter 21 an einen Detektor 41 angelegt, der aus einer PIN-Diode besteht. Diese Diode wandelt die Lichtimpulse in entsprechende elektrische Signale um, die

anschließend

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anschließend in einem Verstärker 42 verstärkt und an eine Begrenzerstufe 43 angelegt werden. Das Aus gangs signal der Begrenzerstufe 43 hat die Form einer Rechteckschwingung mit konstanter Amplitude, wobei die Impulse mit den Lichtimpulsen übereinstimmen, welche über den Lichtleiter 21 angelegt werden. Diese elektrische Schwingung wird einem Zähler 44 zugeführt, der die Anzahl der Impulse auszählt und zwar vorzugsweise durch Auszählen der Nulldurchgänge der Rechteckschwingung. Dem Zähler 44 wird ferner ein Zeitsignal 46 zugeführt, um den Zähler für eine bestimmte vor eingestellte Zeitdauer einzuschalten, so daß der Zähler die Anzahl der Lichtminima in dem festgelegten Zeitintervall ermittelt.

In den meisten Anwendungsfällen des Vibrationsmessers 10 ist die Frequenz der Schwingung die zu messen ist₍entweder exakt oder in Annäherung bekannt. Wenn somit der Vibrationsmesser 10 dazu benutzt wird um die Schwingung des Kerns oder eines Leiters in einem großen Generator oder Transformator zu überwachen, liegt beispielsweise die Schwingfrequenz nahe bei 120 Hz,wobei das Zeitsignal entsprechend eingestellt sein kann. In einem solchen Fall wird die Anzahl der Lichtminima während einem Zeitintervall von 1/120 Sekunden ausgezählt, was der Periode eines Schwingungszyklus entsprichtjUnd direkt zur Amplitude der Schwingung in Beziehung gesetzt. Da der Abstand und die Breite der Schlitze der

beiden Masken bekannt ist, kann die Amplitude exakt bestimmt werden. Eine typische Eichkurve des Vibrationsmessers 10 ist in Fig. 6 dargestellt. In diesem Diagramm ist auf der Ordinate das Zählergebnis des Zählers 44 und auf der Abszisse die Auslenkung des Flügels 26 aufgetragen. Die Abweichung der dargestellten Kurve von der geraden Linie ergibt sich aufgrund einer leichten Änderung der mechanischen Verstärkungscharakteristik

der Zunge

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der Zunge in Abhängigkeit von der Amplitude. Mit Hilfe einer solchen Eichkurve kann das Zählerergebnis des Zählers 44 direkt interpretiert werden, um daraus die Amplitude der Schwingung der Zunge bzw. die Größe der Schwingung oder eine Änderung der Schwingung des Teiles anzuzeigen, an welchem der Vibrations messer 10 montiert ist. Es ist nicht erforderlich, daß man die Frequenz der Schwingung kennt, da diese Frequenz vom Ausgangs signal der Begrenzerstufe 43 als Funktion der Zeit abgeleitet werden kann= Da sich das Zeitintervall zwischen den Impulsen während einer Periode der Schwingung ändert, kann daraus die Zeit der Halbperiode oder Frequenz einfach ermittelt werden. Es ist daher sehr einfach, die Schwingung zu überwachen, die an einer entfernt gelegenen Stelle, beispielsweise in einem Generator, auftritt. Insbesondere ist der Vibrationsmesser für elektrische Einrichtungen besonders nützlich, da er sowohl aus metallischen und nichtmetallischen Materialien hergestellt werden kann und die Lichtleiter 20 sowie 21 aus Glas bestehen und somit keinen Einfluß auf elektrische oder magnetische Felder haben bzw. von solchen nicht beeinflußt,werden. Ein Vibrationsmesser dieser Art wird also von Umgebungseinflüssen kaum beeinträchtigt.

Die Empfindlichkeit des Vibrationsmessers hängt ab von der Resonanzcharakteristik der Zunge 12, die ihrerseits wieder von den benutzten Materialien beeinflußtwird. Y/ie bereits erwähnt kann Phosphorbronze oder ein anderes nichtleitendes Material Verwendung finden, wie z.B. Quarzglas, Aluminiumoxyd. Die Empfindlichkeit hängt von den mechanischen Eigenschaften des Materials ab, wogegen die Dimensionierung der Zunge in Abhängigkeit von den Abständen der Schlitze in den Masken vorgenommen wird, die sehr klein sein können. Wenn die Empfindlichkeit größer ist als

sie

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sie für eine bestimmte Anwendung benötigt wird, können Dämpf einrichtungen in Form von Permanentmagneten 48 vorgesehen werden, welche auf jeder Seite des Flügels 26 angeordnet sind, wenn der Flügel 26 aus einem leitenden Material, wie z.B. AIuminium besteht. Aufgrund dieser Permanentmagnete 48 werden Ströme in dem Flügel 26 induziert, welche mit dem Magnetfeld reagieren und die gewünsche Dämpfung auslösen. Es ist jedoch auch eine Dämpfung in einer anderen herkömmlichen Weise möglich, wenn das Vorhandensein eines magnetischen Feldes unerwünscht ist oder der Flügel nicht aus einem leitenden Material hergestellt werden kann. In solchen Fällen kann eine Dämpfung dadurch bewirkt werden, daß der Innenraum des Gehäuses aus den Rahmenelementen 14 und 15 mit einer geeigneten Flüssigkeit gefüllt wird, wobei es zweckmäßig sein kann, den Vibrations mess er insgesamt in einem flüssigkeitsdichten Gehäuse unterzubringen. Als andere Alternative kann die Zunge mit ihrer natürlichen Resonanzfrequenz auf eine Frequenz abgestimmt sein, die völligverschieden von der zu überwachenden und auf den Vibrationsmesser einwirkenden Frequenz ist, wodurch eine Reduzierung der Vibrationsamplitude sich in dem gewünschen Umfang einstellt.

Der Vibrationsmesser gemäß der Erfindung ist in unterschiedlicher Weise ausführbar und kann wesentlich verschieden von der in der dargestellten Ausführungsform gestaltet sein. So ist es nicht notwendig, daß die Lichtleiter einander gegenüberliegend am Flügel 26 angeordnet sind. Die Lichtleiter könnten auch auf derselben Seite enden, wenn ein Flügel 26 Verwendung findet, auf dem die Maske 28 aus reflektierenden und nichtreflektierenden Bereichen an Stelle der Schlitze 30 besteht. Die Lichtübertragung von einem Lichtleiter zum anderen erfolgt in diesem Fall ebenfalls

in Form

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in Form von Maxima und Minima, wenn sich der Flügel an den Lichtleitern vorbeibewegt. Die Bestimmung der Amplitude der Schwingung erfolgt dabei in der beschriebenen Weise.

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Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE

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   ' IJ Vibrationsmesser mit einer Zunge und einem daran befestigten Flügel, welcher sich bei schwingender Zunge in einem Schlitz des Gehäuses des Vibrationsmessers hin-und herbewegt, dadurch gekennzeichnet,

   - daß der Flügel (26) zwischen einer Lichtquelle (40) sowie einem Lichtempfänger angeordnet ist und eine Vielzahl von lichtübertragenden und lichtunterbrechenden Elementen (Schlitze 30, Stege 32) in gleichförmig alternierender Anordnung umfaßt,

   - daß sich der Flügel (26) im erregten Zustand der Zunge (12) quer zum Lichtweg verschiebt,

   - daß vor dem Licht empfänger eine stationäre Maske (34) angeordnet ist, welche zumindest ein lichtübertragendes Element

   (Schlitz 38) derselben Größe und Ausrichtung wie das lichtübertragende Element (Schlitz 30) im Flügel (2 6) hat,

   - und daß ein Zähler (44) vorhanden ist, welcher die Anzahl der Lichtminima während der Übertragung des Lichtes über den schwingenden Flügel auszählt, um daraus die Erregerfrequenz

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   und die Amplitude der Erregerschwingung zu ermitteln.
2. 2. Vibrationsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   - daß die Lichtquelle (40) und der Lichtempfänger aufeinander gegenüberliegenden Seiten des Flügels (26) angeordnet sind und daß der Flügel mit parallel nebeneinander angeordneten Schlitzen (30) und Stegen (32) versehen ist, über welche die Lichtübertragung erfolgt.
3. 3. Vibrationsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - daß die Lichtquelle und der Lichtempfänger auf der gleichen Seite des Flügels (26) angeordnet sind und daß der Flügel mit lichtreflektierenden und lichtabsorbierenden Elementen in gleichförmiger alternierender Anordnung nebeneinander liegend versehen ist.
4. 4. Vibrationsmesser nach Anspruch 2 oder 3, dadurch

   gekennzeichnet,

   - daß die Schlitze bzw. Stege oder die lichtabsorbierenden bzw. -reflektierenden Elemente jeweils gleiche Breite haben.
5. 5. Vibrationsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

   dadurch gekennzeichnet,

   - daß Dämpfungseinrichtungen (48) vorhanden sind, um die Maximal amplitude der Zunge (12) zu verringern.
6. 6. Vibrationsmesser nach einem oder mehreren der Ansprüche

   1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

   - daß der Flügel (26) aus Metall hergestellt ist und daß die Dämpfungseinrichtungen zumindest einen Permanentmagneten umfassen, der derart zum Flügel angeordnet ist, daß im Flügel Wirbeiströme induziert werden.

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7. 7. Vibrationsmesser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

   - daß der Lichtempfänger einen Detektor (41) umfaßt, welcher die Lichtsignale in elektrische Impulse umwandelt und daß die elektrischen Impulse an den Zähler (44) übertragen werden,
   um daraus die Anzahl der auftretenden Lichtminima im Übertragungsweg zu ermitteln.

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