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Verfahren zur Messung der Phasenunterschiede zweier Schwingungsvorgänge
gleicher Frequenz. Die Aufgabe, den Phasenunterschied von Schwingungsvorgängen gleicher
Frequenz zu bestimmen, tritt in der Schwingungstechnik sehr häufig auf. Die bisher
für solche Messungen gebräuchlichen @Ietliorlen kranken zum Teil an dein Cbelstande,
(laß sie entweder verhältnismäßig komplizierte und kostspielige Apparaturen erfordern
oder von den Schwingungsamplituden al:hängig sind. Die in der Wechselstrointechnik
üblichen Apparate und Methoden sind gewöhnlich nur für Starkstrom zu verwenden.
Die vorliegende Erfindung löst die Aufgabe in einer neuen Weise mit einfachen Mitteln.
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Das Wesen der Erfindung besteht darin, (laß durch die beiden Schwingungsvorgiinge,
deren Phasenunterschied bestimmt werden soll, unabhängig voiieinan@lerimRln-thnius
der Schwingungen Stromschließungen und -unterbrechungen in einem Meßstromkreise
hewirkt werden und auf diese Weise ein ini Meßstromkreise liegendes Anzeigeinstrument
in Abhängigkeit von der Phasenverschiebung beeinflußt wird. Die Angal:en dieses
Instruinentes sind eine Funktion der Phasenverschiebung und dienen als 'Maß derselben.
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Der Grundgedanke der Erfindung möge an Hand der Abb. i und 2 näher
erläutert werden.
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Die Kurven i und 2 stellen zwei Schwingungsvorgänge gleicher Frequenz
dar. Die Amplituden sind verschieden. Die zweite Schwingung hat gegen die erste
eine Phasenverschiebung, welche durch die Strecke 3-6 gegeben ist. In Abb. i beträgt
sie etwa 6o°, in Abb. 2 etwa 12o°.
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Das Verfahren besteht nun darin, daß durch die Schwingungsvorgänge
voneinander unabhängige Kontaktvorrichtungen in einem Meßstroinkreise geschlossen
und geöffnet werden. und zwar in <der Weise, (laß während einer bestimmten Zeit
jeder Periode der Kontakt geschlossen und während der übrigen Zeit geöffnet ist.
Je nach der Phasenverschieb:ing «erden dann beide Kontakte nur eine gewisse Zeit
gleichzeitig geschlossen l;zw. geöffnet sein. Während dieser Zeit des gemeinsamen
Stromabschlusses oder der gemeinsamen Unterbrechung wird nun eine Einwirkung auf
ein Anzeigeinstrument hervorge':racht, welches so beschaffen ist, (laß die Anzeigen
je nach der Dauer dieserEinwirkung verschieden sind. Der Schwingungsvorgang i bewirke
beispielsweise den Stromschluß in den Kurvenpunkten 9 und die Stromunterbrechung
in den Kurvenpunkten io. Dann ist der zugehörige Ko:itakt also während der Zeit
c) Lis io geschlossen und während der übrigen Zeit der Periode geöffnet. Entsprechend
mögen ,die Stromschlüsse heim Schwingungsvorgang 2 in den Punkten i i und die Stromunterl:rechung
in den Punkten 12 stattfinden, so daß der durch die Schwingung 2 l:etätigte Kontakt
während vier Zeiten i i bis 12 geschlossen ist. Der Einfachheit halber sei angenommen,
daß die Stronischlußzeit 9 bis io gleich der Stromschlußzeit i i bis 12 sei. Beide
Kontakte sind also nur während der durch die Strecke 13 gegebenen "Zeit während
jeder Periode gleichzeitig geschlossen. Es kann also nur während dieser Zeit Strom
in dem Meßstromkreise fließen. Das Anzeigeinstrument möge über die während der Zeit
13 erfolgenden Einwirkungen von 1:estinimter Intensität integrieren uncl einen Mittelwert
anzeigen. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß dieser Mittelwert bei
den
in Abb. 2 dargestellten Verhältnissen, wo die gemeinsame Stromschlußzeit 13 infolge
der größeren Phasenverschiebung wesentlich kleiner ist, ein anderer sein wird als
bei der in Abb. i dargestellten Phasenverschiebung. Wenn man z. B. ein genügend
träges Meßinstrument in den Meßkreis einschaltet, so wird der Ausschlag des Instrumentes
im Falle i größer sein als im Falle 2. Die Skala des Instrumentes kann vorher direkt
in Graden der Phasenverschiehung geeicht sein.
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Um vollkommen unabhängig von den Amplituden der beiden Schwingungen
zu sein, ist es zweckmäßig, die Stromschlüsse und -unterbrechungen nicht in Punkteng,
1o, i i, i2 zu bewirken, sondern in den Durchgangspunkten 3, 4., 5 bzw. 6, 7, 8
der Kurven durch die Nullinie. In diesem Falle würden die Kontakte jedesmal während
einer Halbperiode geschlossen und während der anderen Halbperiode geöffnet sein.
Ob die Stromschließungen und -unterbrechungen gerade-während des Durchgangs durch
Null erfolgen, kann man leicht dadurch feststellen, daß man jede Schwingung für
sich allein den zugehörigen Kontakt betätigen läßt, während der andere Kontakt geschlossen
gehalten wird und beobachtet, ob das Instrument bei Vertauschung der beiden Halbperioden,
bei Wechselstrom also beispielsweise bei Konnnutation, denselben Ausschlag ergibt.
Für diesen Zweck sind die Kontakte einstellbar eingerichtet.
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Einige Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen zur Ausübung des beschriebenen
Verfahrens sind in den Abb. 3 bis 6 dargestellt.
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In Abb.3 sind 21 und 22 zwei Stimmgabeln, welche irgendwie durch Kräfte
gleicher Frequenz mit einer gewissen Phasenverschiebung erregt werden mögen. An
den Zinken 23 bzw. 24 sind zwei Kontakte 25 bzw. 26 angebracht, die in die Quecksilbernäpfchen
27 bzw. 28 eintauchen und im Rhythmus der Schwingungen den von der Batterie 29 über
den Widerstand 30 und den Schalter 31 -gespeisten Meßstromkreis nnit dem
Anzeigeinstrument 32 schließen und öffnen. Ein Strom wird durch das Instrument 32
nur während der Zeit fließen, wo beide Kontakte gleichzeitig geschlossen sind. Diese
Zeit ist in der oben geschilderten Weise von der Phasenverschiebung abhängig und
infolgedessen auch der Ausschlag des Instrumentes 32.
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In Ab-b- 4 sind 41 und 42 zwei schwingende Membranen, die z. B. durch
Schallwellen erregt werden, welche aus einer bestimmten Richtung mit einer gewissen
Phasenverschiebung bei ihnen anlangen. Die Membranen sind auf den Gehäusen 43 und
44 isoliert befestigt. An ihnen sitzen die Kontakte 45 und 46 und berühren bei ihren
Schwingungen die einstellbaren Kontaktschrauben 47 und 48. Während der Kontaktzeit
werden die Widerstände 5 i und 52 teilweise kurzgeschlossen, so daß in dem von der
Batterie49 gespeisten Meßstromkreise Stromänderungen stattfinden, die von der Phasenverschiebung
abhängig sind und von dem Instrument 5o angezeigt werden.
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In Abb. 5 bezeichnen 61 und 62 zwei Wechselstromquellen. Die Phasenverschiebung
der beiden durch die Magnetspulen 63 und 64 fließenden Wechselströme soll bestimmt
werden. Zu diesem Zwecke sind vor den Magneten die Kontaktfedern 65 und 66 in den
Kontakten 67 und 68 angeordnet. Die Stromschließungen und -unterbrechungen erfolgen
im Rhythmus der Wechselströme und das mit dem Meßstromkreise verbundene Anzeigeinstrument
7o wird in Abhängigkeit von der Phasendifferenz beider Ströme beeinflußt durch die
von 69 ausgehenden Stromstöße. Man kann das Instrument auch induktiv mit dem Meßstromkreise
koppeln. In dem Wechselstromkreise seien Regulierwiderstände 71 und 72 eingeschaltet,
durch die .die Stromstärken reguliert und mit Hilfe der Meßinstrumente 73 und 74
auf den gleichen Wert eingestellt «-erden können. Ferner sind in dem Stromkreise
die Kommutatoren 75 und 76 eingeschaltet, welche ein Vertauschen der Stromschließungen
und -unter-brechungen gestatten.
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Die Vorrichtung wird z. B. in folgender Weise benutzt. Die beiden
zu vergleichenden Wechselströme werden mit Hilfe der Regulierwiderstände auf gleiche
Stärke gebracht und durchfließen die Magnetspulen zweier polarisierter Relais, welche
in dem Meßstromkreise liegen. Der eine Kontakt wird zunächst geschlossen gehalten
und beobachtet, welchen Ausschlag das Instrument 7o anzeigt, wenn der andere Kontakt
allein betätigt wird. Dasselbe wird wiederholt bei alleiniger Betätigung des ersten
Kontaktes. In beiden Fällen wird auf denselben Ausschlag des Meßinstrumentes eingestellt.
Dann können beide Wechselströme gleichzeitig zur Einwirkung auf die Kontakte gebracht
werden. Wenn sich bei Umschaltung der beiden Kommutatoren 75 und 76 dieselben Ausschläge
ergeben, dann finden die Stromschließungen und -unterbrechungen gerade im Nullpunkt
statt. Durch entsprechende Einstellung der Kontakte läßt sich dies stets erreichen.
Das Instrument ist von vornherein für diese Einstellung der Kontakte geeicht.
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In Abb. 6 bezeichnen 82 und 83 zwei auf dem Fundament 81 angeordnete
Schwingungskörper, die durch Schwingungen, welche in dem Fundament verlaufen, zum
Mitschwingen veranlaßt werden. Die Phasendifferenz dieser Schwingungen soll bestimmt
werden. Zu diesein Zwecke sind die Schwingungskörp->r 82 und 83 am oberen Ende mit
zwei Ankern 84
und 8; versehen, die vor den Elektromagneten 86 und
8; schwingen und in denselben eine--i Strom induzieren. Diese Strome teetätigen
mit Hilfe der Elektro inagneten 88 und 89 die Kontaktfedern 9o tin,l 9i finit den
Kontakten 92 und 93. Diese Kontakte liegen in den Zweigen einer Brückenschaltung.
Das in der Brücke liegende Instrument 9d. ist stromlos, wenn beide Kontakte geöffnet
oder weim beide gleichzeitig geschlossen sind. l#--s fließt nur Strom, solange der
Kontakt 92 oder 93 allein geschlosse;i ist. Es werglen hier also nicht die Zeiten
zur Messung benutzt, während deren ein gemeinsamer Stroinschluß bzw. eine geineiiisanie
Stroniunteri;rechung vorliegt, sondern die Zeiten, während deren nur eine einseitige
Stromschließung vorliegt. Man könnte selbstverständlich an Stelle der Elektroiwi;;neten
86 und 87 auch andere Vorrichtungen zur Erzeugung des für die Betätigung der Kontakte
erforderlichen Stromes verwenden, z. B. elektrodvnaniische Vorrichtungen oder Mikrophone.
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Zur Eichung und Kontrolle des Instrumenfes 94 ist ein Eichkreis vorgesehen.
Von der Wechselstroinquelle 99 wird Wechselstrom gleicher Frequenz durch die Spulen
der Elektromagneten 97 und 98 geschickt, welche die Schwingungsglieder 82 und 83
erregen. Die Anordnung kann auch so getroffen sein, (laß der Wechselstrom direkt
zur Betätigung der Kontakte benutzt wird. Dein durch 97 fließenden Wechselstrom
wird mit Hilfe der variahlen SelLstinduktion ioo gegenüber dein durch 98 fließenden
Strom eine 1 ekannte Phasenverschiebung erteilt. Der Ausgleich der Widerstände in
beiden Kreisen erfolgt durch die Widerstände ioi lizw. io2. Man kann auf diese Weise
in jerlein Falle rückwärts zu jedem Ausschlag des Instrumentes 94 die entsprechende
Phasenverschiebung an der veränderlichen Selbstinduktion (Varionieter) ioo ablesen.
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Nlit den beschriebenen Vorrichtungen ist naturgemäß nur ein Teil der
möglichen Anordnungen erfaßt. Es können Kombinationen der in den verschiedenen Abbildungen
enthaltenen Anordnungen gewählt «-erden, ohne im Prinzip von dein Erfindungsgedanken
abzuweichen.