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Verfahren zur Bestimmung der Schwingungsfrequenzen von mechanischen
Systemen (harmonische Analyse) Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestinunung
der Schwingungsfrequenzen von mechanischen Systemen, das insbesondere auch zur harmonischen
Analyse geeignet ist.
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Es ist bekannt, die auszumessenden Schwingungen durch Kopplung auf
ein mechanisches, aus einstellbaren Massen und einstellbaren mechanischen oder elektromagnetischen
Elastizitäten bestehendes Schwingungssystem mit in den erforderlichen Grenzen einstellbarer
Eigenperiode zuübertragen '.Und damit. die Resonanzkurve, d. h. die Abhängigkeit
der Amplitude des Mitschwingens des Meßschwingungskreises von seiner jeweilig eingestellten
Eigenfrequenz, aufzunehmen. Ferner ist es bekannt, derartige Schwingungsme#ser mit
Dämpfungsvorrichtungen, insbesondere elektromagnetischen Dämpfungsvorrichtungen,
zu versehen.
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Die Amplitude der Schwingung des Meßsystems soll nun stets dem Grad
des Mitschwingens bei verschiedenen, jeweilig eingestellten Eigenfrequenzen entsprechen,
sie soll aber nicht unmittelbar von der Frequenz abhängig sein. Diese Bedingung
ist bei Anzeigevorrichtungen mit Vergrößerung des Zeigerausschlags durch Hebelübertragung
oder durch optische Mittel ohne weiteres erfüllt. Bei Messung der Amplituden auf
elektrischem Wege ergibt sich aber eine unmittelbare Abhängigkeit des Ausschlags
von der Eigenfrequenz. Ebenso soll auch die Dämpfung von der jeweilig eingestellten
Eigenfrequenz an sich unabhängig sein.
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Gemäß der Erfindung werden nun die Mittel zur Vergrößerung der Anzeige
und die Dämpfung des Meßschwingungskreises auf elektromagnetischem Wege so gesteuert,
daß die Vergrößerung und die Dämpfung von der jeweils eingestellten Eigenfrequenz
unabhängig werden. Insbesondere kann nach der Erfindung die Steuerung auch selbsttätig
erfolgen, indem die Vorrichtungen zur Variation der Eigenfrequenz, die Dämpfungsvorrichtungen
sowie die Einstellvorrichtungen für die elektrischen Konstanten des Schließungskreises
in geeigneter Weise miteinander gekoppelt werden.
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Das Verfahren soll nunmehr an Hand der Zeichnungen erläutert werden.
Abb. i stellt einen Axialschnitt -durch einen Frequenzmesser dar.
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Die Masse K des Schwingungssystems, welche in dem zu beschreibenden
Beispiel konstant zu halten sei, wird mittels einer kräftigen Achse A zwischen
den beiden Membranen E
und 0 parallel geführt. Die Achse
A wird beim Gebrauch des Appar ' ates der gewünschte.n Schwingungsrichtung
parallel gestellt. Die Elastizität des Schwingungssystems wird beispielsweise durch
die beiden Federn D und P gebildet, welche mittels der in den Stutzen
C
und Q geführten Muttern B und R gespannt
werden können.
Die Federn sind evtl. verschieden stark, und die Muttern werden (z. B. durch ein
nicht gezeichnetes Übersetzungsgetriebe) so verstellt, daß die Masse K bei- jeder
einander zwangläufig zugeordneten Kraft der Federn D und P an der gleichen
Stelle bleibt,. Die Muttern B und R können auch z. B. als Kolben ausgebildet
sein, die hydrauliscl-i oder pneumatisch verschoben werden.
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Die Masse K (und überhaupt die ganze Vorrichtung) ist drehrund zur
Achse A, so daß die Zeichnung irgendeinen Schnitt durch diese Achse hindurch
darstellt. Die Masse K hat nach beiden Seiten hin je einen zylindrischen
Rand G und L. L ist aus gut leitendem Material, z. B. Kupfer, und
ragt in den ringförinigen Spalt eines Topfmagneten N, der durch die Wicklung
M einstellbar magnetisiert ,Werden kann. Die in L bei Schwingungen der Masse K induzierten
Wirbelströrne dienen zur Dämpfung der Schwingungen.
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Die Dämpfung kann durch Regulierung der Stromstärke in M von der Frequenz
unabhängig. gei#aclit werden.
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Der Ring G trägt eine Wicklung J aus isoliertem Draht und ragt
in den ringförmigen Spalt des Topfinagneten F, der durch die Wicklung H einstellbar
magnetisiert werden kann. Bei Schwingungen der Masse K werden in der Wicklung
1 Induktionsströme erzeugt, deren Stärke mittels eines geeigneten Meßinstrumentes
bestimmt werden kann.
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Die Stromstärke in dem an die Wicklung J
angeschlossenen Meßinstrumente
kann entweder durch Regulierung der Stromstärke in der Wicklung H und/oder durch
Parallel- oder Inserieschaltung von Widerständen zum Mießinstrument bzw. zu der
Wicklung 1 von der Frequenz unabhängig und allein der Schwingungsamplitude
von K proportional gemacht werden.
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Die zusammengehörigen Werte der Eigenfrequenz von K (bzw. der Spannung
der Federn D und P) und der Stromstärken in H und M und/oder der Widerstände
in dem an die Spule J angeschlossenen Meßkreise können entweder auf Grund einer
Eichtabelle von Hand eingestellt oder durch Kopplung der die Stromstärken in Hund
M und dem an die Spule J angeschlossenen Meßkreise bestimmenden veränderlichen Widerstände,
beispielsweise an die Drehvorrichtung für die Muttern B und R, automatisch gesteuert
werden.
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Solange dann die Störung#frequenz, die auf den Apparat wirkt, von
der eingestellten Eigenfrequenz hinreichend weit entfernt ist, wird der Ausschlag
des an J angeschlossenen Anzeigeinstruments von der Frequenz weitgehend unabhängig
sein. Nur da, wo Resonanz stattfindet, erhält man die bekannten Maxima, deren Höhen
bei sinusförmigen, ungedämpften Störungsschwingungen zugleich der Aniplitude derselben
proportional sind.
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Eine etwas andere Ausbildung des Induktionsmagneten F mit konzentrierterem
Felde zeigt Abb. 2 als Ausschnitt aus dem ganzen Apparat.
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Oft wird es zweckmäßig sein, nicht die Federn D und P, die
natürlich auch durch einen ferngesteuerten Elektromotor oder ein Schrittschaltwerk
gespannt bzw. entspannt werden können, als Meßorgane für die Größe der momentanen
Elastizität beim Variieren der Eigenfrequenz zu verwenden, sondern die Eigenfrequenz
auf elektromagnetischein Wege einzustellen.
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Abb. 3 zeigt ein Beispiel für eine solche Anordnung, wiederum
als Ausschnitt aus dem ganzen Apparat. Die Feder P wird geeignet stark ausgewählt
und ist, außer etwa zu Justierzwecken a. dgl., unveränderlich gegen die Mutter
R angelegt. Die Feder D fehlt ganz oder dient zur Fixierung von K in seiner
Lage bei Mindestspannung der elektromagnetischen Elastizität. Eine weitere regulierbare
Feder, pa.raJ1el mit P wirkend, kann vorgesehen sein, uni irn Verein mit
D die Schwerewirkung auf K bei verschiedenen Lagen der Achse-A im Raume aufzuheben.
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K selbst besteht ganz oder teilweise aus Eisen. N ist
so ausgebildet, daß seine Pole die Masse K in günstiger Weise anziehen, wenn in
M ein Strom erregt wird. Je-stärker der Strom in M ist, desto mehr wird K gegen
die Kraft der Feder P an N herangezogen und desto höher wird die Eigenfrequenz
des Schwingungssystems. Die Eigenfrequenz kann mit dem Strom in M durch Eichung
in Beziehung gesetzt werden.
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F ist wie in Abb. z ausgebildet. Der Ring G
trägt auf einem
Teil seiner Höhe die Wickhing j. Der andere Teil ist aus vollem, gut leitendem Material.
Ist die anziehende Kraft der Magneten N klein, so liegt J im Magnetfeld des
Magneten F; je höher die Eigenfrequenz eingestellt wird, desto weiter geht
J aus dem Magnetfeld heraus, die Induktion in J wird geringer und kompensiert bei
richtiger Wahl der Dimensionen die erhöhte Induktionswirkung durch die Frequenzerhöhung.
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Umgekehrt ist die Wirkung der Frequenz auf die Dämpfung. Da der massive
Teil von G
um so tiefer in das Magnetfeld des Magneten F eintaucht,
je höher die Frequenz wird, so vergrößert sich dadurch die dämpfende Wirkung
des Magnetfeldes. Auch hier kann durch geeignete Wahl der Dimensionen von Spalt
und leitendem Dämpferring die Dämpfung sowie die induzierte Spannungsamplitude bei
vorgegebener Schwingungsamplitude von der Frequenz unabhängig gemacht werden, Verbleibende
Differenzen können durch
willkürliche oder automatisch mit dem Strom
in M gekoppelte Veränderungen der Stromstärke in H und der Widerstände in dem an
J angeschlossenen Meßkreise7noch ausgeglichen werden.
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Der Apparat kann auch dazu dienen, aus einer kombinierten Schwingtingsbewegung
mechanischer Systeme die einzelnen sie zusammensetzenden Sinusschwingungen auszuscheiden
und einzeln zu messen (harmonische Analyse).