DE521066C - Einrichtung zum Messen von Zustandsaenderungen oder Bewegungen - Google Patents

Description

Zur Messung von Zustandsänderungen oder Bewegungen, insbesondere solchen von sehr kleiner Größenordnung, ist folgende Einrichtung bekannt. Ein in einem Hochfrequenzschwingungskreise liegender Kondensator (Meßkondensator) ist mit dem Meßobjekt derart verbunden, daß sieb dessen Zustandsänderungen (z. B. elastische Zusammenpressung unter gewissen Drucken) in einer entsprechenden Änderung der Kapazität des Kondensators ausdrücken. In einem zweiten Hochfrequenzschwingungskreis, der mit jenem· gekoppelt ist, liegt ein von Hand in seiner Kapazität zu verändernder Kondensator (Prüfkondensator). Man stellt zur ■ Feststellung des Anfangszustandes diesen zweiten oder Prüfkondensator so ein, daß die Frequenz in beiden Schwingungskreisen gleich groß wird, in welchem Falle der in einem Telephon hörbare, der jeweiligen Differenz der Schwingungszahlen entsprechende Ton aufhört. In diesem Augenblick hat also der Prüfkondensator eine gewisse an einer Skala ablesbare Einstellung. Um den nach dieser ersten Einstellung veränderten Zustand des Meßobjektes festzustellen, wird nun von der gedachten Einstellung des Prüfkondensators aus erneut eingestellt, bis wiederum Gleichheit der Schwingungszahlen eintritt und der mit derZustandsveräniderung des Meßobjektes wieder aufgetretene Ton verstummt. Aus der Differenz der den beiden Einstellungen des Prüfkondensators entsprechenden Kapazitätswerte oder anders ausgedrückt: aus der Größe der zur zweiten Einstellung nötigen Verstellung kann man dann auf die Größe der Zustandsänderung schließen. Diese Einrichtung ist für Werkstattmessungen wenig geeignet; in Fällen·, wo es sich nicht lediglich um die Feststellung eines Anfangs- und Endzustandes handelt, sondern wo auch der Verlauf der Bewegung gemessen werden soll, ist sie überhaupt nicht zu gebrauchen. ■

Man hat sich weiterhin für den genannten Zweck die Erscheinung zunutze gemacht, daß sich mit der Frequenzänderung auch die Stärke des Anodengleichstromes ändert. Man vermied dabei absichtlich das Gebiet der Unstetigkeit beim Einsetzen und Aussetzen der Schwingungen und richtete es so ein, daß die Frequenz, die durch die vom Meßgegenetand hervorgerufenen Kapazitätsänderungen beeinflußt wird, sich während der Messung in dem Bereich bewegte, wo die Stromstärke des Anodengleichstromes in nahezu linearer Beziehung zur Frequenz steht. Auf diese Weise kann man durch Messung und Aufzeichnung der Stromstärke auch den Verlauf der zu messenden· Bewegung feststellen; man hat jedoch den Nachteil, daß das Meßergebnis von der Spannung der¹ Anodenbatterie, der Heizbatterie und der Gittervorspannung beeinflußt wird', daß also jede Eichung nur für kurze Zeit Geltung hat.

Derselbe Nachteil ist auch bei einer anderen bekannten Einrichtung vorhanden. Bei dieser sind zwei Hochfrequenzschwingungskreise vorhanden, in deren einem der vom Meß-

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gegenstand beeinflußte Kondensator liegt. Dk Schwingungen beider Kreise werden mittels zweier in einem - dritten Schwingungskreis in Reihe geschalteter Induktionsspulen' überlagert und. die in dem dritten Schwingungskreis entstehenden Ströme werden gleichgerichtet. Der dabei entstehende, die Frequenz der Schwebunig aufweisende Wechselstrom induziert in einem nahezu auf die Schwebungsfrequenz abgestimmten Schwingungskreis Schwingungen, deren Amplitude von .dem Grade der Übereinstimmung der Schwe-■ bungsfrequenz mit 'der Eigenschwingumgszahl dieses Schwingungs'kreises, also mittelbar von den Veränderungen der Kapazität .des Meßkondensators abhängt. Die in dein eben genannten Schwingungskreis fließenden Ströme werden auf einen weiteren Schwingungskreis übertragen, von einer Röhre ao gleichgerichtet und mittels eines Oszillographen gemessen. Da nun bekanntlich die Wirkung von Gleichrichterröhren in starkem Maße von der Spannung der Anodenbatterien abhängt, wird auch hier das Meßergebnis von mehreren variablen Faktoren beeinflußt, so daß auch hier eine Eichung nur für kurze Zeit Geltung hat.

Die Erfindung verwendet die bekannte Schaltung, bei der in einem von zwei gekoppelten Hochfrequenzschwingungskreisen zwei in ihrer frequenzbestimmenden Wirkung veränderliche Organe (Kondensator, Induktionsspulen) liegen, deren eines (Fühlorgan) von dem zu messenden Vorgang gesteuert wird und deren anderes (Prüforgan) unabhängig davon verstellt werden kann, wobei die im Bereich der Resonanz zwischen den : beiden Schwingungskreisen auftretende Änderung der Stromstärke des Anodenkreises einer Elektronenröhre : zum Ausdruck der Messung benutzt wird. Dabei ist erfindungsgemäß mit dem die Verstellung des Prüforgans bewirkenden Glied eine Schreib- oder Anzeigevorrichtung gekuppelt, die den Weg dieses Gliedes aufzeichnet oder mittels eines Lichtstrahles auf einen Schirm projiziert, welche Vorrichtung im Augenblick der Resonanz mittels eines infolge der Stromstärkeschwankung des Anodenkreises ansprechenden Elektromagneten unwirksam ge- * macht wird, derart, daß der vom Prüforgan aus der Nullage bis zur Erreichung des Resonanzpunktes zurückgelegte Weg als Maß der Zustandsänderung aufgezeichnet wird. Die Erfindung hat den Vorteil, daß die Größe der Stromstärkeschwanküng, die von der Batteriespannung abhängig ist, daß Meßergebnis nicht mehr beeinflußt, sondern daß lediglich der von der Batteriespanming unabham.gige Augenblick der Resonanz und der aus der Nullage bis zu diesem Augenblick vom Prüforgan zurückgelegte Weg das Maß für die 'Zustandsänderung abgeben. Für ein und dasselbe Prüforgan genügt somit ein für allemal eine einzige Eichung. Die aufgenommenen Werte oder Kurven sind sämtlich unmittelbar miteinander vergleichbar.

Handelt es sich nur um die schlichte Feststellung einer Zustandsänderung des Meßgegenstandes nach Anfangs- und Endzustand, z, B. um die Messung -der elastischen Zusammenpressung, welche ein Stahlkörper bei einer bestimmten Belastung gegenüber dem unbelasteten Zustande erfährt, so kann man mit der Handhabe zum Einstellen eines als Prüforgan dienenden Drehkondensators einen drehbaren Spiegel verbinden- und durch einen im Anodenstromkreis liegenden Elektromagneten eine Blende derart steuern lassen, daß ein durch sie himdurchgeschickter Lichtstrahl im Augenblick des Eintritts der Resonanz ' abgeschnitten wird. Dann verzeichnet der Spiegel bei seiner in Übereinstimmung mit der Verstellung des Prüfkondensators erfolgenden Verdrehung auf einer Mattscheibe oder einer lichtempfindlichen Fläche eine Linie, die im Augenblick des Eintritts der Resonanz endet. Sei in· dieser Weise der Endpunkt der Lichtlinie für den Anfangszustand des Meßobjektes abgelesen oder festgelegt und erfolge nun zur Feststellung des Endzustandes am Meßobjekt die erneute Bewegung des Prüfkondensators mit dem Spiegel, so wird die jetzt verzeichnete Lichtlinie bei verändertem Zustande des* Meß-Objektes entweder nidht bis zu dem früheren Endpunkt oder aber über denselben hinausreichen, so daß man die positive oder negative Differenzstrecke feststellen kann. Natürlich läßt sich die Blende auch im umgekehrten Sinne, d.h. so anordnen, daß sie sich im Augenblick der Resonanz öffnet und folglich den Anfangspunkt der Lichtlinien bestimmt.

Man kann auch mit dem Prüf kondensator · einen Schreibstift kuppeln, der mit Hilfe eines im Anadenkreis gesteuerten Schützen (Relais) auf elektromagnetischem Wege gegen eine Schreibfläche gedrückt bzw. abgehoben wird, ader eine elektrochemisch wirkende Schreibvorrichtung anordnen, bei welcher ein in de» Anodenstromkreis eingeschalteter Zeiger sich über eine ebenfalls in den Anodenstromkreis eingeschaltete Schreibfläche bewegt, welche mit einem angefeuchteten Papier bedeckt ist, das mit einer durch den Strom zersetzbaren Zubereitung getränkt ist; derlei Farbschreiber sind ja bekannt.

Hanidtelt es sich um die zeitliche Verfolgung einer fortschreitenden oder periodischen Zustandsänderung, so greift man zweckmäßig zur Anordnung einer sich fortlaufend drehenden Achse, welche den beweglichen Teil des

Kondensators und eine Trommel nach Art selbstregistrierender Instrumente (z. B. Barographen) trägt. Dabei läßt man die Trommel sich während der Drehung axial verschieben, um die Aufzeichnung in Schraubenlinien zu erhalten, wobei die durch Lichtoder elektrochemische Wirkung hervorgebrachten gleichlaufenden Schraubenlinien verschiedener Länge in ihrer Gesamtheit eine

ίο von einer Kurve einerseits, von einer Nulllinie anderseits begrenzte Fläche aufzeichnen. Abb. ι gibt zunächst das Schema einer Ausführungsform der Vorrichtung, welche die zu messenden Zustandsänderungen optisch anzeigt und' aufzeichnet. Es ist angenommen, daß es sich um die Verfolgung der bei der Dreharbeit auftretenden elastischen Durchbiegungen eines Drehstahles handelt, aus welcher Durchbiegung man auch wieder umgekehrt auf den Arbeitsaufwand schließen kann. Auf dem Drehstahl A ist die eine Platte b¹ eines empfindlichen Kondensators B mit Luft als Dielektrikum befestigt, dessen zweite Platte b² der ersten unverrückbar gegenüberliegt. Die Schaltung der Elektronenröhre C ist im wesentlichen d'ie bekannte mit abgestimmtem Anodenkreis und¹ abgestimmtem Gitterkreis, welche beiden Kreise durch die Spulen D¹ und D² induktiv gekoppelt sind.

E ist die Anodenbatterie, E^x die Batterie zur Erzeugung der negativen Vorspannung des Gitters c³, F die Heizbatterie für die Glühkathode c¹, c³ die Anode. G und H sind von Hand einzustellende Drehkondensatoren zur Abstimmung der beiden Schwingungskreise. Die Schwingungszahl des Anodenkreises bleibt sich während der Messung stets gleich, während sich die Schwingungszahl des Gitterkreises, in welchem der Kondensator B und der Drehkondensator I hegen, mit dem Verhalten des Messungsgegenstandes ändert. Der Kondensator I wird von einem kleinen Elektromotor mit gleichförmiger Umlaufzahl gedreht, erfährt also eine periodische regelmäßige Änderung seiner. Kapazität, während, sich die Kapazität des ·Kondensators B je nach dem Grade der¹ elastischen Durchbiegung des Drehstahles A ändert. Aus dem Zusammenwirken der beiden Kondensatoren B und I ergibt sich also eine Änderung der Gesamtkapazität und¹ folglich auch der Schwingungszahl im Gitterkreis.

Lassen wir zunächst die Einwirkung des Messungsgegenstandes außer Betracht, so wird wegen der stets gleichen Schwingungszahl im Anodenkreis und der sich periodisch ändernden Schwingungszahl im Gitterkreis bei Voraussetzung geeigneter Abstimmung durch die Kondensatoren G und H periodisch in gleichen Drehstellungen des Kondensators I, also auch in gleichen Zeitabschnitten, ein Moment eintreten, in welchem beide Schwingungskreise in Resonanz sind und die Röhre C schwingungserzeugend wirksam wird, was bekanntlich in dem sogenannten Springreißgebiet einen Stromabfall im Stromkreis der Anodenbatterie E hervorruft. Da nun aber der vom Messungsgegenstand¹ beeinflußte Kondensator B mitspielt, so werden die Momente der Resonanz zwischen beiden Schwingungskreisen nicht mehr bei gleichen Drehstellungen des Kondensators I eintreten.

In den Anodenstromkreis ist nun ein Elektromagnet K eingeschaltet, von dem die Hochfrequenzschwingungen in bekannter Weise durch den Blockkondensator L ferngehalten werden. Der Anker k¹ des Elektromagneten bewegt die Blende k², welche im Zustande der Anziehung des Ankers ein Loch in d'er Platte M frei hält und durch dieses einen Lichtstrahl der Bogenlampe N auf die mit lichtempfindlichem Papier bespannte Trommel 0 fallen läßt. Dieses Loch wird; beim Loslassen des Ankers, welches bei dem durch die Resonanz beider Schwingungskreise hervorgerufenen Stromabfall eintritt, durch die Blende verdeckt. Trommel 0 sitzt auf der Achse des Kondensators I oder ist mit ihr in anderer geeigneter Weise auf synchronen Umlauf gekuppelt. Es werden also auf dem Belag der Trommel photographisch stets gleich lange Striche verzeichnet werden, solange sich der Zustand des Messungsgegenstandes nicht ändert, dagegen verschieden lange Striche, sobald eine Zustandsänderung eintritt. Damit die Striche nicht aufeinanderfallen, erfährt die Trommel außer ihrer Drehung eine axial langsam fortschreitende (im ganzen also schraubenförmige) Bewegung.

Abb. 2 stellt eine beispielsweise Ausführungsform der mechanischen Anordnung der Auf Zeichnungsvorrichtung dar.

Es ist 0 die auf der Achse 1 undrehbar und: axial verschiebbar angeordnete Trommel, welche durch die Mutter 2 auf der durch Räderpaar 4 gekuppelten Spindel 3 bei ihrer Drehung langsam gehoben wird. Auf der Achse i, die ihren Antrieb von. irgendeiner mit gleichförmiger Geschwindigkeit laufenden Antriebsvorrichtung her durch Räderpaar 5 erhält, sitzt auch, wie bereits erwähnt, das drehbare Glied h¹ des Drehkondensators H, dem das andere Glied A² undrehbar gegenüberliegt. h¹ ist gegen die Achse 1 durch die Büchse 6, h² gegen dias Gehäuse durch den Block 7 isoliert. Ein Fortsatz 8 der Achse 1 taucht in das Quecksilbernäpfchen! 9 ein, an welches sich der dem Glied h¹ zugeordnete Leitungspol anschließt, wie andererseits der iao zweite Leitungspol an das Glied¹/?-² angelegt ist. M bezeichnet wiederum die durchlochte

Platte, durch welche der Lichtstrahl· nach der Trommel hin fällt.

Bei der gezeichneten Ausführungsform kann die Trommel O erst nach einer gewissen Hebung die Aufzeichnung vornehmen; sie ist um das mit der punktierten Darstellung angedeutete Maß verkürzt, damit bei Ingangsetzung des Werkes die Aufzeichnung nicht sogleich beginne und die Vorgänge zunächst to nur mit idem Auge verfolgt wenden können, falls zur Einstimmung des Gerätes noch irgend etwas zu geschehen hat. In einem Ausschnitt der Achse oberhalb der verkürzten Trommel sitzt zu diesem Behuf e der SpiegelP., welcher das auf ihn fallende Liefet in einem Winkel zur Einfallrichtung auf eine Mattscheibe fallen läßt, auf der das Auge des Beobachters eine Lichtlinie erblickt. Hieraus ergibt sich zugleich ohne weiteres· wie das Gerät beispielsweise beschaffen! -sein kann, wenn nur die optische Anzeige (nicht auch Aufzeichnung) verlangt wird.

Statt einer gleichförmigen Drehung kann das Prüforgan auch eine gleichförmige Pendelschwingung erfahren, der die synchrone Bewegung des die Aufzeichnung aufnehmenden Gliedies, welche übrigens- auch eine Schwingbewegung sein kann, anzupassen ist. Die optische Anzeige bzw. Aufzeichnung der Zustandsänderungen kann auch mit anderen Mitteln geschehen. Handelt es sich nur um eine Anzeige, so kann beispielsweise die von Hirsch angegebene, a.a.O. näher beschriebene Anordnung Anwendung finden. Eine vollkommen trägheitsfreie Aufzeichnung kann mittels des Oszillographen erreicht werden.

Eine 'Solche Anordnung ist in Abb. 3 schematisch dargestellt. An den Anodenstromkreis ist wiederum über einen Sperrkondensator L die Schleife des Oszillographen Q angeschlossen, dessen Spiegel q den von def Lichtquelle N kommenden Lichtstrahl durch die durchlochte Platte M auf die Walze 0 wirft.

Die Abb. 4 und 5 veranschaulichen weitere Schaltungsmöglichkeiten!.

Der linke Teil der Abb. 4 stellt eine im wesentlichen bekannte Einrichtung zur Erzeugung von ungedämpften Hochfrequenzschwingungenvorbestimmter Schwingungszahl mit Hilfe einer Elektronenröhre C¹ dar. Mit dieser Einrichtung lose gekoppelt ist die im rechten Teil der Abb. 4 dargestellte, als Empfänger geschaltete Einrichtung mit der Empfangsröhre C². Die Schaltung der Empfängereinrichtung wird mit Hilfe der Bezugszeichen, die denjenigen der Abb. 1 entsprechen, ohne weiteres klar; auf Seiten der Sendereinrichtung entsprechen die Bezugszeichen d¹, d^z, e, e^x, f, g, h den mit großen Buchstaben bezeichnetem Teilen der Empfängereinrichtung. Die Anordnung wirkt in der Weise, daß in der Sendereinrichtung Schwingungen von stets gleicher Schwingungszahl erzeugt werden, während im Empfänger an sich Schwingungen nicht auftreten. Wohl aber ändert sich je nach der augenblicklichen Stellung des Drehkondensators I die Stärke des Anodenstromes, welche im Resonanzpunkt ein Minimum durchläuft. Wenn in dem zugehörigen! Schaltbild, (Abb. 4a) auf der Abszissenachse dier Drehungsverlauf des Kondensators I, auf der Ordinatenachse die Stromstärke verzeichnet wird, so verläuft diese etwa gemäß der eingezeichneten Kurve, wenn im Punkten¹ Resonanz zwischen Empfänger und Sender eintritt. Voraussetzung dieser Wirkung ist natürlich, daß dtem Gitter C² durch die Batterie B^x die geeignete Vorspannung gegeben wird, d. h. der Arbeitspunkt der Elektronenröhre C² muß am oberen oder unteren Knick der Charakteristik der Elektronenröhre liegen.

Bei Betrachtung der Abb. 5 hat man sich links von» der allein, dargestellten Empfängereinrichtung wieder die Sendereinrichtung gemäß Abb. 4 zu denken. Unter Fortfall der Elektronenröhre C² ist hier in den· einzigen über die Spule D² gehenden Schwingung«- kreis ein Quarzkristall R geschaltet, dessen Eigenschwingungs'zahl wenigstens annähernd der Schwingungs-zahl der Sendereinrichtung zu entsprechen hat. In den Stromweg des Magneten K (oder Oszillographen) ist ein mit Elektronenröhren arbeitender Verstärker bekannter Art eingeschaltet. Bei dieser Anordnung verläuft die Stromkurve gemäß Abb. 5a, also ähnlich wie in Abb. 4a, jedoch mit wesentlich schärferer Einbiegung im- Bereiche des Resonanzpunktes x¹, was zur Erzielung größerer Meßgenauigkeit vorteilhaft ist

Wenn bisher nur von sich in ihrem Kapazitätswert ändernden Organen, dem Meßkondensatori? und dem Prüfkondensator I, die Rede war, so können an ihre Stelle auch Organe treten·, die sich, beim Meßorgan gemäß den Zustand'sänderungen oder Bewegungen des Messungsgegenstandes, beim Prüforgan periodisch gleichförmig, in ihrer Induktivität verändern und dadurch die Frequenz der Schwingungskreise beeinflussen. Zu denken- ist hier insbesondere an die als Variometer bekannten, aus zwei gegieneinander verdrehbaren Spulen bestehenden Organe.

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   i. Einrichtung zum Messen- von Zustanidsänderungen oder Bewegungen, z. B. dler Durchbiegung eines Drehstahles beim

   Arbeiten, bei der in einem von zwei gekoppelten Hochfrequemzschwingungskrei-■sen zwei in ihrer frequenzbestimmenden Wirkung veränderliche Organe (Kondensatoren, Induktionsspulen) liegen, deren eines (Fühlorgan.) von dem zu messenden Vorgang gesteuert wird und deren anderes (Prüforgan) unabhängig davon verstellt werden kann, und die im Bereich

   ίο der Resonanz zwischen den beiden Schwingungskreisen auftretende Änderung der Stromstärke des Anodenkreises einer Elektronenröhre zum Ausdruck der Messung benutzt wird¹, dadurch gekennzeichnet, daß mit der die Verstellung des Prüf organs (I) bewirkenden, sich gleichmäßig oder pendelnd drehenden Welle (/) eine Schreib- oder Anzeigevorrichtung (Spiegel q, Trommel 0) gekuppelt ist, die den Weg dieser Welle aufzeichnet oder mittels eines Lichtstrahles auf einen Schirm projiziert und kn Augenblicke der Resonanz mittels eines infolge der Stromstärkeschwankung des Anodenkreises ansprechenden Elektromagneten (K) unwirksam gemacht wird derart, daß der vom Prüforgan aus der Nullage bis zur Erreichung des Resonanzpunktes zurückgelegte Weg als Maß der Zustandsänderung aufgezeichnet wird.
2. 2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Prüforgan und die mit ihm gekuppelte Anzeige- oder Schreibvorrichtung fortlaufend synchron bewegt werden-, wobei dem Meßblatträger (Trommel 0) überdies eine zu den aufgezeichneten Linien senkrechte Bewegung erteilt wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen