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Verfahren zur genaueren Frequenzmessung Die Messung der Frequenz geschieht
in vielen Fällen mittels Resonanzinstrumente. Ist die zu untersuchende Frequenz
gleich der Eigenfrequenz eines schwingungsfähigen Systems des Resonanzinstruments,
so entstehen erzwungene Schwingungen, deren Amplitude durch die Dämpfung auf ein
endliches Maß beschränkt wird. Aus der Größe des Ausschlages der schwingungsfähigen
Systeme wird die Frequenz der erregenden Schwingung ermittelt. Abb. r zeigt die
Resonanzkurve bei einer bestimmten Dämpfung. D bedeutet dabei den Ausschlag des
schwingungsfähigen Systems, f, die Eigenfrequenz des Systems und f die erregende
Frequenz. Die Bestimmung der Frequenz aus der Resonanzkurve ist infolge der langen
Einschwingungsdauer des schwingungsfähigen Systems träge.
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Erfindungsgemäß wird nicht so sehr von der Größe des Ausschlags auf
die zu messende! Frequenz geschlossen, sondern von der Phasenlage der einzelnen
schwingungsfähigen Systeme zur erregenden Frequenz. Diese Phasenverschiebung zwischen
den Amplituden der einzelnen schwingungsfähigen Systeme zur erregenden Kraft ist
durch die Abb. 2 gegeben. Vor der Resonanz
ist die Phasenverschiebung ß=--o', genau in Resonanz
ist ß - go°, hinter der Resonanz
ist ß - z8o°. Bei schwach gedämpften Schwingungssystemen verläuft der Durchgang
der Phase von o° bis 18o° so schnell, daß man von einem Phasensprung spricht.
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Gegenstand der Erfindung beruht darauf, aus dieser an sich bekannten
Phasenbeziehung meßtechnisch Rückschlüsse auf die Größe einer zu messenden Frequenz
im Vergleich zu einer bekannten zu ziehen. Das Verfahren hat Allgemeingültigkeit;
jedoch soll im folgenden an einem Beispiel nur das optische Verfahren zur Herstellung
der, Phasenbeziehung benutzt werden. Man kann auch ebensogut rein 'elektrisch vorgehen.
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In folgendem soll an einem praktischen Beispiel die Frequenzmessung
dargelegt werden. Abb. 3 zeigt das Schwingungsbild eines Zungenfrequenzmessers,
der mit 5o Hertz erregt wird; jede Zunge muß dann mit 50 Perioden schwingen.
Die Zunge, die in Resonanz mit der erregenden Frequenz, mit den 5o Perioden, ist,
zeigt den größten Ausschlag: Wird nun der Zungenfrequenzmesser mit der erregenden
Frequenz beleuchtet, so erscheinen alle Zungen, da sie mit 5o Hertz schwingen, stillstehend,
und es ergibt sich die Abb. q.. Da vor der Resonanz die erzwungene Schwingung mit
der erregenden in Phase ist, werden die Zungen des Zungenfrequenzmessers unterhalb
der Resonanz entgegengesetzt stillstehend erscheinen wie die Zungen oberhalb der
Resonanz. Die Zunge, deren Eigenfrequenz genau in Resonanz mit der erregenden Frequenz
ist, erscheint nicht abgelenkt, sondern
in ihrer Ruhestellung stillstehend.
Infolge des scharfen Phasensprunges ergeben sich bis zu kleinen Abweichungen der
erregenden Frequenz von der Eigenfrequenz der Zunge schon merkliche abweichende
Stellungen der Zunge von der Mittelstellung. So lassen sich z. B. Schwankungen von
einigen elektrischen Winkelgraden (Pendeln von Synchronmaschinen, von Netzen) absolut
genau und ohne Trägheit messen.
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Die folgenden Ausführungen sollen das noch im Näheren erläutern.
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Es soll die Eigenfrequenz eines schwingungsfähigen Körpers, beispielsweise
einer Zunge eines Zungenfrequenzmessers, möglichst genau bestimmt werden. Der Körper
wird mit der genau eingestellten Meßfrequenz belichtet (Glimmlampe) und zugleich
selbst mit dieser Frequenz erregt. Der schwingende Körper erscheint dann stillstehend;
fällt die Eigenfrequenz des Körpers mit der Meßfrequenz vollkommen zusammen, so
erscheint der Körper in seiner Mittellage stillstehend, während bei einer Abweichung
der Eigenfrequenz von der erregenden Frequenz- um einen bestimmten Betrag vor der
Resonanz das scheinbar stillstehende Bild beispiels*eise nach unten (in bezug auf
die Mittelstellung) sich verschiebt und bei einer Abweichung um einen bestimmten
Betrag nach der Resonanz das scheinbar stillstehende Bild sich nach oben verschiebt.
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Der Betrag der Verschiebung des scheinbar stillstehenden Bildes von
der Mittelstellung ist ein Maß für die Abweichung der Meßfrequenz von der Eigenfrequenz
des Körpers. Die absolute Größe dieses Maßes ist nur von der Dämpfung des schwingenden
Körpers abhängig und läßt sich aus ihr bestimmen; sie kann aber auch aus einem Vergleich
mit anderen schwingenden Körpern bekannter Eigenfrequenz ermittelt werden.
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Es hat sich praktisch gezeigt, daß bei einer schwach gedämpften Zunge
eines üblichen technischen Zungenfrequenzmessers mit einer Eigenschwingung von 5o
Hertz sich Frequenzabweichungen von 1/10o bis 1/100o Hertz im Sinne der Erfindung
noch meßtechnisch erfassen lassen.
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Das ist eine Genauigkeit, die mit anderen einfachen Mitteln auch nicht
annähernd erreicht werden kann.
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Man kann also gemäß dem Erfindungsgedanken mit einem Zungenfrequenzmesser
von üblicher technischer Genauigkeit sehr genaue Frequenzmessungen ausführen. Der
Zungenfrequenzmesser wird mit der zu messenden Frequenz belichtet; es sind verschiedene
Ausführungsformen möglich; wesentlich ist, daß die Glimmlampe eine Gleichrichterwirkung
besitzt, damit keine Verdopplung der Belichtungsfrequenz auftritt; das kann z. B.
durch die Konstruktion der Glimmlampe (Gleichstromglimmlampe) erreicht werden. Weiterhin
ist es zweckmäßig, die intermittierende Beleuchtung so zu wählen, daß die Zeit des
Leuchtens der Lampe kürzer ist als die Zeit des Nichtleuchtens, weil sich so die
Intermittenz der Beleuchtung für die Beobachtung durch das Auge günstiger hervorhebt.
Man kann das z. B. durch eine starke Vormagnetisierung eines Transformators erreichen,
den man in die Glimmlampenleitung legt. Für jede einzelne Zunge ist eine Skala vorhanden,
die die Abweichungen der scheinbar stillstehenden Zungen von der Mittellage, nach
entsprechender vorheriger Eichung, zweckmäßig in Prozenten der Eigenschwingung,
abzulesen gestattet. Mit dieser Eichung bestreicht man nun einen bestimmten Bereich
ober- und unterhalb der Eigenfrequenz der Zunge. Wählt man nun zweckmäßig die Dämpfung
der einzelnen Zungen so, daß die Eichskala für alle Zungen gleich wird, so kann
man sie vorteilhaft als durchgehende Eichstriche beispielsweise auf der Glasplatte
anbringen. Macht man ferner den Frequenzabstand der einzelnen Zungen gleich der
Größe des Bereiches, den man durch den Phasensprung bei einer einzelnen Zunge erfassen
kann, so erhält man einen Frequenzrnesser, mit dem man gleichmäßig fortlaufend alle
Frequenzen mit der der Anordnung charakteristischen Genauigkeit zu messen in der
Lage ist.
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Gegenstand der Erfindung ist nicht auf obiges Beispiel beschränkt;
es lassen sich noch andere Anwendungsmöglichkeiten angeben, z. B. für die Fabrikation
von Zungenfrequenzmessern, da man mit ihnen in der Lage ist, eine genaue Eichung
der einzelnen Zungen im Fabrikationsgang vorzunehmen.
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Die Anzeige des Ergebnisses erfolgt, da trägheitslose Einzelvorgänge
verwendet werden, unmittelbar und ohne Verzögerung bei Änderung eines. oder mehrerer
primären Vorgänge.