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Einrichtung zur Anzeige und Messung der Frequenz von elektrischen
Wechselströmen Für die Anzeige und Messung der Frequenz von elektrischen Wechselströmen
werden in der Technik gewöhnlich Zungenfrequenzmesser benutzt. Diese weisen eine
Anzahl von einzelnen federnden Zungen auf; die auf elektromagnetische Weise zu Querschwingungen
erregt werden und ihren größten Ausschlag erreichen, wenn die erregende Frequenz
mit ihrer Eigenschwingung übereinstimmt.
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Diese Zungenfrequenzmesser kann man nur für verhältnismäßig niedrige
Schwingungszahlen herstellen. Für sehr hohe Schwingungen würden die schwingenden
Glieder außerordentlich kurz oder dick werden, und man würde keine für eine direkte
Ablesung genügend große Schwingungsamplitude mehr erreichen. Im allgemeinen hat
man solche Zungenfrequenzmesser bisher nur für Schwingungen bis zu einigen Hundert
Hertz ausgebildet.
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Für die in der drahtlosen Technik gebräuchlichen Schwingungen, deren
Frequenz im allgemeinen oberhalb roo ooo liegt, hat man dagegen für die Frequenzmessung
rein elektrische Meßmethoden.
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Es ist auch bereits zur Feststellung einer einzigen bestimmten Frequenz
ein Schwingungssystem vorgeschlagen worden, bei dem ein auf diese Frequenz abgestimmter
Stab verwendet und zu Längsschwingungen angeregt wird. Da die kleinen Längsschwingungen
aber für das Auge nicht erkennbar sind, erfolgt die Anzeige elektrisch.
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Durch die Erfindung dagegen ist eine optische Anzeige beliebiger Frequenzen
möglich, und der Erfindungsgegenstand leistet besonders gute Dienste im Bereich
der hohen Schwingungszahlen, z. B. von io ooo bis ioo ooo Hertz.
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Gemäß der Erfindung sind bei einer Einrichtung zur Anzeige und Messung
der Frequenz von elektrischen Wechselströmen mittels eines magnetostriktiv zu Längsschwingungen
angeregten Schwingungssystems eine Mehrzahl von Stäben (Blechstreifen, Drähte, Rohre)
aus magnetostriktivem Material von stufenweise abnehmender Länge nebeneinander in
einer oder mehreren von dem zu bestimmenden Wechselstrom durchflossenen Spulen angeordnet,
und es sind besondere Anzeigekörper vorgesehen, z. B. auf die eine Endfläche der
Stäbe aufgebrachte Körper geringer Masse (Sandkörner, bunte Glaskugeln o. dgl.),
die bei der Erregung der Eigenschwingung der Stäbe in starke Bewegung geraten und
die Schwingungen sichtbar machen.
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Wenn es sich darum handelt, nur eine bestimmte Frequenz, z. B. eine
bestimmte Betriebsfrequenz, anzuzeigen, dann kann es genügen, nur ein einziges Schwingungsglied
für diese Frequenz vorzusehen oder nur wenige, z. B. drei Schwingungsglieder, eines
für die
Betriebsfrequenz und je ein Schwingungsglied für die Nachbarfrequenzen
anzuordnen. In vielen .Fällen wird man aber eine Mehr-,> zahl oder Vielzahl von
Schwingungsgliede@n^ vorsehen, die in ihren Schwingungsfrequenzen gesetzmäßig abgestuft
sind.
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Die Schwingungen können durch eine beliebige Amplitudenvergrößerungsvorrichtung
sichtbar gemacht werden. In besonders. einfacher Weise geschieht dies mit Hilfe
von Körpern kleiner Masse, z. B. Sandkristallen, farbigen Glaskugeln o. dgl.
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Die Schwingungsglieder können Körper sein, die piezoelektrisch erregt
werden können; besonders zweckmäßig sind die Körper, die magnetostriktiv erregt
werden.
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Die Schwingungsglieder, z. B. Stäbe, werden je nach dem zu messenden
Frequenzbereich in ihrer Länge so bemessen, daß ihre Eigenschwingung im Bereich
der zu messenden Frequenz liegt, und es werden die einzelnen Stäbe auf verschiedene,
um bestimmte kleine Beträge voneinander abweichende Frequenzen abgestimmt. Um ein
Herunterspringen solcher Körner von den Endflächen der Stäbe zu verhindern, sind
auf die Stäbe kleine Schutzhülsen oder Kappen aus durchsichtigem Stoff, z. B. Glas,
Zellophan o. dgl., aufgesetzt, die so-leicht sind, daß sie die Schwingungen nicht
wesentlich beeinträchtigen. Wenn an Stelle- von Stäben Drähte, Bleche, Rohre ö.
dgl. von bestimmter Länge Verwendung finden, so werden diese zweckmäßig mit einer
besonderen verbreiterten Endfläche versehen; um das Aufstreuen des Kornrhaterials
zu ermöglichen.
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Die längs schwingenden Frequenzstäbe können entweder zu ihrer Grundschwingung
erregt werden, indem man die erregende Spule in der Mittelzone des Stabes anordnet,
oder sie können auch zu Oberschwingungen angeregt werden, indem-man die Spulen beispielsweise
in einem Abstand von einem Viertel der Gesamtlänge vom Ende des Stabes anbringt.
Erfindungsgemäß werden entweder freifreie Stäbe oder freifeste Stäbe verwendet,
d. h. Stäbe, deren Enden auf beiden Seiten unbelastet sind, öder Stäbe, die auf
der einen Seite mit einer großen Masse starr verbunden sind. Da für die Erregung
dieser Stäbe zu genügend starken Längsschwingungen eine bestimmte Energie erforderlich
ist, die im allgemeinen nicht zur Verfügung steht, wenn es sich um die Messung,
der Frequenz von schwachen Wechselströmen handelt, wird zweckmäßig der Fr:equenzmesser
gemäß der Erfindung mit einem besonderen Kraftverstärker verbunden, der die für
die Erregung der Stäbe erforderliche Energie zu liefern vermag.
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Die Spule, die zur Erregung der Stäbe dient, kann in der Weise ausgebildet
sein, daß sie gleichzeitig eine größere Anzahl von Stäben umschließt, oder es kann
auch jeder Stab einzeln mit einer besonderen Wicklung versehen >sein. Zweckmäßig
unterteilt man die Stäbe in@ mehrere Frequenzbereiche, deren Spulen trän nacheinanderwahlweise
einschalten kann.
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Die Erfindung ist an Hand der Zeichnung beispielsweise und schematisch
veranschaulicht, und es stellt dar: Abb. i einen lotrechten Querschnitt durch einen
Frequenzanzeiger nach der Erfindung, Abb. 2 eine Ansicht und teilweisen Querschnitt
einer anderen Ausführungsform des Frequenzanzeigers, Abb. 3 einen lotrechten Längsschnitt
durch ein Einzelglied eines Frequenzanzeigers nach einer weiteren Ausführungsform.
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Bei dem Beispiel der Abb. i ist eine Mehrzahl von Stäben i bis 7,
die geeignet sind, auf magnetostriktivem Wege zu Längsschwingungen angeregt zu werden,
nebeneinander angeordnet. Sie sind z. B. in einem Holzkörper 8, der mit entsprechenden
Bolrrtuzgen versehen ist, lose gelagert. Die Stäbe sind beispielsweise aus Nickel
hergestellt und unter Berücksichtigung der Schallgeschwindigkeit in diesem Metall
auf Eigenfrequenzen von 2o ooo bis 21 2oo in Schritten von je Zoo Hertz abgestimmt.
Die oberen Endflächen der Stäbe liegen in einer Ebene. Dies wird dadurch erieicht,
däß unter den einzelnen Stäben in den Bohrungen des Holzkörpers verschieden lange
Füllstücke 9 bis 15 angebracht sind, auf denen die Stäbe stehen. Ein Führungsbügel
16 mit entsprechenden Löchern führt die oberen Enden der Stäbe, so daß sie
parallel zueinander stehenbleiben. Um die Mittelzonen sämtlicher Stäbe herum ist
eine gemeinsame Spule 17 gelegt, durch die der zu messende Wechselstrom hindurchgeführt
wird. Zur Polarisation kann gleichzeitig Gleichstrom durch diese Spule hindurchgeleitet
werden, oder es kann eine besondere Spule für diesen Zweck vorgesehen sein. Meist
genügt es, die Stäbe von- Zeit zu Zeit mit Gleichstrom zu magnetisieren und für
die Messung nur Wechselstrom durch die Spule 17 zu schicken. Auf die oberen Enden
der Meßstäbe sind Schutzhülsen oder Kappen i8 aus durchsichtigem Material, z. B.
Glas, lose aufgesetzt. Innerhalb dieser Glaskappe ist auf der Endfläche jedes Stabes
ein kleines Häufchen aus bunten Glasperlen a, die einen Durchmesser von etwa o,2
mm haben, aufgestreut. Vor den Endflächen aller Stäbe ist eine Skala 19 angebracht,
auf der die Eichzahlen. der Stäbe aufgezeichnet sind. Die Wirkungsweise dieser Einrichtung
ist folgender ` Wird ein Wechselstrom, dessen Frequenz zwischen 2o ooo und 2i 2oo
Hertz liegt,
durch die Spule 17 hindurchgeschickt, so gerät derjenige
Stab infolge der magnetos triktiven Wirkung in Längsschwingungen, dessen Eigenfrequenz
mit der Frequenz des erregenden Wechselstromes übereinstimmt. Die Erregung ist am
stärksten, wenn diese Übereinstimmung möglichst genau ist. Infolge der Anordnung
der Spule in der Mittelzone der Stäbe und infolge der freien Lagerung der Stäbe
werden dieselben in ihrer Grundschwingung angeregt.
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In Abb. i ist z. B. angenommen, daß die Frequenz des Wechselstromes
= 2o 6oo Hertz ist; dann sprüht das Kornmaterial in der Glaskappe heftig durcheinander,
wie bei a, angedeutet, und man kann deutlich erkennen, daß dieser Stab in Bewegung
ist. Die benachbarten Stäbe, die auf 20 400 und 2o 8oo Hertz abgestimmt sind, zeigen
nur eine leise Bewegung des Glaspulvers, wie bei a2 angedeutet, während die anderen
Stäbe vollkommen in Ruhe sind. Liegt die Frequenz des erregenden Wechselstromes
beispielsweise zwischen der Eigenabstimmung zweier benachbarter Stäbe, so geraten
beide teilweise in Schwingungen, und man kann je nach der Stärke des Sprühens zwischen
den Eichwerten interpolieren, und zwar in der gleichen Weise, wie dies bei Zungenfrequenzmessern
üblich ist. Man kann natürlich auch mehrere derartige Stabsysteme in einem gemeinsamen
Frequenzmessergehäuse vereinigen und finit getrennten Spulen versehen, die nacheinander
eingeschaltet werden, wenn man den Meßbereich ändern will.
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In der Abb. 2 sind einige Stabelemente 2o, 21, 22 als Frequenzanzeiger
dargestellt, die mit ihren unteren Enden starr mit einer Metallmasse 23 z. B. durch
Lotung oder Schweißung verbunden sind. Derartige freifeste Stäbe haben eine Eigenschwingung,
die halb so hoch liegt wie die eines freifreien Stabes gleicher Länge. Diese Stäbe
sind an ihren oberen Enden mit einem verbreiterten Kopf 2,4 versehen, um für das
Aufstreuen des Kormnaterials eine breitere Fläche zu schaffen. Diese kleinen Endmassen,
die auf die drahtförmigen Stäbe aufgelötet werden, können gleichzeitig zur Feinabstimmung
der Stäbe ausgenutzt werden. Die Spule 25 ist am unteren Ende der Stäbe angeordnet,
In dem gezeichneten Beispiel ist angenommen, daß dieser Zungenfrequenzmesser für
die Anzeige einer bestimmten Frequenz dienen soll. Wenn der mittlere Stab stark
schwingt, was an dem starken Sprühen des Kornmaterials in der Glaskappe zu erkennen
ist, dann ist diese bestimmte Frequenz vorhanden.
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In Abb. 3 ist schließlich ein Ausführungsbeispiel eines schwingenden
S tabelementes gezeichnet, das aus einem rohrförmigen Körper 26 besteht. Die Anordnung
des Kormnäterials und der-durchsichtigen Kappe ist in der gleichen Weise ausgeführt
wie bei den bereits geschilderten Einrichtungen. Dieser Stab soll zu Oberschwingungen
erregt werden, also in einer Abstimmung, die beispielsweise doppelt so hoch liegt,
als der Länge des Stabes bei Erregung in der Grundschwingung entapricht. Zu diesem
Zweck sind die Spulen 27 und 28, die beispielsweise in Serie geschaltet sind, in
Abständen von einem Viertel der Stablänge von den Enden angeordnet.
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Wenn auch die Einrichtung gemäß der Erfindung vorzugsweise für Frequenzen
in dem Bereich von etwa io ooo bis ioo ooo Hertz gedacht ist, so kann sie natürlich
auch für tiefer liegende Schwingungsbereiche mit Vorteil Anwendung finden. In diesem
Fall werden die Stablängen entsprechend größer. Um trotzdem keine zu großen Längen
zu erhalten, ist es zweckmäßig, Belastungsmassen an den oberen und unteren Enden
der Stäbe vorzusehen und dadurch die Eigenschwingung unter das Maß des frei-freien
Stabes wesentlich herunterzudrücken.