-
Indiziervorrichtun' für Kolbenkraftmaschinen Die vorliegende Erfindung
betrifft eine Vorrichtung zur Indizierung von Druckwechselvorgängen in geschlossenen
Räumen, insbesondere zur°Aufnahme von Indikatordiagrammen von Wärmekraftmaschinen.
Sie bedient sich zur Bestimmung der den Druckwechseln entsprechenden Koordinate
des Diagramms einer spiegelnden Membran, deren Wölbung unter dem Einfluß der Druck-rechsel
schwankt. Die wechselnde Wölbung der Membran wird dazu ausgenutzt, ein auf die Membran
geworfenes Lichtbüschel mehr oder weniger stark zerstreut auf eine Photozelle zurückzuwerfen.
Dabei unterliegt die Photozelle dem Einfluß spezifischer Lichtwertschwankungen des
auf sie fallenden Büschels und setzt diese in Stromschwankungen um, die dem einen
Kondensator einer Braunschen Röhre, die das Diagramm erzeugt, zugeführt werden.
-
Die Benutzung spiegelnder Membranen zur Aufzeichnung von Druckwechseln
ist an sich bekannt, z. B. zur Schallmessung und in, der Fernsehtechnik. In diesem
Falle geht man insbesondere darauf aus, die Einschnürungslage von Lichtbüscheln
zu beeinflussen, die auf eine Schlitzblende geworfen werden. Dabei erhält inan dadurch,
das die Einschnürungspunkte mehr oder weniger mit den Schlitzen der Blende zusammenfallen,
stark schwankende Werte des durch die Schlitzblende hindurchfallenden Lichts. Diese
Vorrichtungen sind jedoch für die Aufnahme von Indikatordiagrammen schnell laufender
Wärmekraftmaschinen deshalb ungünstig, weil die starken Erschütterungen dieser Maschinen
leicht eine relative Verschiebung zwischen den reflektierten Strahlenbüscheln und
den Schlitzblenden zur Folge haben, die die Messung stark verfälschen kann. Überdies
bestehen die in den genannten Fällen verwendeten Membranen im allgemeinen aus sehr
feinen Häutchen, die starken Drücken, wie sie bei Wärmekraftmaschinen auftreten,
nicht standhalten können.
-
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe lag demnach darin, die
Indiziervorrichtung von den Erschütterungen der untersuchten Maschinen unabhängig
zu machen. Der Erfinder löst diese Aufgabe in der folgenden Weise: Das von der Membran
zurückgeworfene Lichtbüschel fällt zunächst auf eine Blende, die mir einen kleinen
Teil desselben nach der Photozelle zu hindurchläßt. Dabei ist die Größe des Lichtbündels
so eingerichtet, das das Lichtbüschel auch bei kleinster Zerstreuung stets mehr
als den Durchlas der Blende deckt. Auf diese Weise können auch relative Schwankungen
zwischen der Membran und der Blende nicht dazu führen, das nur ein Teil des Blendendurchlasses
von
dem zurückfallenden Licht erfüllt wird. Auf die Photozelle fällt somit stets ein
Lichtbüschel vom vollen Umfang des Blendendurchlasses, und die Schwankungen der
Lichtmenge, die die Photozelle aufnimmt, entsprechen somit ausschließlich den spezifischen
Lichtwertschwankungen des auf die Blende fallenden Lichtbüschels.
-
Auf diese Weise ist eine Unempfindlichkeit selbst gegen beträchtliche
Erschütterungen erreicht, wie sie weder bei druckelektrischen Indikatoren noch bei
optischen Indikatoren, bei denen die Druckordinate durch die Richtung eines Lichtstrahles
bestimmt wird, vorhanden ist. Die Vorrichtung arbeitet außerdem äußerst trägheitsfrei.
-
Zur Erzeugung der zweiten Koordinate des wandernden Lichtpunktes,
der das Indikatordiagramm beschreibt, verwendet der Erfinder eine Vorrichtung folgender
Art: Sie besteht aus einer Schlitzblende, durch die ein Lichtbüschel hindurchgeworfen
wird, und vor dem Schlitz wird mittels einer Kurbelstange, deren Kurbel auf der
Welle der zu untersuchenden Maschine aufgekeilt ist, -ein Schieber hin und her bewegt,
der den Schlitz entsprechend der Kurbelstellung mehr oder weniger abdeckt. Das durch
den Schlitz hindurchfallende Licht steuert eine Photozelle, die ihrerseits den anderen
Kondensator der Braunschen Röhre beeinflußt. Auch diese Einrichtung ist unabhängig
von Erschütterungen.
-
Die Vorrichtung nach der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
Es zeigen Abb. i die schematische Darstellung der Vorrichtung selbst, Abb. 2 und
3 Diagramme, die mit der Vorrichtung aufgenommen sind.
-
In der ersten Abbildung stellt i den Zylinder einer Wärmekraftmaschine
dar, deren Kolben z mittels der Kurbelstange 3 die Welle q antreibt. In den Boden
des Zylinders ist eine kleine Druckkammer eingeschraubt, die mit dem Zylinderinnern
durch den Durchlaß 7 in Verbindung steht und nach außen hin von einer federnden
spiegelnden Membran 6 abgeschlossen ist. Von einer Lichtquelle 8 wird die Membran
durch die Linse g hindurch angestrahlt und wirft das Licht auf eine Blende il zurück,
die einem Teil des Büschels durch die Blendenöffnung den Zugang zu einer Photozelle
io gestattet. Durch die Photozelle wird der an einen Verstärker 13 angeschlossene
Strom einer Batterie 12 beeinflußt. An den Ausgangsklemmen des Verstärkers 13 liegt
der Kondensator 1q. einer Braunschen Röhre. Die Druckänderungen im Zylinder i bewirken
Änderungen in der Wölbung der Membran 6. Eine Vergrößerung des Druckes verstärkt
die Wölbung der Membran und somit die Zerstreuung des auf sie fallenden Lichtbüschels.
Der verstärkten Zerstreuung des Lichtbüschels entspricht eine Herabsetzung des spezifischen
Lichtwertes, der auf die Blende Ir bzw. die Photozelle io fällt. Dadurch entsteht
eine Änderung der Spannung des photoelektrisch beeinflußten Stromes und in verstärktem
Maße eine Spannungsänderung an den Kondensatorplättchen 14. Sind auch Wölbungsänderungen
der Membran und Änderungen in der Bestrahlung der Zelle nur schwach und arbeitet
der Verstärker 13 ohne Verzerrung, dann werden die Spannungsänderungen, welche
den Ablenkplatten 1q. aufgedrückt werden, proportional sein den Druckänderungen,
und es wird eine proportionale Bewegung des Lichtflecks auf dem Schirm entstehen.
-
Es ist selbstverständlich, daß man, ohne den Erfolg prinzipiell zu
ändern, den beiden Lichtstrahlen, dem einfallenden wie dem reflektierten, irgendwelche
optischen Systeme 1 vorschalten kann, wie beispielsweise Linsen z'ur Änderung der
Konvergenz der Bündel oder Spiegel bzw. Prismen, zur Änderung ihrer Richtung.
-
Es war eine Lichtquelle von gleichbleibender Leuchtkraft angenommen,
aber man kann in bekannter Weise ebenso eine sehr schnell intermittierende benutzen,
die man z. B. mit Hilfe einer schnell rotierenden, Schlitze aufweisenden Scheibe
erzeugt. Es ist möglich, die Verstärkung des photoelektrischen Stroms zu vereinfachen,
aber sie muß mit einer darauffolgenden Gleichrichtung verbunden sein.
-
Dem anderen Paar von Ablenkplatten, welches Bewegungen des Lichtflecks
in der Achsenrichtung 17 auf dem Schirm hervorruft, können z. B. über einen Umschalter
18 drei verschiedene Spannungen aufgedrückt werden.
-
Die erste Spannung kann in bekannter Wise als Funktion der Zeit einen
sägezahnartigen Verlauf besitzen, synchron mit den periodischen Druckwechseln. Eine
solche Spannung kann z. B. einer Wechselstrommaschine entstammen, die fest auf der
Welle der untersuchten Maschine sitzt. Auf diese Weise erhält man auf dem Schirm
des Kathodenstrahl-Oszillographen die Kurve ig der Druckschwankungen in Abhängigkeit
von der Zeit (Abb. 3).
-
Die zweite Spannung kann sinusförmig verlaufen. Sie entstammt z. B.
der Wechselstrommaschine 2o auf der Welle der Wärmekraftmaschine. Die Phase der
Spannung kann durch entsprechendes Aufkeilen der Maschine so bestimmt werden, daß
die Maxima und Minima in derselben Zeit auftreten wie die Totpunkte des Kolbens
der Wärmekr aftmaschine. Die sinusförmig verlaufende Spannung kann auch durch einen
Schwingungskreis erreicht werden. Man erhält auf diese Weise auf dem Schirm des
Oszillographen eine Kurve, etwa wie die bei 21 (Abb.2) dargestellte, ähnlich dem
Druckvolu= mendiagramm eines Kurbelstangensystems mit unendlicher Kurbelstange.
Es ist leicht,
dieses Diagramm durch Berücksichtigung der von der
Kurbel bedingten Fehler in das tatsächliche Druckvolumendiagrammüberzuführen. Die
bisher zur Erzeugung der Ablenkspannung erläuterten Mittel gehören nicht zur Erfindung.
-
Drittens kann eine Spannung verwendet werden, die proportional ist
dem Weg des Kolbens und welche es gestattet, unmittelbar das Druckv olumendiagramm
zu erhalten. Diese Spannung erhält man erfindungsgemäß in folgender Art: Ein in
paralleler Stellung zu dem der zu untersuchenden Maschine laufendes und auf ihrer
Welle sitzendes Kurbelstangengetriebe 22 bewegt einen undurchsichtigen Schieber
23 vor einem Fenster 24 und einer Lichtquelle 25 mit einem optischen System hin
und her. Das Strahlenbündel fällt auf eine photoelektrische Zelle 26, deren Strom
verstärkt durch den Verstärker 27 die für die Ablenkung erforderliche Spannung liefert,
welche über den Umschalter 18 dem zweiten Paar von Ablenkplatten 16 aufgedrückt
wird. Es ist klar, daß man durch geeignete Größenwahl des Fensters 24 bewirken kann,
daß der auf die Zelle 26 fallende Lichtstrom proportional ist, dem Zylindervolumen
des Motors. Wenn unter diesen Umständen der Verstärker keine Verzerrungen erzeugt,
wird die Bewegung des Lichtflecks auf dem Schirm in der Achsenrichtung 17 in gleicher
Weise proportional sein dem Zylindervolumen, und man wird unmittelbar das gewünschte
Druckvolumendiagramm erhalten.
-
Die -Membran 6 kann verschiedene Stärke haben, je nach dem Bereich
der zu untersuchenden Drücke; sie wird aus einem Werkstoff hergestellt, dessen Federung
möglichst wenig dem Einfluß der Temperatur unterworfen ist. Notfalls kann sie auf
gleicher Temperatur gehalten werden. Sie kann beliebig klein sein, und ihre Eigenschwingungszahl
kann in einem beliebig entfernten Bereich liegen, damit auch sehr schwache Konvergenzschwankungen
des reflektierten Lichtbündels elektrisch verstärkt werden können.
-
Ein anderer Vorteil dieser Anordnung liegt in ihrer Unempfindlichkeit
gegen Erschütterungen der untersuchten Maschine. Hinsichtlich der Membran und der
von ihr beeinflußten Photozelle io wurde auf die maßgebenden Gesichtspunkte bereits
oben hingewiesen. In gleicher Weise unempfindlich gegen Erschütterungen der Maschine
ist auch die Einrichtung der Blende 24 mit dem davor bewegten Abdeckschieber 23.
Alle Erschütterungen der Maschine können nur ein Zittern des Abdeckschiebers um
seine theoretische Lage zur Folge haben, d. h. die freie Kante des Abdeckschiebers
wird in schnellem Wechsel zwischen zwei Stellungen hin und her gehen, die um das
gleiche Maß vor bzw. hinter ihrer theoretischen Stellung liegen. Auf diese Weise
wird der mittlere Wert des durch den Schlit- in der Blende 24 hindurchfallenden
Lichts seinem theoretischen Wert entsprechen.