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Meßeinrichtung mit elektrischer Fernanzeige für kleine Längenänderungen
Die Erfindung betrifft Meßvorrichtungen für kleine Längenänderungen, in der die
zu messenden Kräfte oder Momente auf transversal schwingende Stahlsaiten, Meßsaiten
genannt, übertragen werden, indem diese kraftschlüssig mit dem zu untersuchenden
Werkstück verbunden werden, so daß sie den gleichen Beanspruchungen, d. h. Dehnungen
unterliegen wie das Werkstück. Kraft- oder Dehnungsänderungen bewirken also Änderungen
der Eigenfrequenz. Die Änderung der Eigenschwingungszahl einer solchen Meßsaite
wird durch Vergleich mit einer zweiten, geeichten Saite, der Vergleichssaite, bestimmt.
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Bekannt sind Verfahren, bei denen die Nfeß- und Vergleichssaite im
Augenblick des Meßvorganges durch Schließen eines Gleichstromerregerkreises mittels
eines Schalters elektromagnetisch angezupft werden, dann gedämpft ausschwingen und
mittels akustischer Scllwel)ungsbeobaclltung unter Zuhilfenahme eines Kopfhörers
oder Lautsprechers oder mittels oszil lographischer Beobachtung Lissajous'scher
Figuren aufeinander abgestimmt werden.
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Infolge der starken Dämpfung der mechanischen Schwingungen der Saiten
steht für den Abstimmvorgang, der durch eine Saitenspannvorrichtung vorgenommen
wird, nur eine sehr kurze Zeit zur Verfügung.
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Diese Unzulänglichkeit bedeutet eine Unbequemlichkeit der Messung
und eine Begrenzung des Meßverfahrens auf ruhende Meßgrößen.
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Eine weitere meßtechnische Unzulänglichkeit dieser Verfahren liegt
darin, daß die bei gedämpft schwingenden Saiten gegebene kontinuierliche Amplitudenänderung
eine kontinuierliche Änderung der mechanischen Spannung und damit der Eigenfrequenz
derartig schwingender Saiten mit sich bringt. Diese Amplitudeninkonstanz, die sich
als Inkonstanz der Saiteneigenfrequenz auswirkt,gestattet nur bedingt den zu fordernden,
einwandfreien Frequenzvergleich.
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Ein weiteres bekanntes Verfahren verwendet eine durch mechanisch-elektrische
Rückkopplung in Dauerschwingung gehaltene Meßsaite, in deren elel;trischem Zupfstromkreis
die Zul)fmagnetsl)ule der Vergleichssaite liegt.
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Die Vergleichssaite wird nicht in Dauerschwingung gehalten, sondern
kommt nur für
den gesuchten Fall der Frequenzgleichheit der beiden
Saiten. durch Resonanzankopplung in Schwingung, schlägt gegen einen Kontaktstift
und schließt dadurch den Stromkreis einer Anzeigeglimmlampe.
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Dieses Verfahren hat die Nachteile aller auf Resonanzanzeige beruhenden
Meßeinrichtungen: Auf Grund der Resonanzkurve ergibt sich keine eindeutige I>unkt-,
sondern eine Bereichanzeige.
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Nachteilig ist des weiteren, daß das Aufsuchen des einzustellenden
Resonanzpunktes sehr zeitraubend ist, da das Spannen der Vergleichssaite mittels
der von Hand zu betätigenden Spannvorrichtung nur sehr langsam durchgeführt werden
darf, um der Resonanzschwingung beim Erreichen des Resonanzpunktes genügend Zeit
zum Aufschaukeln zu geben.
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Während des Abstimmvorganges sind weiterhin sehr unvorteilhaft keinerlei
Anhaltspunkte darüber gegeben, ob man sich beim Verändern der Vergleichssaiteneigenfrequenz
dem gesuchten Resonanzpunkte nähert, oder ob man sich von ihm entfernt; es ist also
erforderlich, jeweils den gesamten Meßbereich nach dem Resonanzpunkt abzusuchen.
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Die Erfindung hat nun eine Meßvorrichtung zum Gegenstand, die die
aufgezeigten Unzulänglichkeiten der bekannten Verfahren nicht besitzt und erstmalig
die Messung langsam veränderlicher Meßgrößen gestattet. Sie besteht darin, daß die
NIeß- und Vergleichssaite unabhängig voneinander durch je eine mechanisch-elektrische
Rückkopplungseinrichtung in Dauerschwingung gehalten werden und die ungedämpften
Schwingungen dieser Saiten getrennt verglichen werden. Nur im Zusammenhang mit diesem
Haupterfindungsgegenstand wird dann gemäß der Erfindung weiterhin beansprucht, daß
die beiden zu vergleichenden mechanischen Schwingungen der Meß- und Vergleichssaite
unabhängig voneinander in elektrische Schwingungen übergeführt werden, die in einer
gemeinsamen Vorrichtung vereinigrt werden, mit deren Hilfe bei nicht vorhandener
frequenzmäßiger Übereinstimmung der beiden Schwingungen Differenzwirkungen erkenntlich
sind; ferner, daß die mechanischen Schwingungen der Meß-und Vergleichssaite in elektrische
Wechselspannungen übergeführt werden, die elektrostatisch einen Elektronenstrahl
so steuern, daß sich für den gesuchten Fall der Frequenzgleichheit der beiden Schwingungen
der Meß- und Vergleichssaite auf dem Schirm des Elektronenstrahlrohres eine stehende,
geschlossene Figur abbildet.
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Schließlich wird, ebenfalls nur in Verbindung mit dem Gegenstand
des Anspruchs I, nocll die LIeßeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung so gestaltet,
daß die mechanischer Schwingungen der bielS- und Vergleichssaite in W echselströme
übergeführt werden und einen Elektronenstrahl elektromagnetisch so steuern, daß
sich für den gesuchten Fall der Frequenzgleichheit der beiden Schwingungen der Meß-
und Vergleichssaite auf dem Schirm des Elektronenstrahl rohres eine stehende, geschlossene
Figur abbildet; insbesondere so, daß eine der Schwingungen den Elektronenstrahl
elektrostatisch die andere den Strahl elektromagnetisch so steuert, daß sich für
den gesuchten Fall der Frequenzgleichheit der beiden Schwingungen der NIeß- und
Vergleichssaite auf dem Schirm des Elektronenstrahl rohres eine stehende, geschlossene
Figur abbildet, oder daß die Schwingungen der Meß- und Vergleichssaite in elektrische
Wechselströme übergeführt werden, die elektromagnetisch eine Spiegelanordnung so
steuern, daß für den gesuchten Fall der Frequenzgleichheit der beiden Schwingungen
der Meß- und Vergleichssaite sich auf einer gemeinsamen Projektionsfläche eine stehende,
geschlossene Lichtfigur abbildet oder schließlich, daß die mechanische Schwingung
der Meßsaite in eine elektrische übergeführt wird und diese als Wechselstrom zur
Speisung einer Glimmlampe dient, mit deren Hilfe durch stroboskopische Beobachtung
der Vergleichssaite der gesuchte Fall der Frequenzgleichheit der beiden Schwingungen
der Meß- und Vergleichssaite feststellbar ist.
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Fig. x zeigt schematisch die erfindungsgemäße Anordnung der Meßeinrichtung
in einer beispielsweisen Ausführungsform.
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Die Meßsaite I wird durch den Zupfmagneten 2 in Verbindung mit dem
Gebemagneten 3 und der Verstärkeranordnung 4 in der bekannten Weise durch mechanischelektrische
Rückkopplung in Dauerschwingung gehälten. der Gebemagnet 3 übernimmt gleichzeitig
die Funktion, die mechanische Schwingung der Meßsaite I in eine elektrische überzuführen,
indem sie durch Feldänderung im Takte der Schwingungen in der Spule des Magneten
eine Wechsel-EMK induziert, die, in einem Röhrenverstärker verstärkt, der Vergleichsvorrichtung
5 zugeführt wird.
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Erfindungsgemäß ist die gleiche Anordnung in einem getrennten Kreis
für die Vergleichssaite 6 mit ihrer Saitenspannvorrichtung 7 vorgesehen, die in
gleicher Weise durch den Zupfmagneten 8 in Verbindung mit dem Gebemagneten 9 und
der Verstärkeranordnung 10 ebenfalls durch mechanisch-elektrische Rückkopplung in
Dauerschwingung gehalten wird und deren mechanische Schwingung in beschriebener
Weise in eine elektrische
übergeführt und der gemeinsamen Vergleichsvorrichtung
5 zugeführt wird.
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Fig. 2 zeigt eine der praktischen Ausfiihrungsmöglichkeiten: Die
gemeinsame Vergleichsvorrichtung der vorbeschriebenen schematischen Anordnung ist
in diesem Falle ein Elektronenstrabl rohr 11.
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Der Elektronenstrahl wird hierbei elektrostatisch von den beiden
zu vergleichenden Schwingungen der Meß- und Vergleichssaite gesteuert, indem diese
Schwingungen den leiden um 900 gegeneinander versetzten P lattenpaaren des Elektronenstrahlrohres
I7 und I3 zugeführt werden. Durch die Versetzung der beiden Strahisteuerorgane des
Elektronenstrahles 12 und I3 um 900, denen die beiden zu vergleichenden Schwingungen
der Meß- und Vergleichssaite zugeführt werden, wird der Elektronenstrahl in zwei
zueinander senkrechten Richtungen derart abgelenkt, daß sich für den gesuchten Fall
der Frequenzgleichheit eine stillstehende, geschlossene, strich- oder ellipsenähnliche
Fig.
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14 der Strahlenaufzeichnung ergibt.
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Bei Durchführung des Meßverfahrens dreht der Messende den Drehknopf
der Vergleichssaitenspannvorrichtungr 7 so lange, bis die auf dem Schirm 15 des
Elektronenstrahlrohres 11 sich abbildenden in elektrische Schwingungen umgesetzten
mechanischen Schwingungen der bieß- und Vergleichssaite sich zu einer stillstehenden
geschlossenen Figur vereinigen.
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Durch die Masselosigkeit der von den Meß-und Vergleichssaitenschwingungen
gesteuerten gemeinsamen Vergleichsvorrichtung, des Elektronenstrahles und durch
die um 90° versetzte Übereinanderlagerung der beiden zu z-ergleichenden Schwingungen
bietet ein derartiges frequenzmäßiges Vergleichen zweier sich unabhängig voneinander
in Dauerschwingung befindlicher Stahlsaiten eine Anwendungsmöglichkeit des Erfindungsgedankens
mit höchster Meß- und Ablesegenauigkeit.
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Fig. 3 zeigt eine Abwandlungsmöglichkeit der in Fig. 2 dargestellten
Erfindungsausführung. Die gemeinsame Vergleichsvorrichtung ist ebenfalls ein Elektronenstrahlrohr
11, dessen Strahl jedoch nicht elektrostatisch, sondern elektromagnetisch gesteuert
wird, indem die Schwingungen den beiden Spulenpaaren I6 und 17 zugeführt werden
und mit Hilfe der sich auf dem Schirm 15 des Rohres abbildenden Fig. 14 hinsichtlich
ihrer Frequenzgleichheit verglichen werden.
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Fig. 4 stellt eine weitere erfindungsgemäß mögliche Abwandlung der
gemeinsamen Vergleichsvorrichtung dar, indem der Elektronenstrahl gemischt elektrostatisch
und elektromagnetisch gesteuert wird, d. h. eine der bei den zu vergleichenden Schwingungen
wird zur elektrostatischen Steuerung einem Plattenpaar IS, die andere zur elektromagnetischen
Steuerung einem Spulenpaar 19 zugeführt.
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Der Frequenzvergleich beider Schwingungen geschieht in der gleichen,
bei Fig. 2 und 3 beschriebenen Art.
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Fig. 5 stellt eine weitere Ausführungsmöglichkeit gemäß der Erfindung
dar, bei der eine gemeinsame Vergleichsvorrichtung von einer elektromagnetisch steuerbaren
Spiegelanordnung gebildet wird, bei der die zu vergleichenden Schwingungen die Schwingspiegel
20 und 21 so steuern, daß ein oder mehrere Lichtstrahlen 22, 23 auf einer gemeinsamen
Projektionsfläche 24 für den gesuchten Fall der Frequenzgleichheit eine stillstehende,
geschlossene Figur bilden.
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Der Erfindungsgedanke umfaßt weiterhin eine beispielsweise Anwendungsmöglichkeit
nach Fig. 6. Die schematisch in Fig. 1 dargestellte gemeinsame Vergleichsvorrichtung
5 wird hierbei durch eine stroboskopische Beobachtungsvorrichtung 25 gebildet, in
der dem Beobachterauge 26 durch das Einblickfenster 27 gut sichtbar sich die Vergleichssaite
6 befindet und von der Glimmlampe 28 angestrahlt wird.
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Der Glimmlampe 28 wird die mechanische Schwingung der Meßsaite, die
in vorbeschriebener Weise in eine elektrische umgewandelt wird, als Speisewechselstrom
entsprechender Frequenz zugeführt. Für den gesuchten Fall der Frequenzgleichheit
erscheint die sich in Dauerschwingung befindliche Vergleichssaite 6 dem Beobachterauge
stillstehend.