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Verfahren zur Messung von Schwingungen und zur Bestimmung ihrer Phasenlage
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gleichzeitigen Messung von Ausschlaggröße
und Phasenlage mechanischer Schwingungen, insbesondere für Auswuchtmaschinen, und
bezweckt, ein unrnittelbanes Ablesen der Meßwerte zu ermöglichen, ohne daß vorher
irgendwelche Steuerorgane durch Verdrehen oder Verschieben auf einen ausgezeichneten
Wert eingestellt werden müssen.
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Bisher ließ sich die gleichzeitige Bestimmung von GröBe und Phasenlage
der Schwingung erreichen, wenn durch zusätzliche mechanische, optische oder elektrische
Einrichtungen das von der hin und her gehenden Schwingung aufgezeichnete Lichtband
in eine Kurve (z. B. Sinuskurve) auseinandergezogen wurde und hierbei die Lage ausgezeichneter
Kurvenpunkte, z. B. Höchst- oder Tiefstpunkte oder Nullstellen der Kurve, festgestellt
wurden.
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Es sind auch Einrichtungen bekannt, bei denen der Ausschlag durch
einen einfachen Schwingungsmesser bestimmt und die Phasenlage der Schwingung getrennt
davon angezeigt wird, indem mit dem Prüfkörper eine Leuchtvorrichtung umläuft und
das Ein- und Ausschalten dieser Leuchtvorrichtung durch die Schwingung selbst gesteuert
wird. Die Steuerung wird hierbei so vorgenommen, daß in ausgezeichneten Stellungen,
d. h. entweder beim Durchgang durch die Nullage oder bei Erreichung des Höchstausschlages
der Schwingung, ein kurzes Aufleuchten erfolgt.
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Bei anderen Einrichtungen zur Messung der Phasenlage wird der umgekehrte
Weg eingeschlagen, indem eine Leuchtvorrichtung synchron mit dem Umlauf des Prüfkörpers
eingeschaltet wird, wobei die Steuerung des Aufleuchtens durch eine auf der Welle
des Prüfkörpers angebrachte, der Phase nach einstellbare Kontaktscheibe erfolgt.
Wird dieser Lichtblitz in Verbindung mit dem Ausschlagmeßgerät gebracht, so läßt
sich durch Drehen an der Kontaktscheibe erreichen, daß der Lichtblitz jeweils in
ausgezeichneten Stellen der Schwingung aufleuchtet. Aus der hierzu nötigen Verstellung
der Kontaktscheibe läßt sich die Phasenlage der Schwingung bestimmen.
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Bei der elektrischen Messung des Schwingungsausschlages ist es üblich,
die Phase dadurch zu bestimmen, daß der von der Schwingung erzeugte Wechselstrom
mit einem bekannten Wechselstrom gleicher Frequenz, aber
einstellbarer
Phasenlage in Verbindung gebracht wird, wobei durch Einstellen der Phasenlage des
Hilfsstromes ein Maximale oder Minimalwert am Anzeigegerät einige wird, z. B. durch
Verdrehen des Statorg@@@@@ ses des Hilfsstromerzeugers. Aus der nö@@en@ Verstellung
des Statorgehäuses kann hier auf die Phasenlage der Schwingung geschlossen werden.
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Diese vor der messung notwendige Einregulierung auf ausgezeichnete
Stellungen macht sich besonders dann sehr störend bemerkbar, wenn z. B. beim Durchlaufen
einer Resonanz oder in ähnlichen Fällen ein unmittelbares Bestimmen von Größe und
Phasenlage in einem kurzen Augenblick erforderlich ist.
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Durch die Erfindung werden diese beschriebenen Mängel behoben. Das
bisher nötige Einstellen der Kontaktvorrichtung (oder eines anderen Lichtsteuergerätes)
auf eine bestimmte ausgezeichnete Stelle der Schwingung wird dadurch vermieden,
daß der augenblickliche Schwingungsaussdilag zwar ebenfalls in zwei um 90° gegeneinander
phasenverschobenen, aber sonst zu der zu messenden Schwingung beliebig liegenden
Zeitpunkten gemessen wird. Es wird also die Schwingungsamplitude und ihre Phasenlage
allein aus solchen Augenblickswerten des Schwingungsausschlages bestimmt, die um
90° gegeneinander phasenverschoben sind, die aber sonst in ganz beliebiger Phasenlage
der zu messenden Schwingung aufgezeichnet wer den können.
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Die Erfindung soll nunmehr an Hand von Ausführungsbeispielen erläutert
werden.
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Die Aufzeichnung der beiden um go" phasenverschobenen Augenblickswerte
kann nacheinander oder gleichzeitig auf einer einzigen Skala erfolgen, und zwar
beispielsweise durch einen optischen Schwingungsmesser, dessen Lichtquelle (Neonlampe
o. dgl.) unter Benutzung eines Unterbrechers nur zu einem bestimmten Zeitpunkt bei
jeder Schwingung aufleuchtet. Auf der Skala des Schwingungsmessers ist dann an Stelle
eines hin und her schwingenden Lichtbandes ein feststehender Lichtpunkt (Lichtmarke)
zu sehen, der einen von der Nullinie aus gemessenen Streifen begrenzt, wie dies
in Abb. I angedeutet ist.
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Durch Umschalten wird die Lampe anschließend mit einem anderen Unterbrecher
verbunden, der die Lampe mit einer Phasenverschiebung von 90° aufleuchten läßt,
woraus man den ebenfalls durch eine Lichtmarke bestimmten Streifen b (Abb. 1) erhält.
Trägt man die beiden gemessenen Werte in einem Polardiagramm ein, wie beispielsweise
in Abb. 2 dargestellt ist, also kann man aus der Lage des Punktes P mit den Koordinateii
a und b unmittelbar die Schwingungsamplitude A und den Phasenwinkel # ablesen. In
@dem dargestellten Beispiel beträgt die Ampli-4ude 80 Einheiten, der Winkel 300.
Aus diezur Ablesung ergibt sich beispielsweise bei @@uswuchtmaschinen die Lage der
Unwucht im richtigen Quadranten, ohne daß irgendwelche weiteren Überlegungen durchzuführen
wären.
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Bei der Kontrollmessung kann die Schwingungsamplitude dadurch nachgeprüft
werden, daß der Unterbrecher ausgeschaltet wird, so daß auf der Skala das in Abb.
1 mit 2 A bezeichnete Lichtband entsteht.
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Werden gleichzeitig zwei trägheitslose Lichtquellen mit verschiedenfarbigem
Licht verwendet oder wird eine Lichtquelle verschiedenartig abgeblendet, so können
die beiden Werte a und b gleichzeitig, beispielsweise der eine in roter und der
ander in grüner Farbe, abgelesen werden.
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Die theoretischen Grundlagen dieses Verfahrens ergeben sich aus der
Abb. 3. Der Verlauf der zu messenden Schwingung ist in Abb. 3 in einer Sinuskurve
dargestellt. Von dieser Schwingung soll die Amplitude bestimmt werden und die Phasenlage
# ihres Durchgangs durch die Nullage in bezug auf eine andere Schwingung oder den
Umlauf eines Körpers. Der Phasenwinkel zwischen beiden ist in der Zeichnung mit
i bezeichnet.
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Gemessen wird der jeweilige Schwingungsausschlag in zwei um 90° gegeneinander
zeitlich phasenverschobenen Lagen. Diese beiden Ausschläge sind in der Zeichnung
mit a und bezeichnet, Bedeutet A den zu bestimmenden Maximalausschlag (Amplitude)
der Schwingung, so ergeben sich sofort aus der Zeichnung folgende Beziehungen: a
= A # sin# b = A sin (# = 90°) = A # cos #
Die Hypotenuse des aus den Strecken und b gebildeten rechtwinkligen Dreiecks ergibt
also unmittelbar die Schwingungsamplitude. Der Phasenwinkel läßt sich gleichfalls
aus diesem Dreieck unmittelbar abgreifen.
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Die für die Messung erforderlichen Lichtblitze lassen sich auch unter
Benutzung einer ständig brennenden Lichtquelle durch Zuhilfenahme einer umlaufenden
Blende erzeugen. Diese Blende kann beispielsweise trommelförmig ausgebildet sein
und an zwei um 90° zeinander versetzten Stellen Öffnungen besitzen, so daß der Lichtstrahl
nur durch diese hindurchtreten kann. Setzt man die Lichtquelle in an sich bekannter
Weise in das Innere dieser Trommel und läßt letztere beispielsweise durch Verbindung
mit dem auszuwuchtenden
Körper umlaufen, so entstehen gleichfalls
Lichtblitze, die zeitlich um go0 zueinander versetzt sind. Die Einrichtung kann
im übrigen die gleiche bleiben wie unter Verwendung einer oder mehrerer Neonlampen.
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Eine andere Art einer umlaufenden Blende ist in Abb. 4 schematisch
dargestellt? Diese Blende kann beispielsweise aus einem Voll-oder Hohlkörper k bestehen,
in dem sich zwei Kanäle n und o befinden. Dieser Körper wird auf die Welle des auszuwuchtenden
Körpers aufgesetzt oder mit ihr gekuppelt, läuft also zusammen mit ihr um. Seitlich
davon ist eine ständig brennende Lichtquelle i so angebracht, daß sie einen unter
Umständen durch eine nichtgezeichnete Sammellinse laufenden Lichtstrahl bei entsprechender
Stellung des Körpers k durch die Kanäle und o hindurchzuschicken vermag. Durch die
Anordnung der Kannle kann während einer Umdrehung der Lichtstrahl nur zweimal hindurchdringen,
und zwar zu Zeitpunkten, die bezüglich der Umdrehung um go0 zueinander versetzt
sind. Die Kanäle sind deshalb auch exzentrisch angeordnet, weil bei zentrischer
Anordnung der Lichtstrahl bei jeder Umdrehung viermal die Blende passieren könnte.
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Auch durch zwei um go0 räumlich gegeneinander versetzte Spiegel,
die beispielsweise auf der Prüfkörperwelle angebracht sind, oder durch einen Spiegel
und zwei gegeneinander versetzte Lichtquellen läßt sich die gleiche Wirkung erzielen.
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Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens ist für die Verwendung
an einer Auswuchtmaschine in Abb. 4 schematisch dargestellt. Die Welle c des auszuwuchtenden
Körpers kann auf den Rollen d umlaufen.
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Diese sind in einer Stütze e gelagert, deren unterer Teil höhenverstellbar
in einem Bock 9 ruht. Letzterer ist schwingend in den Lenkerfedern g derartig aufgehängt;
daß bei dem Umlauf des auszuwuchtenden Körpers durch etwa vorhandene Unwuchten Schwingungen
entstehen. Durch die Schwingungen des Bockes # wird ein auf einem kleinen Prisma
sitzender Spiegel h in Drehschwingungen versetzt. Auf diesen Spiegel wird der gesteuerte
Lichtstrahl, in diesem Beispiel durch eine Blendenanordnung gesteuert, geworfen.
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Würde ein ununterbrochener Lichtstrahl auf den Spiegel geworfen, so
würde der von dem zurückgeworfenen Lichtstrahl gebildete Lichtpunkt auf der Skala
m hin und her wandern, so daß ein Lichtband von der Breite 2 A entsteht. Der Lichtstrahl
leuchtet jedoch nicht dauernd, sondern er wird durch die Blendenschlitze n und o
gesteuert, die um 90° räumlich gegeneinander versetzt sind. Infolge des dadurch
bewirkten zeitweise Aufleuchtens der Lichtquelle entstehen an der Skala zwei Lichtmarken,
die den Streifen a und b in Abb. I entsprechen. Aus der Lage der Streifen a und
b auf der Skala rn kann somit, wie beschrieben, die Schwingungsamplitude und der
Phasenwinkel der Unwucht bestimmt werden.
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PATENTANSPRSCHE : I. Verfahren zur Messung von Schwingungen und zur
Bestimmung ihrer Phasenlage in bezug auf eine andere Schwingung oder auf den Umlauf
in zwei um 90° gegeneinander phasenverschobenen Stellungen, dadurch gekennzeichnet,
daß die Aufzeichnung der beiden um 90° gegeneinander phasenverschobenen Schwingungsausschläge
in- beliebigen Phase lagen der Schwingung erfolgt.