DE745689C

DE745689C - Device for oscillographic measurement of small, rapid movements

Info

Publication number: DE745689C
Application number: DEA86178D
Authority: DE
Original assignee: Askania-Werke AG, Berlin-Friedenau
Priority date: 1938-03-17
Filing date: 1938-03-17
Publication date: 1944-12-01

Abstract

Einrichtung zur oszillographischen Messung rasch verlaufender kleiner Bewegungen, bei der Änderungen der Meßgröße gegenseitige Abweichungen der Induktivitäten zweier mit Wechselstrom von höherer Frequenz erregter Drosseln hervorrufen.Device for the oscillographic measurement of small, rapid movements, in which changes in the measured variable cause mutual deviations in the inductances of two chokes excited by alternating current of a higher frequency.

Description

Einrichtung zur oszillographischen Messung rasch verlaufender kleiner Bewegungen Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur oszillographischen Messung rasch verlaufender kleiner Bewegungen, wie Längenänderungen, Schwingungen, Verdrehungen, Durchbiegungen o. dgl., bei der Änderungen der Meßgröße gegenseitige Abweichungen der Induktivitäten zweier vorzugsweise mit Wechselstrom von höherer Frequenz erregter Drosseln hervorrufen und bei der ein Gleichrichter vor den Oszillographen geschaltet ist. Die Abweichungen der Induktivitäten können beispielsweise durch Luftspaltänderungen der beiden Drosseln hervorgerufen sein.Device for oscillographic measurement of rapidly running smaller Movements The invention relates to an arrangement for oscillographic Measurement of small, rapid movements, such as changes in length, vibrations, Twists, deflections or the like, in which changes in the measured variable are mutual Deviations in the inductances of two, preferably with alternating current, from higher Induce frequency excited chokes and with a rectifier in front of the oscilloscope is switched. The deviations of the inductances can for example by Air gap changes of the two throttles be caused.

Bei derartigen Einrichtungen ist die Schaltung so getroffen worden, daß bei Gleichheit der beiden Induktivitäten das Anzeigegerät stromlos ist, bei Überwiegen der einen oder anderen Induktivität jedoch von einem Strom durchflossen ist, dessen Stärke der Größe dieser Abweichung entspricht.In such devices, the circuit has been made in such a way that that when the two inductances are equal, the display device is de-energized, at Most of the one or the other inductance, however, a current flows through it whose strength corresponds to the size of this deviation.

Es sind Dickenmesser bekannt, die ebenfalls auf dem vorerwähnten Prinzip beruhen und deren Anzeigeinstrumente bei Abweichung der zu messenden Dicke von einem bestimmten Wert nach Größe und Richtung veränderliche Ausschläge liefern. Diese Einrichtungen arbeiten jedoch zu träge, als daß man rasch verlaufende Vorgänge damit messen könnte. Weiterhin ist es bekannt, das eingangs erwähnte Prinzip zur Messung rasch verlaufender Bewegungsvorgänge mit Hilfe eines Oszillographen als Anzeigegerät anzuwenden. Ein Oszillograph ist zwar infolge seiner hohen Eigenfrequenz zur Messung rasch verlaufender Bewegungsvorgänge geeignet, er ist aber nicht ohne weiteres in der Lage, die Richtung und die Frequenz der Abweichung der beiden miteinander verglichenen Induktivitäten erkennbar zu machen, sofern vor der Messung beide Iriduktivitäten auf gleiche Größe gebracht sind. Die dabei auftretenden besonderen Verhältnisse seien an Hand der in Abb. r dargestellten Stromwegcharakteristik einer Meßanordnung mit zwei Wechselstromdrosseln näher erläutert, Der das Anzeigegerät durchfließende Strom r: ist in Abhängigkeit von der Größe der Abweichung der Luftspalte dl, d2 der beiden Drosseln dargestellt. Sind beide Luftspalte einander gleich, d. h. dl = d2, so ist i - 0. Wird der Luftspalt dl kleiner bzw. größer als d2, so nimmt der Strom i in beiden Fällen von 0 ansteigend zu. Die StromwegCharakteristik besitzt demnach einen Umkehrpunkt bei dl = d2 und hat ansteigende Äste a, b, die bei einer bestimmten Ausbildung der Meßanordnung in bezug auf die durch den Wert dl = d2 festgelegte Ordinate spiegelbildlich verlaufen können. Der Anstieg des Stromes i erfolgt etwa linear mit der Luftspaltabweichung.Thickness gauges are known which are also based on the above-mentioned principle and whose display instruments supply deflections that are variable in terms of size and direction if the thickness to be measured deviates from a certain value. However, these devices work too sluggishly to be able to measure rapid processes with them. It is also known to use the principle mentioned at the outset for measuring rapid movement processes with the aid of an oscilloscope as a display device. Due to its high natural frequency, an oscilloscope is suitable for measuring rapid movement processes, but it is not easily able to identify the direction and frequency of the deviation of the two inductances compared with one another, provided that both iriductances are of the same size before the measurement are brought. The special conditions that arise here are explained in more detail using the current path characteristic of a measuring arrangement with two alternating current chokes shown in Fig. If both air gaps are the same, ie dl = d2, then i - 0. If the air gap dl is smaller or larger than d2, the current i increases from 0 in both cases. The current path characteristic accordingly has a reversal point at dl = d2 and has rising branches a, b which, with a certain design of the measuring arrangement, can run in mirror image with respect to the ordinate defined by the value dl = d2. The increase in current i occurs approximately linearly with the air gap deviation.

Bisher hat man vor der Messung die beiden Luftspalte auf gleiche Größe gebracht. Bei der darauffolgenden Messung der Längenänderung, Schwingung o. dgl. wurde durch die zttmessende Große eine Luftspaltänderung im Bereich d1 G d2 und dl > d2 herbeigeführt. Bei der dargestellten Charakteristik entsprechen gleich großen Luftspaltabweichungen im positiven und negativen Sinn gleich große Stromwerte. Es ist also im Oszillogramm nicht zu erkennen, in welcher Richtung, vom Ausgangspunkt (Gleichheit der Luftspalte) gesehen, die Änderung der Mel3-größe erfolgt. Auch kann keine Klarheit über die Frequenz, mit welcher sich die l eßgröße ändert, gewonnen werden, da die einander entgegengesetzten Amplituden eines Schwingungsvorganges einen gleichen Stromverlauf zur Folge haben.So far, the two air gaps have been brought to the same size before the measurement. During the subsequent measurement of the change in length, oscillation or the like, the variable being measured resulted in a change in the air gap in the range d1 G d2 and dl > d2 . In the case of the characteristic shown, equally large air gap deviations in the positive and negative sense correspond to equally large current values. The oscillogram therefore does not show in which direction, viewed from the starting point (equality of the air gaps), the change in the Mel3 size takes place. It is also not possible to obtain clarity about the frequency with which the measured variable changes, since the mutually opposite amplitudes of an oscillation process result in the same current curve.

Werden dagegen bei einer Anordnung zur oszillographischen Messung rasch verlaufender kleiner Bewegungen, bei der ein Gleichrichter vor den Oszillographen geschaltet ist, erfindungsgemäß die Induktivitäten beider Drosseln in der Ausgangsstellung so eingestellt, daß sie im ganzen Meßbereich nie gleich werden, und wird zugleich die Charakteristik des Gleichrichters so bemessen, daß sie die aus der Abweichung der Induktivitäten der aus den beiden Drosseln bestehenden Meßeinrichtung sich ergebende Krümmung der Charakteristik ausgleicht, so kann der Umkehrpunkt der Charakteristik (vgl. Abb. i) die Messung nicht mehr störend beeinflussen. und man erhält eine Oszillograplienanzeige, die in linearer Beziehung zur Nleßbewegung steht. Auf diese Weise erhält man ein eindeutiges und leicht auswertbares Meßergebnis.On the other hand, they are used in an arrangement for oscillographic measurement rapid small movements with a rectifier in front of the oscilloscope is switched, according to the invention, the inductances of both chokes in the starting position set so that they never become the same in the entire measuring range, and is at the same time the characteristics of the rectifier are dimensioned so that they derive from the deviation of the inductances of the measuring device consisting of the two chokes Compensates for the curvature of the characteristic, so can be the reversal point of the characteristic (see Fig. i) no longer interfere with the measurement. and you get an oscillograph display, which is linearly related to the measuring movement. That way you get a clear and easily evaluable measurement result.

Es ist bekannt, bei Anordnungen zur 'Messung von Wechselstromgrößen, weiche zwecks Verwendung von besonders empfindlichen oder von Vielbereichgeräten einen Gleichrichter benötigen, welcher eine nichtlineare Skalenteilung am Meßgerät bedingen würde, diese Skalenkrümmung durch zusätzliche nichtlineare Widerstände, vorzugsweise wiederum in Form von Gleichrichtern, zu kompensieren. Diese Zusatzwiderstände bedeuten aber eine Verringerung von Genauigkeit und Zuverlässigkeit bei den bekannten Anordnungen. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung dagegen wird die bei den bekannten Anordnungen als nachteilig empfundene nichtlineare Kennlinie des für die Schaltuni: erforderlichen Gleichrichters in vorteilhafter Weise zur Kompensation der Strom«-egcharakteristik der beiden Drosseln benutzt.It is known that in arrangements for 'measuring alternating current quantities, soft for the use of particularly sensitive or multi-range devices need a rectifier, which has a non-linear scale division on the measuring device would require this scale curvature by additional non-linear resistances, preferably again in the form of rectifiers to compensate. These additional resistors but mean a reduction in accuracy and reliability in the known Arrangements. In the device according to the invention, however, is that of the known Arrangements perceived as disadvantageous non-linear characteristic for the Schaltuni: Required rectifier in an advantageous manner to compensate for the current «-egcharacteristic of the two throttles used.

Es finden beispielsweise die Luftspaltänderungen in dem in Abb. i mit 0 bezeichneten Bereich statt. Mit x ist der Betrag bezeichnet, um den dl größer ist als d2. Hat eine zit messende Schwingung beispielsweise eine Amplitude von der Größe c, so schwankt die Abweichung der beiden Luftspalte von einem Größtwert x -j- c auf einen Kleinstwer t x- c. Der Wert x - c ist dabei immer noch größer als dl = d2, so daß während des Nleßvorgangs die Induktivitäten beider Drosseln nie gleich werden können. Da hierbei jedeiii Wert der Meßgröße ein eindeutiger Stromwert zugeordnet ist, so kann eine Zweideutigkeit des Oszillogramms nicht mehr vorkommen.For example, the air gap changes take place in the area labeled 0 in Fig. I. X denotes the amount by which dl is greater than d2. If, for example, an oscillation measuring zit has an amplitude of size c, the deviation of the two air gaps fluctuates from a maximum value x -j- c to a minimum value t x- c. The value x - c is still greater than d1 = d2, so that the inductances of both chokes can never become the same during the measuring process. Since each value of the measured variable is assigned a unique current value, ambiguity in the oscillogram can no longer occur.

Abb.2 zeigt eine Anordnung mit zwei gleichartigen U-förmigen Drosseln Dl, D2. deren jede einen über einen Luftspalt verstellbaren Anker f1, A2 besitzt. Beide Drosseln besitzen je eine Priniärwicklu:ig Sl, Si und eine Sekundärwicklung S2, S.='. Die Primärwicklungen sind in Reihe mit einer Spannungsquelle E geschaltet, die hochfrequenten Strom von beispielsweise io ooo Hz liefert. Die Sekundärwicklungen der beiden Drosseln sind über einen Gleichrichter GI und einen Oszillographen O gegeneinandergeschaltet, so daß bei Gleichheit der beiden Luftspalte der Oszillograph den Ausschlag 0 hat. Natürlich könnten die Sekundärwicklungen auch auf den verstellbaren AnkernAl, A_ der Drosseln in Gegeneinanderschaltung angebracht sein. Der U-förmige Eisenkern 'tIl sowie der Anker Al der Drossel Dl sind auf dem zu untersuchenden Werkstück befestigt. welches auf Dehnung, Schwingung, Verdrehung o: dgl. beansprucht werden soll. Entfernt von der Meßstelle an einem leicht zugänglichen Ort ist die Drossel D2 angeordnet, deren Luftspalt während der Messung unveränderlich auf den Wert dä gehalten wird. Bisher diente die Drossel D2 dazu, um in der Ausgangsstellung Gleichheit der Luftspalte genau einstellen zu können. Dadurch wurde: im nicht beanspruchten Zustand des zu untersuchenden Werkstückes der Ausschlag des Nullinstrumentes auf 0 gebracht. Bei Überwiegen des einen oder anderen Luftspalts, hervorgerufen durch @.Terschieben des Ankers _-11 in zwei einander untgegengesetzten Richtungen, wird' daher das Anzeigeinstrument U von einem Strom durchflossen, dessen Verlauf ähnlich der in Abb. i dargcstellten Charakteristik ist: Im Gegensatz hierzu wird nun vor Begiiai der Messung der Luftspalt der Drossel U,1 so viel größer bzw. kleiner eingestellt als der Luftspalt der Drossel D2, _ daß während d. r Messung Gleichheit der Luftspalte nicht -erreichbar ist. Im Ausführungsbeispiel ist der Luftspalt di. der Drossel D1 um. ein entsprechendes Maß größer dimensioniert. Die Größe des Luftspaltes do der Drossel. Dstellt einen Grenzwert dar; bis, zu dein der Luftspalt dieser Drossel unter der Einwirkung der Längenänderung oder Schwingung verkleinert werden darf. Dieser Grenzwert do > dö entspricht dem Wert x - c in Abb. i.Fig.2 shows an arrangement with two similar U-shaped throttles Dl, D2. each of which has an armature f1, A2 that can be adjusted via an air gap. Both chokes each have a primary winding: ig S1, Si and a secondary winding S2, S. = '. The primary windings are connected in series with a voltage source E, which supplies high-frequency current of, for example, 10,000 Hz. The secondary windings of the two chokes are connected to one another via a rectifier GI and an oscilloscope O so that the oscilloscope deflects 0 when the two air gaps are equal. Of course, the secondary windings could also be attached to the adjustable armatures A1, A_ of the chokes in opposite relationship. The U-shaped iron core 'tIl and the armature Al of the throttle Dl are attached to the workpiece to be examined. which is to be stressed on stretching, oscillation, twisting or the like. The throttle D2, whose air gap is invariably kept at the value dä during the measurement, is arranged at an easily accessible location away from the measuring point. So far, the throttle D2 was used to be able to set the equality of the air gaps precisely in the starting position. As a result, the deflection of the zero instrument was brought to 0 when the workpiece to be examined was not stressed. If there is a predominance of one or the other air gap, caused by sliding the armature 11 in two opposite directions, a current flows through the display instrument U, the course of which is similar to the characteristic shown in Fig the air gap of the throttle U, 1 is now set so much larger or smaller than the air gap of the throttle D2, that during d. r measurement of the equality of the air gaps is not achievable. In the exemplary embodiment, the air gap is di. the throttle D1 around. dimensioned a corresponding dimension larger. The size of the air gap do the throttle. D represents a limit value; up to which the air gap of this throttle may be reduced under the influence of the change in length or vibration. This limit value do > dö corresponds to the value x - c in Fig. I.

Abb. 3 zeigt eine Meßschaltung unter Verwendung einer durch eine @\,'echselstrom, quelle E erregten Differentialdrossel Dd' mit einem für beide Drosseln gemeinsamen verstellbaren Anker, welcher eine an den Oszillographen angeschlossene Wicklung W besitzt. Diese Wicklung ist für beiderseits gleiche Luftspalte stromlos. Bei Verschiebung des Ankers aus der Mittellage in beiden Richtungen wird in der Wicklung bI.' eine Spannung induziert, deren Größe proportional der Verschiebung des -Ankers ist. Der Anker ist zur Messung einer Schwingung bei Beginn der Messung so weit aus der Mittellage heraus zu verschieben, wie dargestellt, daß er sich nach beiden Richtungen bewegen kann, ohne daß während der Schwingungsmessung die Luftspalte gleich werden. Hierbei ist wieder do der Grenzwert, bis zu dem im dargestellten Fall die Verschiebung des Ankers erfolgen darf.Fig. 3 shows a measuring circuit using a through a @ \, 'echselstrom, source E excited differential throttle Dd 'with a common for both throttles adjustable armature, which has a winding connected to the oscilloscope W owns. This winding is de-energized for air gaps that are the same on both sides. When postponed of the armature from the middle position in both directions is in the winding bI. ' one Induced voltage, the magnitude of which is proportional to the displacement of the armature. Of the To measure an oscillation, the anchor is so far out of the central position at the beginning of the measurement move out as shown that he can move in both directions can without the air gaps becoming the same during the vibration measurement. Here again do is the limit value, up to the shift of the in the illustrated case Anchor.

Gemäß den Abb. 2 und 3 wird ein Oszillograph in Verbindung mit einem vorgeschalteten Gleichrichter benutzt. Dabei kann die Eigenfrequenz des Oszillographen niedriger als die Trägerfrequenz sein.According to Figs. 2 and 3, an oscilloscope is used in conjunction with a upstream rectifier used. The natural frequency of the oscilloscope be lower than the carrier frequency.

Der Oszillograph gibt dann die ober- oder unterhalb der Abszisse liegende Umhüllende der durch den Meßwert modulierten Trägerfrequenz wieder.The oscilloscope then gives the above or below the abscissa Envelope of the carrier frequency modulated by the measured value again.

Der der Oszillographenschleife vorgeschaltete Gleichrichter übernimmt dabei noch eine andere Funktion. Verläuft die aus der Abweichung der Induktivitäten sich ergebende Charakteristik im Meßbereich nicht linear, so wird durch Einschaltung von Gleichrichtern bestimmter Charakteristik erreicht, daß trotzdem den Meßwegen linear verlaufende Ausschläge des Oszillographen entsprechen.The rectifier upstream of the oscilloscope loop takes over at the same time another function. It runs from the deviation of the inductances If the resulting characteristic is not linear in the measuring range, it is activated by switching on Rectifiers of certain characteristics achieved that despite the measuring paths correspond to linear deflections of the oscilloscope.

In Abb. 4 ist der dabei sich ergebende Verlauf des Stromes i. in Abhängigkeit von. der LtiftspaltabWcichung'di d..-oder, was gleichbedetttend ist, von dem leßweg a ;dargestellt.In Fig. 4 is the resulting course of the current i. dependent on from. der LtiftspaltabWcichung'di d ..- or, what is equivalent, from the leßweg a; shown.

Nun gibt es Gleichrichtef; -deren' Cliaral:-teristik zum großen Teil .dieselbe Krümmung aufweist wie der Kurvenzug, der Abb. 4. Eine ;@'cll: @i=ila ralaeristil: weisen z. B. die be-;<aniiten i"-uliferoavdulgleiclirichter auf, deren Charakteristik i als Funktion vom Osz_illographenausschlag d in Abb. 3 dargestellt ist. Hin Vergleich der beiden Kurvenzüge zeigt, ciaß diese in dem durch die strichpunktierten Linien eingegrenzten Bereich, der mit z bezeichnet ist, dieselbe Krümniung.;aufweisen. Der Einfachheit- halber ist der Fall , dargestellt, daß in dem Bereich,- die Kurx.,en einander decken;` Trägt-man nunmehr den 1Ießweg a in Abhängigkeit von dem Ausschlag x der Oszillographenschleife auf, so erhält man den Kurvenzug der Abb.6. Innerhalb des durch die strichpunktierten Linien eingegrenzten Bereiches verläuft die Kurve a - f (a) lipear. Die Konstruktion der Kurve ist für zwei 1Teßpunkte erläutert (vgl. die gestrichelten Linien). Wird demnach als Meßbereich dieser eingegrenzte Bereich benutzt, so entsprechen den Luftspaltabweichungen linear verlaufende Ausschläge des Oszillographen.Now there is rectifier; -whose 'cliaral: -teristics for the most part .shows the same curvature as the curve in Fig. 4. A; @' cll: @ i = ila ralaeristil: show e.g. B. the be -; <aniiten i "-uliferoavdulgleiclirichter, whose characteristic i is shown as a function of Osz_illographenausschlag d in Fig For the sake of simplicity, the case is shown that in the area - the curves The curve a - f (a) runs lipear within the area delimited by the dash-dotted lines. The construction of the curve is explained for two measuring points (cf. the dashed lines) If this limited range is used, the air gap deviations correspond to linear deflections of the oscilloscope.

Das Abweichen der Induktivitäten der Drosseln in der Ausgangsstellung macht sich in einer Vorbelastung der Meßschleife mit einem Strom von der Größe i (vgl. Abb. i) bemerkbar. Dies hat eine Beschränkung des Ausschlagbereichs der Meßschleife in der einen Richtung zur Folge. Bei Verwendung der gemäß in Abb. z und 3 benutzten Oszillographen in Verbindung mit einem vorgeschalteten Gleichrichter gibt sich ei=tle einfache Möglichkeit, um trotz des vorerwähnten Umstandes den Meßbereich der Schleife voll ausnutzen zu können. Die Vorbelastung der Meßsehleife erfolgt durch einen gleichgerichteten Strom von der Größe il. Man kann also diese Vorbelastung ohne weiteres durch eine dieser entgegenwirkende Stroliibelastuiin kompensieren. Legt man nämlich, wie in Abb.2 veranschaulicht, an die Meßschleife eine Batterie B, so läßt sich durch die Meßschleife ein Gleichstrom schicken, der die entgegengesetzte Richtung hat wie der die Meßschleife durchfließende gleichgerichtete Strom il. Durch Einregulierung der Stärke dieses Gleichstromes läßt sich die Meßschleife wieder in ihre Ausgangslage zurückbringen.The deviation of the inductances of the chokes in the starting position makes itself in a preloading of the measuring loop with a current of the size i (see Fig. i) noticeable. This has a limitation on the deflection range of the measuring loop in one direction. When using the shown in Fig. Z and 3 used Oscillographs in connection with an upstream rectifier are simple simple way to adjust the measuring range of the loop despite the aforementioned circumstance to be able to take full advantage of it. The preloading of the measuring loop is carried out by a rectified Current of the size il. So you can easily get this preload through a Compensate for this counteracting Stroliibelastuiin. If, as in Fig.2 shows that a battery B is attached to the measuring loop Send a direct current to the measuring loop, which has the opposite direction as the rectified current il flowing through the measuring loop. By adjustment The strength of this direct current allows the measuring loop to return to its starting position return.

Claims

PATENT CLAIM: i. Arrangement for oszillograpliisclien measurement quickly running small movements, in which changes in the measured variable mutual deviations the ind.u1aivit, ite of two prestigious init AC from cause higher frequency of excited chokes and with a rectifier in front connected to the oscilloscope, characterized in that the inductances Both throttles are set in the starting position so that they are in the entire measuring range never be the same, and the characteristics of the rectifier are such that they are those of the deviation of the inductances of the two chokes Measuring device compensates for the resulting curvature of the characteristic.

2. Device according to claim i, characterized in that the preloading of the measuring loop with rectified current caused by the deviation of the inductances of the two chokes is compensated for by a current load counteracting the preload. To distinguish the subject of the application from the state of the art, the following publications were considered in the granting procedure: German patent specification ...... No. 629 999; Austrian patent specification. - 133 349 USA. - Patent Nos. 1989 037 and 2058,518; Archive for technical measurement, B1. J82-2 from 1938.