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Vorrichtung zur Messung von Drehzahlen und Drehzahlschwankungen mit
einem lichtelektrischen Gerät Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung
von Drehzahlen und Drehzahlschwankungen mit einem lichtelektrischen Gerät, bei dem
die Unterbrechung des gegen eine Fotozelle gerichteten Lichtstrahles durch eine
auf der zu prüfenden Welle sitzende Lochscheibenblende erfolgt und die Frequenz
des Fotozellenstromes mit Hilfe eines Kathodenstrahloszillographen oder Schleifenoszillographen
gemessen wird. Bei einer bekannten lichtelektrischen Meßvorrichtung dieser Art wird
die gemessene Drehzahl durch einen Drehspulstrommesser angezeigt. Diese Vorrichthng
eignet sich nicht zum Messen von kurzzeitigen Drehzahlschwankungen, da die Trägheit
des Anzeigegerätes für diesen Zweck zu groß ist. Das gleiche gilt für einen bekannten
elektrischen Geschwindigkeitsmesser mit Schwingkreis, bei dem der umlaufende Maschinenteil
mit einem Wechselstromdynamo gekuppelt ist und die Drehzahlen ebenfalls durch einen
Strommesser angezeigt werden.
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Die Erfindung besteht nun darin, daß die Frequenz des Fotozellenstromes
vermittels der über einen mit dem Fotozellenkreis gekoppelten
Schwingkreis
frequenzabhängig gemachtenAmplituden aufgezeichnet wird, wobei die Frequenzabhängigkeit
der Amplituden durch die Abstimmung des Schwingkreises erzeugt und durch die Größe
des Aussteuerbereiches und dessen vorzugsweise Lage auf einem nahezu geradlinigen
Teil des ansteigenden Astes der Resonanzkurve innerhalb des Aussteuerbereiches und
der Grenzen der allgemeinen Meßwertstreuung geradlinig gemacht wird. Dabei kann
in den angekoppelten Schwingkreis zweckmäßig eine Dämpfung eingeschaltet sein.
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Die Erfindung ermöglicht es in vorteilhafter Weise, kurzzeitige Drehzahlschwankungen
und schnelle Änderungen der Winkelgeschwindigkeit zuverlässig zu messen, und zwar
werden durch die Erfindung Vorgänge sichtbar gemacht, die sich innerhalb einer außerordentlich
kurzen Zeitspanne abspielen.
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Die Zeichnung veranschaulicht die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel,
und zwar zeigt Abb. I das Schaltbild des Meßgerätes bis zum Ausgang des Verstärkers,
Abb. 2 den Anschluß eines Elektronenstrahloszillographen ohne Gleichrichtung, Abb.
3 den Anschluß eines Schleifenoszillographen mit vorgeschalteter Gleichrichtung,
Abb. 4 die Resonanzkurve eines Schwingungskreises, Abb. 5 eine Lochscheibe für tiefe
Drehzahlen, die in Verbindung mit der in Abb. 6 dargestellten Blende den pulsierenden
Fotozellenstrom sinusförmig gestaltet; Abb. 7 und 8 zeigen je ein Drehzahldiagramm
für ein Antriebsaggregat, aufgenommen mit einem Elektronenstrahloszillographen;
Abb. 9, 10 und II zeigen je eine Kurve zur Erläuterung des Eichvorganges des Meßgerätes,
und Abb. 12 zeigt die aus den Kurven nach Abb. g bis II aufgestellte Eichkurve.
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Wie die Abb. I zeigt, läuft mit der Welle I, deren Drehzahl gemessen
werden soll, eine Lochscheibe 2 um. Diese weist eine Anzahl auf einer Kreislinie
angeordneter kreisrunder Löcher auf, deren Durchmesser gleich der Breite der Stege
zwischen je zwei Löchern ist. Durch diese umlaufende Scheibe wird der auf eine Fotozelle
4 gerichtete Lichtstrahl 5 einer von einer Gleichstromquelle gespeisten Glühlampe
6 in eine Vielzahl Impulse zerlegt. Die Stromstärke des Glühlampenkreises 7 wird
durch ein geeignetes Instrument 8 übenvacht und durch einen Regelwiderstand g konstant
gehalten.
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Im Stromkreis Io der Fotozelle 4 liegt die Primärwicklung II eines
Transformators I2, dessen Sekundärwicklung 13 einem Schwingkreis 14 angehört, dessen
Induktivität und Kapazität I6 veränderlich sind. Bei dem gewählten Ausführungsbeispiel
wird die Kapazität des Schwingkreises 14 durch einen Drehkondensator I6 geändert.
Naturgemäß könnte auch die Induktivität veränderlich gemacht werden.
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Unter Umständen genügt die Induktivität der Sekundärspule I3 allein.
An den Schwingkreis 14 ist ein Verstärker 17 angeschlossen.
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In Abb. 2 ist der hinter den Verstärker 17 geschaltete Elektronenstrahloszillograph
I8 angedeutet, und zwar wird bei der hier dargestellten Schaltung auf dem Leuchtschirm
19 der Braunschen Röhre ein Lichtband sichtbar, dessen Breite ein Maß für die Drehzahl
oder die Winkelgeschwindigkeit ist.
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Abb. 3 zeigt den Anschluß für einen Schleifenoszillographen 23. Bei
diesem ist eine Gleichrichterstufe 22 vorzuschalten, und man erhält den Drehzahlverlauf
in kurvenförmiger Darstellung.
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Die grundsätzliche Wirkungsweise der beschriebenen Einrichtung ist
folgende: Durch die Drehbewegung der Lochscheibe 2 wird der von der Glühlampe 6
ausgehende I,ichtstrahl 5 in einzelne, auf die Fotozelle 4 einwirkende Lichtimpulse
zerlegt und es entsteht im Fotozdlenstromkreis 10 ein pulsierender Gleichstrom mit
mit einer Frequenz f = 6n zu z, wobei n die Drehzahl der Scheibe 2 oder des zu untersuchenden
Läufers I in U;min und z die Anzahl der Löcher auf der Scheibe ist. Der pulsierende
Strom erzeugt im Schwingkreis 14 einen Wechselstrom, der über den Verstärker 17
zum Oszillographen I8, 19 oder 23, 4 geleitet wird.
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Für die Aufzeichnung von Drehzahlschwankungen oder schnell veränderlichen
Winkelgeschwindigkeiten bedient man sich des Verfahrens der halben Resonanzkurve:
Es sei angenommen, daß die Drehzahl des zu untersuchenden Läufers I ansteige; dann
svächst im gleichen Maße die Frequenz im Fotozellenkreis 10. Die Spannung am Ausgang
des angekoppelten Schwingkreises 14 ist durch eine Kurve V darstellbar (Abb. 4),
welche an der Stelle der Resonanzfrequenz ein ausgeprägtes Maximum durchläuft. Diese
Wechselspannung V wird über den Verstärker 17 (Abb. I) dem Ablenkplattenpaar 21
des Elektronenstrahloszillographen 18 zugeführt und auf dessen Leuchtschirm 19 sichtbar
gemacht. Die Größe der Amplitude, d. i. die Wechselspannung V, steht zur Frequenz
f in bestimmter Abhängigkeit gemäß Abb. 4. (Auf die Verwendung des Schleifenoszillographen
für die Aufzeichnung wird weiter unten eingegangen.) Als Verstärker ist jeder normale
Röhrenverstärker brauchbar. Günstig ist ein Wechselstromverstärker mit weitgehender
Frequenzunabhängigkeit, jedoch ist auch ein frequenzabhängiger Verstärker verwendbar,
da durch eine entsprechende Eichung der Einfluß der Frequenz berücksichtigt werden
kann.
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Verläuft der Vorgang der Drehzahländerung periodisch, so läßt sich
unter Benutzung einer
Kippschwingung auf dem Leuchtschirm des Elektronenoszillographen
ein stehendes Bild erzeugen, das fotografiert werden kann. Für nicht periodisch
verlaufende Vorgänge muß die Kippschwingung ausgeschaltet werden; in diesem Falle
wird mit Hilfe einer Ablaufliassette das Bild der Veränderung der Drehgeschwindigkeit
auf einem Bildstreifen aufgenommen.
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Die Helligkeit der Glühlampe 6 wird mit Hilfe des Amperemeters 8
und des Regelwiderstandes g aufrechterhalten, da es wichtig ist, daß das auf die
Fotozelle 4 einwirkende Licht der Lampe 6 mit gleichbleibender Helligkeit aufleuchtet.
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Anderenfalls schwankt die Stärke des Fotozellenstromes und damit auch
die Spannung im Schwingkreis 14 oder die Amplitude des Schwingungsbildes und täuscht
eine Drehzahlschwankung vor, die in Wirklichkeit gar nicht vorhanden ist.
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Bei tiefen Frequenzen wird der Fotozellenstrom zweckmäßig auf künstlichem
Wege in die Gestalt einer Sinuskurve gebracht, und zwar durch die Verwendung einer
Scheibe 2 nach Abb. 5 und einer Sinusblende nach Abb. 6. Da die Blende rein sinusförmig
geschnitten ist, so ändert sich die Größe der belichteten Fotozellenflächen ebenfalls
sinusförmig nach fsin x dx.
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Bei Frequenzen über 3000Hz ist die Verwendung einer Vakuumfotozelle
angebracht, da die gasgefüllte Fotozelle vor allem bei Betrieb in der Nähe der Zündspannung
und bei Frequenzen oberhalb 3000 Hz bereits eine beträchtliche Trägheit aufweist,
während die Vakuumzelle völlig trägheitslos arbeitet.
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An Stelle der Aufzeichnung von Wechselstromamplituden kann der Wechselstrom
auch gleichgelichtet werden. In diesem Falle erhält man auf dem Leuchtschirm des
Oszillographen kein Wechselstromband, sondern die Drehzahlschwankungen zeichnen
sich kurvenförmig ab.
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Bei Benutzung einer Gleichrichtung ist anstatt des Elektronenstrahloszillographen
I8 auch ein Schleifenoszillograph 23 (Abb. 3) benutzbar.
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Es sei z. B. die Aufgabe gestellt, an einem Verbrennungsmotor die
Drehzahlschwankungen in der Nähe der Nenndrehzahl X = I600 U/min aufzuzeichnen.
Die zu erwartenden Drehzahlschwankungen mögen in der Größen anordnung von i 50 U/min
liegen; ihre Frequenz sei auf 100 Hz geschätzt.
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Die erste Überlegung gilt der Anzahl der Löcher, welche die Scheibe
2 erhalten muß. Sie wird so gewählt, daß die Frequenz des Fotozellenstromes mindestens
das Zehnfache der aufzuzeichnenden Frequenz ist. Bei einer Drehzahl von X = 1600U/min
erhält man mit einer Lochzahl z = 48 eine Frequenz von 1280 Hz.
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Bei der Wahl der Resonanzfrequenz geht man nun so vor, daß man für
den zu untersuchenden Drehzahlbereich auf dem ansteigenden Ast der Resonanzkurve
V (Abb. 4) arbeitet.
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In dem gewählten Ausführungsbeispiel handelt es sich also darum,
Drehzahlen zwischen = I550 und 1650 U/min aufzuzeichnen, d. h. bei 48 Löchern der
Lochscheibe Frequenzen zwischen I240 und I320 Hz. Es wäre nun unzweckmäßig, die
Resonanzfrequenz daraufhin auf I320 Hz festzulegen. Es bestände dann die Gefahr,
daß bei einem unerwarteten Überschreiten der Drehzahl von n = I650 U/min aus der
Abnahme der Ausschläge auf dem Leuchtschirm des Oszillographen auf ein Zurückgehen
der Drehzahl geschlossen wird, während gerade das Umgekehrte der Fall ist. Es ist
nämlich dabei zu beachten, daß jeder Amplitude zwei Drehzahlen zugeordnet sind.
Es entspricht nach Abb. 4 einem Ausschlag von 40 mm sowohl die Frequenz von 1310
Hz am aufsteigenden Ast als auch diejenige von I460 Hz am absteigenden Ast der Kurve
V bzw. den Drehzahlen I640 und 1820 Ulmin.
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Da die Kurve V in der Nähe des Resonanzscheitels stark gekrümmt und
abgeflacht ist, liegt hierin ein weiterer Grund, die Resonanzfrequenz höher zu legen
als die höchste noch zu messende Frequenz. In dem hier behandelten Falle sei sie
auf etwa I380 Hz abgestimmt. Nach Abb. 4 ist der Anstieg der Kurve V zwischen I300
und I365 Hz angenähert geradlinig, was mit Hilfe der Eichung in jedem Falle nachzuprüfen
ist. Es erleichtert die Auswertung erheblich, wenn auf dem geradlinigen Teil der
Kurve gearbeitet wird. Braucht auf große Empfindlichkeit des Gerätes kein Wert gelegt
zu werden, so ist es zweckmäßig, einen Dämpfungswiderstand 20 (Abb. I) in den angekoppelten
Schwingkreis 14 einzubauen, welcher die Resonanzkurve V abflacht, wie die Kurve
V' in Abb. 4 zeigt, und damit den nutzbaren Meßbereich des Gerätes erweitert. Die
Abb. 7 und 8 zeigen Aufnahmen einer Drehzahländerung eines Wechselgetriebes mit
elektromotorischem Antrieb beim Gangwechsel.
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In Abb. 7 wird z. B. ein gewaltsames Schalten des Getriebes vom dritten
in den vierten Gang erkennbar. Im dritten Gang (III) hatte die Lochscheibe eine
Drehzahl von n = 460 Ulmin; nach dem Schalten in den vierten Gang (IV) eine solche
von n = 580 U/min. Mit einem zweiten Strahl des Oszillographen ist die Zeitmarke
t mit jeweils 1/25 Sekunde Abstand angegeben. Wie aus Abb. 7 ersichtlich, vollzieht
sich der gesamte Schaltvorgang innerhalb von 2 Sekunden. Man erkennt deutlich, wie
sich innerhalb dieser sehr kurzen Zeit die Drehzahl ein paarmal sprunghaft ändert.
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Die Abb. 8 veranschaulicht das Schalten vom vierten in den dritten
Gang, was bekanntlich einfacher zu bewerkstelligen ist. Die Drehzahl sinkt augenblicklich,
steigt aber noch einmal für kurze Zeit etwas an, um sich dann auf den endgültigen
Wert einzuspielen.
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Auf diese Weise gelingt es, Drehzahlschwankungen aufzunehmen, die
sich in sehr kleinen Zeitspannen abspielen. Die Bandbreite vermittelt dem menschlichen
Auge unmittelbar einen klaren Eindruck der Geschwindigkeits-oder Drehzahländerung
an dem zu untersuchenden Läufer.
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Zur Eichung des Meßgerätes benutzt man zweckmäßigerweise einen Motor
oder ein Aggregat, das mit möglichst gleichbleibender Drehzahl und gleichmäßiger
Winkelgeschwindigkeit umläuft. So können für das zweite beschriebene Anwendungsbeispiel
unmittelbar die mit einem zuverlässigen Tachometer oder Zählwerk für die einzelnen
Schaltstufen ermittelten Drehzahlen zur Aufstellung einer Eichkurve benutzt werden.
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Wenn diese Art der Eichung nicht durchführbar ist, so muß der Ablaufmechanismus
der Filmtrommel zu Hilfe genommen werden. Man geht dabei so vor, daß man durch schnellen
Ablauf des Filmstreifens das Bild in der Zeitachse stark dehnt und dabei die Zeitmarke
mit aufzeichnet. Aus dem Abstand der Zeitmarken und dem Abstand zweier aufeinanderfolgender
Wechselstromamplituden kann die Drehzahl berechnet werden, da die Anzahl der Löcher
der Scheibe bekannt ist.
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Die Abb. 9, 10 und II zeigen drei Aufnahmen zur Eichung des Gerätes
in der zuletzt geschilderten Weise für die Bildstreifen nach Abb. 7 und S. So beträgt
in Abb. 9 der Abstand zweier Zeitmarken, die seitlich um 1/25 Sekunde auseinanderliegen,
I46 mm. Der Abstand zweier Amplituden beträgt IO,I mm. Da die Lochscheibe 48 Löcher
hatte, war ihre Drehzahl 146. = .25 45° U/min.
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Zu dieser Drehzahl gehört eine Amplitude von A, = 9,2 mm. Ebenso wurde
bei den beiden anderen Aufnahmen nach Abb. 8 und 9 verfahren, und zu den Drehzahlen
von n2 = 535 bzw. n5 = 58o U;min wurden die Amplituden A = 20,8 und A3 33 mm ermittelt.
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Die aus diesen Werten sich ergebende Eichkurve E (Abb. 12) verläuft
vollkommen geradlinig. Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises lag bei diesen Aufnahmen
bei 485 Hz, entsprechend n = 6IO U/min.
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PATENTANSPROCHE: I. Vorrichtung zur Messung von Drehzahlen und Drehzahlschwankungen
mit einem lichtelektrischen Gerät, bei welchem die Unterbrechung des gegen eine
Fotozelle gerichteten Lichtstrahles durch eine auf der zu prüfenden Welle sitzende
Lochscheibenblende erfolgt und die Frequenz des Fotozellenstromes mit Hilfe eines
Kathodenstrahloszillographen oder Schleifenoszillographen gemessen wird, dadurch
gekennzeichnet, daß die Frequenz des Fotozellenstromes vermittels der über einen
mit dem Fotozellenkreis gekoppelten Schwingkreis frequenzabhängig gemachten Amplituden
aufgezeichnet wird, wobei die Frequenzabhängigkeit der Amplituden durch die Abstimmung
des Schwingkreises erzeugt und durch die Größe des Aussteuerbereiches und dessen
vorzugsweise Lage auf einem nahezu geradlinigen Teil des ansteigenden Astes der
Resonanzkurve innerhalb des Aussteuerbereiches und der Grenzen der allgemeinen Meßwertstreuung
geradlinig gemacht wird.