-
Anordnung zur Messung und Anzeige der Frequenz von periodischen Vorgängen,
insbesondere zur leistungslosen Fernanzeige von Drehzahlen Die Erfindung betrifft
eine Anordnung zur Bestimmung und gegebenenfalls Fernübertragung der Frequenz periodischer
Vorgänge, beispielsweise der Frequenz von elektrischen oder mechanischen Schwingungen
oder insbesondere zur Fernanzeige von Drehzahlen. Für die Drehzahlnah- oder -fernanzeige
sind eine ganze Reihe von Verfahren und Geräten bekannt. Diese besitzen jedoch meist
verhältnismäßig geringe Genauigkeit und benötigen in der üblichen Ausführung stets
einen besonderen mechanischen Anschluß an die Welle, deren Drehzahl gemessen werden
soll.
-
Die Welle muß daher je nach dem verwendeten Gerät meist auch eine
größere oder kleinere Leistung zur Durchführung der Messung abgeben. Größere Genauigkeit
ergeben die sogenannten Stichzähler zur Drehzahlbestimmung, die die Zahl der Umläufe
in einer bestimmten Zeit messen, jedoch keine stetige Ablesung gestatten und ebenfalls
einen mechanischen Anschluß an das Meßobjekt bedingen. Die stroboskopische Drehzahlmessung
andererseits bedingt zwar keinen mechanischen Anschluß und damit keine Leistung,
ist jedoch verhältnismäßig umständlich zu bedienen und erlaubt ebenfalls keine stetige
Ablesung. Schließlich wäre für
die genaue Drehzahlbestimmung auch
der Anschluß eines genauen elektrischen Frequenzmessers an eine Wechselstromtachometermaschine
denkbar. Auch eine derartige Anordnung würde jedoch entweder zusätzliche Leistung
benötigen oder aber einen Verstärker voraussetzen, der zusammen mit dem genau arbeitenden
elektrischen Frequenzmesser einen für solche Meßzwecke praktisch selten tragbaren
Aufwand bedeutet. Eine einfache Frequenzmesseranordnung, etwa in Gestalt eines Zungenfrequenzmessers,
bietet hekanntlich gewisse Schwierigkeiten für eine genaue Ablesung.
-
Es ist ferner eine Schaltung zur Messung dieser Frequenzen auf lichtelektrischem
Wege beispielsweise zur Drehzahlmessung bekanntgeworden, die ohne Belastung des
rotierenden oder schwingenden Körpers, d. h. ohne jede Rückwirkung auf die Frequenz
während der Messung arbeitet. Diese Einrichtung benutzt rotierende oder schwingende
Blenden vor einer Differentialfotozelle. Die Fotozelle wird infolge der Blendenbewegung
von intermittierendem Licht veränderlicher Frequenz getroffen. Der erzeugte Wechselstrom
veränderlicher Frequenz wird verstärkt und über frequenzabhängige Schaltglieder,
beispielsweise induktive Widerstände, geleitet. Da infolge Zunahme des induktiven
Widerstandes mit wachsender Frequenz die Spannung an der Induktivität ansteigt bzw.
der erzeugte Wechselstrom sinkt, ergibt sich eine entsprechende Abhängigkeit beispielsweise
auch an einem an den Verstärker über Gleichrichter angeschlossenen Meßinstrument,
an dem die jeweilige Frequenz abgelesen werden kann.
-
Die meisten vorgenannten Drehzahlmeßgeräte müssen vor allem dann
außer Betracht bleiben, wenn genaue Drehzahlmessungen in Fahrzeugen, etwa an Bord
von Luftfahrzeugen, durchgeführt werden sollen, wo zu den bereits genannten Überlegungen
noch die hinzukommt, daß das Meßgerät gegen mechanische Erschütterungen unempfindlich
sein soll und gleichzeitig einen möglichst kleinen Raum- und Gewichtsbedarf haben
muß.
-
Die Erfindung befaßt sich mit einem Gerät zur Messung und gegebenenfalls
Fernanzeige von Frequenzen. insbesondere zur leistungslosen Fernanzeige von Drehzahlen.
das in erster Linie für derartige Anwendungen in Flugzeugen, etwa für Erprobungszwecke,
vorgesehen ist. Es vereinigt in sich die Vorzüge der bisher bekannten Geräte und
vermeidet ihre Nachteile Sie verwendet eine in Abhängigkeit von dem zu untersuchenden
periodischen Vorgang vorzugsweise auf lichtelektrischem Wege erzeugte elektrische
Wechselspannung entsprechender Frequenz, ähnlich wie die oben zuletzt beschriebene
Meßanordnung. Erfindungsgemäß wird jedoch die Wechselspannung dem Eingang eines
Sonderverstärkers zugeführt, welcher eine symmetrische Dreiphasenspannung der gleichen
veränderlichen Frequenz zur Steuerung eines durch einen Drehstromsynchronmotor angetriebenen
Wirbelstromdrehzahlmessers mit direkter Zeigeranzeige erzeugt.
-
Diese Einrichtung hat gegenüber den bekannten, einschließlich der
oben zuletzt beschriebenen besondere Vorzüge. die zum Teil darin begründet liegen.
daß gerade Wirbelstromdrehzahlmesser gegen mechanische Erschütterungen ganz besonders
unempfindlich gebaut werden können. und zwar hei einer sehr hohen Genauigkeit. Dazu
kommt weiter. daß vornehmlich in Flugzeugbordanlagen die für normalen Antrieb entwickelten
Wirbelstromdrehzahlmesser bei Anwendung der Erfindung ohne weiteres als Meßgeräte
auch dann benutzt werden können, wenn beispielsweise für Versuchs- und Erprobungszwecke
rückwirkungsfreie Drehzahlmessungen mit besonders hoher Genauigkeit durchgeführt
werden sollen. Schließlich sind diese gleichen Drehzahlmeßgeräte gegebenenfalls
durch einfache Umschaltung auch zur Untersuchung sonstiger periodischer Vorgänge,
beispielsweise für Erschütterungsmessungen u. dgl. henutzbar.
-
Als Einrichtung zur Erzeugung der Wechselspannung mit einer dem zu
untersuchenden N organg proportionalen Frequenz dient gemäß einer Weiterbildung
der Erfindung speziell bei Drehzahlmessungen vorzugsweise eine Fotozellenanordnung
mit Drehblende oder Drehspiegel. wie sie weiter unten im einzelnen beschrieben wird.
-
Aufbau und Wirkungsweise des Gegenstands der Erfindung seien nachstehend
an Hand eines Ausführungsbeispieles beschrieben, das sich auf die Messung und Fernanzeige
beispielsweise der Drehzahl eines Flugmotors oder einer an Bord eines Flugzeuges
aufgestellten Hilfsmaschine bezieht.
-
Abb. I zeigt die Gesamtanordnung. Auf die NVelle 1. deren Drehzahl
gemessen werden soll. wird eine halbkreisförmige Drehblende 2 aufgesetzt. die das
Licht einer Lampe 3 je nach ihrer Winkelstellung in eine Fotozelle 4 fallen läßt
oder sperrt. Bei Belichtung fließt im Fotozellenkreis ein Strom. der bei Drehung
der Drehblende 2 periodisch verschwinden. Das in diesem Strom bzw. der Fotozellenspannung
somit enthaltene Wechselglied wird in einem Sonderverstärker 5 in einen Drehstrom
verwandelt, der gegebenenfalls eine merkliche Leistung aufweist und dessen Frequenz
gleich der Drehfrequenz der zu untersuchenden NVelle ist. Der Drehstrom
wird
als Anzeigegerät einem an sich bekannten Drehzahlmeßgerät 6 zugeführt, das durch
einen darin enthaltenen Drehstromsynchronmotor angetrieben wird, der damit die zu
messende Drehzahl im Anzeigegerät reproduziert; hier wird sie von einem Wirbelstrommeßwerk
mit einer sehr hohen Genauigkeit von wenigen Tausendsteln des Endausschlages gemessen.
-
Entspricht der zu messende Drehzahlbereich nicht dem Meßbereich des
Gerätes, so kann gemäß den Abb. 2 und 2 a eine Drehblende mit zwei oder mehr gleichmäßig
verteilten Ausschnitten 2I, 22, 21', 22' verwendet werden, so daß die Frequenz des
Fotozellenstromes bzw. der Fotozellenspannung und damit auch die Drehzahl des Synchronmotors
im Anzeigegerät gleich einem beliebigen ganzen Vielfachen der zu messenden Drehfrequenz
bzw. Drehzahl wird. Auf diese Weise kann das Gerät für die verschiedensten Meßbereiche
bis herab zu kleinsten Drehzahlen verwendet werden.
-
Läßt sich eine Drehblende aus konstruktiven Gründen schlecht an die
zu untersuchende Welle I ansetzen, so genügt es, nach Abb. 3 bzw 4 an einen vorhandenen
Wellenstumpf des zu untersuchenden Aggregates auf eine Scheibe oder ein Rad 2' einen
ebenen Kreis-oder Ringspiegel anzubringen, dessen Fläche in eine gerade Zahl von
untereinander gleichen Quadranten, z. B. 21', 21", 22', 22", geteilt ist, die abwechselnd
spiegelnd und nichtspiegelnd z. B. durch schwarze Farbe abgedeckt ausgebildet sind.
Das Licht einer passend angeordneten Lampe 3 wird von diesem Spiegel in eine Fotozelle
4 reflektiert, in der bei Drehung des Spiegels wieder der oben beschriebene periodische
Strom entsteht.
-
Der Lampe 3 kann dabei eine Optik 7 vorgeschaltet sein. Die Fotozelle
4 ist gegen direkte Sicht der Lampe 3 entweder durch einen Schirm g abgedeckt oder
in einem entsprechend ausgebildeten Tubus als Lichtschutz od. dgl. angeordnet.
-
Nach den Abb. 5 und 6 lassen sich in besonderen Fällen auch zylindrische
Spiegel mit entsprechender Teilung in helle und schwarze Felder verwenden, die mit
der gleichen Anordnung von Lampe 3 und Fotozelle 4 benutzt werden. Die Anordnung
nach Abb. 5 zeigt dabei die Ausbildung des Spiegels für den Originalmeßbereich,
die Anordnung nach Abb. 6 einen Spiegel für 0,25 fachen Drehzahlbereich Anordnungen
nach den Abb. 3 bis 6 lassen sich stets leicht an der zu untersuchenden Maschine
anbringen. Die Spiegel können aus blank verchromtem oder vernickeltem Blech bestehen.
An die Güte und Genauigkeit ihrer Oberfläche werden keine besonderen Anforderungen
gestellt.
-
Außere Einflüsse, wie Schwankungen der Speisespannung des Verstärkers,
der Lichtstärke der Lampe oder des Reflexionsvermögens des Spiegels, haben grundsätzlich
keinen Einfluß auf die Wirkungsweise und Genauigkeit der Meßanlage, solange die
vom Verstärker gelieferte Spannung so groß ist, daß der Synchronmotor nicht außer
Tritt fällt.
-
Die Drehrichtung der zu untersuchenden Welle ist für die Messung belanglos.
Um einen möglichst schnellen Übergang zu einem oder mehreren anderen Meßbereichen
zu erzielen, können die entsprechenden Spiegelanordnungen nach Art stroboskopischer
Scheiben konzentrisch zueinander angeordnet werden, so daß nur die Fotozellenanordnung
in einer Führung geradlinig verschoben zu werden braucht, um mit der neuen Spiegelteilung
ein neues Übersetzungsverhältnis zwischen Drehspiegel und Synchronmotor zu bilden.
-
Der Sonderverstärker, der zwischen die frequenzproportionale Wechselspannung
und das drehstrombetriebene Drehzahlmeßgerät eingeschaltet wird, kann gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung als Röhrenverstärker mit einer phasendrehenden Kunstschaltung
im Gitterkreis nach Abb. 7 ausgeführt werden; er läßt sich jedoch auch so ausgestalten,
daß von den drei je einer Phase des Verstärkerausgangs zugeordneten Röhren die erste
durch die gegebenenfalls vorverstärkte Eingangsspannung gesteuert wird, während
die zweite ihre Gitterspannung mit entsprechender Phasenverschiebung aus dem Anodenkreis
der ersten Röhre, die dritte Röhre ihre Gitterspannung mit entsprechender Phasenverschiebung
aus dem Anodenkreis der zweiten Röhre bezieht.
-
In Abb. 7 ist ein Ausführungsbeispiel für den Verstärker 5 dargestellt,
das eine besonders zweckmäßige Erzeugung der für das Drehzahlanzeigegerät 6 benötigten
dreiphasigen Meßleistung zeigt. Der Fotozellenkreis steuert über die Eingangsklemmen
5I, 52 und gegebenenfalls eine Vorstufe 53 den Eingangsübertrager 54 mit mittenangezapfter
Sekundärwicklung. An diese ist eine an sich bekannte phasendrehende Kunstschaltung
angeschlossen, der an den drei Punkten a, b, c drei um I200 gegeneinander phasenverschobene
gleiche frequente Gitterwechselspannungen für die drei Verstärkerröhren 56, 56',
56" entnommen werden. Die drei Verstärkerröhren speisen einen dreiphasigen Ausgangstransformator,
der zweckmäßig primärseitig im Stern, sekundärseitig im Dreieck geschaltet ist.
Außer Kathodenwiderständen 57, 57', 57", die in bekannter Weise zur Erzeugung und
zum Abgleich der Gittervorspannungen der drei Verstärkerröhren dienen, ist gemäß
einer Weiterbildung der
Erfindung im gemeinsamen Kathodenkreis aller
drei Röhren außerdem ein gemeinsamer Widerstand 58 vorgesehen. An diesem Widerstand
58 treten Spannungsabfälle nur dann auf, wenn Unsymmetrien, etwa infolge unerwünschter
Oberwellen, im dreiphasigen System auftreten. Da der Widerstand 58 auf den Gitterkreis
der drei Röhren ebenso wirkt wie die Kathodenwiderstände 57, wird hierdurch eine
selbsttätige Kompensation derartiger unerwünschter Unsymmetrien bis zu einer gewissen
Grenze erreicht. Gegebenenfalls kann seine Wirkung noch dadurch verbessert werden,
daß die Regelspannung des Widerstandes 58 über einen Hilfsübertrager 59 auf den
Ärstärkereingang rückgekoppelt wird.
-
Der Gegenstand der Erfindung erlaubt mithin mit verhältnismäßig einfachen
Mitteln eine sehr genaue Messung und Anzeige von Drehzahlen. Schwingungsfrequenzen
u. dgl. durch unmittelbare Zeigeranzeige. Insbesondere wird durch die beschriebene
Anordnung erstmalig möglich, derartige Vorgänge in Fahrzeugen, vor allem in Luftfahrzeugen.
mit der erforderlichen oft sehr hohen Ge-Genauigkeit zu erfassen und damit oft Aufschlüsse
über das Verhalten des Flugzeuges oder einzelner Anlageteile zu bekommen. welche
für die Weiterentwicklung der Luftfahrzeuge von großer Bedeutung sind.
-
Selbstverständlich ist der Anwendungsbereich der Erfindung hierauf
nicht beschränkt. Das Gerät kann auch gegebenenfalls als Frequenzmesser für beliebige
elektrische Spannungen dienen, wobei vor allem der Vorteil ins Gewicht fällt, daß
die genauen Angaben des Zeigers infolge des Präzisionsaufbaues des Wirbelstromdrehzahlmessers,
wie er praktisch bereits vorhanden ist, ohne Spiegelablesungen und ähnliche Hilfsmittel
erreicht werden kann. Zur Erfassung sonstiger Schwingungsvorgänge kann an Stelle
des für den Drehzahlmesser beschriebenen Fotozellenkreises auch beispielsweise eine
Anordnung treten, die etwa mit Hilfe induktiver Wirkungen mechanische Schwingungsvorgänge
in die erforderliche Eingangswechselspannung für den Meßverstärker verwandelt.