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Einrichtung zum Antrieb von oszillographischen Filmen
Die Erfindung
betrifft eine Einrichtung zum Antrieb eines Films, auf dem auf mechanischem oder
photographischem Wege die Verschiebungen einer oder mehrerer Oszillographenschleifen
oder -spiegel aufgezeichnet werden, die ihrerseits proportional zu den Augenblickswerten
der die Wicklungen dieser Schleifen durchfließenden Ströme sind. Insbesondere ist
die Erfindung bei solchen Filmen anwendbar, auf welchen die Aufzeichnungen im mikroskopischen
Maßstab erfolgen, wobei die Amplituden der Aufzeichnungslinien beispielsweise in
der Größenordnung eines Millimeters und die Auflösung der Einzelheiten in der Größenordnung
von einigen Mikron liegen. Bei diesem Maßstab muß die Abrollgeschwindigkeit des
Films absolut gleichförmig sein, da andernfalls die Ungleichförmigkeiten der Geschwindigkeit
sich mit den Ungleichförmigkeiten des Verlaufes der aufgezeichneten Erscheinung
vermischen.
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Wenn beispielsweise eine periodische Erscheinung aufgezeichnet wird,
deren Frequenz 500 Per./Sek. beträgt, so muß der Z~itmaßstab bis zu 10!o' d. h.
bis zu l/óoooo Sek. gleichförmig sein. Mit anderen Worten, es muß, wenn die Periode
0,2 mm darstellt, der Ungleichförmigkeitskoeffizient der Abrollgeschwindigkeit des
Films unter 2 Mikron je Periode liegen.
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Die bekannten Antriebsvorrichtungen für Oszillographenfilme bestehen
aus einem mit großer Drehzahl umlaufenden Motor, und zwar einem Synchron- oder Asynchronmotor,
wenn die Speisespannungsquelle Wechselstrom führt, einem Nebenschlußmotor, wenn
die Quelle eine solche mit Gleichstrom ist, und aus einem Universalmotor der Reihenbauart
mit Geschwindigkeitsregler, wenn die Quelle Gleich- oder Wechselstrom führt. Dieser
Motor treibt ein Stiftenrad, in welches der Film eingreift, über ein mechanisches
Getriebe zur
Drehzahlverminderung, wie z. B. ein Rädergetriebe,
eine Schnecke usw., an. Die Getriebe zur Drehzahlverminderung weisen aber, bei noch
so großer Genauigkeit der Fertigung, Ungleichförmigkeitskoeffizienten auf, die weit
über den obengenannten Werten liegen. Außerdem ist der Film nicht gespannt, und
die von der ungleichförmigen Drehung der Vorratsrolle, die veränderlichen Trägheits-
und Reibungsmomenten unterworfen ist, herrührenden Stöße treten ebenfalls durch
eine Ungleichförmigkeit der Geschwindigkeit in Erscheinung.
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Ein weiterer Mangel dieser bekannten Vorrichtungen rührt daher, daß
der mit großer Drehzahl umlaufende Motor weder praktisch augenblicklich zum Anlauf
noch augenblicklich zum Stillstand gebracht werden kann.
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Will man aber zufällige Erscheinungen aufzeichnen, wie z. B. die in
elektrischen Energieübertragungsnetzen auftretenden Fehler, so ist man genötigt,
sogenannte selbsttätige Oszillographen zu verwenden, d. h. Oszillographen, bei welchen
die Abrollbewegung des Films durch das Auftreten der den Fehler kennzeichnenden
Erscheinung selbst zu steuern ist. Dabei kommt es darauf an, daß der Film seine
Betriebsgeschwindigkeit in einer sehr kurzen Zeit in der Größenordnung von einigen
tausendstel Sekunden erreicht, da andernfalls der Beginn des Fehlers verpaßt wird.
Man ist daher gezwungen, den Motor dauernd laufen zu lassen und ihn zeitweilig mit
dem Antriebsrad des Films zu kuppeln. Daraus ergeben sich weitere Quellen von Mängeln,
wie z. B. die dauernde Leistungsabgabe der Quelle, die Abnutzung des Motors und
der Kupplung usw.
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Die Erfindung liefert ein Mittel, um diese Mängel zu vermeiden, indem
sie eine Einrichtung zum Antrieb eines Films mit gleichförmiger Geschwindigkeit
und mit praktisch augenblicklicher Ingang- und Stillsetzung verwirklicht. Sie kennzeichnet
sich dadurch, daß das Stiftenrad für den Filmantrieb unmittelbar auf dem geringe
Trägheit aufweisenden Rotor eines Induktionsmotors der Glocken- oder Scheibenbauart
und mit ausgeglichenen Phasen angebracht ist, dessen Bewegung durch einen Wirbelstromdämpfer
gebremst wird, und der Rotor eine geringe Trägheit und einen großen Dämpfungsfaktor
aufweist und unmittelbar auf einem zweiten Stiftenrad angebracht ist, das sich zwischen
der Vorratsrolle und dem Antriebsstiftenrad befindet und auf welchem der Film beim
Ablaufen von der Vorratsrolle abrollt, und die Aufzeichnung auf dem Film in einem
zwischen den beiden Stiftenrädern gelegenen Bereich vorgenommen wird.
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Auf diese Weise ergibt sich die Kombination eines Antriebselementes
mit asynchroner Charakteristik, das starr gekuppelt ist mit einem Dämpfungselement,
welches ein zur Drehgeschwindigkeit proportionales Gegenmoment ausübt, wobei die
Steifheit des Films, der zur Verbindung zwischen den beiden Elementen dient, groß
ist in bezug auf die anderen beteiligten mechanischen Größen. Dadurch erreicht man
ein erstes, wichtiges Ergebnis: der Film ist immer gespannt, und seine Spannung
ist proportional seiner Abrollgeschwindigkeit. Außerdem wird in einem solchen mechanischen
System, wenn das Trägheitsmoment gering ist in bezug auf die Dämpfungskonstante,
die Betriebsgeschwindigkeit in einer sehr kurzen Zeit erreicht. Die Betriebsgeschwindigkeit
ist proportional dem Quotient des Antriebsmomentes durch die Dämpfungskonstante,
vorausgesetzt, daß diese Geschwindigkeit von der Synchronismusgeschwindigkeit genügend
entfernt ist.
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Ein solches System unterliegt nämlich dem folgenden Gesetz:
wobei 0)t die Winkelgeschwindigkeit im Zeitpunkt t, von der Ruhe an gerechnet, C
das Antriebsmoment, A die Dämpfungskonstante und T die Zeitkonstante ist, die definiert
wird durch: K T = A .
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Hierbei ist K das Trägheitsmomeiit.
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Nimmt man beispielsweise folgende Werte an: A. = I00000 Dyn cm,lradian!Sek.,
K = 500 g,cm2, so ergibt sich T = 0,005 Sek.
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Legt man anstatt der Geschwindigkeiten die Winkelverschiebungen zugrunde,
so erhält man
wobei a, der Winkel im Zeitpunkt t ist von der Ruhe an gerechnet.
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Fig. x veranschaulicht die Exponentialfunktion
für T = o,oo5 Sek.
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Fig. 2 veranschaulicht die Aufzeichnung von zwei sinusförmigen Kurven
mit der Frequenz 50 Per./Sek., wenn die Abrollbewegung des Films dem vorgenannten
Gesetz unterliegt, wobei die eine der Kurven gleich ist sin cst t und die andere
cos w t. Es ist erkennbar, daß vom ersten Viertel der Periode an die sinusförmigen
Kurven praktisch nicht deformiert sind.
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Bei einem solchen Antriebssvstem hängt die Zeit-K konstante nur von
dem V erllältllis , dem Moment der gesamten Trägheit zur Dämpfungskonstanten, ab.
Das Antriebsmoment C geht nur in die Definition der Grenzc geschwindigkeit c ein.
Diese Geschwindigkeft kann daher durch das Antriebsmoment C geregelt werden, ohne
die Zeitkonstante zu verändern.
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Man erhält somit ein erstes Mittel für die Regelung der Abrollgeschwindigkeit
des Films, indem man beispielsweise auf die Erregerspannung des Motors durch einen
Transformator oder einen zusätzlichen Widerstand einwirkt.
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Man kann jedoch auch die Geschwindigkeit durch Einwirkung auf die
Dämpfungskonstante regeln, jedoch wird dabei die Zeitkonstante verändert. Hingegen
läßt man das Antriebsmoment konstant, was eine weitere Bedeutung haben kann. Das
Antriebsmoment soll nämlich möglichst groß sein, damit die Reibungsmomente zu vernachlässigen
sind. Wenn diese Bedingung bei geringen Abrollgeschwindigkeiten erfüllt werden soll,
kann man bei großen Geschwindigkeiten dazu kommen, daß das Antriebsmoment übermäßige
Werte
erhält, sei es infolge der Erwärmung des Motors, sei es infolge der dem Film auferlegten
mechanischen Spannung. Es ist deshalb in gewissen Fällen vorzuziehen, daß man die
Dämpfungskonstante vermindert, um die Geschwindigkeit des Films zu erhöhen. Im übrigen
ist ein großer Geschwindigkeitsbereich nur zweckmäßig, wenn man Erscheinungen mit
sehr verschiedenen Frequenzen aufzeichnet. Dies ist nur der Fall bei nicht selbsttätigen
Oszillographen, bei denen die Zeitkonstante nur sekundäre Bedeutung hat, weil die
aufgezeichneten Erscheinungen nicht zufällige, sondern herbeigeführte sind.
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Die Konstanz der Geschwindigkeit einer so aufgebauten Antriebseinrichtung
beruht auf einer Besonderheit der mehrphasigen Induktionsmotoren mit ausgeglichenen
Phasen, nämlich darauf, daß ihr Drehmoment konstant ist, d. h. ohne jede Pulsation.
Ihr Drehfeld ist kreisförmig, d. h. daß es nur ein mit der Synchronismusdrehzahl
umlaufendes Grundglied aufweist. Hingegen erzeugt ein nicht ausgeglichener Mehrphaseninduktionsmotor
ein elliptisches Drehfeld, welches außer dem synchronen Grundglied ein in entgegengesetztem
Sinne umlaufendes antisynchrones Glied aufweist. Ein solcher Motor würde ein pulsierendes
Drehmoment hervorbringen,und die Pulsation dieses Drehmomentes würde in der Abrollgeschwindigkeit
des Films durch eine Pulsation von gleicher Frequenz und proportionaler Amplitude
zum Ausdruck kommen.
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Man kann in einem Induktionsmotor ein kreisförmiges Drehfeld erhalten.
Es genügt, wenn man die Pole mit ausgeglichenen Mehrphasenspannungen speist oder,
falls nur eine einphasige Spannung zur Verfügung steht, wenn die Spannungen in den
verschiedenen Polen durch bekannte Hilfsmittel, wie Kondensatoren usw., künstlich
in der Phase verschoben werden, wobei alle diese Hilfsmittel es gestatten, an den
Polen symmetrische Mehrphasenspannungen zu erhalten.
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Außerdem haben die Induktionsmotoren der Scheiben- oder Glockenbauart
bei gleichem Drehmoment ein Thgheitsmoment, das weit unter dem aller anderen Motortypen
liegt.
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Die Erfindung wird in folgendem an Hand der Fig. 3 in einem Ausführungsbeispiel
erläutert.
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In der Fig. 3 ist I ein perforierter Film, der von einer Vorratsrolle
2 abläuft und über ein erstes Zackenrad 3, eine zylindrische Rolle 4 und ein zweites
Zackenrad 5 läuft. Auf der Achse des Zackenrades 5 ist unmittelbar der glockenförmige
Rotor 6 eines Induktionsmotors aufgesetzt, dessen Stator nicht dargestellt ist.
Auf der Achse des Zackenrades 3 ist eine Dämpfungseinrichtung 7 angebracht, die
aus einer im Luftspalt eines Dauermagnets angeordneten Metallglocke besteht. Das
Zackenrad 5 dreht sich im Sinne des Pfeiles f. 8 veranschaulicht einen Lichtstrahl,
der von dem Spiegel eines Oszillographen ausgeht und den Film belichtet.
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Der Rotor 6 des Induktionsmotors treibt den Film I im Sinne des Pfeiles
F an. Diese Verschiebungsbewegung des Films wird durch die Dämpfungseinrichtung
7 gebremst.