-
Mechanisch-elektrischer Schwinger zur Erzeugung großer sinusförmiger
Beschleungiungen von Massenteilchen
Die in der Prüf- und Meßpraxis bisher benutzten
Schwingtische zeigen Mängel, die besonders bemerkbar werden, wenn größere Schwingleistungen
aufgebracht werden sollen. Die mechanisch arbeitenden Schwingtische eignen sich
nur für den Frequenzbereich unter 100 Hz. Mit elektrodynamischen Antrieben lassen
sich unter normalen Bedingungen noch Beschleunigungen bis zur zehnfachen Erdbeschleunigung
erzielen, auch können bis zu IOOO Hz rein sinusförmige Schwingungen erzeugt werden.
-
Sollen jedoch größere Schwingwege bei rein siusförmiger Bewegung
auch bis zu sehr hohen Frequenzen erzeugt werden, so genügt der bisher verwandte
einfache Schwinger mit fester Eigenfrequenz nicht mehr. Man hat sich bisher vielfach
so beholfen, daß die Eigenfrequenz durch jeweiligen Einbau stärkerer oder schwächerer
Federn oder durch Änderung der Massen in groben Stufen geändert wurde. Dies ist
aber für Tische mit großem Frequenzbereich viel zu umständlich, abgesehen davon,
daß die Einspannbeidingungen nicht so eingehalten werden können, daß eine gute Reproduzierbarkeit
erreicht wird.
-
Um diese nachteile zu beheben, wird gemäß der Erfindung eine mechanisch-elektrischer
Schwinger zur Erzeugung großer sinusförmiger Beschleunigungen vorgeschlagen, bei-dem-die
Eigenfrequenz
des mechanischen Systems in einem Frequenzbereich
bis zu I000 Hz kontinuierlich für jede Frequenz durch Veränderung einer Federlänge
z. B. mittels verschiebbarer Klemmbacken veränderbar ist, wobei der elektrische
Schwinger, z. B. mit einer Selbstinduktion (Spule) und einer Kapazität (Kondensator),
gleichzeitig mit der Verstellung der mechanischen Resonanzfrequenz des Tisches verstellt
wird.' Die aufzuwendende Dämpfungsarbeit wird durch eine elektrische Entdämpfung
so klein wie möglich gemacht. Zu diesem Zweck ist zwischen dem mechanischen und
dem elektrischen Schwingkreis eine Regelstrecke angeordnet, die einen mechanisch-elektrischen
Umsetzer oder Spannungsfühler in Form einer Schwingspule od. dgl., einen Filtersatz
mit veränderlicher Frequenzkurve, einen Regelverstärker und einen Phasenschieber
enthält.
-
Der Filtersatz dieser Regelstrecke enthält differentiierende und integrierende
Glieder; differentiierende Filter sind erforderlich, wenn von tiefen Frequenzen
auf hohe übergegangen wird und dabei die Geschwindigkeitsamplitude oder die Beschleunigungsamplitude
konstant bleiben soll, integrierende Filter dann, wenn der Schwingweg frequenzunabhängig
bleiben soll. Der Regelverstärker hebt die durch den Fühler erzeugte Spannung so
weit an, bis der Schwingkreis die notwendige Entdämpfung besitzt. Der Phasenschieber
schließlich ist notwendig, um die durch Integration oder Differentiation oder infolge
Wirkleitungsverlust verschobene Phase zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung des
Schwingkreises zu korrigieren.
-
Infolge der angeordneten Regelstrecke kann der Schwingtisch bei den
einzelnen eingestellten Frequenzen sowohl mit konstanter Schwingwegamplitude als
auch mit konstanter Schwingungsgeschwindigkeitsamplitude oder Beschleunigungsamplitude
gefahren werden, wobei die Maximalwerte gemeint sind, die konstant bleiben sollen.
Infolge der Selbsterregung fällt eine Steuerung über einen Summer fort.
-
Die Senderöhre des elektrischen Schwingkreises kann als Doppelröhre
mit mehr aLs einem Gitter ausgebildet sein. Bei Verwendung einer solchen Doppelröhre
werden der Schwingkreiskondensator und die Eigenfrequenz des mechanischen Schwingungssystems
gleichzeitig mit den beiden Gitterkondensatoren verstellt. Statt einer Doppelröhre
kann man auch zwei Mehrgitterröhren benutzen, wobei die mechanisch-elektrisch rückgekoppelte
Steuerspannung dem einen Steuergitter und die rückgekoppelte Anodenwechselspannung
dem anderen Steuergitter zugeführt werden.
-
Die kontinuierlich einstellbare mechanische Eigenfrequenz wird durch
eine gleitende Einspannung der Federn erzielt. Dies kann dadurch erreicht werden,
daß die Enden der Federn in Schlitzen der Klemmbacken gleitend geführt werden. Die
Federn sind mit einem sich in der Stärke ändernden metallischen Überzug versehen,
so daß für die tiefen Frequenzen eine höhere Gleitziffer erreicht wird als für die
hohen Frequenzen, bei denen dafür die Einspannziffer höher liegt. Auf diese Weise
ist es möglich, bei den tiefen Frequenzen großeAmplituden zu erzielen und bei den
hohen Frequenzen eine feste Einspannung zu haben, so daß die obere Frequenzgrenze
sehr hoch gelegt werden kann.
-
Der Transformator zwischen der Regelstrecke und dem Schwingkreis
kann mit einer Zusatzspule versehen sein. Hiermit kann die Spannung im Schwingkreis
überprüft werden, oder man kann an dieser Zusatzspule eine Hilfsspannung abnehmen,
so daß das Gerät als Tieffrequenzsummer zu benutzen ist. Schließlich kann man aber
auch mit dieser Zusatzspule der Anlage eine Anregungsspannung zuführen.
-
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Schwingers gemäß
der Erfindung schematisch dargestellt, und zwar zeigt Fig. I den Aufbau des mechanischen
Schwingers im Schnitt, Fig. 2 das Schaltbild und Fig. 3 den Schwingkreis bei Betrieb
mit Mehrgitterröhren.
-
Der Schwingkäfig 5 mit einer Aussparung 6 für den zu prüfenden Gegenstand
wird von je zwei Blattfedern 7 und 8 gehalten, deren Einspannlänge 1 durch Versçhieben
der Backenklemmen g und 10 in den Nuten II und 12 des Gehäuses 13 mittels der Spindeln
14 und 15 einstellbar gemacht ist. Diese Spindeln werden gleichzeitig z. B. mittels
der Zahnräder I6 und I7 von einer Vorgelegewelle IS durch die Kurbel 19 gedreht,
so daß man hiermit die Resonanzfrequenz mechanisch regeln kann.
-
Statt'des gezeichneten räumlichen Federsystems mit übereinanderliegenden
Federn kann man auch ein ebenes System mit in einer Ebene liegenden Federn benutzen,
das für größere Amplituden vorzuziehen ist.
-
Die Klemmbacken 9 und 10 und die Backenführungen müssen - außerordentlich
biegungssteif sein. Die polierten Federn 7 und 8 gleiten in glatten Schlitzen der
Klemmbacken, und zwar so, daß die Pressung in der Nut um so größer wird, je kürzer
die Federlänge gemacht wird. Die Federn werden daher nach dem Schwingkäfig 5 zu
kontinuierlich um einen sehr kleinen Betrag dicker (2 bis 5 pro mille). Diese Verstärkung
ist durch-eine aufgetragene Weichmetallschicht, z. B. Kupfer od. dgl., erreichbar.
Die Federn sind verkupfert und poliert, die Gleitflächen in den Backen gehärtet
und poliert.
-
Wenn mehrere dünne Federn aufeinandergelegt werden, so braucht man
nur die äußeren zu verkupfern.
-
Der Schwingkäfig 5 wird in bekannter Weise durch eine Schwingspule
20 im Luftspalt eines starken (nicht dargestellten) Magneten, also auf elektrodynamischem
Wege, oder durch Arrziehung zweier. Eisenkerne, also auf elektromagnetische Weise,
angetrieben.
-
Der elektrische Schwingkreis S des Schwingtisches erhält nach Fig.
2 als Sender eine Doppelröhre 21 in Gegentaktschaltung, wodurch eine hohe Schwingleistung
erzeugt werden kann. Erfindungsgemäß wird der Schwing,kreiskondensator 22 gleich-
zeitig
mit der Verstellung der mechanischen Resonanzfrequenz des Tisches verstellt, in
dem z. B. die Welle 23 des Schwingkreiskondensators 22 über ein Zahnrad 24 mit dem
Antriebsrad i6 der Spindel I4 verbunden ist. Außerdem ist mit diesem Regelantrieb
auch noch die Welle 25 verbunden, durch die die Gitterkondensatoren 23 und 24 sowie
ein Kathodenwiderstand 25 gleichzeitig verstellt werden.
-
Zwischen dem mechanischen und dem elektrischen Schwingkreis S ist
nun eine Regelstrecke 26 angeordnet, die einen mechanisch-elektrischen Umsetzer
in Form einer Schwingspule 27 od. dgl. aufweist, die fest mit dem Schwingtisch verbunden
ist. Diese Regelstreche erhält einen Filtersatz 1 mit beispielsweise vier Frequenzgängen.
Durch diesen Filtersatz kann der Frequenzgang der vom Fühler erzeugten Spannung
an der mitgeführten Schwingspule 27 und damit der Steuerspannung geändert werden.
Hierdurch wird in gleichem Sinne der Frequenzgang des Tisches geändert, so daß entweder
mit konstantem Schwingweg ,oder konstanter Schwingungsgeschwindigkeit - oder Schwingungsbeschleunigung
gefahren werden kann, wobei jeweils der maximale Ausschlag gemeint ist. Die Anderung
geschieht in vier Stufen an einem Stufenschalter: Stufe 1 : z = klo: : Dies bedeutet,
daß der Tisch mit konstanter Schwingungsamplitude läuft. Wenn die Schwingwegamplitudea
konstant ist, erzeugt die Schwingspule 27 nach dem Induktionsgesetz eine der Geschwindigkeitsamplitude
proportionale Spannung e = a.w. Damit a konstant bleibt, muß daher die dem Verstärker
über die Regelstrecke 26 zugeführte Spannung mit wachsender Frequenz w verringert
werden, d. h. der' Wellenwiderstand z der Regelstrecke soll mit wachsender Frequenz
fallen (Integrationsvierpol).
-
Stufe II : z = k: Der Tisch läuft mit konstanter Schwingungsgeschwindigkeitsamplitude.
Ist der Wellenwiderstand der Regelstrecke konstant, so bleibt die der Geschwindigkeitsamplitude
proportional der Spulenspannung e gleichzeitig die Verstärkereingangsspannung, d.
h. der Schwinger läuft weiter mit konstanter Geschwindigkeitsamplitude.
-
Stufe III: z = k w: Konstante Beschleunigungsamplitude. Wenn die
Regelstrecke einen mit der Frequenz r,j steigenden Wellenwiderstand besitzt, so
wird die Schwingspulenspannung stetig mit wachsender Frequenz vergrößert. Der Verstärker
steigert entsprechend die Antriebsspannung, so daß eine vorher konstante Geschwindigkeitsamplitude
in eine konstante Beschleunigungsamplitude übergeht.
-
Stufe IV : z = k w2: Eine Entzerrungsstufe für den Amplitudenverlust
bei hohen Frequenzen. Es treten nun Reibungsverluste auf, die im allgemeinen mit
der Frequenz w wachsen und die Tischamplitude entsprechend verkleinern. Um sie auszugleichen,
bedarf es eines weiteren Filters, das besonders dann wirksam werden soll, wenn der
Tisch bei hohen Frequenzen mit konstanter Beschleunigungsamplitude laufen soll.
Es muß dann an Stelle des Differentationsvierpols mit der Kenngleichung z = a>
ein solcher mit der Kenngleichung z = k w2 verwandt werden.
-
Außerdem ist in der Regelstrecke ein Regelverstärker Y vorgesehen,
der es gestattet, die Steuerspannung auf eine hinreichende Höhe zu bringen.
-
Der Phasenschieber P paßt die Steuerphase an die Schwingphase an,
so daß eine Rückkopplung zustande kommt.
-
Der Transformator 28 zwischen der Regelstreckt: 26 und dem Schwingungskreis
S kann mit einer Zusatzspule 29 versehen sein. t Mit dieser kann die Spannung im
Schwingkreis überprüft werden, oder man kann an dieser Zusatzspule eine Hilfsspannung
abnehmen, so daß das Gerät als Tieffrequenzsummer benutzbar ist.
-
Nach Fig. 3 kann man zur Leistungssteigerung an Stelle einer Doppelröhre
zwei Senderöhren parallel betreiben. Benutzt man hierzu zwei Mehrgitterröhren 30
und 3I, so kann die mechanischelektrisch rückgekoppelte Steuerspannung dem einen
Steuergitter und die rückgekoppelte Anodenwechselspannung dem anderen Steuergitter
zugeführt werden. Eine Verstellung der Gitterkondensatoren ist dann nicht mehr erforderlich.