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Beschleunigungsmesser
Die bekannten Beschleunigungsmesser können grundsätzlich
eingeteilt werden in mechanische und elektrische Geräte. Die mechanischen Geräte
enthalten eine kleine, stark federgefesselte Hilfsmasse, auf die die Bewegungen
des zu überprüfenden Gegenstandes übertragen werden. Die Bewegungen der llilfsmasse
gegen die Federfesselung stellen dann ein Maß der Beschleunigung dar.
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Die Nachteile dieser bekannten mechanischen Beschleunigungsmesser
liegen darin, daß die Federfesselung und die Hilfsmasse ein schwingungsfähiges System
mit ausgeprägter Eigenfrequenz (Störfrequenz) darstellen. Aus diesem Grund sind
diese Beschleunigungsmesser begrenzt anwendbar, und zwar nur innerhalb eines Frequenzbereiches,
der wesentlich unter der Grenze der Eigenfrequenz (Störfrequenz) des Messers liegt.
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Die elektrischen Beschleunigungsmesser bestehen grundsätzlich aus
einem elektrischen Geschwindigkeitsmesser, dessen Spannung als Ausgangsmeßwert elektrisch
differenziert wird. Man verwendet hierzu Gleichstrnmnebenschlnßgeneratoren und führt
die Differentiation mittels einer in den Stromkreis eingeschalteten Kapazität durch.
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Es stellt sich dann innerhalb des Meßkreises ein Strom I ein, der
proportional der ersten zeitlichen Ableitung der Spannung ist, nämlich 1 = C dU
dt Der Nachteil dieser elektrischen Meßeinrichtungen liegt darin, daß man auch bei
unveränderter
Geschwindigkeit keine absolut konstante, sondern eine
pulsierende Spannung erhält. Diese sogenannten Meßstromoberwellen stören die Differentiation.
Die Oberwellen verfälschen um so mehr die Bes chleunigungsmes sung, je mehr die
Frequenz der zu messenden Beschleunigungen in der Nähe der Oberwellenfrequenz des
Gleichstromgeschwindigkeitsmessers liegt.
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Außerdem hat die Meßmethode den Nachteil, daß sich mehr oder weniger
große Phasenverschiebungen des abgegebenen Beschleunigungsmeßwertes gegenüber der
wahren Beschleunigung bemerkbar machen.
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Diese Nacheilung hängt von der Größe des Widerstandes R und der Kapazität
C des Meßkreises ab.
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Schließlich gelten für diese elektrischen Beschleunigungsmesser die
bekannten Nachteile der Gleichstromtachometermaschinen, z. B. daß sie verhältm.smäßig
große Antr.iebsleistungen verbrauchen, daß sie verhältnismäßig große Massen haben
und deshalb die Beschleunigungsmessung nicht rückwirkungsfrei durchgeführt werden
kann.
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Die Erfindung geht von den bereits vorgeschlagenen Geschwindigkeitsmessern
nach dem Prinzip der Ferrarisgeneratoren aus. In diesen wird durch ein Spulenpaar
ein Wechselfeld erregt, zu dem neutral angeordnet ein zweites Spulenpaar liegt.
In dem Erregerfeid dreht sich der elektrisch leitende, nicht magnetische Anker.
In ihm werden durch die Erregung Wirbelströme erzeugt, die eine Verzerrung der Kraftlinien
des Erregerfeldes verursachen, sobald sich der Anker bewegt. Die Kraftlinien gelangen
durch die Verzerrung in den Bereich der ursprünglich neutral gelegenen Spulen und
induzieren in diesen um so mehr Spannung, je größer die Verzerrung, d. h. je schneller
die Ankerbewegung ist.
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Diese bekannten Eerrarisgeschwindigkeitsmesser haben den Vorteil
geringster Massenträgheit des Läufers und arbeiten praktisch rückwirkungsfrei.
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Sie können deshalb auch dort verwendet werden, wo die zur Verfügung
stehende Leistung sehr gering ist, z. B. in Rechenmaschinen, Reglern und ähnlichtem.
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Um diesen außerordentlich vorteilhaften Geschwindigkeitsmesser für
Beschleumgungsmessungen gebrauchen zu können, wäre es notwendig, den Wechselstrom
gleichzurichten und dann erst zu differenzieren. Dabei würden wiederum die Nachteile
der elektrischen Differentiation auftreten, wie sie schon im Zusammenhang mit den
Gleichstromgeschw.indigkeits- und Beschleunigungsmessern erwähnt worden sind Das
Ziel, das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, ist: nur bei einer Bewegungsänderung
des Läufers einen Spannungswert, d. h. eine Induktion zu erhalten.
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Die grundlegende Überlegung der Erfindung ist nun die, daß bei einer
gleichbleibenden Geschwindigkeit eine Induktion nicht erwünscht ist. Deshalb ist
die Erzeugung des; Erregerfeides des Ferranisgenerators nicht durch Wechselstrom,
sondern durch Gleichstrom vorzunehmen. Daraus ergibt sich einBeschleunigiungsmesser,
bei dem erfindungsgemäß ein die Meßbewegung ausführender Wirbelstromanker in einem
Magnetfeld gleichbleibender Stärke angeordnet ist und bei dem die durch die Ankerbewegung
erfolgende Feldverzerrung eine von der Bewegungsänderung abhänigige Spannung in
einer in der neutralen Zone des unverzerrten Magnetfeldes angeordneten Spule induziert.
Die induzierte Spannung ist also ein Maß der Beschleunigung.
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Durch diesen Beschleunigungsmesser gemäß der Erfindung werden die
genannten Nachteile der bekannten Geräte behoben, und es werden die Vorteile des
Ferrarisgeschwindigkeitsmessers auch für die Beschleunigungsmessung nutzbar gemacht.
Be sonlders wertvoll ,ist an diesem neuen Gerät, daß die Messungen praktisch unabhängig
sind von der zu messenden Beschleunigungsfrequenz und daß Verfälschungen des Meßwertes,
z. B. durch Phasenverschiebung, nicht auftreten. Außerdem gestattet der Ferrarisbeschleunigungsmesser
gemäß der Erfindung eine sehr leichte elektrische Anpassung des inneren Widerstandes
der Maschine an den Innenwiderstand des jeweiligen Meßwertempfängers.
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Überdies sind Kondensatoren überflüssig, die bei niederohmigen Empfängern
derart hoheKapazitätswerte annehmen, daß temperaturempfindliche Elektrizitätskondensatoren
verwendet werden müssen, wodurch gegebenenfalls Temperaturkompens ationen zusätzlich
eingeschaltet werden müßten.
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Als außerordentlich vorteilhaft zeigt sich auch die große Empfindlichkeit
des erfindungsgemäßen Gerätes, die gestattet, die Beschleunigungsmessung nutzbar
zu machen für die Überprüfung von Getriebeteilen auf Gleichmäßigkeit, z. B. ist
es mittels des neuen Beschleunignngsmessers möglich, die Gleichmäßigkeit der Verzahnung
von Zahnrädern auf das genaueste mit einem im Verhältnis zu den bekannten Prüfmethoden
geringeren Aufwand bei größerer Genauigkeit zu prüfen.
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Ausführungsbeispiele desBeschleunigungsmessers gemäß der Erfindung
seien an Hand der Abbildungen näher erläutert.
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Abb. I stellt schematisch den Aufbau der bekannten Ferrarismotoren
dar. Zwei Spulenpaare Ia, 1b und 2a, 2b sind um 900 versetzt, so daß jedes Paar
in der neutralen Zone des anderen gelegen ist. Bei einer Speisung beider Spulen
mit Wechselstrom, wobei zwischen beiden Spulenpaaren eine Phasenverschiebung vorhanden
ist, werden Wirbelströme in dem Anker 3 erzeugt, die derartige Kräfte auslösen,
daß der Läufer in Umdrehung versetzt wird.
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Diese gleiche Anordnung kann, wae bereits vorgeschlagen worden ist,
als Geschwindigkeitsmesser verwendet werden, wenn nur ein Spulenpaar, beispielsweise
1a, Ib, an eine Wechselstromquelle angeschlossen wird und der Anker 3 von außen
angetrieben wird. Dann wird das Wechselfeld zwischen Ia und 1b durch die Wirbelströme
in 3 derart verzerrt, daß Kraftlinien in den Bereich der Spulen 2a, 2b gelangen
und dabei eine Spannung induzieren.
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Legt man nun an Stelle der Wechselstromquelle eine Gleichstromquelle
4 an das Spulenpaar 1a und 1b, so wird sich für jede Geschwindigkeit des Ankers
3 eine ganz bestimmte Verzerrung ergeben; mit anderen Worten: Die Lage der Kraftlinien
zwischen 1a und 1b ist durch die jeweilige Geschwindigkeit des Ankers 3 bestimmt.
Jede Schwankung der Geschwindigkeit des Ankers 3 verursacht eine Verlagerung des
verzerrten Kraftfeldes zwischen 1a und 1b und bewirkt während dieser Verlagerung
eine Induktion in den Spulen 2a und 2b. Durch diese Induktion treten Spannungen
auf, die einem Meßgerät 5 zugeführt werden können und die ein genaues Maß der Beschleunigungen,
denen der Anker 3 ausgesetzt ist, darstellen.
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Abb. 1 a stellt den Längsschnitt durch das eben beschriebene Gerät
dar. Aus ihm kann man ersehen, daß der Anker Trommelform besitzt und als solcher
(aus Aluminium gefertigt) ein verschwindend kle!ines Trägheitsmoment besitzt.
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Abb. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Anwendungsbereich
des erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers dadurch erweitert worden ist, daß man
das Gerät von der Speisung aus einer Gleichstromquelle unabhängig gemacht hat. Das
konstante Feld zwischen dem mit Gleichstrom gespeisten Spulenpaar ,ist durch einen
Naturmagneten ersetzt worden.
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Der Naturmagnet 6 ist als Kern des trommelförmigen Ankers 7 verwendet.
Um den Anker herum ist ein Eisenkeern 8 angeordnet, so daß sich ein Kraftlinienfluß,
wie dargestellt, ergibt. Das Anzeigespulenpaar 9 ist um 90° versetzt zur Hauptachse
des Naturmagneten angeordnet. Von der Spule führen Spannungsleitungen 10 zu einem
Meßgerät ii ab.
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Sobald der Anker sich dreht, werden die Kraftlinien in dem Luftspalt,
in dem sich der Anker bewegt, verzerrt und induzieren bei einer Lagenänderung eine
Spannung. Diese Spannung ist ein Maß der Beschleunigung, die am Gerät 11 abgenommen
wird, an dessen Stelle z. B. auch ein Oszillograph verwendet werden kann.
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Abb. 3 stellt prinzipiell die Ausbildung eines Beschleunigungsmesers
nach Art eines Stichdrehzahlmessers dar. Mit diesem Gerät ist es -also möglich,
von Stirnflächen sich drehender Wellen Beschleunigungsmeßwerte abzunehmen. Für die
Fälle, bei denen die Stirnfläche der zu überprüfenden Welle z. B. durch geschlossene
Lager nicht frei liegt, kann man den Beschleunigungsmeßwert dadurch gewinnen, daß
man das Gerät am Umfang der zu prüfenden Welle kuppelt. Hierzu dient das Kupplungsrad
12 mit einem elastischen Belag I3, z. B. Gummi, der in radialer Richtung an die
Welle gepreßt ist. Die zu bewegende Masse des Beschleunigungsmessers ist gering,
so daß die Geschwindigkeit und die Beschleunigung des Meßgerätes absolut mit der
der zu messenden Welle übereinstimmt.