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Verfahren zur kontinuierlichen Messung der Frequenz langsamer sinusförmiger
Schwingungen Während die unmittelbare Messung der Frequenz schneller Schwingvorgänge
im allgemeinen keine besonderen Schwierigkeiten verursacht, kann man die Frequenz
langsam verlaufender Schwingungen, deren Periode I Sekunde oder gar mehrere Sekunden
andauert, nur schwer unmittelbar messen. Man -hilft sich in der Regel so, daß man
mittels eines Zeitnehmers die Länge einer Schwingungsperiode mißt, deren reziproker
Wert die Frequenz ist. Für Steuervorgänge oder Rechenoperationen, die selbsttätig
laufend ausgeführt werden sollen, ist dies jedoch unbequem, da man ja den gewünschten
Wert erst nach Ablauf mindestens einer Periode erhält.
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Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Messung der Frequenz eines
langsam sinusförmig schwingenden Körpers, z. B. der Schlingerfrequenz eines Schiffes,
dadurch geschaffen, daß in jedem Zeitpunkt die Beschleunigungen bzw. Verzögerungen
und die jeweils zurückgelegten Wege eines in genügendem Abstand von der Schwingungsachse
befindlichen Punktes auf dem schwingenden Körper gemessen und in elektrische Werte
umgewandelt werden, deren Verhältnis in an sich bekannter Weise von einem Quotientenmeßwerk
angezeigt wird.
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Ist nämlich o, = 2T die Kreisfrequenz der sinus-T förmigen Schwingung,
deren Periode gleich T ist, ist ferner t die Zeit seit Beginn der Periode und A
die Amplitude der Schwingung, so ist der jeweils zurückgelegte Weg eines Punktes
des schwingenden
Körpers außerhalb des Schwingungsmittelpunkt es
s = A sin (o t) . (I) Die jeweilige Beschleunigung dieses Punktes zur Zeit t ist
b = Aco2 sin (cr) t) (2) Daher ist das Verhältnis b =-Aw2'sin(wt) = 2 (3) s A sin(cu
t) T2 Aus Gleichung (3) läßt sich T berechnen:
oder i s T2 T b - (2: )2 (5) oder fb (2 (2ru)2 = (6) f s T2 Die Frequenz des schwingenden
Körpers läßt sich also lediglich mittels der zurückgelegQen Wege und der Beschleunigungen
bzw. Verzögerungen eines schwingenden Punktes des Körpers feststellen. Die Größe
der Amplituden ist ohne Einfluß.
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In Fig. I ist die Weg-Zeit- und die Weg-Beschleunigungs-Kurve eines
solchen schwingenden Punktes dargestellt. Nach dem oben Gesagten ist also die Dauer
einer Periode
usf., ergibt sich also als das Verhältnis der Ordinaten bl, b, s, sl: bl, 52: b2
usw. Mißt man diese Werte z. B. elektrisch mittels eines Wegmeßgebers und Beschleunigungsmeßgebers
und führt die gemessenen Werte einem Quotientenmeßwerk zu, so ist dessen Ausschlag
ein Maß für die Frequenz. Es ist auch möglich, die Spulenfelder des Quotientenmeßwerks
so aufeinander abzustimmen, daß sie in derselben Größenordnung liegen, da in der
Gleichung (5) bzw. (6) die Zähler oder Nenner mit einer beliebigen Konstanten multipliziert
werden können. Der Meßbereich kann also beliebig gewählt werden.
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Eine Meßanordnung einfachster Art, z. B. zum Messen der Schlingerperiode
eines Schiffes, ist in Fig. 2 im Prinzip dargestellt.
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In möglichst großem Abstand von der Schlingerachse des Schiffes ist,
mit dem Schiffskörper starr verbunden, das Potentiometer r angebracht, dessen Schleifer
4 durch besondere Mittel, etwa durch den Kreisels, so stabilisiert ist, daß er während
der Schlingerbewegung in einer bestimmten, z. B. lotrechten Ebene stehenbleibt und
in dem Augenblick. durch den Punkt Null des PotentI«eters- geht, wenn die Schlingerbewegung
des Schiffes durch Null hindurchgeht. Die Endklemmen 2 und 3 des Potentiometers
sind mit dem Pluspol, die Nullklemme o mit dem Minuspol einer Gleichstromquelle
verbunden.
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Ein zweites Potentiometer ähnlicher Art, 6, mit den Endklemmen 7
und 8 und der Nullklemme o' ist in gleicher Weise geschaltet, wobei die Endklemmen
7 und 8 mit dem Pluspol und o' mit dem Minuspol der Gleichstromquelle verbunden
sind. Der Schleiferc dieses Potentiometers wird über den Zahntrieb I0 und den Hebel
II des Beschleunigungspendels 12 betätigt, dessen Masse I3 durch zwei verhältnismäßig
steife Federn 14 und 15 in der Nullage festgehalten wird. - Der Schleifer 9 des
Potentiometers 6 ist so justiert, daß er auf dem Nullpunkt o' liegt, wenn die Masse
I3 des Beschleunigungsmessers in Ruhe ist.
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Das Beschleunigungspendel soll so im Schiff angebracht sein, daß der
Schwerpunkt der Masse 13 im gleichen Abstand von der Schlingerachse wie der Drehpunkt
des Schleifers 4 bzw. die Stabilisierungsachse des Kreisels 5 liegt.
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Der Minuspol der Stromquelle ist ferner über die Leitung I6 mit den
Klemmen 19 und 2I des Kreuzspulenmeßgerätes 23, der Schleifer 4 des Potentiometers
I über die Leitung I7 mit Klemme 22 und der Schleifer g des Potentiometers 6 über
Leitung I8 mit Klemme 20 der Kreuzspule verbunden.
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Die Funktion der Anordnung ist nach dem eingangs Gesagten ohne weiteres
verständlich.
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Beim Schlingern des Schiffes wird der Schleifer 4 des Potentiometers
1 durch den Kreisel 5 im Verhältnis des Schlingerwinkels bzw. des von der Stabilisierungsachse
des Kreisels zurückgelegten Weges von o aus über die Kontaktbahn des Potentiometers
nach 2 oder 3 hin bewegt. Die dabei am Potentiometer abgegriffene Spannung bei bestimmter
Dimensionierung der Widerstände und damit der durch die Spule 22-2I des Meßgerätes
23 fließende Strom ist als verhältnismäßig gleich dem von der Stabilisierungsachse
des Kreisels zurückgelegten Weg.
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Der Schleifer g des Potentiometers 6 wird im Verhältnis der Beschleunigungen
bzw. Verzögerungen der Masse I3 nach der Klemme 7 oder 8 über die Kontaktbahn bewegt.
Hierbei werden Spannungen abgegriffen, die der Beschleunigung bzw. Verzögerung der
Masse I3 verhältnisgleich sind. Daher sind auch die Ströme-in der Spule 20-Ig der
Beschleunigung bzw.
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Verzögerung der Masse I3 proportional.
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- Der Ausschlag des Zeigers 24 entspricht dann der Zeitdauer einer
Schlingerperiode, und das Gerät 23 kann unmittelbar in »Sekunden« geeicht werden.
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Durch verschiedene Dimensionierung der Windungszahlen der Spulen
I9-20 bzw. 2I-22 und durch Anlegen von einander verschiedenen Spannungen an den
Potentiometern I und 6 können, wie ohne weiteres ersichtlich, verschiedene Meßbereiche
erzielt werden.
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Die beschriebene Anordnung einfachster Art reicht allerdings nur
für geringe Ansprüche aus.
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In der Nähe des Nullpunktes - der zu messenden Schwingungsperiode
werden nämlich die dem Meßgerät zugeführten Ströme sehr klein und daher die Anzeige
unstabil. Ferner müßte die Justierung der Schleifbahn bzw. des Schleifers 4 des
Potentiometers 1 ständig daraufhin kontrolliert werden, daß der Schleifer sich dann
in der Nullstellung befindet, wenn die Schwingung durch den Wert Null hindurchgeht.
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Diese Nachteile werden durch eine Anordnung, wie sie beispielsweise
in Fig. 3 gezeigt ist, vermieden.
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Als Stromquelle ist in diesem Beispiel statt Gleichstrom hochfrequenter
Wechselstrom verwendet, der z. B. in einem kleinen Röhrensender 25 erzeugt wird.
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Als Geber für die elektrische Übertragung des Weges bzw. der Beschleunigung
oder Verzögerung des schwingenden Punktes sind der Einfachheit der Darstellung wegen
hier wieder Potentiometer 1 und 6 in der gleichen Anordnung wie in Fig. 2 angenommen,
jedoch ist es natürlich in diesem Falle leicht möglich, Geber auf induktiver oder
kapazitiver Basis zu verwenden; es ist nur erforderlich, daß das lineare Verhältnis
der abgegriffenen Spannungen zu den jeweils zurückgelegten Wegen bzw. den Beschleunigungen
(Verzögerungen) des schwingenden Punktes gewahrt bleibt.
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Die an den Potentiometern abgegriffenen Spannungen werden nun in
diesem Falle dem Quotientenmeßwerk nicht unmittelbar zugeführt, sondern über die
Leitungen 26,27 bzw. 26, 28 zunächst einem mehrstufigen Röhrenverstärker 29 zugeleitet,
dessen Eingang Regelröhren besitzt. Die Gittervorspannung dieser Röhren wiid nun
entweder nach Art des Schwundausgleichs in Funkempfängern entweder durch den Verstärker
selbsttätig oder in Abhängigkeit von den Winkelausschlägen des schwingenden Punktes
oder schließlich auch durch beide Steuermöglichreiten gesteuert. Bei selbsttätiger
Steuerung ist'hierbei zu beachten, daß die Steuerung gleichzeitig für beide zu verstärkenden
Spannungswerte durch dieselbe Diode geschieht, da sonst unter Umständen das Spannungsverhältnis
nicht gewahrt bleibt. Aus dem gleichen Grunde ist es erforderlich, daß die Charakteristik
der Röhren für beide Verstärkerwege möglichst die gleiche ist.
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Aus dem letzten Grunde ist es daher zweckmäßiger, -die beiden Potentiometer
mit verschiedenen Frequenzen zu speisen, die abgegriffenen Spannungswerte zu überlagern
und gemeinsam in einem Verstärkerweg zu verstärken. Die Trennung der beiden Frequenzen
erfolgt dann vor der Gleichrichtung mit den bekannten Siebmitteln.
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Nach erfolgter Gleichrichtung werden dann die verstärkten Spannungswerte
wie in Fig. 2 dem Quotientenmeßwerk zugeführt.
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Durch dieses Verfahren wird erreicht, daß dem Quotientenmeßwerk auch
noch bei sehr kleinen Verhältnisspannungen für das erforderliche Drehmoment genügende
Ströme zugeführt werden, und daß andererseits durch die Unterdrückung zu hoher Spannungswerte
das Meßwerk nicht überlastet wird.
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In dem dann noch verbleibenden Restbereich in unmittelbarer Nähe
der Nullage der Potentiometer kann dann die unsichere Einstellung des Quotientenmeßwerks
durch ausreichende Dämpfung -unschädlich gemacht werden, da dieser Bereich ja in
sehr kurzer Zeit durchlaufen wird.
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Der zweite Nachteil, daß nämlich die Schleifer der Potentiometer
oder allgemein die Teilspannungsgeber nicht gleizhzeitig die Nullage durchlaufen,
kann durch eine zusätzliche Nullsteuerung ausgeglichen werden.
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Ausgangspunkt der Überlegungen für diese Steuerung ist die Tatsache,
daß zwar die Nullstellung für den zurückgelegten Weg bei dem Potentiometer 1 Veränderungen
unterworfen sein kann (z. B. Krängung bei Schiffen), daß aber die Nullstellung des
Beschleunigungsmessers 12 stets eindeutig ist. Es ist also einfach die Nullstellung
des Potentiometers I nach derjenigen des Potentiometers 4 zu korrigieren.
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In Fig. 3 ist, wieder der Einfachheit der Darstellung wegen, für
diesen Zweck eine einfache Kontaktsteuerung vorgesehen. Sie.dürfte in dieser einfachen
Anordnung für höhere Ansprüche nicht ausreichen und kann selbstverständlich durch
eine beliebige andere hochwertige Nullsteuerung ersetzt werden.
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Auf der Achse 30 des Schleifers 4 des Potentiometers 1, die von dem
(in Fig. 3 nicht gezeichneten) Stabilisierungskreisel gesteuert wird, sitzt eine
Nockenscheibe 31, die einen Umschaltkontakt mit Nullstellung 32 betätigt. Eine gleiche
Nockenscheibe 33 trägt die Achse 34 des Schleifers g des Potentiometers 6.
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Die Nockenscheibe 33 betätigt ebenfalls einen Umschaltkontakt mit
Nullstellung 35. Die Mittelfedern der Umschaltkontakte sind mit dem Pluspol einer
Gleichstromquelle, die Außenkontaktfedern der Umschaltkontakte dagegen korrespondierend
mit ein ander verbunden. An jede der beiden Verbindungsleitungen 36 und 37 ist je
ein Relais 38 und 39 angeschlossen, dessen zweites Wicklungsende am Minuspol der
Gleichstromquelle liegt.
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Wie leicht zu erkennen, sind beide Relais stromlos wenn die Mittelfedern
der Umschaltkontakte in der Nullage liegen. Sie werden beide betätigt, wenn die
Mittelfedern beider Umschaltkontakte beide nach links oder nach rechts liegen. Die
zu den Relais 38 und 39 zugehörigen Umschaltkontakte 38I und 391 bleiben also in
diesen beiden Fällen in Ruhe oder werden gleichzeitig umgelegt. Der über den Schutzwiderstand
40 und die beiden Kontakte 381 und 391 an eine Gleichstromquelle gelegte Anker 41
des Nachdreh motors 43 ist dann abgeschaltet und kurzgeschlossen, wird also kräftig
in seiner augenblicklichen Lage gebremst, da das Feld 42 des Motors dauernd erregt
ist.
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Wird jedoch nur einer der Umschaltkontakte 32 und 35 aus der Nullage
nach links oder rechts umgelegt oder wird der Kontakt 32 nach links, der Kontakt
35 gleichzeitig nach rechts oder umgekehrt umgelegt, so wird nur eines der beiden
Relais 38 und 39 eingeschaltet. In diesem Falle wird also nur der Kontakt 38I oder
der Kontakt 391 betätigt, während der andere Kontakt in Ruhe bleibt. Der Anker 41
des Nachdrehmotors erhält dann entweder in der einen oder in der anderen Richtung
Strom und läuft dann also entweder in der einen oder anderen Richtung.
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Dabei dreht er über das Getriebe 44 die Schleifbahn des Potentiometers
I so lange in richtiger Richtung, bis die Nullpunkte der Potentiometer I und 6 wieder
relativ zueinander in korrespondierender Lage sind.
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Dieser Vorgang spielt sich allerdings unter Umständen nicht in einem
Zuge ab, weil ja während der zu messenden Schwingungen die Schleifer der Potentiometer
selbst in Bewegung sind, d. h. es braucht nicht beim ersten Spiel des Motors 43
sofort eine voll-
ständige Korrektur erreicht zu werden. Nach einigen
Perioden wird jedoch die Korrektur vollständig sein.
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Wie schon oben erwähnt, ist eine Kontaktsteuerung verhältnismäßig
ungenau und wird nicht in allen Fällen den zu stellenden Ansprüchen genügen. In
solchen Fällen muß eine genauer wirkende Steuerung, z. B. mittels Brückendrehmeldern
und Wendemotoren, also Steuerungen, die schon vor längerer Zeit vorgeschlagen wurden,
verwendet werden Mit derartigen Steuerungen lassen sich Genauigkeiten bis zu I Bogenminute
erzielen.
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PATENTANSPROCHE: 1. Verfahren zur kontinuierlichen Messung der Frequenz
langsamer sinusförmiger Schwingungen eines Körpers, insbesondere von Pendelbewegungen,
dadurch gekennzeichnet,- daß in jedem Zeitpunkt die Beschleunigungen bzw. Verzögerungen
und die jeweils zurückgelegten Wege eines in genügendem Abstand von der Schwingungsachse
befindlichen Punktes auf dem schwingenden Körper gemessen und in elektrische Werte
umgewandelt werden, deren Verhältnis in an sich bekannter Weise von einem Quotientenmeßwerk
angezeigt wird.