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Fernmeßeinrichtung zur oszillographischen Aufnahme bzw. Registrierung
von elektrischen oder mechanischen Vorgängen Die Erfindung betrifft eine Fernmeßeinrichtung
zur Aufnahme bzw. Registrierung von elektrischen oder mechanischen Vorgängen: Bei
solchen bekannten Einrichtungen werden z_ B. diesen Vorgängen entsprechende Änderungen
einer Impedanz zur Modulation eines Hochfrequenzerzeugers benutzt.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform einer Vorrichtung
dieser Art bildet die veränderliche Impedanz einen Teil einer Brücke, deren eine
Diagonale an den Hochfrequenzgenerator angeschlossen ist und über deren andere Diagonale
die modulierten Hochfrequenzschwingungen abgenommen werden. Diese werden nach einer
oder mehreren Verstärkerstufen einem Gleichrichter zugeführt. Die gleichgerichteten
Ströme beeinflussen schließlich die Meß- oder Oszillographeneinrichtung. Die veränderliche
Impedanz, zweckmäßig eine Kapazität, wird erfindungsgemäß an die Stelle gebracht,
an der die zu beobachtenden Vorgänge stattfinden (im folgenden die »Aufnahmestelle«
genannt) und über eine Anschlußleitung mit der Meßstelle, welche den Hochfrequenzgenerator
und die Brücke enthält, verbunden.
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Zwei miteinander in zeitlichem Zusammenhang stehende Vorgänge können
auf diese Weise miteinander verglichen werden. So kann mit der
beschriebenen
Vorrichtung das Indikatordiagramm einer Kraftmaschine aufgenommen werden. Die Kolbenbewegung
und die Druckänderungen im Zylinder sind dabei die miteinander zu vergleichenden
Vorgänge. In diesem Fall kann eine unter dem Einfluß der Druckänderungen variierende
Kapazität die Ordinate und eine unter dem Einfluß der Kolbenbewegung sich periodisch
ändernde Kapazität die Abszisse eines Diagramms erzeugen. Die veränderliche Kapazität
kann in-der Regel nur ganz klein sein. Die Brückenschaltung macht das Arbeiten mit
äußerst kleinem Kondensator möglich. Ein Nachteil der Vorrichtung ist aber, daß
die Zuführungsleitungen eine verhältnismäßig große schädliche Kapazität besitzen,
die außerdem nicht immer dieselbe ist. Diese vermindert die Empfindlichkeit des
Gerätes und die Zuverlässigkeit der Ablesungen am Meßinstrument.
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Die Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe, wie bei Anordnungen obiger
Art, wobei nur eine Impedanz von der zu übertragenden Größe gesteuert wird, die
Anordnung derart einzurichten, daß erstens eine größtmögliche Änderung des Meßstromes
erzielt wird und daß zweitens die zwischen Aufnahme- und Meßstelle vorhandenen Leitungen
die Messung nicht störend beeinflussen.
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Erfindungsgemäß wird dazu die Brücke als eine Einheit ausgebildet,
so daß die veränderliche Impedanz nicht räumlich von den übrigen Teilen der Brücke
getrennt ist. Die Trennung zwischen den an der Aufnahmesteile befindlichen Teilen
und der Meßstelle liegt nunmehr zwischen Brücke und Hochfrequenzgenerator. Die veränderliche
Impedanz kann durch ganz kurze Leitungen mit der Brücke verbunden sein. Zwischen
der Brücke und der Meßstelle kann eine beliebig lange Stromzuführungsleitung vorgesehen
sein. Diese Stromzuführungsleitung wird vorzugsweise als Doppelleiter für die durch
sie zu übertragende Hochfrequenzschwingung ausgeführt und. ist zweckmäßig mit dem
Hochfrequenzgenerator oder mit der Meßbrücke oder mit beiden induktiv gekoppelt.
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Zweckmäßig wird für die beiden Koordinaten eines zu erzeugenden Diagramms
eine von einem gemeinsamen Hochfrequenzgenerator gespeiste Brücke vorgesehen und
jede Brücke für sich als Einheit ausgeführt. Die Vorrichtung ist dann auch hinsichtlich
der von der Zeit bestimmten elektrischen Größe unabhängig von der störenden Kapazität
der Verbindungsleitungen.
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Die Erfindung wird an Hand einer Zeichnung näher erläutert. In der
Fig. i ist das vereinfachte Schaltschema eines Ausführungsbeispieles einer Vorrichtung
nach der Erfindung dargestellt, in der Fig.2 schematisch eine Möglichkeit für die
Einrichtung der Meßbrücke.
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Die Vorrichtung besteht in der Hauptsache aus den folgenden Teilen:
Hochfrequenzgenerätor i, zwei Meßbrücken 2 und 3, Verstärkergruppen 4 und 5, Braunsche
Röhre 6 und die erforderlichen Speisegeräte für Anodenspannung, Gittervorspanneng
und Heizstrom, die in der Zeichnung nicht angegeben sind.
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Der Hochfrequenzgenerator enthält eine Dreipolröhre 7 und einen aus
der Spule 8 und dem Kondensator g bestehenden Schwingungskreis. Die Kathode io der
Röhre ist über einen Kondensator i i mit einem Punkt der Spule 8 verbunden, an dem
auch der Leiter 12, durch den die Anodenspannung zugeführt wird, angeschlossen ist.
Das Steuergitter 13 ist über einen Kondensator 14 mit dem einen, die Anode 15 mit
dem anderen Ende der Spule 8 verbunden. Zur Bestimmung des mittleren Gitterpotentials
dient der Widerstand 16, der das Gitter 13 mit der Kathode verbindet.
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Mit der Spule 8 sind die Spulen 17 und i8 induktiv gekoppelt. Die
in diesen Spulen induzierten Hochfrequenzströme werden nach den Meßbrücken z und
3 geleitet und hier ebenfalls durch Hochfrequenztransformatoren, ig, ao und 21,
22 übertragen.
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Die Meßbrücke 2 enthält zwei feste Kondensatoren--3 und 24. Diese
bilden zwei anliegende Seiten des Brückenviereckes und sind in Reihe an die Speisewicklung
2o angeschlossen. Parallel zu ihnen liegen die Kondensatoren 25 und 26, deren Verbindungsleiter
ein festes Potential, zweckmäßig Erdpotential, besitzt. Der Kondensator 25 bildet
die von den aufzunehmenden oder zu registrierenden Vorgängen zu beeinflussende Impedanz.
Der Kondensator 26 kann zur Einstellung des Arbeitspunktes der Brücke geregelt werden.
Im Ruhezustand fließt durch den mittels einer auf festem Potential befindlichen
Hülle 27 elektrostatisch abgeschirmten Leiter 28 ein je nach der Einstellung des
Kondensators 25 größerer oder kleinerer Hochfrequenzstrom zum Verstärker 4.
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Wird durch die zu untersuchenden Vorgänge, beispielsweise die Explosionen
eines Verbrennungsmotors oder die Erschütterungen in einem Bauwerk, die Kapazität
des Kondensators 25 variiert, so wird hierdurch der Höchfrequenzstrom im Leiter
28 moduliert. Die modulierte Schwingung wird in der Verstärkergruppe 4 in einer
oder mehreren Stufen verstärkt und gleichgerichtet. Der pulsierende Gleichstrom
fließt durch den Widerstand :29, mit dem das Ablenkplgttenpaar 3o der Braunschen
Röhre 6 verbunden ist.
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An das andere Plattenpaar 31 kann eine beliebige Kippspannung angelegt
werden. Es kann ihm auch eine mit dem zu untersuchenden Vorgang synchron laufende
Wechselspannung aufgedrückt werden. Eine Schaltung für den letzteren. Fall ist in
der Zeichnung angegeben,. Eine aus den festen Kondensatoren 32 und 33 und den veränderlichen
Kondensatoren 34 und 35 bestehende Meßbrücke 3 ist hierzu vorgesehen. Sie arbeitet
genau so wie die Brücke 2. Der Kondensator 34 wird z. B. durch die Drehachse einer
Kraftmaschine derart gesteuert, daß seine Kapazität sich zwischen zwei bestimmten
Werten sinusförmig mit der Zeit ändert. Die Amplitude der
zwischen
dem von einer elektrostatischen Abschirmung 36 versehenen Leiter 37 und der Erde
herrschenden Hochfrequenzspannung erhält dadurch eine sinusförmige Schwankung.
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Von der Verstärker- und Gleichrichtervorrichtung 5 fließt durch den
Widerstand 38 ein pulsierender Gleichstrom, und dem symmetrisch geschalteten Ablenkplattenpaar
31 wird über die Kondensatoren 39 und 4o eine Wechselspannung zugeführt, die, falls
kein Spannungsunterschied an dem Plattenpaar 30 liegt, den Lichtfleck auf dem Fluoreszenzschirm
der Bräunschen Röhre im Takt der zu untersuchenden Kraftmaschine hin- und herbewegt.
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Der Spannungsunterschied auf dem Plattenpaar 30 liefert die als Funktion
der Kolbenbewegung der Kraftmaschine aufzunehmende Koordinate, beispielsweise den
Druck im Zylinder. So entsteht auf dem Leuchtschirm der Braunschen Röhre 6 das gewünschte
Diagramm, z. B. Indikatordiagramm der Kraftmaschine.
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Erfindungsgemäß sind an der Aufnahmestelle (bei der Aufnahme eines
Indikatordiagramms, also an der Kraftmaschine) nicht nur der veränderliche Kondensator
25, sondern die ganze aus den Kondensatoren 23, 24, 25 und 26 bestehende Brücke
angeordnet. Der Kondensator 25 bildet z. B. das Membransystem einer Druckpatrone,
und der restliche Teil der Brücke mit dem Hochfrequenztranisformator i9, 2ö ist
mit dieser Druckpatrone zu einer Einheit zusammengebaut, die durch Leiter 41 und
42 mit der Generator i verbunden ist.
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Diese Leiter können beliebig lang sein, so daß die Meßstelle weit
von der Aufnahmestelle entfernt, z. B. an einem Bedienungstusch, angeordnet sein
kann. Die Kapazität der Zuführungsleiter mit Bezug auf die Erde oder ihre gegenseitige
Kapazität liegt jetzt nicht mehr parallel zur veränderlichen Kapazität des Kondensators
25, und die prozentuellen Änderungen der Kapazität des Kondensators 25 sind viel
größer, als wenn dieser Kondensator über lange Leitungen mit der an der Meßstelle
befindlichen Brücke verbunden sein würde. Auch kann die Genauigkeit der Aufnahme
nicht mehr durch Änderungen in der Kapazität der Zuführungsleitungen gestört werden.
Dasselbe gilt für die von der Zeit bestimmte Ordinate, wenn auch die für sie bestimmte
Meßbrücke als Ganzes an der Antriebsstelle angeordnet und durch Fernleitungen 43
und 4q_ mit dem Generator verbunden sind.
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Die Leiter 41 und 42 und auch die Leiter 43 und 44 enthalten Kondensatoren
45 und 46 bzw. 47 und 48, deren Impedanz zu jener der Leiter und der Kopplungsspulen
in einem solchen Verhältnis steht, daß ein auf die zu übertragenden Schwingungen
abgestimmtes System erhalten wird. Der Vorteil hiervon ist, daß etwaige harmonische
Schwankungen, die vom Generator i erzeugt werden und die Wirkung der Braunschen
Röhre stören könnten, ferngehalten werden.
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Die Abstimmimpedanzen wird man mit Vorteil klein im Verhältnis zu
der Selbstkapazität der Leiter wählen, damit letztere die Abstimmung möglichst wenig
beeinflußt und die Amplitude der übertragenen Hochfrequenz von zufälligen Änderungen
der Kapazität der Leiter praktisch unabhängig ist.
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D;ie Kondensatoren 26 und 35 sind veränderlich, um den Nullpunkt der
Brücke beliebig einstellen zu können. Ist der Leiter 28 in der Ruhelage stromlos,
so hat die Abweichung an dem Leuchtschirm der Braunschen Röhre immer dieselbe Richtung.
Arbeitet die Brücke nicht im .Nullpunkt, so wird die Amplitude des Hochfrequenzstromes
bei Änderung der Kapazität 25 in dem einen Sinne größer und in dem ander-:@n Sinne
kleiner, so daß die Abweichung auf nem Leuchtschirm nach zwei Richtungen erfolgen
kann. Für die Aufnahme von Druckdiagrammen, die Vakuumteile enthalten, ist dies
erwünscht.
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Dadurch, daß das abgesitimmte System des Doppelleiters ,.i, 42 mit
der Brücke und mit dem Generator induktiv gekoppelt ist, wird erreicht, daß die
Brücke möglichst unabhängig von der Kapazität der Leiter und von der der Generatorteile
gegen Erde arbeitet. Aus demselben Grund wird auch zweckmäßig eine elektrostatische,
auf einem festen Potential befindliche Abschirmung 52 zwischen den Spulen der Hochfrequenztransformatoren
i9, 2o und 2i, 22 angeordnet. Die Schwingungen können somit nur induktiv auf die
Brücke übertragen werden. Eine kapazitive Kopplung, die einen störenden Einfluß
haben und den Übertritt von höheren Harmonischen erleichtern würde, ist durch die
beschriebenen Maßnahmen ganz ausgeschlossen. Der Nullpunkt der Brücke läßt sich
hierdurch schärfer einstellen.
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Es ist auch vorteilhaft, die "Abstimmkapazität des Doppelleiters 41,
42 und 43, 44 nicht in nur einem der Leiter jedes Systems anzuordnen, sondern sie
symmetrisch über die beiden Leiter zu verteilen. Hierdurch wird erreicht, daß der
Strom in den beiden Leitern gleich groß ist und von dem Doppelleiter keine induktive
Wirkung, welche die Genauigkeit der Anzeige des Meßinstrumentes beeinträchtigen
würde, auf die Meßl.eiturng 28 bzw. 37 ausgeübt wird.
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Fig.2 zeigt schematisch die Einrichtung der Druckpatrone für die Aufnahme
von Indikatordiagrammen mit Hilfe der Einrichtung nach der Erfindung. Das offene
Ende 53 der auf das geerdete Gehäuse 54 aufgeschraubten metallenen Hülse 55 wird
an den Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors geschraubt. Die Membran 56 bildet eine
Kondensatorplatte. Diese kann also unter dem Einfluß des Gasdruckes im Zylinder
mit Bezug auf die feste, vom metallenen Gehäuse 54 isolierte Platte 57 bewegt werden.
Die Platten 56 und 57 bilden den in Fig. i mit 25 bezeichneten Kondensator. Die
Nummerierung der restlichen, alle im Gehäuse 54 zusammen mit dem Hochfrequenztransformator
1g, 2o eingeschlossenen Kondensatoren entspricht der Fig. i.
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Die Öffnung 5o in der Wand des Gehäuses 54 dient dazu, mittels eines
Schlüssels oder eines
Schraubenziehers den Nullpunkt der Brücke
2 einzustellen.
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Die drei Leitungen 4i, 42 und 28 sind in einem geerdeten biegsamen
der nach der Meßstelle führt, eingeschlossen. Dasselbe kann mit @-n Leit -,:igen.43,
44 und 37 der Fall sein.