Verfahren und Einrichtung zum Anzeigen physikalischer Grössen, wie Drücke, Bewegungen usw. auf elektrischem Wege. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Anzei gen physikalischer Grössen, wie Drücke, Be wegungen, usw. auf elektrischem Wege.
Das Anzeigen kann durch, eine Anzeigevorrich- tung von der Art gegeben werden, in welcher Spannungsänderungen in Bewegungen eines sichtbaren Anzeigemittels umgeformt wer den, oder von der Art, in. welcher Stromände rungen die Bewegungen des Anzeigemittels bewirken.
Die Anzeigevorrichtung kann bei spielsweise eine Kathodenstrahlröhre sein, wobei gewissen Ablenkungsplatten eine zeit lich veränderliche Spannung und andern Ab- lenkungsplatten diejenige Spannung ange legt wird, deren Verhalten sichtbar gemacht werden soll.
Der Leuchtschirm dieser Röhre zeigt .dann ein Bild von der zeitlichen Ände- rung der darzustellenden Spannung. Wenn solche Einrichtungen zum Anzeigen anderer Grössen, beispielsweisedes Druckes in einem Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine, verwendet werden sollen,
so werden Üblicher weise die Druckänderungen in dazu -direkt proportionale elektrische Ändemungen umge formt, und zwar durch eine zweckmässige Vorrichtung,
die im grossen und ganzen einem in den Zylinder eingesetzten Mikro- phon gleicht und deren elektrische Änderun- gen dann den Elektroden der Kathodenstrahl- röhre angelegt werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren zum Anzeigen physikalischer Grössen, ist dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von den zu messenden Grössen:
elektrische Ände rungen meinem Stromkreis hervorgerufen werden, deren Verlauf entweder der zeit lichen Ableitung oder ,dem zeitlichen Inte gral jener Grössen entspricht, wobei,die elek- trischen Änderungen mittelst Integrationts- bezw. Differentiationsstromkreise umgeformt und zur Betätigung eines Anzeigevorrich tung benutzt werden.
Zum besseren Verständnis. der Erfindung soll sie anhand eines bestimmten Beispiels .beschrieben werden, nämlich für den Fall, dass,
Zylinderdrücke einer Verbrennungs- kraftmaschine auf dem Leuchtschirm einer Kathodenstrahlröhre anzuzeigen sind. Bei einer bekannten Einrichtung wird ein piezo- elektrischer Kristall in den Zylinder ge bracht, der dann elektrische Änderungen be wirkt, welche den Zylinderdrücken direkt proportional sind.
Bei der Untersuchung von Zylinderdrücken wird jedoch oft gewünscht, dass :der Leuchtschirm der Kathodenstrahl- röhre ein Bild gebe, aus dem das Mass, der Druckänderung in jedem Augenblick eines vollstämdigen Arbeitsganges entnommen wer den kann.
Das, erfindungsgemässe Verfahren erlaubt dies auch bei Verwendung eines piezoelektrisohen Kristad:les. Dabei werden die elektrischen Änderungen, die der Kristall erzeugt, in andere Änderungen.
umgewandelt, und zwar solche, die die zeitlichen Ableitun- gen der ursprünglichen Änderungen sind und hierauf den Elektroden der Kathodenstrahl- röhre zugeführt werden.
Es ist auch bekannt, dass ein zweckmässig, beispielsweise in Zünd- kerzenform ausgebildetes Mikrophon mit einer Membrane aus magnetisierbarem Me tall, :
die durch ihre Schwingungen eine Span nung in einem angeschlossenen Stromkreis erzeugt, am Zylinder der Verbrennungs- maschine angebracht werden kann, und wenn diese Spannungen den Elektroden einer Kathodenstrahlröhre angelegt werden, wird ein Bild erhalten, das das Mass der Zylinder druckänderung für jeden Augenblick zeigt.
Die durch ein solches Mikrophon erzeugten elektrischen Änderungen können in andere elektrische Änderungen umgewandelt wer den, die der Integrationsform der urspräng- lichen Änderungen entsprechen und die den Elektroden der Kathodenstrahlröhre zuge führt werden.
Wie ersichtlich, werden nach dem Ver- fahren der Erfindung elektrische Zustands ., änderungen, bevor sie .der Anzeigevorrich tung zugeführt werden, in andere Zustands änderungen umgeformt, und zwar entweder so, dass ihre Form dem zeitlichen Integral oder der zeitlichen Ableitung der ursprüng lichen Änderungen entspricht.
Die erfindungsgemässe Einrichtung zur Ausübung des erfindungsgemässen Verfah rens ist gekennzeichnet durch eine Vorrich tung, welche auf die zu messenden physi kalischen Grössen anspricht und diesen ent sprechende Spannungsänderungen erzeugt und an die Eingangsklemmen eines Integrations- oder Differentiationsstromkreises angeschlos sen ist, und durch Mittel, um von der Aus .
gangsseite des Stromkreises nach dessen Ein gangsseite eine Kompensationsspannung zu liefern, welche eine solche Phasenbeziehung und eine solche Amplitude aufweist, dass an den Ausgangsklemmen elektrische Änderun gen abgegeben werden, deren Wellenform praktisch ein getreues zeitliches Integral bezw. Ableitung der Wellenform der gelie ferten Spannungen ist.
Die Erfindung ist nachstehend anhand von beispielsweisen Ausführungsformen, -die in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, ausführlich beschrieben. In der Zeich nung zeigt die Fig. 1 einen Integrationsstromkreis, Fig. 2 das Schaltbild einer Ausführungs form der Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, Fig. 3 einen etwas abgeänderten Integra- tionsstromkreis, der an Stelle desjenigen .der Fig. 2 benutzt werden kann,
und die Fig. 4 und 5 zeigen Differentiationsstrom- kreise, die an Stelle des Integrationsstrom.- kreises der Fig. 1 gebraucht werden können.
In sämtlichen Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Überweisungszeichen versehen. Bekanntlich ist die Druckänderungsge- schwindigkeit oder die Lagenä.nderungsge- schwindigkeit eines Körpers, beispielsweise einer Membrane oder eines Kristalles oder sonst eines Elementes proportional der von einer Vorrichtung, beispielsweise des oben erwähnten Mikrophons, gelieferten Spannung, und lässt sich mathematisch wie folgt aus drücken:
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worin P der Druck bezw. die Verschiebung dieses Elementes zu irgend einer Zeit<I>t, v</I> die Spannung und<B><I>IG</I></B> eine Konstante ist.
Der Druck bezw. die Verschiebung zu irgend einer Zeit t ist dann durch die Glei chung
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gegeben, worin k1 eine willkürliche Konstante ist.
Die von dieser zweiten Gleichung gefor derte Integration lässt sich theoretisch an einer Wellenform mit einer mit der Zeit än dernden Spannung v durchführen, indem die Spannung <I>v</I> den Eingangsklemmen<B>A</B> und<I>B</I> eines einen Widerstand B1 und einen Kon densator Cl umfassenden Vierpols (Fix. 1) zugeführt wird. Wenn die Spannung c an den Klemmen von C1 verglichen mit v zu jeder Zeit vernachlässigt werden kann, dann ist die Spannungsdifferenz an den Klemmen des Widerstandes R1 ebenfalls gleich v.
Im Widerstand B1 fliesst daher ein Strom und dieser ist in jedem Augenblick
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Wenn den Ausgangsklemmen C und D kein Strom entnommen wird, so ist die Span nung c in jedem Augenblick gleich
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Das heisst die Spannung c ist der inte grierte Wert der Spannung v und wie ver langt, proportional P.
Praktisch ist es jedoch unzweckmässig, die Werte Cl und R,_ .so zu bemessen, .dass der Wert von c immer so klein ausfällt, dass er gegenüber v vernachlässigbar ist. Dies des halb, weil gerade der Wert von c registriert oder zur Betätigung eines Oszillographen benützt werden muss, so dass die obige Bedin gung einer Herabsetzung der Empfindlich- keit auf einen unzulässig kleinen Wert gleichkommt.
Damit .die Integrationsvorrichtung ver wendbar sei, muss die maximale Spannung an den Klemmen des Kondensators C,_ einen Wert besitzen, der einem verhältnismässig grossen Bruchteil der Spannung v ,gleich kommt, beispielsweise 10% des maximalen Wertes. In diesem Falle ist .die -Spannung, die einen Stromfluss durch .den Widerstand R1 nach dem Kondensator Cl bewirkt, nicht mehr genau gleich v und c ergibt somit kein getreues Integral von v.
Die Fig. 1 zeigt also -das Beispiel eines in der nachstehenden Beschreibung als Ele mentar - Integrationsstromkreis bezeichneten Stromkreises. Er gibt eine getreue Integra tion nur bei Verhältnissen, die sich im prak tischen Betrieb nur sehr schwierig oder über haupt nicht erreichen lassen.
Beispielsweise wird bei Verwendung des Stromkreises .der Fig. 1, die Spannung, die an den Klemmen einer mit einer durch den Druck im Innern eines Zylinders eines Die selmotors beeinflussten Membrane zusammen wirkenden Elektromagnetspule erzeugt wird, während einem Kreisprozess unmittelbar nach der obern'Totlage auf einen positiven Scheitel wert ansteigen, um ziemlich rasch durch Null hindurch nach einem negativen Scheitelwert,
der zahlenmässig niedriger ist als der positive Scheitelwert, zu fallen, und allmählich nach Null zurückzukehren. Würde diese Span nung dem oben beschriebenen Elementar- Integrationsstromkreis zugeführt, so würde die Ausgangsspannung mit dem verwende ten Stromkreis von Null aus auf einen nied rigeren Maximalwert ansteigen als,dem gröss ten Druck entsprechen würde und anstatt am Ende des Kreisprozesses nach Null zurück zukehren, auf irgend einen unter Null liegen den Wert fallen und damit einen kleineren Druck als .den Atmosphärendruck anzeigen.
Die Fig. 2 zeigt einen Stromkreis, bei welchem die oben erwähnte Schwierigkeit überwunden oder doch .zum grössten Teil be seitigt ist, so dass eine im wesentlichen ge naue Integration erhalten wird, In der Fig. 2 ist die Spule 5 oder eine andere (quelle, deren Spannung zu integrie ren ist, an die Ausgangsklemmen X und Y angeschlossen, und die Klemme X ist mit dem Gitter einer Triode _F1 verbunden.
Die Anode :dieser Röhre ist über einen Wider stand 1 mit einer Spannungsquelle und über einen Kondensator 2 mit der Eingangs klemme eines Elementar-Integrationsstrom- kreises von der in der Fig. 1 .dargestellten Art verbunden. Zwischen die beiden Ein gangsklemmen<I>A</I> und<I>B</I> ist ein Widerstand 3 geschaltet. Die Klemme D, die mit der Klemme B verbunden ist, ist über eine Vor spannungsquelle 4 mit Erde verbunden.
Die Klemme C ist an das Gitter :einer zweiten Röhre V2 angeschlossen, deren Ka thode mit der Kathode der Röhre Y1 ver bunden und geerdet ist. Die Anode der Röhre V= ist über einen Widerstand 6 mit einer Spannungsquelle und über einen Konden- sator 7 und zwei Widerstände R= und<B>9</B> mit Erde verbunden.
Zwischen den Wider stand R3 und Erde kann eine Vorspannungs- quelle eingeschaltet werden, falls eine solche für eine nachfolgende Verstärkungsstufe er forderlich ist.
Der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen Rz und R3 ist über einen Kon- densator C, mit der Eingangsklemme Y ver bunden.
Auf diese Weise wird ein Teil der Ausgangsspannung an den Widerständen R.2 und R3, nämlich jene an den Klemmen des Widerstandes P3 über :den Kondensator Cl dem Gitter der ersten Röhre zugeführt. Der Betrag der Rückkopplungsenergie kann durch Änderung der relativen Werte von R2 und R3 eingestellt werden. Zu diesem Zweck kann R3 und ein Teil von R.; als einstell barer Spannungsteiler ausgeführt sein.
Es ist ersichtlich, dass die Rückkopplungsspan nung in Reihe zur Spannung der Spule 5 :dem Gitterstromkreis der Röhre V1 zugeführt wird.
Obschon mit dem oben beschriebenen Stromkreis zufriedenstellen.de Ergebnisse er zielt werden können, so ist doch eine Nei gung des Verstärkers zur Instabilität vor- handen, sobald die Rückkopplung auf einen Wert eingestellt wird, bei welchem sich eine vollständige Kompensation der Ungenauig keit des Elementar-Integrationsstromkreises ergeben würde. Um dies zu verhindern, ist ein Widerstand R4 in Reihe mit einer einge schalteten Vorspannungsquelle 8 zwischen die Klemme Y und Erde eingeschaltet.
Der Kondensator C. und :der Widerstand R4 wir ken zusammen wie ein hochfrequenzdurch- lässiger Filterabschnitt. Somit ist die Impe danz von C2 für hohe Frequenzen, verglichen zum Widerstand R4, niedrig, so dass die Widerstände R4 und R3 als parallelgeschaltet zu betrachten sind, während bei sehr nied rigen Frequenzen die Impedanz von C2 ge genüber :dem Widerstand R4 sehr hoch aus fällt, so :
dass sehr niedrige Frequenzen eine grosse Dämpfung erfahren, und natürlich auch eine Phasenverschiebung von<B>-90'.</B> Da der Elementar-Integrationsstromkreis eine grössere Dämpfung der höheren Frequenzen bewirkt, kann die ganze Einrichtung auf :diese Weise stabil gemacht werden.
Es ist ersichtlich, dass, da :die Klemmen C und D in den Gitterstromkreis der zweiten Röhre eingeschaltet sind, diesen Klemmen praktisch kein Strom entzogen wird. Die Richtung der oben beschriebenen Spannungs rückkopplung ist so, dass sie zu der zu inte grierenden Spannung v, die den Klemmen X und Y zugeführt wird, hinzu zu zählen ist, so dass in jedem Augenblick :die :dem Gitter der ersten Röhre zugeführte Spannung gleich der algebraischen Summe der der Spule 5 entnommenen Spannung und der Spannung aus :den Klemmen des Widerstan des R3 ist.
Durch zweckmässige Wahl des der ge samten Ausgangsspannung entnommenen Teils, der auf diese Weise rückgekoppelt wird, kann die zwischen den Klemmen A und B :des Integrationsstromkreises vorhan dene Potentialdifferenz in jedem Augenblick gleich der algebraischen Summe der von der Spule 5 nach<I>A</I> und<I>B</I> zugeführten Span nung und der :dieser entsprechenden integrier ten Spannung gemacht werden. Das heisst, die Spannung an ,den Klemmen<I>A</I> und<I>B</I> ist zu jeder Zeit um,die Potentialdifferenz c an den Klemmen des Kondensators C, erhöht, so dass die Wirkung dieser Potentialdiffe renz c beseitigt ist.
Ausserdem sind auch eine Anzahl sekun därer Effekte als Folge von Unvollkommen- heiten gewisser Bauteile vorhanden, die sich analog auswirken wie die Spannung c auf die integrierte Spannung. Beispielsweise kann der Kondensator C, einen nachteiligen Ein fluss haben, falls er nicht von guter Qualität ist.
Doch selbst wenn der Kondensator gut ist, und beispielsweise ein Mikadielektrikum besitzt, können geringe Unvollkommenheiten des Kondensators eine nachteilige Wirkung auf die integrierte Spannung ausüben. Wenn ferner der Kopplungskondensator zwi schen der Anode der ersten Röhre und der Klemme A ein Papierdielektrikum besitzt und wenn der Widerstand zwischen den Klemmen<I>A</I> und<I>B</I> einen zu niedrigen Wert hat, kann ebenfalls eine Verzerrung,der inte grierten Spannung vorkommen. Solche Ver zerrungen können wenigstens zum grossen Teil durch passende Wahl der Spannungs rückkopplung korrigiert werden.
Bei einer Ausführung des oben beschrie benen Stromkreises, in welchem Röhren mit einem effektiven Verstärkungsfaktor 20 ver wendet werden, sind die folgenden Bauteil werte als passend befunden worden: Für .den Kondensator C, 0,1 Mikrofarad, für die Widerstände R, und R2 1 Megohm, für R3 2500 Ohm und für R4 10000 Ohm. Der Rückkopplungskondensator C2 kann eine Kapazität von 25 Mikrofarad und der Wi derstand zwischen den Klemmen<I>A</I> und<I>B</I> 5 Megohm besitzen.
Die in der oben beschriebenen Weise von den Widerständen BZ und R3 erhaltene Span nung ist dann proportional zum Druck oder zur Verschiebung der Membrane oder des Kristallee, wenn die Eingangsspannung pro portional zur Anderungsgeschwindigkeit des Druckes oder zur Geschwindigkeit der Mem brane oder .des Kristallee ist. Natürlich kann die<B>\so</B> erhaltene Spannung mittelst eines zweiten dem beschriebenen ähnlichen Strom kreis einer zweiten Integrationsstufe unter worfen werden.
Im speziellen Falle der Mes sung eines Zylinderdruckes würde die resul tierende Spannung dem mittleren indizierten Kolbendruck entsprechen. Um bei Verwen dung einer Kathodenstrahlröhre den richti gen Ausgangspunkt für die Zeit in bezug auf die Kolbenverschiebung zu erhalten, kann irgend ein bekanntes, passendes Mittel mechanischer oder elektrischer Art verwen det werden, um den zweiten Integrations stromkreis kurzzuschliessen,
sobald das Dia gramm des unter Prüfung stehenden Kreis- prozesses vervollständigt ist und .die Richtung der den Eingangsklemmen des Integrations- stromkreises zugeführten Spannungen genau in der obern Totlage des Kolbens umkehrt.
Ferner können im Falle, wo eine einzige Integrationsstufe verwendet wird, um aus einer dem Zylinderdruck proportionalen Spannung, die beispielsweise ,durch einen piezoelektrischen Kristall hervorgebracht wird, eine Spannung zu erhalten, die dem mittleren indizierten Kolbendruck proportio nal ist, mechanische oder elektrische Mittel zur Ableitung oder zum Vernichten der La dung des Kondensators C, zwischen aufein- anderfolgenden Kreisprozessen oder in sonst gewünschten Zeitabschnitten betätigt.
An Stelle .des in der Fig. 2 gezeigten Elementar-Integrationsstromkreises kann zwi schen den Klemmen<I>A, B</I> und C, D der elek trisch gleichwertige Stromkreis der Fig. 3 verwendet werden, in welchem der Wider stand R, durch eine Induktanz L, und der Kondensator C, ,durch einen Widerstand R5 ersetzt ist. Es können aber auch andere kompliziertere Integrationsstromkreise ver wendet werden.
Wenn das Aufnahmeorgan im Zylinder solcher Art ist, dass es eine zeitliche Ablei tung der Wellenform der ursprünglichen elektrischen Änderungen erfordert, kann der Elementar-Integrationsstromkreis der Fig. 2 entweder durch .den Elementar-Differentia- tionstromkreis der Fig. 4 oder durch den der Fig. 5 ersetzt werden.
Der Stromkreis der Fig. 4 umfasst einen Reihenwiderstand R" und eine Nebenschlussinduktanz L2, während derjenige .der Fig. 5 einen Reihenkonden sator C3 und einen Nebenschlusswiderstand R., umfasst.
Im Falle der Verwendung des Stromkreises der Fig.4 im Stromkreis .der Fig. 2 ,dient die Rückkopplung durch den Kondensator C@ zur Kompensierung der Spannung c an .den Klemmen der In.duktanz L2. In diesem Falle ist ,der durch die an die Klemmen<I>A</I> und<I>B</I> angelegte Spannung<I>v</I> bewirkte Strom im Widerstand R, gleich
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Unter der Annahme, dass den Klem men C, D kein Strom entnommen wird,
ist die Spannung c an den Klemmen der In duktanz Lz gleich L2 di oder gleich
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so dass die Ausgangsspannung eine getreue zeitliche Ableitung der Eingangsspannung darstellt.
Um den Differentiationsstromkreis zu stabilisieren, kann in Fig. 2 zwischen den Kondensator C2 und .die obere Klemme des Widerstandes R4 eine Induktanz in Reihe geschaltet werden. Der Kondensator C<B>2</B> er hält eine grosse Kapazität, so dass seine Impedanz vernachlässigt werden kann. So ist tatsächlich der Kondensator C, im Falle des Differentiationsstromkreises durch eine Induktanz ersetzt.
Die Dämpfung der höhe ren Frequenzen im Rückkopplungskreis ist bedeutend grösser als jene für niedrige Fre quenzen, und im Elementar-Differentiations- stromkreis ist die Dämpfung der niedrigeren Frequenzen bedeutend grösser als jene für die hohen Frequenzen. Die Einrichtung kann so mit stabilisiert werden.
Die Möglichkeit, dass eine störende Resonanz zwischen dem Kon densator und der Induktanz des Rückkopp lungsstromkreises auftritt, kann dadurch vermieden werden, .dass der Kondensator ge nügend gross gemacht wird, um eine sehr niedrige Resonanzfrequenz zu ergeben.
Im oben gegebenen Beispiel für passende Bauteilwerte kann der Kondensator C, des Integrationsstromkreises durch eine Induk- tanz L; von 2,00 Henrys ersetzt werden, deren Widerstand ungefähr 1000 Ohm nicht übersteigen sollte.
Es ist klar, dass die Erfindung auch für andere Zwecke als zum Sichtbarmachen von Zylinderdrücken verwendet werden kann. Beispielsweise kann sie zur sichtbaren Dar stellung des Druckes in Brennstoffleitungen auch zur Messung der tatsächlichen Bewe gung eines bewegten Teils, beispielsweise des Einspritzventils verwendet werden, wo bei dieser Teil oder eine auf das Ventil auf gesetzte Aufnahmevorrichtung in ähnlicher Weise wie .das vorangehend beschriebene Mikrophon wirkt.
Sie kann ferner zur Prüfung der relati ven Verschiebung von zwei Körpern, durch Erschütterung oder andere Ursachen; zum Anzeigen von Änderungen der Dicke von sich bewegenden Teilen, beispielsweise Tex tilfäden oder Metalldrähten und für viele weitere Zwecke verwendet werden. Ganz all gemein lässt sich die Erfindung überall dort anwenden, wo elektrische Änderungen her vorgebracht werden können, deren Wellen form dem Integral oder Differential der Wellenform der ursprünglichen Änderungen ist.
Ferner kann die erhaltene integrierte Spannung in irgend einer gewünschten Art, zum Beispiel zur Erzeugung eines Diagram mes oder einer Aufnahme auf einer licht empfindlichen Schicht benützt werden. Für viele Zwecke ist ein Kathodenstrahloszillo- graph ein geeignetes Mittel dazu.