Elektrische Einrichtung zum Bestimmen der oberhalb einer vorgegebenen Grenz- frequenz auftretenden mechanischen Schwingungen eines Objektes mittels eines mit dem letzteren in Berührung zu bringenden elektrostatischen Wandlers. Die Erfindung betrifft eine elektrische Einrichtung zum Bestimmen der oberhalb einer vorgegebenen Grenzfrequenz auftre tenden mechanischen Schwingungen eines Objektes mittels eines mit.
dem letzteren in Iäerührung zu bringenden elektrostatischen Wandlers, von dem eine Elektrode federnd innerhalb des Wandlergehäuses aufgehängtist.
Die erfindungsgemässe Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die genannte federnd aufgehängte Elektrode eine Eigen frequenz hat, die unter .der genannten Grenz frequenz liegt, und zwischen zwei fest im Wandlergehäuse angeordneten Elektroden relativ zu letzteren verschiebbar ist, wobei die drei Elektroden zusammen einen Diffe- 3-(-riti.alkondensator bilden.
Die vorliegende Erfindung verwendet also einen elektrostatischen Wandler im Gegen- satz zu den beiden andern üblichen Arten von elektromechanischen Wandlern, die auf dem Prinzip des Iiohlekornmikrophons bzw. elektromagnetischen Mikrophons beruhen. Der Iiohlekornwandler besitzt die Nachteile, dass er Störungen durch Wetterbedingungen aus gesetzt ist. und dadurch sein physikalisches Verhalten beeinflusst wird, während der elek tromagnetische Wandler den Nachteil besitzt. dass er nie vollständig gegen äussere magne- tiseh.e Felder abgeschirmt werden kann.
Während der elektrostatische Wandler Nach teile aufweist, insbesondere Mängel an Emp- findlichkeit und begrenzteren Frequenz- bereich, können diese in verhältnismässig ein facher Weise behoben werden, indem bei- spielsweise Unempfindlichkeit durch Ver stärkung behoben werden kann und der be grenzte Frequenzbereich den jeweiligen Er fordernissen angepasst werden kann.
Bei der Ausbildung eines elektrostatischen Wandlers sind, um einem bestimmten Fre quenzbereich zu entsprechen und einen mög lichst grossen Frequenzbereich zu erhalten. folgende vier Punkte zu betrachten: a) Die Eigenfrequenz der aufgehängten Elektrode, b) die Eigenfrequenz der Aufhängung, c) die Eigenfrequenz der festen Wandler teile, d) die Dämpfung der beweglichen Elek trode besonders bei ihrer Eigenfrequenz. Was nun die Eigenfrequenz der aufge hängten Elektrode betrifft, so ist diese von der Auslenkung der Aufhängung unter dem Einfluss der Schwerkraft abhängig, welche auf die aufgehängte Elektrode wirkt, wenn diese für lotrechte Schwingbewegungen an geordnet ist.
Diese Auslenkung .steht in direkter Be ziehung mit der Grösse der Luftspalte zwi schen der aufgehängten und den festen Elek troden des Wandlers. Diese Luftspalte ihrer seits haben einen Einfluss auf a) die Empfindlichkeit und b) die Änderung der Empfindlichkeit boi verschiedenen Lagen des Wandlers.
Für allgemeine Zwecke .sollte die Eigen frequenz so klein wie möglich sein, damit ein grösserer Frequenzbereich erhalten wird. Dies würde eine möglichst kleine Federkraft der Aufhängung, d. h. eine möglichst grosse Auslenkung und einen breiten Luftspalt er fordern, während anderseits die Empfindlich keit :des Wandlers einen möglichst kleinen Luftspalt erfordert.
Wenn die Änderung der Empfindlichkeit bei einer Änderung der Lage klein gehalten werden soll, wird ein groBer Luftspalt benötigt. Unter Berücksich tigung dieser Tatsache hat sich nun gezeigt, .dass die beste Anordnung eine sogenannte Gegentaktanordnung ist, d. h.: die aufgehängte Elektrode ist zentral zwischen .den andern beiden festen Elektroden aufgehängt. Diese beiden festen Elektroden, welche im weitem als äussere Elektroden bezeichnet werden, sollten miteinander starr verbunden, jedoch elektrisch voneinander isoliert sein, so dass beide auf verschiedenen Potentialen elek trisch vorgespannt werden können.
Diese Gegentaktanordnung ergibt eine verbes serte Empfindlichkeit und weist auch .die Neigung auf, bei Änderung der Lage des Wandlers Änderungen seiner Empfindlich keit zu vermindern.
Mit Bezug auf .die Dämpfung der auf gehängten Elektrode bei ihrer Eigenfre quenz, ist es empfehlenswert, die Frequenz charakteristik flach zu machen, um eine Re- sonauzspitze zu verhindern. Ein Verfahren, das sich offensichtlich dazu eignet, dies zu erreichen, besteht. .darin, das Aufhängemittel aus Gummi zu machen, welcher als Polster wirkt und die Schwingungen in kurzer Zeit dämpft. Gummi ist jedoch fähig, elektrosta tische Reibungsladungen aufzunehmen, wenn er einem Druck ausgesetzt wird, was eine. elektrostatische Abschirmung der Aufhän gung benötigen würde.
Eine derartige An ordnung ist nicht zufriedenstellend und zu dem wird der Gummi mit der Zeit zerstört. Die Aufhängung der mittleren Elektrode wird deshalb vorzugsweise mit Hilfe von Metallfedern und die Dämpfung mit einer an der mittleren Elektrode angebrachten Vor richtung vorgenommen. Eine geeignete An ordnung besteht in einer an Federn in Luft oder in 01 aufgehängten Masse, und zwar innerhalb der mittleren Elektrode, so dass diese Masse frei schwingen kann und durch Flüssigkeitsreibung Energie vernichten kann.
Für eine wirksame Dämpfung sollte diese Masse mindestens '/G der zu dämpfenden Masse (d. h. der aufgehängten Elektrode) betragen, und ihre Eigenfrequenz sollte an nähernd gleich .derjenigen der zu dämpf enden Elektrode ,sein. Die Luftdämpfung erfordert sehr kleine Zwischenräume, aber mit ver nünftigem Zwischenraum kann eine hinrei- ehende Dämpfung leicht erreicht werden, indem man den Raum, in welehem die Dämp- fungsma:
sse schwingt, mit. einer nicht sehr zähflüssigen Flüssigkeit, wie beispielsweise Transformatorenöl ausfüllt.
Wenn man nun drittens dieEigenfrequenl der Aufhängung betrachtet, und, sich erinnert, dass .der Wandler vorzugsweise in jeder Lage verwendbar sein soll, so erkennt man, dass die mittlere Elektrode des Wandlers vorzug3- weise von ihren beiden Seiten durch zwei sich gegenüberliegende Federsätze aufge hängt sein soll, welche eine kleine Vorspa.n- nung aufweisen, um eine seitliche Stabilität zu ergeben.
Es kann der Fall eintreten, dass der Wandler auf irgendeiner unregelmässig i gekrümmten Oberfläche verwendet erden soll, so dass drei Füsse notwendig sind, und folglich sollte die mittlere Elektrode eine ge eignete Dreipunktaufhängung haben. Diese Überlegungen führen dazu, da,ss wieder me tallische Aufhängefedern vorhanden sein müssen, und zwar drei auf der einen und drei auf der andern Elektrodenseite, so dass jede ein Sechstel des Gewichtes der mittleren Elektrode trägt.
Die mittlere Elektrode wird am besten an ihrem äussern Umfang aufgehängt, 'so dass die Aufhängefedern den gedrängtesten Aufbau aufweisen, wenn sie als Schraubenfedern aus gebildet sind. Die Eigenfrequenz dieser Fe dern, welche den obern Frequenzbereich des Mikrophons begrenzt, sollte so hoch. wie: möt;- lich sein.
Das ideale Verfahren zur Erzielung einer Aufhängung mit einer hohen Eigenfre- quenz würde in Torsionsfedern bestehen, welche über Hebel von. kleinem Gewicht wir ken, um so weit wie möglich die Bewegung der Masse der Federn zu reduzieren.
Wenn Mies nicht angeht, werden vorzugsweise vor- --e spannte Schraubenfedern aus Stahl ver- -Niidet, da das Material von solchen Federn einer Toi-sionsbeanspruchunb ausgesetzt. wird lind bei einem gegebenen Gewicht mehr Ener <U>gie</U> aufspeichern kann, als eine Feder, deren Material einer Biegebeanspruchung unter worfen wird.
Was nun seliliesslich die Eigenfrequenz der äussern festen Elektroden betrifft, so muss diese ausserhalb des Arbeitsfrequenz bereiches -des Wandlers lieben, wenn sie nicht das Arbeiten des Wandlers beeinflussen, soll. Die beiden äussern Elektroden können ent weder Rippen aufweisen oder aus dicken Uetallplatten bestehen, und diese sollten starr miteinander und mit der Grundplatte des Wandlerts verbunden sein.
Es ist ebenso wichtig, dass kein Teil des Wa.ndlerbehäuses eine Resonanzfrequenz innerhalb. des Arbeits frequenzbereiches des Wandlers aufweist, da, jede solche Resonanz die mechanisehe Impe danz des ganzen Gebildes derart erhöht, dass es für dieses schwierig ist, den zu messenden Schwingungen zu folgen.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungs- in 'Wen Einrichtung ist nachstehend an Hand der Zeichnung näher beschrieben.
In der Zeichnung zei=t: die Fig. 1 einen Q=uerschnitt durch eines elektrostatischen Wandler, die Fif--. 2 einen Län@R,ssclinitt durch die niittl.ere EIF,hlrode und die Fit;. 3 den Wandler mit zubeordne- ien Greräten im betriebsbereiten Zustand.
Der in den Fig. 1. und ? dargestellte Wandler entspricht im Prinzip einem vor gespannten Gegentaktkondensatormikrophon, und er dient im vorliegenden Fall für die Schwingungsanalyse eines auf Kugel lagern mit. 3600 "Uni-drehungen pro Minute. d. h. 60 Perioden pro Sekunde laufenden Motorgenerators, welcher einen Zentrifubal- regler aufweist, der auf Schwingungen unter halb von 2000 Hz empfindlich ist.
Wie in der Zeichnun- dargestellt, ist die Grundplatte 1.5 auf ihrer obern Seite mit einer Isolierplatte 16 bedeckt, um -sie von der untern Plattenelektrode 11. der beiden äussern Messinbplattenelektroden zu isolie ren.
Die obere Plattenelektrode 1.0 der beiden äussern Plattenelektroden ist auf der Unter seite eines isolierenden Klemmenblockes 2'0 befestigt. Zwischen dem Klemmenbloek 20 und der Grundplatte 15 erstrecken sich drei 141_essingschrauben 13, welche durch erwei terte Öffnungen in den beiden äussern Plat tenelektroden 14 und 11, ohne diese zu be rühren, hindurchgehen, und welche Distan- zi-erunbshülsen 17 aus isolierendem Material zwischen den beiden äussern Plattenelektro den tragen,
so dass diese beiden Plattenelek troden einen festen Zwischenraum aufweisen. Auf der Unterseite der Grundplatte 15 sind diese Schrauben 13 mit isolierenden Füssen 14 versehen.
Eine zentrale Plattenelektrode 1 liebt praktisch in der Mitte zwischen den beiden äussern Plattenelektroden und ist mit Hilfe von zwei sich gegenüberliegenden Sätzen von je drei Stahlschraubenfedern 9 aufgehängt, welche an drei Lasehen am Umfang der Plat tenelektrode 1 befestigt sind, und welche eine beringe Vorspannunb aufweisen, um eine Stabilität in seitlicher Richtung zu erbeben.
Diese Dreipunktaufhängunb mit drei Fe dern oben und drei unten ist die geeignetste, den Wandler in jeder Lage zu verwenden.
Der elektrostatische Wandler ist in einem entfernbaren Gehäuse 12 aus Flussstahl unter gebracht, wobei die Zuführungen zu den Wandlerelektrodendurch eine Öffnung im Gehäuse hindurchführen, welche duroh eine Lochscheibe 19 aus Isoliermaterial abge deckt ist.
Die Verwendung von Flussstahl für das Gehäuse ist eine zusätzliche Vorsichtsmass nahme gegen den Einfluss von äussern ma- i gnetischun Feldern. Bei näherer Betrachtung der Einzelheiten der mittleren Elektrode erkennt man, dass diese einen innern Dämpfungsmechanismus aufweist, um starke Schwingungen, welche bei Resonanz auftreten können, zu vermin dern. Solche starke Schwingungen treten auf, wenn die zu messenden Schwingungen eine Frequenz aufweisen, die nahe bei der Eigen frequenz der zentralen Plattenelektrode liegt.
Dieser Dämpfungsmechanismus besteht aus einer Masse in der Form von zwei konzentri schen Messingringen 5 und 6, welche starr miteinander verbunden und in einem ölge füllten Hohlraum in der zetralen Elektrode durch die flache Spiralfedern 3 aus Stahl band aufgehängt sind, wobei diese Spiral federn an ihren äussern Enden mit dem innern Ring 5 und an ihren innern Enden mit einem zentralen Zylinder 2 verbunden sind, welcher sich vom Boden des Hohlraumes erhebt. Diese Masse kann nun innerhalb .des Hohl raumes schwingen, und sie ist so bemessen, dass ihre Eigenfrequenz gleich derjenigen der mittleren Elektrode ist.
Die Ölfüllung besteht am besten aus einem ziemlich leichten Öl, wie beispielsweise Transformatorenöl (Dichte ungefähr 0,9 gr/cm3) und füllt ungefähr 90 bis 9,5 % des hohlen Raumes aus, um Wärme ausdehnungen zu ermöglichen. Durch den Umstand, dass .die Masse aus zwei zentrisclL zueinanderliegenden Ringen statt nur aus einem aber schwereren Ring besteht, wird ,der Vorteil erzielt, dass das<B>01</B> ungehinderter zwischen dem obern und untern Teil des Hohlraumes fliessen kann.
Die Eigenfrequenz der mittleren Elektrode liegt unterhalb des untern Endes des zu be wältigenden Frequenzbereiches. Anderseits bedingt eine zu niedrige Eigenfrequenz die Verwendung von weichen Federn, grossen Luftspalten und einen Verlust an Empfind lichkeit. Im beschriebenen Ausführungsbei spiel betrug die Eigenfrequenz ungefähr 25 Hz.
Auf diese Weise wird .die elektrostatische Ladung auf der mittleren Elektrode dauernd in Übereinstimmung mit ihrer Lage bezüg- lich der beschriebenen äussern Plattenelek troden verändert. Der Betrag .der Änderung dieser Ladung erzeugt einen Strom, welcher nach Verstärkung als Mittel dient, um die Amplitude der Schwingung und ihre Zusam mensetzung in bezug auf Grundfrequenzen und Harmonische zu untersuchen. Wenn der Verstärker in Verbindung mit einem geeigne ten Filter und Oszillographen verwendet wird, kann der Wandler dazu verwendet wer den, die Frequenzen und die relativen Grö ssen aller in dem mechanisch schwingenden Objekt vorhandenen Komponenten zumessen.
Da der Wandler auf dem elektrostatischen Prinzip beruht und wenn praktisch in den aufgehängten Teilen kein ferromagnetisches Material vorhanden ist, so wird er praktisch durch äussere magnetische Felder nicht be- einflusst.
Die Leerlaufspannung des Wandlers ist eine E. M. K., welche proportional der Ver schiebung der mittleren Elektrode bezüglich der äussern Elektroden und daher proportio nal der Verschiebung des schwingenden Objektes ist, und zwar über dem grösseren Teil des Arbeitsbereiches des Wandlers unter .der Voraussetzung, ,dass .die mittlere Elek trode bei Frequenzen, welche mehr als zwei- oder dreimal grösser sind als ihre Eigenfre quenz, praktisch unbeweglich bleibt.
Im folgenden wird nun an Hand des in der Fig. 3 dargestellten Schaltschemas be schrieben, wie dieser Wandler verwendet werden kann.
Die Maschine, welche zu den zu messen den mechanischen Schwingungen Anlass gibt, ist mit S bezeichnet, wobei angenommen wird, da die Schwingungen im wesentlichen vertikale Komponenten aufweisen. Der in den Fig. 1 und 2 beschriebene Wandler <B>31</B> steht auf einer flachen obern Oberfläche die ses Objektes S. Die abgeschirmten Drähte von .den äussern Elektroden 10 und 11, die schlussendlieh mit einer Vorspannbatterie B verbunden sind, führen über Widerstands lampen RLl und RL2, welche- lediglich dazu dienen,
die Vorspannbatterie im Falle eines , Kurzschlusses zu schützen, und über Glät- tungskreise B1, Cl und R2, C2, welche dazu dienen, zu verhindern, dass Geräusche oder irgendwelche äussere unerwünschte Frequen zen verstärkt werden.
Nebenschlusswider- stände II3 und 1i'4 dienen a.ls Entla,dewege 1'iix- die Kondensatoren Cl und C2, so dass der Wa-mdler nicht in Folge .der Kondensator ladungen vorgespannt bleibt, wenn .die Vor spannbatterie am Schalter S'6V1. abgeschal- l e t wird.
Der abgeschirmte Draht von der mitt leren Elektrode 1. des Wandlers 3Z wird an Minen Verstärker A geführt, dessen Ausgang über einen Schalter SW3, entweder an ein Bandpassfilter F mit variabler Bandbreite und an eine Pegelmesseinrichtung L oder an einen Oszillographen C mit kreisförmiger Zeitablenl@linie, dem ein Oszillator 02 zuge ordnet ist, führt.
Auf diese Weise kann die @Vellenform mit C beobachtet und qualitativ analysiert oder eine besondere Komponente mit L gemessen werden.
Ein Eichkreis besteht aus einem Oszilla- tor <B>01,</B> einer Dämpfungseinriclitung U < l. und aus einem, Widerstand R5. Es ist zu er- wähnen, dass die Spannung, die dem Ver stärker durch die innere E.
ALK. des Wand- lcrs (-welche von der direkten Kapazität zwi schen den Wandlerelektroden herrührt) zu geführt: wird, der gleichen Dämpfung, infolge der Neben.schlusskapazität usw., unterworfen wird, wie die Eichspannung, welche vom Oszillator Tiber die gleiche Kapazität fliesst.
Mil diesem Stromkreis ergibt die Eich- spannung, welche die gleiche Wirkung wie die Schwingungen hervorruft, ein direktes 31a1 der leicht berechenbaren innern E. M.Ii., Und daher cler.A.niplilude der Schwingungen.
Mit diesem Stromkreis wird wie folgt vorgegangen: Zuerst wird nachgeprüft, ob keine Stör spannung im Stromkreis d. h. im Verstärker oder in den. Anschluss@drähten vorhanden ist, und zwar in der folgenden Art und Weise:
Der Wandler wird auf irgendeinen schwin gungsfreien Untergrund, vorzugsweise auf eine Gt imniunterlage aufgestellt und sämt- liehe Speisestromkreise angeschaltet. Der Os zillograph wird an den Verstärkerausgang angeschlossen und der Verstärkungsgrad so weit erhöht, dass er etwas oberhalb des be nötigten Verstärkungsgrades liegt.
Die Spur auf dem Oszillograph, welehe vorgängig, ohne Vorhandensein einer Eigangsspannung be reits auf die Kreisform eingestellt sein ,soll, darf keine Modulation zeigen, wenn. keine Geräusche oder Interferenzen vorhanden sind, d. h. die Spur muss weiterhin kreisförmig sein. Wenn auf dein Kreis eine nennenswerte Modulation beobachtet wird, beispielsweise infolge von Geräuschen im Verstärker, so ,sollten diese behoben werden, da sie die er haltenen Resultate beeinflussen.
.Wenn der Stromkreis in dieser Weise ge prüft worden ist, wird der Verstärkungsgrad herabgesetzt, und der Wandler fest auf dem Objekt, dessen Schwingungen gemessen wer den: sollen, befestigt. Wenn möglich sollte der Wandler starr mit dem zu untersuchen den Objekt verbunden werden, um zu verhin dern, dass er darauf herumhüpft, wodurch sich falsche Ablesungen ergeben würden, oder wodurch dieser ,sogar vom Objekt herunter fallen könnte.
(Normalerweise ist der Wand icr genügend schwer, so dass keine Neigung zum Herumhüpfen besteht, während bei grö sseren Schwingungen immerhin ein Verschie ben möglich ist.) Die Verstärkung des Ver stärkers wind genügend hinaufgesetzt, um die Wellenform zu untersuchen und die Fre quenz .der Grundschwingung und wenn mög lich irgendwelcher Harmonischen zu bestim men.
Der Verstärkerausgang wird mit .dem Filter und dem Pegelmessgerät verbunden und das Bandpassfilter so eingestellt, dass sein Durchlassband möglichst nahe der zu messen den Frequenz zu liegen kommt (beiepiels- weise der Grundfrequenz). Der Verstärkungs grad wird so eingestellt, dass am Pegelmess.- gerät eine günstige Ablesung erzielt wird, beispielsweise 0.1 Volt), und diese Ablesung wird notiert.
Die Vorspannungsbatterie wird vom Wandler abgeschaltet, und die Ausgangsspannung des Oszillators 01 mit Hilfe der Dämpfungseinrichtung so einge- stellt, :dass sie so. klein wie möglich, wird, worauf der Schalter SW2', gesehlossen wird, um .den;
Eiehetromkreis zu vervollständigen. Der Ausgang des Verstärkers wird- mit dem Oszillographen verbunden, und wenn die Ver- stärkerausgangisspannung zu: klein ist, um Anzeigen hervorzurufen, wird :diese nur mit Hilfe der Dämpfungseinrichtung und des Oszillators <B>01</B> vergrössert und; nicht .durch eine Neueinstellung des Verstärkers.
Die Frequenz :des Oszillators 01 wird so ein gestellt; 4ass sie gleich .der zu messenden Frequenz wird und der Verstärkerauegang wird auf .das Filter und,das Pegelmesserät umgeschaltet. ]Die Dämpfungseinrichtung wird neu eingestellt-; so, däss', :
das Pegelmess- gerät die gleiche Anzeige gilbt, wie wenn der Wandler erregt wird. Die Ausgangsspan nung -des Oszillators 01 wird: gemessen und die Einstellung .der Dämpfung notiert, Diese ergeben die Eingangsspannung des. Wandlers, welche .gleich der innern, durch die Schwin gungen verursachten E.141..8.. ist.
Aus der E-.141..8. und der EmpfindlichIreit des Wandlers- bei :dieser Frequenz, welche aue den gemessenen Konsta=nten berech net werden muss., kann die Amplitude .der Schwingung abgeleitet werden.
Dieses Vor gehen kann für, alle Harmonischen wieder holt und ihre Pegel in Beziehung zuein- ander und bezüglich .der Grundschwingung auf diese- Weise bestimmt werden.
Der Vorteil der kreisförmigen Zeitablen- lcxngsiinie gegenüber der gewöhnlichen ge- raden. Zeitablenkungslinie besteht darin, dass die gewünschte Schwingung leichter festge stellt werden kann und:
ihre Frequenz. besser bestim -mt werden kann, wenn. periodische Schwingungen vermischt mit nicht perio:di- sehen Schwingungen oder vermischt mit pe- rieditsclien. Schwingungen, die nicht in: harrnoa- nischer Beziehung; zu der betrachteten Fre quenz stehen, beobachtet werden.
Zudem scheint das- Auge fähig zu sein, auf einer polaren, Skala einen gleichförmigeren Ein druck einer Wellenf orm wahrzunehmen, wenn die Frequenzen so, niedrig sind, däss das Flak- kern störend wirkt.. Wenn. :
die betrachteten Schwingungen mehr als üblich nicht periodi sche Schwingungen enthalten, kann die Rückführung der gewünschten geraden Zeil- ablenklinie nicht durch eine vom Wandler ausgang abgeleitete Spannung ,synchronisiert werden, sondern es- muss ein besonderer Oszil- lator zur Steuerung der Rücklauffrequenz verwendet werden, so dass,
ein Oszillograph mit gerader Zeitablenklinie bezüglich Ein fachheit keinen Vorteil gegenüber einem sol chen mitkreisförmigerZeitablenkliniebringt. Eine gerade Zeitskala ist jedoch für die Untersuchung der Symmetrie von Wellen formen usw. absolut notwendig.