DE2743989A1

DE2743989A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung der geschwindigkeit von gegenstaenden

Info

Publication number: DE2743989A1
Application number: DE19772743989
Authority: DE
Inventors: Werner Komenda
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1977-09-30
Filing date: 1977-09-30
Publication date: 1979-04-12
Also published as: FR2404856B3; DE2743989C2; FR2404856A1

Description

LEYBOLD-HERAEUS GMBH & CO KG Köln-Bayental

Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit von Gegenständen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Geschwindigkeit von Gegenständen. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei der Messung der Geschwindigkeit von Gegenständen, Körpern, Massen oder dgl., insbesondere im experimentalphysikalischen Unterricht, besteht immer das Problem, daß diese Messung möglichst ohne Beeinflussung, d.h. Berührung, des sich bewegenden Gegenstandes erfolgen soll. Ein bekanntes Hilfsmittel ist z.B. der Funkenschreiber, der jedoch einen relativ großen experimentellen Aufwand erfordert und darüber hinaus noch langwierige Auswertearbeiten nötig macht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es , ein Verfahren zur Messung der Geschwindigkeit eines Gegenstandes anzugeben, bei dem die Messung berührungsfrei, ohne hohen apparativen Aufwand und in einfacher Weise durchgeführt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß mit dem Gegenstand ein magnetisches Feld mit bewegt wird, daß der Gegen-

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stand derart seitlich an mindestens einer Spule vorbeigeführt wird, daß die Spulenachse etwa senkrecht zur Bewegungsrichtung liegt, und daß das in den Spulen induzierte Spannungssignal, das ein Maß für die Geschwindigkeit des Gegenstandes ist, gemessen wird. Als besonders vorteilhaft haben sich zwei etwa koaxial angeordnete Spulen erwiesen, zwischen denen der Gegenstand, dessen Geschwindigkeit gemessen werden soll, hindurchgeführt wird. Bei diesem Verfahren wird in beiden Spulen ein Spannungssignal erzeugt, das addiert und gemessen werden kann.

Die Größe des von der oder den Spulen abgegebenen Spannungssignals ist überraschenderweise der Momentangeschwindigkeit des sich bewegenden Gegenstandes direkt proportional, ist also als lineares Maß zur Geschwindigkeitsmessung geeignet. Die Auswertung kann deshalb z.B. in einfacher Weise mit Hilfe eines t-y-Schreibers durchgeführt werden, der inzwischen zur Standardausrüstung von Schulen gehört. Auch ein Oszilloskop, gegebenenfalls mit einem Speicher kann Verwendung finden.

Eine für die Durchführung des Meßverfahrens nach der Erfindung besonders geeignete Vorrichtung ist durch mindestens eine Ringspule - zweckmäßig zwei koaxial angeordnete Ringspulen - gekennzeichnet, deren Achse etwa senkrecht zur Bewegungsrichtung des Gegenstandes angeordnet ist. Bei der Verwendung von zwei Spulen sind diese zweckmäßig derart hintereinander geschaltet, daß der durch die induzierten Spannungen erzeugte Meßstrom die Spulen in entgegengesetztem Richtungssinn durchfließt. Dann wird das gesamte Spannungssignal möglichst groß. Diese Art der Hintereinanderschaltung ermöglicht die Auswertung und Demonstration der Spannungssignale und damit der Geschwindigkeiten mit Hilfe eines registrierenden Meßgerätes.

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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere geeignet für die Untersuchung und experimentelle Demonstration mechanischer Schwingungen einer federnd aufgehängten Masse. Weist diese Masse ein Magnetfeld auf und schwingt sie derart zwischen den Spulen eines Spulenpaares nach der Erfindung, daß ihre Amplitude kleiner ist als der Durchmesser der Spulen, dann entspricht das in dem Spulenpaar erzeugte Spannungssignal und damit das auf dem Meßgerät erscheinende Bild der Momentangeschwindigkeit des Gegenstandes. Zweckmäßig ist die Amplitude des schwingenden Massepunktes nicht größer als 1/2r da - wie Messungen ergeben haben in diesem Bereich das vom Gegenstand in den Spulen induzierte Signal direkt proportional zur Momentangeschwindigkeit ist. Durch elektronische Differenzier- oder Integrierglieder können aus dem Geschwindigkeitssignal ein Beschleunigungs- bzw. Wegsignal gewonnen werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand eines in der Figur schematisch dargestelltenAusführungsbeispieles erläutert werden.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel dient der Untersuchung der Schwingungen einer an einer Feder 1 aufgehängten Masse 2, die von einem Scheibenmagnet gebildet wird. Zur Untersuchung der Geschwindigkeit des schwingenden Gegenstandes sind die koaxial angeordneten Ringspulen 3 und 4 vorgesehen, zwischen denen sich der Schwingungsweg des Scheibenmagneten 2 - angedeutet durch den Doppelpfeil 6 - befindet. Sowohl die Spulen 3 und 4 als auch die Feder 1 sind an dem mit 7 bezeichneten Stativ gehaltert.

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Infolge der Bewegung des Scheibenmagneten 2 zwischen den Spulen 3 und 4 wird in diesen Spulen ein Spannungssignal erzeugt, über die Leitung 8 sind die Spulen derart miteinander verbunden, daß dasSpannungssignal sich addiert. Dieses Summensignal wird dann über dieLeitungen 9 und 10 dem t-y-Schreiber 11 zugeführt, der direkt die Geschwindigkeit-Zeit-Kurve liefert. Nach erfolgter Eichung z.B. mit der Beziehung^ = J · 0? (V = Ge-

max max max

schwindigkeitsamplitude; 5 = Schwingungsamplitude,

max

CD = Kreisfrequenz der Schwingung) läßt sich auch die Momentangeschwindigkeit zu jedem Zeitpunkt der Bewegung anhand des Diagramms bestimmen.

Unterhalb des Scheibenmagneten 2 ist noch ein in seiner Höhe verstellbarer metallischer Becher 12 vorgesehen, der so weit nach oben verschoben werden kann, daß der Scheibenmagnet 4 beim Schwingen verschieden tief in die Öffnung des Bechers 12 eintaucht und dabei bremsende Wirbelströme erzeugt. So können verschieden große Schwingungsdämpfungen untersucht und demonstriert werden. Anstelle des Bechers kann auch eine anders geformte metallische Wand vorgesehen sein. ,

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit ist vielseitig einsetzbar. Sollen z.B. schwingende Systeme von mehreren, z.B. miteinander gekoppelten Massepunkten untersucht werden, dann ist zweckmäßig jedem der Gegenstände eine Vorrichtung nach der Erfindung zuzuordnen. Die Anwendung der Erfindung ist jedoch nicht auf schwingende Systeme beschränkt. Auch durch das Spulenpaar - oder mehrere hintereinander angeordnete Spulenpaare hindurchgeführte, sich linear bewegende Gegenstände, z.B. Wagen, Gleiter oder dgl. können hinsichtlich ihrer Geschwindigkeit

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untersucht werden. Natürlich ist auch die Umkehrung möglich, d.h., das sich bewegende Objekt trägt das Spulenpaar, während der Magnet oder mehrere hintereinander angeordnete Magneten umher. Das gleiche gilt auch für Gravitationspendel, Drehpendel oder Bewegungen auf Kreisbögen bzw. Kurvenstücken veränderlicher Krümmung. In der Regel wird das ein Dipolfeld eines Stab-, Scheiben- oder Elektromagneten sein. Dieses erzeugt in einem Spulenpaar nach der Erfindung ein geschwindigkeits-proportionales Signal. Wesentlich ist nur, daß mit ihnen ein Magnetfeld mitbewegt wird.

Zur Vermeidung von Wirbelströmen, die eine bremsende Rückwirkung auf das Meßobjekt haben, besteht der Spulenkörper zweckmäßig aus Nichtmetall. Auch alle anderen in der Umgebung des Meßobjektes befindlichen Bauteilen, z.B. Schienen, Gleitflächen usw. bestehen aus diesem Grunde zweckmäßig aus Nichtmetall. Das Spulenpaar oder jede einzelne Spule kann weiterhin zweckmäßig eine Ummantelung aus Nichteisen-Material aufweisen. Eine solche Abschirmung unterdrückt StörSignale (Rauschen) in den Spulen. Zur Vermeidung von Wirbelströmen weist die Ummantelung zweckmäßig eine isolierende Unterbrechung auf. Aus dem gleichen Grund können die Spulenausgänge auch mit Siebketten oder Tiefpassfilter beschaltet sein.

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Claims

77.031

ANSPRÜCHE

/ 1./Verfahren zur Messung der Geschwindigkeit eines Gegenstandes, ^-/ dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Gegenstand (2) ein magnetisches Feld mitbewegt wird, daß der Gegenstand derart seit-^ lieh an mindestens einer Spule (3 oder 4) vorbeigeführt wird, daß die Spulenachse etwa senkrecht zur Bewegungsrichtung liegt, und daß das in der Spule induzierte Spannungssignal, das ein Maß für die Geschwindigkeit des Gegenstandes ist, gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der

• Gegenstand (2) zwischen zwei etwa koaxial angeordneten Spulen (3,4) hindurchgeführt wird und daß die beiden in den Spulen erzeugten Spannungssignale addiert und dann gemessen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von der oder den Spulen (3,4) abgegebenen Signale mit Hilfe eines t-y-Schreibers, Oszilloskops oder Speicher-Oszilloskops (11) registriert werden.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Meßverfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens eine mit ihrer Achse senkrecht zur Bewegungsrichtung des Gegenstandes (2) angeordnete Spule (3 oder 4) aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein etwa koaxial angeordnetes Paar von Spulen (4,3) vorge-

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sehen ist, die - bezogen auf den Weg des Gegenstandes einander gegenüberliegend angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (3,4) derart hintereinander geschaltet sind, daß sich die in den einzelnen Spulen induzierten Spannungswerte derart addieren, daß das gesamte Spannungssignal möglichst groß ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung und Demonstration der von den Spulen (3,4) gelieferten Spannungssignale ein t-y-Schreiber (11) oder ein Oszilloskop, z.B. mit Speicher vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß Ringspulen (3,4) vorgesehen sind und daß der Abstand der Spulen ungefähr r · W3 beträgt, wobei r der Radius der Spule ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Ringspulen im Abstand 1/2r · 1/3 parallel zum Meßweg angeordnet sind.
10.Vorrichtung zur Untersuchung mechanischer Schwingungen eines schwingenden oder pendelnden, ein/&fj/ Magnetfeld aufweisenden Gegenstandes (Federpendel, Gravitationspendel, Drehpendel oder dgl.)_/ gekennzeichnet* durch eine Spule oder ein Spulenpaar nach einem der Ansprüche 4 bis 9.
11.Vorrichtung nach Anspruch 10,dadurch gekennzeichnet, daß dem schwingenden Gegenstand (2) ein verschiebbarer, metallischer

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Becher (12) oder eine verschiebbare, beliebig geformte metallische Wand zugeordnet ist.
12.Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem System von mehreren schwingenden Gegenständen jedem der Gegenstände eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9 zugeordnet ist.
13,Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkörper aus Nichtmetall besteht.
14.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß entweder jede Spule oder das gesamte Spulenpaar mit Hilfe einer metallischen Ummantelung aus Nichteisen-Material abgeschirmt sind.
15.Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung zur Vermeidung der Entstehung von Wirbelströmen eine isolierende Unterbrechung aufweist.

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