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Verfahren zum IVlessen und Aufzeichnen des zeitlichen Verlaufes von
schnell verlaufenden Längenänderungen oder Torsionsschwingungen Zur Bestimmung von
Veränderungen in der Länge durch variable Zug- oder Druckkräfte vorzugsweise periodischer
Natur beanspruchter Stäbe; Balken oder ähnlicher Konstruktionsteile von Gebäuden,
Maschinen o. dgl. sowie zur Messung von Torsionsschwingungen längs Achsen usw: benutzte
man bisher Vorrichtungen, welche entweder diese Längen- oder Winkeländerungen rein
mechanisch registrierten, was wegen der Kleinheit der zu messenden Größe oft schwierig
und meist sehr ungenau bleibt, oder man versuchte, die Längenänderungen oder Verdrehungen
unmittelbar in gleichartige Änderungen elektrischer Ströme überzuführen, indem man
zwischen zwei parallele, mit verschiedenen Querschnitten des zu überwachenden Balkens
o. dgl. fest verbundene Flächen eine Säule von ebenen Kohleplatten anbrachte, deren
elektrischer Übergangswiderstand nach dem bekannten Mikrophonprinzip dem auf sie
wirkenden Drucke einigermaßen proportional sein sollte. Bei Abstandsänderungen.
der beiden Auflageflächen gegeneinander ändert sich dann der Druck infolge der unregelmäßig
verteilten Elastizitäten der Kohleplatten, der Widerlager und innerhalb der auszumessenden
mechanischen Systeme einigermaßen proportional mit den zu messenden Längenänderungen,
solange nicht die Kohleplatten überhaupt durch zu großen Druck zerquetscht werden
oder im entgegengesetzten Falle den Kontakt miteinander verlieren. Infolgedessen
werden die Stromschwankungen in einem an die Kohleplatten angeschlossenen Stromkreise
innerhalb gewisser enger Grenzen einen ungefähren Einblick in die Längenänderungen
oder Verdrehungen in Abhängigkeit von der Zeit gewähren können.
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Solange man die Ausbildung solcher Druckschwankungen durch die auszumessenden
Längen- oder Torsionsschwingungen den Zufälligkeiten der in dem System gerade vorhandenen
elastischen Eigenschaften und deren Verteilung überläßt, führt auch der Ersatz der
Kohleplattensäule durch piezoelektrische Kristalle, doppelbrechende Platten aus
durchsichtgem Material, zu keiner Verbesserung. Quantitative Untersuchungen bleiben
unmöglich.
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Die Erfindung geht nun dahin, daß die Entfernungsänderungen der beiden
mit den betreffenden Ouerschnitten eines Balkens, einer Welle o. dgl. fest verbundenen
ebenen Flächen zunächst quantitativ in Druckänderungen innerhalb eines zwischen
diese beiden Flächen eingespannten mechanischen Systems übergeführt werden, welches
neben einer definierten Elastizität (Feder) eine Druckmeßvorrichtung enthält, bei
welcher die Druckänderung
keine merkliche mechanische Deformation
hervorbringt. Durch die eingeschaltete Elastizität (Feder) werden die Abstandsänderungen
zunächst in diesen genau quantitativ proportionale Druckänderungen übergeführt,
welche dann weiterhin mittels der vorgesehenen Druckmeßvorrichtung, die in irgendeiner
an sich bekannten Art ausgebildet sein kann, gemessen werden.
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Einige Beispiele mögen weiterhin die praktische Anwendung dieses neuen
Verfahrens erläutern.
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Es seien die Längenänderungen eines Trägers in Abhängigkeit von der
mechanischen Beanspruchung zu untersuchen. Zu diesem Zwecke werden in entsprechenden
Abständen voneinander zwei Anschläge K, und KZ an dem Balken starr befestigt, welche
einander parallele und gegenüberstehende ebene Flächen f1 und f2 besitzen. Zwischen
diese beiden Flächen sind nun diejenigen Vorrichtungen eingespannt, welche die Entfernungsänderungen
zwischen den Flächen f,. und f2 in genau proportionale Druckänderungen übertragen,
und ferner diejenigen Vorrichtungen vorgesehen, welche diese Druckänderungen wiederum
in genau proportionale Änderungen eines nicht mit mechanischen Deformationen verbundenen
physikalischen Vorganges umwandeln.
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Als Beispiele für diesen physikalischen Vorgang seien genannt: die
Elektrizitätserregung der piezoelektrischen Kristallplatten, auf welchen den Druckänderungen
proportionale Elektrizitätsmengen erzeugt werden, und weiterhin die den Druckänderungen
proportionalen Änderungen der Doppelbrechung einseitig gepreßter homogener, optisch
durchsichtiger harter Medien, wie z. B. Glas oder amorphes Quarzglas. Die Umwandlungen
der Entfernungsänderung zwischen fl und f2 werden beispielsweise in Abb. r durch
die Feder F bewirkt, welche in den starren dreiteiligen Stab a, b, c zwischen
den Teilstücken a und b eingespannt und so ausgebildet ist, daß in ihr keinerlei
Eigenschwingungen auftreten können, wie z. B. durch Ausbildung dieses federnden
Organs in Gestalt zweier aufgewölbter und mit den hohlen Seiten gegeneinandergekehrter,
am Rande ringsum gegeneinander anliegender Stahlplatten, die in Abb. r dargestellt
sind.
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Dieses Federorgan ist also dazu bestimmt, die Entfernungsänderungen
zwischen den Flächen f, und f. in ihnen genau proportionale Druckänderungen in dem
zwischen den Flächen f, und f2 eingespannten Meßstabsystem a, b, c zu verwandeln.
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Diese Druckänderungen sollen nun weiterhin durch die Vorrichtung Q,
welche in Abb, r als System aufeinandergeschichteter piezoelektrischer Quarzplatten
ausgebildet sei, in beispielsweise elektrische Ladungsänderungen quantitativ umgesetzt
werden, welche in an sich bekannter Weise von einem nur schematisch gekennzeichneten
Saitenelektrometer R oder dergleichen dafür geeigneten Instrument mit gegebenenfalls
meßbar veränderlicher Kapazität dargestellt oder registriert werden.
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Es steht natürlich auch frei, die durch die Variationen elektrischer
- Ladungen auf den Quarzplatten hervorgebrachten Spannungsänderungen auf das Steuergitter
einer Kathodenröhre in an sich bekannter Weise so einwirken zu lassen, daß die Variationen
des Anodenstromes dieser Röhre den Spannungen und damit natürlich auch den Druckänderungen
proportional sind, und daß der zeitliche Verlauf der Anodenströme mittels eines
kurzperiodischen Galvanometersystems aufgezeichnet werde.
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Ein anderes Beispiel für die Anwendung des oben gekennzeichneten,
der Erfindung zugrunde liegenden allgemeinen Prinzips zeigen die Abb. 2 und 3, indem
die Torsionsschwingungen einer rotierenden Welle quantitativ in ihrem zeitlichen
Verlauf aufgezeichnet werden sollen.
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Auf der rotierenden Welle W sind in dem Abstande L die beiden Ringe
K1 und KZ fest aufgesetzt. An diesen beiden Ringen K, und K2 sind j e die starren
Stäbe S, und S2 so befestigt, daß sie mit den einander parallelen Endflächen f,
und f2 einander genau gegenüberstehen. Zwischen diesen Endflächen fl und f 2 ist
dann wiederum das starre Meßstabsystem a, b, c eingespannt, welches dazu
dienen soll, zunächst mittels des zwischen den starren Stabteilen a, b eingeschalteten
federnden Teiles F die Entfernungsänderungen der beiden Flächen f, und
f 2 gegeneinander in genau proportionale Druckänderungen innerhalb des Systems
a, b; c umzusetzen. Ferner befindet sich wiederum in diesem Meßstabsystem
zwischen den starren Teilstäben b und c der druckempfindliche Teil O, welcher aus
hartem Material hergestellt sein soll, so daß die Druckänderungen keinerlei merkliche
mechanische Deformationen in diesem hervorzubringen vermögen. Auch hier wiederum
kann das System Q in an sich bekannter Weise aus piezoelektrischen Kristallplatten
oder aus einem Stoff bestehen, dessen Doppelbrechung dem Druck proportional ist.
Die Anzeigevorrichtung oder die Registrierung der Druckänderungen kann wiederum
in gleicher Weise erfolgen wie bei dem zuerst ausführlich beschriebenen Beispiel.
In dem in den Abb. 2 und 3 beispielsweise dargestellten Falle ist der druckempfindliche
Teil Q als Piezoquarzplattensystem ausgebildet. Die
beiden Belegungen
der Piezoquarzplatten sind über die isolierten Leitungen m und n an die ebenfalls
auf der Welle W, und zwar je isoliert, aufgesetzten Schleifringe r, und r2 geführt,
von wo die erzeugten Elektrizitätsmengen in an sich bekannter Weise über Schleifbürsten
weiter an den Registrierapparat R abgeführt werden.
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Zahlreiche andere Anwendungsmöglichkeiten bieten sich in den verschiedenen
Zweigen der Technik. In all diesen Fällen sollen Entfernungsänderungen entsprechend
den zuerst ausgeführten allgemeinen Grundlinien der Erfindung zunächst durch ein
besonderes Organ in diesen Entfernungsänderungen quantitativ proportionale Druckänderungen
umgesetzt werden, welche anderseits wieder durch ein besonderes Organ, das durch
diese Druckänderungen keine merklichen mechanischen Deformationen erleidet, in an
sich bekannter Weise in den Druckänderungen quantitativ proportionale physikalische
Größen umgesetzt werden, die nunmehr in Abhängigkeit von der Zeit registriert werden
können.
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In all diesen Fällen ist darauf Rücksicht zunehmen, daß sowohl die
Organe, welche zur Umsetzung der Entfernungsänderungen in Druckänderungen dienen
und andererseits zur Messung dieser Druckänderungen benutzt werden, so klein und
leicht sind, daß Massenkräfte, welche durch Erschütterungen des Balkens in irgendeiner
Richtung in diesem System infolge der Trägheit der in ihm enthaltenen Masse auftreten,
auf das Meßergebnis ohne Einfluß bleiben oder doch nur untergeordnete Bedeutung
besitzen können. Die einzelnen Teile des Systems a; b, c, F, O,
welche zwischen
die Flächen f, und f2 eingespannt werden, müssen daher einerseits möglichst kleine
räumliche Abmessungen besitzen und aus möglichst leichtem Material hergestellt sein
sowie anderseits, außer der Feder F, aus Stoffen hergestellt sein, welche mechanischen
Deformationen größten Formwiderstand entgegensetzen.